張旭貴

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041)

降低鋁電解生產(chǎn)成本是提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的根本,節(jié)能降耗是降低成本的重要措施。鋁電解企業(yè)一方面通過(guò)多種措施降低電解槽的能源消耗,同時(shí)還在盡力節(jié)約生產(chǎn)過(guò)程的物料消耗。預(yù)焙陽(yáng)極是鋁電解生產(chǎn)的重要原料,陽(yáng)極費(fèi)用是原鋁成本的重要組成部分,可以占到鋁電解成本10%以上。影響陽(yáng)極費(fèi)用的重要指標(biāo)是陽(yáng)極毛耗,因此陽(yáng)極毛耗是電解鋁企業(yè)非常關(guān)注的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)[1-3]。

影響陽(yáng)極毛耗的因素很多,這些因素可以分成陽(yáng)極生產(chǎn)過(guò)程的影響因素和鋁電解生產(chǎn)過(guò)程的影響因素[4]。陽(yáng)極生產(chǎn)過(guò)程的影響因素包括,原料控制,生產(chǎn)工藝參數(shù),陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等[4-7];鋁電解生產(chǎn)過(guò)程的影響因素包括,電解槽的設(shè)計(jì),筑爐質(zhì)量,生產(chǎn)管理、作業(yè)質(zhì)量,是否使用陽(yáng)極保護(hù)環(huán)等[4, 8-10]。其中優(yōu)化陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)降低陽(yáng)極毛耗的快速有效途徑。

優(yōu)化陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以提高陽(yáng)極的利用效率,降低陽(yáng)極毛耗[4,11]。優(yōu)化陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)可以從提高陽(yáng)極炭塊高度、優(yōu)化陽(yáng)極炭塊頂部形狀、降低碳碗深度等方面入手。優(yōu)化陽(yáng)極炭塊頂部形狀可在不影響其他指標(biāo)的情況下降低陽(yáng)極毛耗。若殘極厚度維持固定水平,提高陽(yáng)極炭塊高度,陽(yáng)極毛耗降低,不足之處是陽(yáng)極炭塊壓降提高,理論上會(huì)提高鋁液直流電耗,提高陽(yáng)極炭塊高度產(chǎn)生的收益需要進(jìn)行理論分析。而降低碳碗深度和提高陽(yáng)極炭塊高度的效果類似。

某企業(yè)結(jié)合自身的鋁電解生產(chǎn)實(shí)際,開(kāi)展了陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化的生產(chǎn)實(shí)踐,首先進(jìn)行了陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)分析,采用仿真計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后陽(yáng)極炭塊的使用效果進(jìn)行了分析,確定了優(yōu)化方案,然后在電解槽上進(jìn)行了應(yīng)用,并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)評(píng)估。

1 陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化效益簡(jiǎn)析

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,以僅提高炭塊高度進(jìn)行分析。目前鋁電解企業(yè)在生產(chǎn)中,殘極高度基本恒定,若設(shè)定陽(yáng)極炭塊高度提高前后殘極高度恒定,則陽(yáng)極炭塊高度提高后陽(yáng)極毛耗降低ΔW如式(1)所示[11]。

ΔW=W毛×[1-(H0-H殘)/(H-H殘)]

(1)

式中:ΔW——陽(yáng)極炭塊高度提高后陽(yáng)極毛耗降低數(shù)量,t/t-Al;

W毛——陽(yáng)極炭塊高度提高前陽(yáng)極毛耗,t/t-Al;

H0——陽(yáng)極炭塊高度提高前陽(yáng)極炭塊高度,mm;

H——陽(yáng)極炭塊高度提高后陽(yáng)極炭塊高度,mm;

H殘——?dú)垬O高度,mm。

如果考慮殘極價(jià)值,則由于陽(yáng)極毛耗降低帶來(lái)的效益增加B增加如式(2)所示。

B增加=W毛×[1-(H0-H殘)/(H-H殘)]×(Cp-C殘)

(2)

如果不考慮殘極回收價(jià)值,則由于陽(yáng)極毛耗降低帶來(lái)的效益增加B增加如式(3)所示。相比之下不計(jì)殘極價(jià)值時(shí),產(chǎn)生的收益更大。

B增加=W毛×[1-(H0-H殘)/(H-H殘)]×Cp

(3)

式中:B增加——陽(yáng)極毛耗降低帶來(lái)的效益增加,元/t-Al;

Cp——陽(yáng)極價(jià)格,元/t;

C殘——?dú)垬O價(jià)格,元/t。

陽(yáng)極炭塊高度提高后,工作狀態(tài)的陽(yáng)極壓降增加,根據(jù)仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,得出工作狀態(tài)陽(yáng)極炭塊壓降U和陽(yáng)極炭塊高度H有如下近似關(guān)系。

U=0.7×H工作+U0

(4)

式中:0.7——比例系數(shù),V/m;

U——工作狀態(tài)陽(yáng)極壓降,mV;

H工作——工作狀態(tài)陽(yáng)極炭塊高度,mm;

U0——常數(shù),mV。

則,由于陽(yáng)極壓降增加造成的效益降低B降低如下式所示。

B降低=0.7×(H-H0)C電/(0.3356η)

(5)

式中:0.3356——鋁的電化學(xué)當(dāng)量,g/(A·h);

B降低——陽(yáng)極壓降提高造成的效益降低,元/t-Al;

C電——電價(jià),元/kWh;

η——電流效率。

基于以上分析,陽(yáng)極炭塊高度提高對(duì)噸鋁的成本B影響如下式所示。

B=W毛×[1-(H0-H殘)/(H-H殘)]×(Cp-C殘)

-0.7×(H-H0)C電/(0.3356η)

(6)

以某企業(yè)為例進(jìn)行核算,某企業(yè)陽(yáng)極炭塊高度650 mm,殘極平均高度150 mm,陽(yáng)極毛耗0.485 t/t-Al,陽(yáng)極價(jià)格3000元/t,殘極價(jià)格1400元/t,電價(jià)0.35元/kWh,電流效率91.66%。圖1給出陽(yáng)極炭塊高度與產(chǎn)生效益的變化。結(jié)果表明,在其他條件不變的情況下,提高陽(yáng)極炭塊高度,可以產(chǎn)生正向效益,隨著炭塊高度增加,產(chǎn)生效益提高。

圖1 陽(yáng)極炭塊高度與產(chǎn)生的收益

結(jié)合陽(yáng)極炭塊頂部形狀優(yōu)化、降低碳碗深度和提高鋁電解作業(yè)質(zhì)量將進(jìn)一步降低陽(yáng)極毛耗,提高企業(yè)收益。

2 陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真計(jì)算及方案制定

某企業(yè)原來(lái)使用的陽(yáng)極炭塊尺寸為1770 mm×770 mm×650 mm,碳碗深度130 mm,縱向雙開(kāi)槽,單塊陽(yáng)極炭塊理論重量1252 kg。陽(yáng)極周期為34天,殘極平均高度150 mm,陽(yáng)極毛耗485 kg/t-Al。

為了進(jìn)一步降低陽(yáng)極毛耗,分析陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)實(shí)際情況,提出的炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施為:

(1)增加陽(yáng)極炭塊高度

根據(jù)文中分析,提高陽(yáng)極炭塊高度,可以產(chǎn)生正向效益,隨著炭塊高度增加,產(chǎn)生效益提高。測(cè)量電解槽上部結(jié)構(gòu)尺寸后,發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極炭塊高度可增加的最大量為15 mm。陽(yáng)極炭塊高度大于665 mm后,將影響換極作業(yè)。因此,將陽(yáng)極炭塊高度從650 mm增加至665 mm。

(2)頂部形狀優(yōu)化

陽(yáng)極炭塊高度不變時(shí),如果減少頂部質(zhì)量分?jǐn)?shù),可以降低殘極率,降低陽(yáng)極毛耗。某企業(yè)原來(lái)使用的陽(yáng)極炭塊頂部為棱臺(tái)狀,頂部凸臺(tái)碳碗磷生鐵陽(yáng)極長(zhǎng)度方向到倒角邊距離130 mm,碳碗磷生鐵陽(yáng)極寬度方向到倒角邊距離80 mm,有較大的優(yōu)化空間。為減少頂部質(zhì)量分?jǐn)?shù),陽(yáng)極炭塊頂部形狀由棱臺(tái)狀調(diào)整為葫蘆形。

(3)降低碳碗深度

某企業(yè)原來(lái)使用的陽(yáng)極炭塊碳碗深度130 mm,單塊陽(yáng)極炭塊理論重量1252 kg。降低碳碗深度可為延長(zhǎng)陽(yáng)極使用周期提供前提條件。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)碳碗深度有降低的潛力,根據(jù)陽(yáng)極碳碗結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果和工程力學(xué)計(jì)算,將陽(yáng)極炭塊碳碗深度從130 mm降低至125 mm。

陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化后還采用仿真模擬的手段對(duì)比了開(kāi)槽與不開(kāi)槽兩種情況的應(yīng)用效果。主要邊界條件,陽(yáng)極電流密度平均0.749 A/cm2,不同溫度下預(yù)焙陽(yáng)極電阻率55.6-3.11×10-3T-24.1×10-6T2μΩ·m,電解質(zhì)溫度955 ℃,電解質(zhì)電導(dǎo)率2.22 S/cm,電解質(zhì)水平18 cm,鋁水平32 cm,覆蓋料厚度25 cm,不同溫度下陽(yáng)極覆蓋料導(dǎo)熱系數(shù)2.16-0.365×10-2T+0.0558×10-4T2W/m·K,式中T表示絕對(duì)溫度,單位K。首先模擬了陽(yáng)極工作狀態(tài)下陽(yáng)極炭塊壓降,結(jié)果如圖2所示。

圖2 陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后陽(yáng)極炭塊壓降仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化前后的陽(yáng)極仿真計(jì)算結(jié)果,優(yōu)化前后的陽(yáng)極炭塊壓降見(jiàn)表1,優(yōu)化后的不開(kāi)槽陽(yáng)極電壓降較優(yōu)化前上升約0.011 V,優(yōu)化后的開(kāi)槽陽(yáng)極較優(yōu)化前陽(yáng)極開(kāi)槽壓降升高0.014 V。

表1 陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后陽(yáng)極炭塊壓降仿真計(jì)算結(jié)果

同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后陽(yáng)極炭塊的電流分布進(jìn)行了仿真計(jì)算,結(jié)果如圖3所示。

圖3 陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后陽(yáng)極炭塊電流密度仿真計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的陽(yáng)極炭塊,電流分布的均勻性未發(fā)生明顯的改變,在陽(yáng)極炭塊中存在的最小電流密度顯著升高,電流分布均勻性得到一定程度改善。

表2 陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后陽(yáng)極炭塊電流密度仿真計(jì)算結(jié)果

從陽(yáng)極炭塊電流密度分布、陽(yáng)極炭塊壓降分析,結(jié)合某企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際,采用了優(yōu)化后不開(kāi)槽陽(yáng)極方案,優(yōu)化后陽(yáng)極炭塊單塊重量1281 kg,比優(yōu)化前理論重量增加29 kg,該方案還有利延長(zhǎng)陽(yáng)極周期。

3 陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化后鋁電解生產(chǎn)實(shí)踐

陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化后進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用,為了降低陽(yáng)極毛耗,企業(yè)提高了鋁電解作業(yè)質(zhì)量,殘極厚度進(jìn)一步降低,殘極厚度平均136 mm。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的陽(yáng)極炭塊工業(yè)應(yīng)用1年后,對(duì)鋁電解運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表3所示。陽(yáng)極使用周期延長(zhǎng)2天,換極對(duì)電解槽的影響降低,電解槽年平均運(yùn)行電壓3.970 V,較陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化前提高5 mV。陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化后年電流效率91.76%,比優(yōu)化前提高0.10%。直流電耗12,893 kWh/t-Al,比優(yōu)化前高2 kWh/t-Al。陽(yáng)極毛耗473 kg/t-Al,比優(yōu)化前降低12 kg/t-Al。

表3 陽(yáng)極結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后電解槽經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

4 陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)評(píng)估

某企業(yè)年產(chǎn)原鋁40萬(wàn)噸,電流效率提高0.1%,每年多產(chǎn)鋁約400噸,按鋁價(jià)1.35萬(wàn)元/噸,多消耗氧化鋁768噸,按氧化鋁價(jià)格2200元/噸,產(chǎn)生效益371.04萬(wàn)元。直流電耗提高2 kWh/t-Al,電價(jià)按照0.35元/kWh計(jì)算,相當(dāng)于噸鋁成本提高0.7元;陽(yáng)極毛耗降低12 kg/t-Al,陽(yáng)極價(jià)格按照3000元/t計(jì)算,相當(dāng)于噸鋁成本降低36元,綜合考慮,噸鋁成本降低35.3元,企業(yè)年降本1412萬(wàn)元。陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,每年創(chuàng)效共計(jì)1783.04萬(wàn)元。

陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,陽(yáng)極換極周期延長(zhǎng),還帶來(lái)一系列的有益效果,包括降低磷生鐵澆鑄、陽(yáng)極運(yùn)輸、清理殘極等方面成本。

5 結(jié) 論

某鋁電解企業(yè)通過(guò)增加陽(yáng)極炭塊高度、優(yōu)化陽(yáng)極炭塊頂部形狀、降低陽(yáng)極炭塊碳碗深度等措施優(yōu)化陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu),并采用仿真計(jì)算對(duì)優(yōu)化后陽(yáng)極的使用效果進(jìn)行了分析,確定了優(yōu)化方案。陽(yáng)極炭塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化后開(kāi)展了工業(yè)實(shí)踐,結(jié)合提高生產(chǎn)作業(yè)質(zhì)量,陽(yáng)極使用周期延長(zhǎng),鋁電解能耗基本不變,電流效率提高0.10%,陽(yáng)極毛耗降低12 kg/t-Al,為企業(yè)產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。