趙 成
(陜西美鑫產(chǎn)業(yè)投資有限公司,陜西 銅川 727000)
20世紀(jì)50年代以來,我國鋁生產(chǎn)工藝迅速發(fā)展,如今已構(gòu)建了一條較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈,為我國經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)提供了有力的鋁材支持。新時期,我國鋁產(chǎn)量已躍居全球前列,但我國電解鋁生產(chǎn)工藝仍處在相對落后的水平,電解鋁生產(chǎn)不僅會產(chǎn)生極大的能源消耗,還會對生態(tài)環(huán)境造成一定程度的破壞。因此,推進(jìn)對電解鋁生產(chǎn)工藝的優(yōu)化研究,對降低電解鋁生產(chǎn)能耗、提升電解鋁生產(chǎn)環(huán)保水平有著十分積極的意義。近年來,雖然我國相關(guān)企業(yè)不斷提高對電解鋁生產(chǎn)工藝優(yōu)化研究的重視程度,但在實踐中仍面臨諸多問題,不僅要考慮如何降低生產(chǎn)能耗,還要考慮生產(chǎn)電壓的穩(wěn)定性,以免對電解槽熱吸收、產(chǎn)品質(zhì)量等造成不利影響[1]。因此,技術(shù)人員需要對各項因素進(jìn)行綜合分析,有針對性地解決實際操作中遇到的各類問題,達(dá)到理想的優(yōu)化效果。
電解鋁產(chǎn)業(yè)廣泛分布于我國內(nèi)蒙古、新疆、云南、山東等地區(qū),在各地區(qū)電力成本差異因素的影響下,近年來,以上地區(qū)憑借自身的電力成本優(yōu)勢,電解鋁產(chǎn)能占比不斷提升,而之前的電解鋁大省河南的電解鋁產(chǎn)能逐步由國內(nèi)首位下降至第四位。受成本、資源等一系列因素的影響,電解鋁行業(yè)大多分布在西部資源相對豐富的地區(qū),占比約63.1%。現(xiàn)階段,我國電解鋁產(chǎn)業(yè)用電來源主要為火電,占比超過80.0%,通過火電生產(chǎn)1.0 t電解鋁對應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳在11.2 t左右,由此可見,長期通過火電生產(chǎn)電解鋁,會對生態(tài)環(huán)境造成較為嚴(yán)重的破壞。
電解鋁行業(yè)作為一個高耗能行業(yè),電力消耗尤為突出,這也是電解鋁生產(chǎn)中成本消耗最大的一環(huán)。隨著國際能源價格不斷提高,一些能源緊缺地區(qū)的電解鋁產(chǎn)業(yè)逐步退出電解鋁生產(chǎn)舞臺。面對市場競爭日趨白熱化的電解鋁行業(yè),廣大企業(yè)希望通過優(yōu)化電解鋁生產(chǎn)工藝達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。其中,部分企業(yè)的生產(chǎn)工藝優(yōu)化效果并不顯著,難以在控制能耗的同時確保產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到要求;一些企業(yè)則在電解鋁生產(chǎn)實踐中提出通過強(qiáng)化電流應(yīng)對電壓不足的問題,然而,由于整流系統(tǒng)性能難以達(dá)到相關(guān)要求,優(yōu)化效果不盡如人意。從根本上而言,因為電壓與電流效率呈正相關(guān),所以必須構(gòu)建電壓與電流的協(xié)調(diào)關(guān)系,這就要依托復(fù)雜的數(shù)字建模才能實現(xiàn),難度較大。此外,還有一些企業(yè)試圖通過加大管理力度推進(jìn)對電解鋁生產(chǎn)流程的優(yōu)化整合,達(dá)到了一定的效果,但尚未實現(xiàn)根本性突破。總體而言,因為如今我國電解鋁生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝研發(fā)上投入的資金仍有限,所以電解鋁生產(chǎn)能耗優(yōu)化效果仍不夠明顯。
電解鋁生產(chǎn)用到的原材料主要包括以下3種:(1)原料,即氧化鋁,其熔點、沸點分別為2 050、3 000 ℃,具有極佳的流動性,可溶于水晶石熔體,不溶于水;(2)熔劑,即氧化鹽,主要包括氟化鋁、氟化鎂、氟化鈉、氟化鈣、水晶石等;(3)陽極材料,也就是預(yù)焙炭塊。
如今的電解鋁生產(chǎn)實踐仍廣泛應(yīng)用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法來制鋁,用到的生產(chǎn)設(shè)備主要為鋁電解槽,化學(xué)反應(yīng)公式可概述為:
在電解鋁生產(chǎn)實踐中,電解槽要長期處在溫度偏高,電流、磁場、腐蝕性都較強(qiáng)的生產(chǎn)環(huán)境中。在電解槽中,溶劑為處在熔融狀態(tài)下的冰晶石,溶質(zhì)為氧化鋁,陰陽極為碳素材料。將電解槽與直流電連接后,將溫度調(diào)控在合理范圍內(nèi),在此過程中,電解槽中會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),并在陰極上形成鋁液,在陽極上形成二氧化碳、一氧化碳等污染性氣體,經(jīng)由一系列處理,最終澆筑獲得鋁錠[2]。在此期間,連接直流電一方面是為了借助直流電的熱能,使水晶石轉(zhuǎn)化成熔融狀態(tài),同時處在恒定的電解電流下;另一方面是為了促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。
需要注意的是,在電解鋁生產(chǎn)實踐中,液體電解質(zhì)是促成電解過程順利開展的一大前提。液體電解質(zhì)即冰晶石—氧化鋁均勻熔融體,冰晶石在其中的占比約為85.0%。冰晶石中包含的氟化鈉與氟化鋁物質(zhì)的量之比被稱作分子比。在電解鋁生產(chǎn)實踐中,電解質(zhì)分子比應(yīng)調(diào)控在合理范圍內(nèi)。另外,從理論層面而言,在電解鋁生產(chǎn)實踐中,冰晶石不會被消耗,但實際上,因為冰晶石中的氟化鋁會被電解液中的水分分解或者產(chǎn)生一定的揮發(fā),同時氟化鈉受電解槽吸收、機(jī)械損耗等因素的影響,也會產(chǎn)生相應(yīng)的損耗。
電解鋁生產(chǎn)中的電解槽主要由陽極炭塊組、碳陰極、側(cè)壁、槽殼以及導(dǎo)電母線等構(gòu)成。(1)陽極炭塊組,包括陽極炭塊、鋼爪、鋁導(dǎo)桿等部分,其中,鋁導(dǎo)桿最重要,其對陽極母線可發(fā)揮有效的固定作用。在電解槽中,陽極電流密度與電流呈負(fù)相關(guān)。為了使電解槽中生產(chǎn)出更多的鋁,需要以相對低的電耗開展生產(chǎn)。(2)碳陰極。在電解鋁生產(chǎn)實踐中,陰極作為一種容器,主要由陰極導(dǎo)電棒、碳素內(nèi)襯、邊部炭塊及底部炭塊等構(gòu)成,主要用于盛放熔融狀態(tài)下的電解液[3]。需要注意的是,應(yīng)于底部炭塊下設(shè)置耐火材料。另外,碳陰極還可用于電流傳導(dǎo)。(3)側(cè)壁。作為陽極電解槽中的重要組成部分,側(cè)壁的構(gòu)成材料與炭塊一致。在生產(chǎn)實踐中,側(cè)壁要具備可靠的絕緣性、導(dǎo)熱性,以此發(fā)揮保護(hù)層的作用。(4)槽殼以及導(dǎo)電母線。在電解鋁生產(chǎn)實踐中,電解槽的槽殼與導(dǎo)電母線呈串聯(lián)關(guān)系,連接直流電后,電流從導(dǎo)電母線傳輸至槽殼。
當(dāng)前,我國獨立開展的電解鋁生產(chǎn)技術(shù)研究仍處在發(fā)展階段,不論是相關(guān)技術(shù)條件還是實踐經(jīng)驗,均較為缺乏,在研究探索中遇到了諸多難題,加之相關(guān)科研人員對特大型鋁電解槽技術(shù)的研究還有待深入,導(dǎo)致電解鋁生產(chǎn)技術(shù)在電解鋁生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用效果仍不盡如人意,電解鋁生產(chǎn)流程、產(chǎn)品的相關(guān)指標(biāo)還難以達(dá)到行業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)。
如今,電解鋁生產(chǎn)企業(yè)對新型工藝設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用效果還有待提升,尤其是在一些電解鋁生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié),對相關(guān)陰極破損原理、規(guī)律等掌握不足,難以有效延長電解槽的使用周期,導(dǎo)致電解槽難以遵照特定使用年限正常生產(chǎn),設(shè)備損壞率過高。此外,在焙燒過程中,多見電流分布不均勻現(xiàn)象,會產(chǎn)生極大的能量消耗,導(dǎo)致運行期間電解槽物理場受到不穩(wěn)定影響,無法有效調(diào)控?zé)崞胶?,再加上電解槽電阻有著高度的敏感性,極易受到外部因素的影響,電解槽出現(xiàn)的慣性及陽極效應(yīng)難以得到有效調(diào)控。所以,一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定因素,便會對電解鋁生產(chǎn)的有序開展造成不利影響。
隨著我國市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷深入,近年來,鋁產(chǎn)品價格呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。在此情形下,出于對電能使用成本的考慮,越來越多電解鋁生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)實踐中廣泛采用低電壓工藝,受電解槽設(shè)計不合理、技術(shù)不完善、操作水平不足等一系列因素的影響,電解槽整體效率難以得到保證,特別是隨著電解槽使用時間的延長,爐底狀態(tài)不斷惡化,陰極大幅磨損,石墨抗沖蝕能力減弱,導(dǎo)致安全風(fēng)險不斷加大,不利于電解鋁生產(chǎn)的有序開展。
如今,電解鋁生產(chǎn)實踐主要將大量電解槽串聯(lián)在一起,以建立一個生產(chǎn)系列,并基于此開展生產(chǎn)工作。受直流電流影響,電解槽中會迅速形成各種反應(yīng),包括電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)以及物理反應(yīng)等,并在這些生產(chǎn)體系中產(chǎn)生相互聯(lián)系且富于變化的電場、磁場、溫度場、熔體流動場等物理場。由于電解槽中的高溫熔體有著突出的腐蝕性,同時難以對其濃度、溫度等相關(guān)指標(biāo)開展實時檢測,為了及時獲取有價值的數(shù)據(jù),需要在生產(chǎn)實踐中對電解槽狀況、熱平衡、物料平衡等指標(biāo)開展有效調(diào)控。在此過程中,自動化技術(shù)可提供有力支持。換言之,在如今的信息時代背景下,企業(yè)可利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)有效提升指標(biāo)調(diào)控能力,達(dá)到節(jié)約人力成本、節(jié)能減排、減少生態(tài)污染等目的[4]?;诖?,企業(yè)需要不斷推進(jìn)自身的信息化、自動化建設(shè),通過強(qiáng)化員工的信息化意識,培養(yǎng)員工的實踐操作能力,有效發(fā)揮信息化技術(shù)在重要指標(biāo)調(diào)控中的自動化作用,并及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中潛在的安全風(fēng)險,保障電解鋁生產(chǎn)的安全有序開展。
首先,平均電壓優(yōu)化。平均電壓優(yōu)化也就是對工作電壓進(jìn)行調(diào)控,讓母線電壓、分?jǐn)傠妷罕3衷谙鄬ζ偷碾妷核健R驗殡娊怃X生產(chǎn)中的整體工作電壓并非單一電壓,而是由大量不同電壓體系構(gòu)成,所以應(yīng)借助多級優(yōu)化形式對其開展降壓優(yōu)化。第一步應(yīng)調(diào)節(jié)效應(yīng)時間,同時通過加大效應(yīng)間隔,有效減小效應(yīng)系數(shù)作用。同時,電解槽結(jié)構(gòu)會受到電壓中母線電壓的影響,因此,可從接觸面壓降切入,在確保立柱母線、卡具等部分接觸面有效清潔的基礎(chǔ)上,將電壓調(diào)控至10 mV內(nèi)。此外,在平均電壓優(yōu)化過程中,鑒于整體生產(chǎn)操作受到分子比低的影響,應(yīng)選擇低分子比操作。結(jié)合電解鋁生產(chǎn)實際,第一步消除電解槽中的2.90分子比,確保電解槽穩(wěn)定后,將分子比有序調(diào)至2.85、2.80,有效提升電解鋁生產(chǎn)實踐中的電流使用效率,減少電能消耗。
其次,電流效率優(yōu)化。這一優(yōu)化過程要從指標(biāo)調(diào)節(jié)切入,依托溫槽智能調(diào)節(jié),讓分子比與過熱度處在相對合理的區(qū)間。當(dāng)溫度偏高時,應(yīng)將分子比調(diào)至下限值水平,相反則應(yīng)保持在上限值水平。結(jié)合電解槽冷熱行程轉(zhuǎn)變規(guī)律,調(diào)節(jié)氟鹽添加量,將分子比控制在合理區(qū)間?,F(xiàn)階段,通過優(yōu)化電解工藝參數(shù)等相關(guān)技術(shù),可將電解鋁生產(chǎn)實踐中的過熱度維持在相對偏低的數(shù)值。同時,陽極材料、氧化鋁等均可對電流效率產(chǎn)生一定影響。此外,在傳統(tǒng)生產(chǎn)實踐中,隨著電流效率的升高,鋁溶解損耗率會不斷增加,進(jìn)而降低電流效率。鑒于此,可從陽極強(qiáng)化切入,調(diào)節(jié)釘棒角度,將其控制在18~19 cm,調(diào)節(jié)外露尺寸,減少陽極壓降,達(dá)到提升電流效率的目的[5]。
相較于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)槽,新型結(jié)構(gòu)槽不論是在施工材料還是在結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面,都表現(xiàn)出明顯的不同。在施工材料方面,新型結(jié)構(gòu)槽選取TiB2/C可濕潤陰極,電解槽側(cè)邊、底部選取具備良好保溫性能的材質(zhì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,在整體電解槽中構(gòu)建一個鋁液導(dǎo)流網(wǎng)絡(luò),出鋁端構(gòu)建特定的蓄鋁池用于匯集鋁液,上部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)槽基本相同。在此基礎(chǔ)上,在焙燒期間,依托可靠的焦粒焙燒技術(shù),保證爐膛中的溫度有序合理升高、電流分布有效均勻,使焙燒溫度滿足啟動要求。在啟動過程中,引入濕法無效應(yīng)啟動手段,下料1 h后,測得蓄鋁池出現(xiàn)鋁液,表明陰極表面濕潤性達(dá)標(biāo),導(dǎo)流成功。在啟動過程中結(jié)合結(jié)構(gòu)槽特征,注入相應(yīng)的鋁液,確保在凸臺上方6~8 cm。在后續(xù)生產(chǎn)管理中,在相應(yīng)時間內(nèi)分不同階段對電壓進(jìn)行合理控制,同時開展好工藝參數(shù)調(diào)節(jié)工作,建立可靠的保溫型爐膛。最后還應(yīng)確保能量平衡,在保溫的基礎(chǔ)上,有效控制熱支出、熱收入。一方面,可通過調(diào)節(jié)覆蓋層成分、厚度或增強(qiáng)側(cè)部保溫等,達(dá)到減少熱支出的目的;另一方面,可通過提升電流強(qiáng)度,達(dá)到增加熱收入的目的[6]。
為了推動我國電解鋁行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展,應(yīng)有效解決當(dāng)前電解鋁生產(chǎn)實踐中存在的技術(shù)水平偏低、工藝設(shè)備技術(shù)落后、電流效率不足等問題。在實踐中,從開展自動化生產(chǎn)管理、提升電壓電流效率、應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)槽技術(shù)等方面著手,可以切實推進(jìn)對電解鋁生產(chǎn)工藝的優(yōu)化,創(chuàng)造更可觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益。