劉 馳,肖以華,郭 彬

(1.內(nèi)蒙古錦聯(lián)鋁材有限公司,內(nèi)蒙古霍林郭勒 029200；2.杭州錦江集團,浙江杭州 310005)

自2020年4月以來,鋁價不斷攀升,噸鋁利潤可觀,如何在確保安全、環(huán)保的前提下,充分挖掘生產(chǎn)線的潛力,提高設備利用率,提高鋁液產(chǎn)量、增加企業(yè)經(jīng)濟效益是鋁行業(yè)企業(yè)面對的問題。

內(nèi)蒙古某鋁材企業(yè)有一條500 kA 電解系列生產(chǎn)線,2014年設計施工,受國家產(chǎn)業(yè)政策影響,2016年全系列僅能投產(chǎn)半系列。半系列采用的是臨時回路母線,距離半系列端頭槽較近,因此造成了半系列尾端的6 臺端頭槽與全系列端頭的6 臺槽磁場影響不一致。按照設計單位建議,全系列端頭槽可以正常啟動,半系列端頭槽(倒數(shù)前3 端頭槽)不能啟動,屬于閑置設備。

該公司通過大膽改進與創(chuàng)新,摸索出了一套半系列端頭槽啟動方法(倒數(shù)第3 和倒數(shù)第2 端頭槽啟動,倒數(shù)第1 端頭槽由于磁場嚴重影響,還不能啟動),進行生產(chǎn)實踐后,單槽日產(chǎn)量和直流電耗等指標略遜于全系列生產(chǎn)指標,但生產(chǎn)利潤可達噸鋁5 137 元。由于端頭電解槽較正常槽焙燒啟動難度大,特殊技術措施多,需要精細化的管理,本文以倒數(shù)第2 臺端頭槽的焙燒啟動為例,詳細闡述該公司半系列500 kA 端頭槽啟動情況,以期為同類企業(yè)提供參考。

1 半系列端頭槽磁場情況及存在的問題

1.1 鋁電解槽的磁場分布

鋁電解槽的磁場分為3 個主要部分:①母線的磁場；②陽極、陰極、電解質磁場；③槽殼等鐵磁材料的磁場。對于母線的磁場,可認為各母線為線單元,應用Biot-Savart 定律線積分形式表示為式(1)。

式中:H為待求場點P(x,y,z)處的磁場強度；I為電流強度；r為P點到電流元dl的距離。由式(1)可以看出,影響磁場的大小的是電流和母線距離槽體的距離[1]。

1.2 半系列端頭槽啟動存在的問題

圖1 為全系列電解槽連接母線示意圖。從圖1 可以看出全系列連接母線(五通廊正式回路過道母線)距離倒數(shù)第1 臺端頭槽較遠(32.37 m),正式連接母線產(chǎn)生的磁場幾乎覆蓋不了端頭槽,所以全系列正式連接母線對端頭槽無影響；半系列連接母線(三通廊臨時回路過道母線)距離半系列端頭槽較近(24.48 m),半系列較全系列近7.89 m,這樣半系列端頭槽磁場是“系列電流+臨時連接母線電流值”的和,其對半系列端頭槽的磁場影響單一,無平衡磁場,根據(jù)物理“左手定則”,這樣造成端頭槽電解質和鋁液界面波動明顯,電解極距難以保持,槽電壓波動較大,無法維持電解槽的正常生產(chǎn)[2]。

圖1 系列電解槽連接母線分布示意Fig.1 Distribution diagram of connecting bus of series electrolytic cell

1.3 半系列端頭電解槽啟動解決思路

減輕端頭槽磁場影響的主要思路就是提高槽內(nèi)鋁液高度,提高槽內(nèi)鋁液高度有2 種作用:①減少水平電流產(chǎn)生,減小電解質和鋁液界面波動,設法讓電解槽從啟動初期實現(xiàn)陰極電流分布均勻和啟動后形成規(guī)整的爐幫和爐膛內(nèi)型；②有效抑制磁場的分布密度,削弱熔體磁場強度,減少磁場力對爐幫的沖刷,減弱向上磁場力對電解質和鋁液界面穩(wěn)定的影響,減小鋁液流速,以利于形成規(guī)整爐幫和槽膛內(nèi)型。

2 焙燒方法和物料的選擇和改進

目前國內(nèi)焙燒電解槽的方法主要為燃氣焙燒和焦粒焙燒,鋁液焙燒已被淘汰[3]?？紤]到端頭槽啟動的難度,對焙燒質量有更高的要求,即內(nèi)襯的揮發(fā)分要排除更加徹底,陰極成為一個整體,焙燒過程均勻,糊料在0～200 ℃、200～600 ℃、≥600 ℃3 個溫度段實現(xiàn)科學升溫。

2.1 焙燒電阻的選擇

焙燒電阻是鋪在電解槽陽極下面的發(fā)熱體,一般焙燒電阻選取單一焦粒即可,為防止焙燒時偏流,焙燒電阻選取焦?；旌鲜?以增加導電性?；旌狭辖沽Ｅc石墨碎的比例為5 ∶1,焦粒粒度選用1～3 mm,石墨碎粒度選用0.5～4 mm。焙燒物料分布示意圖如圖2所示,陽極炭塊在槽內(nèi)的分布平面示意圖見圖3。

圖2 500 kA 鋁電解槽焙燒物料分布示意Fig.2 Distribution of roasted materials in 500 kA aluminum electrolytic cell

圖3 陽極炭塊在500 kA 鋁電解槽內(nèi)分布示意Fig.3 Distribution of anode carbon blocks in 500 kA aluminum electrolytic cell

焦粒焙燒中縫物料的使用方式一般分實腔和空腔2 種[4],實腔焙燒后期電解質量大,不容易完全化開,空腔焙燒后期易氧化,本次實踐中縫采取半腔(高200 mm)焙燒,以均衡焙燒溫度,減少陰、陽極氧化,實現(xiàn)不偏流的目的。

2.2 延長焙燒時間

該公司500 kA 電解槽正常槽焙燒時間是85 h,本次實踐端頭槽焙燒時間設定為96 h,目的是讓電解槽內(nèi)襯得到充分焙燒,水分及揮發(fā)分得到充分揮發(fā),使內(nèi)襯成為一個整體,實現(xiàn)陰、陽極電流分布更加均勻[5]。

3 焙燒啟動的物料和操作流程

3.1 啟動時用電解質粉替代冰晶石

國內(nèi)大部分電解槽啟動使用冰晶石裝爐,在槽內(nèi)熔化成需要的電解質,由于某企業(yè)庫存有高分子比(2.7～2.9)電解質塊,電解質較冰晶石成分多出2%～5%的氧化鋁,其他成分與冰晶石幾乎一致,電解質塊的市場價格是冰晶石的1/3 左右,為降低生產(chǎn)成本,采用“電解質塊+電解質粉”啟動,電解質塊經(jīng)過破碎機破碎,形成0.5～1 mm 電解質粉。

經(jīng)實踐,以高分子比電解質粉代替冰晶石具有如下優(yōu)點。

1)電解質粉在槽內(nèi)熔解速度快,雖然含有2%～5%的氧化鋁,但不會產(chǎn)生沉淀影響啟動槽況,可快速提高電解質量。

2)節(jié)約Na2CO3添加量,減少添加Na2CO3時的飛揚損失。

3)電解質粉因揮發(fā)少,無飛揚損失,啟動現(xiàn)場干凈整潔。

4)冰晶石成分為Na3AlF6,啟動時采用電解質粉替代冰晶石,不僅實現(xiàn)了副產(chǎn)品電解質塊的綜合利用,而且減少了氟化物產(chǎn)品的使用,社會環(huán)保效益突出[6]。

3.2 焙燒啟動所需的物料

焙燒啟動所需物料見表1,電解質塊裝在焙燒槽的側部和陽極碳塊之間,作為保護側部的堰墻；液體電解質是電解槽啟動時的必需物料,其也是啟動連接陰、陽極的介質,在正常槽熔化電解質塊得到。

表1 半系列500 kA 端頭槽焙燒啟動物料Table 1 Starting materials for roasting of half-series 500 kA end tank

3.3 整體焙燒啟動的操作流程及控制要點

為了減少磁場影響,必須拉高極距啟動,削弱磁場影響。本次采取濕法、高電壓(6.0～7.5 V)、高分子比(3.0～3.2)、無效應平穩(wěn)啟動方法。焙燒啟動的操作流程如圖4所示,與正常槽一致,在此不再贅述,僅對重點的關鍵操作進行論述。

圖4 500 kA 鋁電解槽焙燒啟動操作流程Fig.4 Roasting start-up operation flow of 500 kA aluminum electrolytic cell

3.4 安裝軟連接器

安裝軟連接器的目的包括以下3 方面:①使電流通過；②使陽極炭塊靠自重與焦粒層保持良好接觸,防止通電過程電流分布不均；③消除陽極導電時產(chǎn)生的熱膨脹應力對焦料層的擠壓和對陽極母線的上抬破壞。軟連接器安裝前,應預先對陽極母線、陽極導桿、軟連接的壓接面用細砂紙磨光處理,確保軟連接的導電性能。裝爐后再安裝軟連接,安裝時不能撞擊到鋁導桿。安裝方法:將軟連接線一頭連在陽極導桿上,用螺桿扭緊,另一頭用卡具連接在水平大母線上。

3.5 分流器的選擇和安裝

采用1 級分流方式,1 級分流器為200 mm×4 mm×3 000 mm 銅質分流器,用于連接焙燒槽的陽極母線與下一臺槽的立柱母線,每個立柱安裝4 片,共24 片。分流器安裝前,應清理干凈壓接面,并將分流器與立柱母線、陽極水平母線的各接觸面打磨平整,確保無氧化層、無凸起與凹陷。分流器的一端用U 形卡具與焙燒槽的陽極水平母線壓接,另一端用U 形卡具與下一臺槽的立柱母線壓接,分流器不能與卡具及卡具吊鉤接觸。

安分流器卡具規(guī)格:水平母線卡具內(nèi)徑為260 mm；立柱卡具分2 種,水平卡具內(nèi)徑為550 mm,垂直卡具內(nèi)徑為650 mm,卡具槽鋼寬為100 mm。

500 kA 鋁電解槽焙燒分流器連接示意圖如圖5所示。

圖5 半系列500kA鋁電解槽焙燒分流器連接示意Fig.5 Connection diagram of roasting diverter of half-series 500 kA aluminum electrolytic cell

3.6 分流器的拆除

如圖5所示,分流器折除順序為L1-L6、L2-L5、L3-L4,其中L1-L6指L1和L62 根立柱母線,其他同理。通電1 h,待電壓穩(wěn)定后,開始拆除L1-L6分流片,每次2 片,拆除后電壓保持在2.5 V 左右；電壓保持2 h 后,進行第2 次拆除,拆除后電壓不超過2.7 V；后續(xù)拆除按照4 h 一次,拆完后槽電壓不超過3 V。整體拆除按照“先快后慢”的速度進行,主要依據(jù)為陰極溫度、槽電壓及電流分布情況。分流器完全拆除時間在56 h 內(nèi)完成,并確保40 h 全電流焙燒時間,共計焙燒時間96 h。

3.7 增加母線轉接操作

這個為第一關鍵操作。正常500 kA 電解槽母線大母線行程(陽極大母線升降的高度)為400 mm,在電解質灌入操作完成后,母線行程已經(jīng)用去了100 mm,由于端頭槽采用大鋁量工藝,在灌鋁前,一定要先進行一次母線轉接,向下降80～100 mm 的母線行程,方可滿足灌入鋁液后陽極升降行程足夠,實現(xiàn)高極距運行的要求,否則,會出現(xiàn)因為行程不夠,鋁液灌不進去,極距拉不開而出現(xiàn)“滾鋁”事故。

3.8 大鋁量連續(xù)灌鋁

未灌鋁前,由于槽內(nèi)幾乎全是熔融的電解質,鋁液高度約為1.5 cm,上下熔體的電阻值基本一致,電解槽的陰、陽極不會產(chǎn)生極間短路情況,所以此時的電解槽運行十分平穩(wěn),與正常槽沒有區(qū)別。但隨著鋁量的增加,鋁液高度同步增加,此時由于電磁力很大,若灌鋁量少,電解槽肯定會發(fā)生“滾鋁”事故,所以大鋁量連續(xù)灌鋁操作是第二關鍵操作。一次性灌入45 t 鋁液,出鋁時需要配置3 部行車和3 部抬包車共同協(xié)作完成。

1)灌鋁條件:應急物資準備到位；4 個角部物料完全熔化,灌鋁前槽內(nèi)大面積炭渣打撈1 次。

2)灌鋁方法:端頭槽啟動24 h 后,連續(xù)灌鋁操作,中間操作天車時間間隔不超3 min,鋁液連續(xù)灌入。

3.9 減緩電解槽保溫

灌完鋁液后,在6 h 內(nèi)添加保溫料,先增加極上保溫到100 mm；邊部及角部不封,待24 h 后,在結殼的地方選擇性地保溫50～80 mm；封殼面順序為大面、小面、中縫,邊部壓鐵板清理干凈。

3.10 加強炭渣打撈

為保持電解質清潔,打開4 個角部,每2 h 撈1次炭渣；對電流分布大、火苗黃的地方,檢查電流分布偏大陽極,是否長包。

3.11 換極采用預熱陽極

端頭槽啟動5 d 后進行換極作業(yè)。為減少換極干擾,所換新極全部采用預熱陽極,換極次序見表2(第1 輪陽極周期定為33 d,第2 輪陽極周期35 d,第3 輪換極周期37 d),對應陽極位置見圖3。

表2 半系列500 kA 端頭槽換極次序Table 2 Pole changing sequence of half-series 500 kA end tank

3.12 強制冷卻側壁

新槽啟動后,電解槽出現(xiàn)擺動,主要原因是電解槽沒有形成規(guī)整的爐膛內(nèi)型[7]。經(jīng)過現(xiàn)場實際調查,A、B 2 個長側大面第18～24 組陽極塊對應的側壁爐幫、煙道和出鋁兩端頭的爐幫不易形成,側壁溫度高于380 ℃。通過采取水風冷卻裝置24 h 不間斷進行降溫,強制形成高分子比爐幫,經(jīng)過1 個月左右的探索實踐,全槽爐幫厚度可以穩(wěn)定在14～18 cm,效果良好。

4 技術參數(shù)控制及實踐結果

4.1 技術參數(shù)控制

4.1.1 灌鋁后24 h 電壓控制

灌鋁過程結束后24 h,槽電壓保持在5.4～7.5 V。初期電壓控制見表3。

表3 半系列500 kA 端頭槽啟動后24 h 槽電壓保持要求Table 3 Requirements for 24 h tank voltage maintenance after half-series 500 kA end tank start-up

4.1.2 非正常期技術條件

由于端頭槽磁場嚴重不平衡,前期電壓下降容易,當電壓降至4.45 V 時,穩(wěn)定性明顯下降。所以,為了更加穩(wěn)妥地使端頭槽轉入正常生產(chǎn),端頭槽非正常期生產(chǎn)的時間由3 個月延長至6 個月,各月的技術參數(shù)保持也存在明顯差異。端頭槽非正常期技術參數(shù)見表4。

從表4 中可以看出,鋁水平、電壓、分子比、AE間隔要保持較高值,電解質水平要保持偏低值,這主要是為了減小水平電流值,提高電解槽的穩(wěn)定性,實踐表明應用效果良好。

表4 半系列500 kA 端頭槽非正常期技術條件Table 4 Technical conditions of half-series 500 kA end tank in abnormal period

4.1.3 端頭槽和正常槽焙燒啟動及后期管理差異對比

端頭槽和正常槽焙燒啟動及后期管理存在很大的差別,具體見表5。

從表5 的對比可以看到,由于端頭槽磁場分布的特殊性,端頭槽從操作、技術條件等方面存在許多不同,而且端頭槽焙燒啟動較正常槽焙燒啟動難度大,特殊技術措施多,需要精細化管理,才能實現(xiàn)平穩(wěn)運行。

表5 半系列500 kA 正常槽與端頭槽焙燒啟動及后期管理主要差異Table 5 Main differences between half-series 500 kA normal tank and end tank roasting start-up and later management

4.2 實踐結果

4.2.1 端頭槽和正常槽生產(chǎn)指標及對比

表6 是半系列500 kA 端頭槽和正常槽生產(chǎn)指標對比情況。

表6 半系列500 kA 端頭槽和正常槽生產(chǎn)指標對比表(電流515 kA)Table 6 Comparison on production indexes of half-series 500 kA end tank and normal tank (current 515 kA)

4.2.2 效益分析

按照目前鋁價23 000 元/t,完全生產(chǎn)成本18 000 元/t,噸鋁利潤5 000 元/t,電價0.45 元/kW·h,陽極4 500 元/t,氟化鋁8 500 元/t,短路口電壓0.28 V年進行核算,不計設備折舊等邊際效益,端頭槽噸鋁增加利潤137 元/t,2 臺槽年創(chuàng)經(jīng)濟效益=2 臺× (5 000 元+ 137 元) × 3.75 t/d × 365 d =1 406 萬元。

5 結語

在目前“雙碳”政策及鋁價不斷升高的背景下,內(nèi)蒙古某鋁材企業(yè)對半系列500 kA 端頭槽的成功啟動具有非?，F(xiàn)實的推廣價值,利用閑置設備挖掘生產(chǎn)線潛力,提高了設備利用率和鋁液產(chǎn)量,增加了企業(yè)經(jīng)濟效益。該公司對半系列端頭槽的成功啟動及生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù),為同類型系列的端頭槽焙燒啟動及正常運行提供了參考。