曹 曦,趙志彬,付 松,劉雅鋒,胡紅武,張存忠,韓憲超

(1.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001;2.聊城信源集團(tuán)有限公司,山東 聊城 252000)

鋁水高度是鋁電解的一個(gè)重要生產(chǎn)工藝和技術(shù)參數(shù),良好技術(shù)指標(biāo)的一個(gè)必不可少的重要技術(shù)條件即是合理的鋁水高度。因此電解槽鋁水高度的調(diào)整是實(shí)際的生產(chǎn)操作中調(diào)節(jié)電解槽穩(wěn)定性和熱平衡的一個(gè)常用技術(shù)手段,并且在一定的條件下,確實(shí)行之有效,所以有些技術(shù)路線把高鋁水運(yùn)行作為一項(xiàng)重要傳統(tǒng)貫徹落實(shí)。然而對(duì)于另外一些企業(yè),一貫的高鋁水運(yùn)行反而造成了一些消極的影響,但在低鋁水高度路線上也取得了良好的技術(shù)效果。

因此如何評(píng)價(jià)鋁水高度對(duì)電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性的影響是行業(yè)內(nèi)重要研究課題,以往由于理論技術(shù)條件的限制,大部分是從實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)上定性的闡述?？梢钥隙ǖ氖?一種類型的電解槽都有一個(gè)最佳的鋁水高度,但不同電解槽類型的最佳鋁水高度并不一致,這是由于電解槽容量、陽(yáng)極電流密度、電平衡分布、磁流體穩(wěn)定性、電解質(zhì)體系以及槽齡等各種客觀條件的存在[1]。

隨著技術(shù)的發(fā)展和研究水平的提高,技術(shù)人員可以定量的分析鋁水高度對(duì)電解槽電-熱-磁等性能指標(biāo)的影響,并且尋找出電解槽的一個(gè)最佳的鋁水高度。本文利用數(shù)學(xué)計(jì)算模型,分析鋁水高度、鋁液中水平電流、陰極壓降和爐膛形狀的相互關(guān)系,分別研究不同鋁水高度對(duì)上述條件的影響,為行業(yè)研究和生產(chǎn)提供參考。

1 研究方法

為了計(jì)算電解槽內(nèi)的電-熱平衡情況,本文建立了電解槽電熱場(chǎng)模型如圖1所示,模型中包含鋁液、電解質(zhì)、陽(yáng)極以及內(nèi)襯槽殼等陰極裝置,研究團(tuán)隊(duì)前期的計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果已經(jīng)證明了該模型的準(zhǔn)確性[2-3],可以用來(lái)計(jì)算上述幾種工藝參數(shù)與鋁水高度的關(guān)系。

圖1 電解槽電熱場(chǎng)計(jì)算模型

計(jì)算工況選取目前行業(yè)內(nèi)的500 kA鋁電解槽,計(jì)算基準(zhǔn)狀態(tài)如表1所示。

表1 模型計(jì)算用工藝參數(shù)表

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 鋁水高度對(duì)水平電流的影響

在實(shí)際鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中,除了直接參與電化學(xué)反應(yīng)的電流,還有一部分不參與電解,只增加能耗的水平電流,如圖2所示,電流總是有一部分的水平分向。水平電流對(duì)鋁電解生產(chǎn)危害很大,主要因?yàn)樗诫娏髋c垂直磁場(chǎng)的相互作用是造成電解槽中鋁液波動(dòng)的主要原因(F=J×B[4]),鋁液波動(dòng)會(huì)引起電壓擺動(dòng),降低電流效率,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致滾鋁;另外水平電流會(huì)造成鋁液流速增大,沖刷爐幫,增加側(cè)部漏爐的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 電解槽鋁液中電流分布示意(單位:A/m2)

因此無(wú)論是設(shè)計(jì)、科研還是實(shí)際生產(chǎn)中,總是盡量減少鋁液中的水平電流以提高電解槽磁流體穩(wěn)定性,目前有很多新技術(shù),比如新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)、石墨化陰極技術(shù)、新式節(jié)能陰極鋼棒技術(shù)、異型陰極、變截面鋼棒、高導(dǎo)電鋼棒等,都是提高電解槽穩(wěn)定性的技術(shù),同時(shí)生產(chǎn)上也有自己的方式提高電解槽穩(wěn)定性,比如提高鋁水高度。本文分別在不同設(shè)計(jì)形式下的2種水平電流下,計(jì)算鋁水高度的影響。

2.1.1 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)下水平電流變化

對(duì)于傳統(tǒng)的鋁電解槽,其設(shè)計(jì)形式?jīng)Q定了鋁液中水平電流都在8000～10,000 A/m2左右,此時(shí)分別在20 cm、24 cm、28 cm和32 cm計(jì)算鋁液中水平電流,其結(jié)果如圖3所示。x坐標(biāo)代表鋁水高度,y坐標(biāo)代表鋁液中水平電流最大值。

圖3 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)最大水平電流隨鋁水高度變化曲線

圖3顯示對(duì)于傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu),在較低鋁水高度的情況下,鋁水高度的提高能夠降低鋁液中水平電流,水平電流最大值從20 cm的9021 A/m2降低到25 cm的7000 A/m2左右。但鋁水高度繼續(xù)提高,水平電流下降幅度減小,鋁水高度提高到32 cm時(shí),水平電流也只降低到5906 A/m2,并維持到該水平電流附近。說(shuō)明傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)在低鋁水平情況下通過(guò)提高鋁水高度,確實(shí)能夠有效降低鋁液中水平電流,鋁水提高12 cm,水平電流能夠降低3215 A/m2,但一旦鋁水高度達(dá)到25 cm以上,降低幅度不明顯。該結(jié)果說(shuō)明在較高鋁水平下,再通過(guò)繼續(xù)提高鋁水高度降低水平電流從而提高電解槽磁流體動(dòng)力性能的功能性顯著降低。

2.1.2 節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)下水平電流變化

對(duì)于采用降低水平電流技術(shù)的鋁電解槽,其鋁液中的水平電流得到了不同程度的遏制,特別是新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)或者石墨化陰極技術(shù)通過(guò)改變電流走向,其鋁液中水平電流都在3000～4000 A/m2左右,同樣分別在20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm和32 cm計(jì)算鋁液中水平電流,其結(jié)果如圖4所示。

圖4顯示對(duì)于采用降低水平電流技術(shù)的鋁電解槽,由于設(shè)計(jì)基礎(chǔ)值已經(jīng)較低,鋁水高度的提高對(duì)降低鋁液中水平電流效果已經(jīng)很不明顯,在20 cm鋁水高度的情況下,電解槽水平電流也只有3863 A/m2,隨著鋁水高度逐漸提高,水平電流出現(xiàn)小幅下降,但最終鋁水高度達(dá)到32 cm后,水平電流仍有2677 A/m2,也即是說(shuō)鋁水高度提高12 cm,水平電流降低幅度只有1186 A/m2,能夠帶來(lái)的提升作用十分有限,因?yàn)槔碚撚?jì)算顯示水平電流在該區(qū)間內(nèi)已經(jīng)不是限制磁流體穩(wěn)定性的主要因素,再進(jìn)一步降低的意義不大,反而要實(shí)現(xiàn)的代價(jià)很高。

圖4 節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)最大水平電流隨鋁水高度變化曲線

但需要指出的是,鋁水平高度并不是越高越好的,鋁水平的變化將會(huì)對(duì)電解槽熱平衡和槽膛形狀產(chǎn)生顯著的變化,見(jiàn)本文2.2小節(jié)。

2.2 鋁水高度對(duì)爐膛內(nèi)形的影響

理想的爐膛內(nèi)形為厚爐幫、短伸腿形式,具有這種爐膛形狀的電解槽可以獲得更高的電流效率:一是具有較小的非陽(yáng)極投影面積;二是具有較小的鋁液內(nèi)水平電流;三是具有良好的鋁液界面[5]。特別是電解槽伸腿長(zhǎng)度,一旦進(jìn)入陽(yáng)極投影內(nèi)部,將會(huì)造成鋁液內(nèi)產(chǎn)生反向水平電流,這種反向水平電流在垂直磁場(chǎng)的作用下,引起鋁液界面的波動(dòng),并增加鋁液流速,影響電解槽磁流體穩(wěn)定性。

由于陰極壓降關(guān)系到電解槽陰極區(qū)的局域熱平衡,因此本文在不同陰極壓降的工況下,討論鋁水高度對(duì)爐膛內(nèi)形的影響。

2.2.1 傳統(tǒng)高陰極壓降下槽膛的變化

傳統(tǒng)的電解槽陰極壓降設(shè)計(jì)值處于較高水平,根據(jù)電流密度的不同,基本在280～320 mV之間,并隨著槽齡的增加,會(huì)逐漸提升到350 mV左右。本模型以陰極壓降300 mV為例,考察鋁水平對(duì)槽膛形狀的影響。

計(jì)算槽電壓3.95 V,陰極壓降300 mV,鋁水平對(duì)槽膛形狀的影響如圖5所示。圖5中數(shù)據(jù)顯示,在傳統(tǒng)較高的陰極壓降下,電解槽爐幫隨鋁水平變化逐漸減薄,而伸腿長(zhǎng)度逐漸增加。圖6中數(shù)據(jù)顯示,鋁水平從20 cm增加到32 cm,爐幫厚度從16.8 cm降低到16 cm,伸腿長(zhǎng)度從1.8 cm增加到9.7 cm。

圖5 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)爐膛形狀隨鋁水高度變化形式

圖6 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)爐幫與伸腿數(shù)值隨鋁水高度變化曲線

2.2.2 節(jié)能低陰極壓降下槽膛的變化

近幾年來(lái)節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)的物理壓降有了較大變化,特別是石墨化陰極電解槽,陰極壓降設(shè)計(jì)值一般在180～230 mV之間,本次計(jì)算以210 mV為例,低陰極壓降的情況下,考察鋁水平對(duì)槽膛形狀的影響。

計(jì)算槽電壓3.90 V,陰極壓降210 mV,鋁水平對(duì)槽膛形狀的影響如圖7和圖8所示。圖7中數(shù)據(jù)顯示,鋁水高度對(duì)節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的爐膛影響同傳統(tǒng)型不同,電解槽爐幫隨鋁水平變化逐漸減薄,但是伸腿長(zhǎng)度變化幅度顯著。圖8中數(shù)據(jù)顯示,鋁水平從20 cm增加到32 cm,爐幫厚度從16.4 cm降低到15.6 cm,伸腿長(zhǎng)度卻從2.2 cm陡增至20.3 cm。

圖7 節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)爐膛形狀隨鋁水高度變化形式

圖8 節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)爐幫與伸腿數(shù)值隨鋁水高度變化曲線

3 分析及討論

將上述計(jì)算表格結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2中數(shù)據(jù)顯示鋁水高度對(duì)傳統(tǒng)和節(jié)能兩種陰極結(jié)構(gòu)的爐幫影響均在1 cm以內(nèi),而伸腿變化差距很大。如圖9所示,給出了兩種陰極結(jié)構(gòu)的伸腿長(zhǎng)度變化情況,鋁水高度在20 cm到24 cm的區(qū)間內(nèi),兩者變化基本一致,但鋁水高度超過(guò)24 cm后,節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)的伸腿變化曲線斜率突然升高,伸腿長(zhǎng)度急劇增加。而傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的伸腿變化則基本呈線性增加。

圖9 兩種陰極結(jié)構(gòu)伸腿數(shù)值隨鋁水高度變化曲線

表2 鋁水高度對(duì)槽膛爐幫及伸腿的影響 cm

伸腿的變化同陰極區(qū)域熱平衡變化相關(guān)性很大,熱輸入增加,伸腿減少,熱輸入減少,伸腿伸長(zhǎng)。對(duì)于電解槽來(lái)說(shuō),熱量的產(chǎn)生和散失是平衡的,變化的是槽溫和爐膛內(nèi)形,因此鋼棒區(qū)域的熱量散失的變化趨勢(shì)即能夠反應(yīng)出陰極區(qū)域的熱量輸入的變化趨勢(shì)。

表3給出了新舊兩種陰極結(jié)構(gòu)陰極鋼棒散熱功率及散熱熱流的變化趨勢(shì),為了便于表述,圖10和圖11中給出了同一坐標(biāo)刻度下的變化趨勢(shì),圖中數(shù)據(jù)顯示,節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)的散熱功率相比傳統(tǒng)型總體上處于較高水平,同時(shí)傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的鋼棒區(qū)域散熱量隨鋁水高度的增加基本均勻減小,而節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)在鋁水高度超過(guò)24 cm以后,鋼棒區(qū)域散熱量隨鋁水高度迅速減少。

表3 鋁水高度對(duì)兩種陰極結(jié)構(gòu)鋼棒散熱的影響

圖10 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)散熱功率與鋁水高度變化曲線

圖11 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)散熱熱流與鋁水高度變化曲線

上述情況及變化規(guī)律說(shuō)明:

(1)節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)的陰極及鋼棒區(qū)域散熱量整體大于傳統(tǒng)型陰極結(jié)構(gòu),這是由于節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)鋼棒截面較大,導(dǎo)熱量增加所致,特別是石墨化陰極電解槽陰極區(qū)域散熱量增加明顯。

(2)節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)在鋁水高度超過(guò)24 cm后,陰極區(qū)域的熱輸入是明顯降低的,這是由于反應(yīng)發(fā)熱區(qū)域與陰極區(qū)較遠(yuǎn),傳導(dǎo)至陰極區(qū)域的熱量減少,而節(jié)能型同時(shí)陰極區(qū)域的自產(chǎn)熱較少,散熱量又大,造成局部熱輸入明顯降低,因而伸腿長(zhǎng)度迅速增加。

因此采用節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)的低陰極壓降電解槽,鋁水平不宜過(guò)高,一旦鋁水高度超過(guò)24 cm以后,將導(dǎo)致電解槽伸腿的迅速增加,破壞爐膛內(nèi)形,反而影響了電解槽的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)于高水平電流的傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu),鋁水高度從20 cm提高到32 cm,水平電流降低幅度達(dá)到了3215 A/m2,說(shuō)明對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),在低鋁水平情況下,鋁水高度提高能夠提升電解槽穩(wěn)定性,但超過(guò)25 cm后作用不明顯,建議保持22～24 cm左右。

(2)行業(yè)內(nèi)普遍采用的節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu),從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上已經(jīng)大幅度降低了鋁液中水平電流,鋁水高度從20 cm提高到32 cm,水平電流降低幅度只有1186 A/m2,鋁水高度對(duì)電解槽穩(wěn)定性的提升作用十分有限。

(3)節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)電解槽伸腿長(zhǎng)度對(duì)鋁水高度較敏感,一旦鋁水高度超過(guò)24 cm,伸腿長(zhǎng)度迅速增加,槽膛情況惡化,反而破壞了電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性。

(4)考慮到后期槽齡增加對(duì)電解槽性能帶來(lái)的變化,建議節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)電解槽,特別是采用石墨化陰極的節(jié)能型電解槽,在穩(wěn)定運(yùn)行期保持20 cm左右的低鋁水平工藝路線。