張 陽,巨建龍,胡紅武,孫馳航

(1.中國鋁業(yè)連城分公司,甘肅 蘭州 730335;2.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

當前,節(jié)能降耗是我國落實節(jié)約資源與保護環(huán)境兩項基本國策的重要抓手,也是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的核心內容。由于電解鋁生產的高耗能特性,電解鋁行業(yè)一直被國家列為高污染、高耗能的資源型行業(yè)進行嚴格管控。尤其是隨著國家“碳達峰、碳中和”和“3060”戰(zhàn)略目標的提出和逐步實施,電解鋁行業(yè)所面臨的“能源雙控”壓力愈發(fā)增大,為了全面完成電解鋁企業(yè)單位產品能源消耗限額目標,以石墨化陰極技術、磷鐵澆鑄技術為代表的多種鋁電解節(jié)能技術應運而生。

石墨化陰極因其良好的導電性、較低的吸鈉膨脹率在大型電解槽取得了較好的經濟效益。由于陽極電流密度偏低,300 kA及以下電解槽應用石墨化陰極的相對較少,開展石墨化陰極等新型節(jié)能技術在小型電解槽的應用實踐,同樣具有十分重要的意義。

1 技術路線

采用石墨化陰極及磷生鐵澆鑄技術配合使用新型內襯結構,結合電壓平衡優(yōu)化,使用優(yōu)質開槽陽極生產技術,制定準確匹配設計工藝的低電壓、低電耗、低鋁水精準生產管理技術。將實際的生產運行管理與設計要求有機結合,推行生產運行精準化、工藝條件標準化、管理操作精細化,有效降低電解槽生產能耗。

(1)石墨化陰極導電性能良好,電阻率小,可以直接降低電解槽陰極物理壓降,實現(xiàn)節(jié)能降耗。同時,由于石墨化陰極炭塊具有較低的鈉膨脹率,可以更好地阻礙鈉通過炭塊進入鋼-炭接觸面,使石墨化陰極炭塊的陰極壓降隨生產時間的增長,變化較為平緩[1]。

(2)電解槽陰極磷鐵澆鑄技術用導電性更好的磷生鐵通過澆鑄的方式代替陰極搗固糊,降低鋼棒和陰極炭塊間的接觸壓降。陰極炭塊磷鐵澆鑄技術不僅可以降低“鐵-碳”壓降及鋁液水平電流,還可以改善陰極電流分布的均勻性,提高電解槽運行的穩(wěn)定性[2]。

(4)優(yōu)質開槽陽極生產技術通過精準控制微量元素,工藝優(yōu)化結合陽極防氧化涂層,提升預焙陽極的抗氧化性能,降低極距內氣泡層厚度,減小氣膜壓降,實現(xiàn)降低電耗的目的。

2 技術應用實踐

在200 kA電解系列開展2臺石墨化陰極澆鑄技術試驗槽,同時選取5臺傳統(tǒng)高石墨質陰極電解槽作為對比槽。

2.1 石墨化陰極組結構優(yōu)化

傳統(tǒng)的高石墨質陰極電解槽由于其水平電流高,很難維持較低鋁水平運行。而鋁電解槽內的磁流體穩(wěn)定性是影響鋁液波動的主要因素,降低鋁液水平電流能較好的提高電解槽穩(wěn)定性[3],從而提高電解槽的運行效率。與此同時,陰極壓降的降低能保證電解槽有效極距,對電解槽的穩(wěn)定性也具有積極意義。

陰極是阻擋電解質滲透的第一層防線[4],為了增加陰極炭塊組的整體抗防滲性能,設計中在陰極炭塊底部與傳統(tǒng)防滲層之間增加防滲層,能在保證較好的磁流體穩(wěn)定性和極低的陰極壓降的前提下,確保電解槽長壽命生產運行[5]。

石墨化陰極澆鑄技術在本身材料特性基礎上,配合新形的陰極結構,也可以進一步均化陰極電流分布,保證電解槽長壽命運行。

通過對200 kA鋁電解槽的設計分析,模擬計算結果如圖1所示,采用石墨化澆鑄技術的鋁電解槽陰極壓降約為205 mV,鋁液水平電流為4 720 A/m2;傳統(tǒng)石墨質扎糊技術的鋁電解槽陰極壓降約為293 mV,鋁液水平電流為8 477 A/m2?？梢钥闯?采用石墨化澆鑄技術的電解槽在水平電流和陰極壓降方面有了較大幅度的降低。

圖1 水平電流及陰極壓降比較

2.2 內襯結構優(yōu)化

由于石墨化陰極炭塊導熱性好,散熱量大,而且200 kA電解槽整體熱收入偏低,傳統(tǒng)的石墨質內襯結構很難達到石墨化陰極的要求,所以這對內襯結構設計提出了更加嚴苛的要求。相比于扎糊的石墨質陰極電解槽,石墨化磷生鐵澆鑄內襯結構主要針對槽底、鋼棒窗口以及側部等方面進行了優(yōu)化:

(1)增加了槽底厚度,強化爐底保溫,保證防滲層有效高度,確保電解槽壽命周期內槽底板溫度正常;

（3）注意整個施工過程的維護工作，尤其是進行防滲漏施工時，涂刷好防水涂料后必須要進行一定的防護，防止后期出現(xiàn)其他問題，影響施工質量。

(2)鋼棒窗口使用保溫性能更好的材料,減少窗口部分熱量散失;

(3)優(yōu)化電解槽側部結構形式。

根據新的內襯結構,熱平衡計算結果如圖2、3所示,底部800℃和900℃等溫線位于電解槽防滲層內部,等溫線分布合理。理論計算所得電解槽正常生產狀態(tài)下,爐幫約為13.3 cm,伸腿長度約為2.0 cm,側壁溫度約為280℃,槽底溫度約為66℃。在該內襯設計形式下,電解槽能維持良好的熱平衡狀態(tài),形成厚度合適的爐幫,從設計層面很好地解決了200 kA電解槽熱量收入偏低、石墨化炭塊散熱量大的問題,保證了石墨化陰極電解槽長壽命的穩(wěn)定運行。

圖2 內襯熱平衡溫度分布示意圖

圖3 電解槽爐幫形狀示意圖

圖4 鋪焦及裝爐

2.3 優(yōu)質開槽陽極技術應用

為進一步提高技改指標,使用了熟塊開槽、理化指標良好的優(yōu)質陽極。開槽陽極可以有效降低極距內氣泡層厚度,減小氣膜壓降,實現(xiàn)降低電耗的目的。優(yōu)質陽極試驗結果良好,電阻率平均54.3 μΩ·m,較目標降低2.7 μΩ·m,二氧化碳反應殘余率平均93%,較目標提高了3%。上槽后使用周期為31天,殘極規(guī)整、厚度均勻,延長換極周期0.5天,同時提高電流效率0.16%,降低直流電耗79 kWh/t-Al。

2.4 焙燒啟動技術優(yōu)化

(1)電解槽采用焦粒焙燒,角部使用焦粒與石墨碎混合料,其它部位全部使用焦粒。鋪焦裝爐,使用低鋰鹽且粒度不大于20 mm電解質塊,中縫用電解質粉填裝,再用破碎電解質均勻添加到陽極表面和槽膛四周。

(2)電解槽焙燒時間120小時,通電采用大分流器裝置,對軟連接、分流器壓接面進行銑面、編號,分流量不超過全電流的40%,瞬時沖擊電壓不高于3.0 V。焙燒啟動前中縫溫度不低于900℃,角部、邊部溫度不低于800℃。

2.5 啟動后期技術條件優(yōu)化

將實際生產運行管理與石墨化設計要求有機結合,制定匹配設計工藝的低電壓、低電耗、低鋁水生產管理技術。推行生產運行精準化、工藝條件標準化、管理操作精細化,有效降低電解槽生產能耗。

2.5.1 電壓保持情況

電壓是控制電解槽熱平衡的主要技術參數,采用快速降低電解槽設定電壓的方式減少電解槽熱收入,縮短電解槽啟動后的高溫時間,促使電解質中的高分子冰晶石和α-Al2O3在電解槽側部析出形成堅固的爐幫[6]。

表1 電壓保持表

2.5.2 兩水平、槽溫及分子比保持情況

(1)石墨化陰極炭塊的電阻率低,導熱率高,陰極區(qū)散熱會比較大,而且由于水平電流的降低,電解槽穩(wěn)定性有較為明顯的增加。因此,試驗槽鋁水平不宜過高,啟動后前3個月控制在14～17 cm,正常期階段控制在19～20 cm,減少電解槽整體散熱。

(2)電解槽啟動后前3個月保持高電解質水平為電解槽形成規(guī)整爐膛提供有利的技術環(huán)境,第一個月電解質水平控制23～37 cm,之后緩慢降低,正常期階段電解質水平控制18～19 cm,可以使電解槽保持良好的熱穩(wěn)定性,同時也有利于增強電解質對氧化鋁的溶解能力。

表2 兩水平、槽溫及分子比

3 技術應用效果

(1)石墨化陰極澆鑄技術試驗槽運行后,電解槽生產運行狀況良好,電解槽平均電壓穩(wěn)定在3.824 V,爐底壓降216 mV,與同期高石墨質陰極電解槽相比,電壓及爐底壓降優(yōu)勢顯著,有效極距充足。

表3 爐底壓降及極距

(2)石墨化陰極澆鑄技術試驗槽進入正常生產期后,電流效率完成93.23%,直流電耗完成12 223 kWh/t-Al;與同期系列高石墨質對比槽相比,試驗槽電流效率提高0.66%,直流電耗降低293 kWh/t-Al。

表4 電流效率及直流電耗

(3)試驗槽運行期間側壁溫度較高石墨質對比槽低6℃,陰極鋼棒溫度較高石墨質對比槽高9℃,爐幫較對比槽厚3.2 cm,電解槽散熱較大,在運行過程中不斷探索鋁水平、電壓、分子比等技術條件的匹配,多途徑加強電解槽保溫,改善保溫料結構,基本保持了電解槽熱平衡。

表5 三鋼溫度及爐幫

4 結 語

通過石墨化陰極澆鑄技術在200 kA電解槽的應用實踐表明,在采用合理陰極結構及內襯結構設計的前提下,配合相對應的操作生產管理,300 kA及以下電解槽完全適用石墨化陰極。而且與傳統(tǒng)高石墨質陰極相比,電解槽平均電壓可降低64 mV,且有效極距充足,可以長期在低電壓條件下穩(wěn)定運行。同時電流效率較傳統(tǒng)高石墨質陰極電解槽提高0.66%,直流電耗可降低293 kWh/t-Al。

目前行業(yè)內300 kA及以下電解槽系列槽齡跨度較長,有相當數量的“老齡槽”。這些“老齡槽”應用的技術比較落后,電耗比較高。因此,石墨化陰極澆鑄技術是今后300 kA及以下電解槽優(yōu)選的有效節(jié)能技術。