朱 博,王兆文,楊西堅

(東北大學 冶金學院,遼寧 沈陽 110167)

我國鋁電解生產(chǎn)多采用復(fù)雜的電解質(zhì)體系和低電壓生產(chǎn)模式[1-2],電解質(zhì)過熱度低,粘度大,尤其是在階梯電價背景下,電解鋁廠面臨持續(xù)降低能耗的壓力,生產(chǎn)工藝過程中采用低電壓的技術(shù)路線成為了普遍的選擇,氧化鋁下料存在的“包、堵、卡”問題越來越普遍,導致氧化鋁濃度分布不均,電解槽穩(wěn)定性變差,電解生產(chǎn)技術(shù)制備變差等。

為了有效解決“包、堵、卡”問題,智能打殼下料技術(shù)和智能氣缸技術(shù)正在開始推廣應(yīng)用[3-6],取得了一定的效果,尤其是在減少打殼頭粘包方面和減少打殼頭用氣方面效果較好。但同時也逐漸暴露出很多問題,例如未解決堆積料、人工操作、設(shè)備易損壞等問題。本文從“包、堵、卡”問題機理、智能打殼下料技術(shù)方案、技術(shù)控制策略、對電解生產(chǎn)運行影響等方面進行分析,對提高鋁電解生產(chǎn)的技術(shù)指標具有重要意義。

1 “包、堵、卡”問題機理分析

“包、堵、卡”問題具體可分為錘頭長包問題和堵料問題,從理論上分析,造成堵卡的原因有兩種,一是打殼頭打不穿結(jié)殼面,氧化鋁進入不了電解質(zhì),主要是打殼頭壓力不夠或者過熱度低殼面太硬造成的;二是打殼頭打穿結(jié)殼面,但氧化鋁進入電解質(zhì)后不能溶解,這是過熱度低造成的。因此,堵卡的核心因素是過熱度。過熱度對上部爐幫結(jié)構(gòu)具有顯著影響。過熱度越低,上部爐幫越厚。當電解溫度低于電解質(zhì)初晶溫度,電解質(zhì)會在上部爐幫冷凝,導致上部爐幫長到電解液中,這時爐幫難以打穿。

錘頭長包的原因分為三個方面:一是與電解質(zhì)有關(guān);二是與錘頭的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān);三是與打殼深度有關(guān)。電解質(zhì)的原因主要是電解質(zhì)過熱度低、氧化鋁含量高時,電解質(zhì)粘度增加,在錘頭上更容易冷凝,導致每次打殼錘頭粘接電解質(zhì)量增多;錘頭的原因主要在于錘頭的導熱性和膨脹性能,導熱性好,錘頭溫度降低快,粘接的電解質(zhì)容易脫落,錘頭的膨脹性好,在同樣的降溫幅度下,錘頭體積收縮大,電解質(zhì)容易脫落;打殼深度與錘頭的加熱區(qū)間和加熱量有關(guān),每次打殼深度大時,錘頭冷卻需要更長的時間,導致電解質(zhì)殼無法脫落,如果打殼深度低,錘頭很容易冷卻,電解質(zhì)就很容易脫落。由此可見,在電解槽錘頭成分和結(jié)構(gòu)固定的條件下,電解質(zhì)的過熱度和打殼深度成為錘頭長包的主要原因,因此需要控制電解質(zhì)的過熱度在一個合理的區(qū)間內(nèi),同時采用智能打殼系統(tǒng)可以有效控制錘頭打殼深度。

2 智能打殼下料技術(shù)方案

電解生產(chǎn)的經(jīng)驗表明,當電解槽的過熱度合適時,控制打殼深度,“包、堵、卡”現(xiàn)象是完全可以控制的。隨著電解槽型增大,節(jié)能降耗以低過熱度運行,過熱度局部不均勻問題越來越容易出現(xiàn),智能打殼下料技術(shù)由此而出現(xiàn)。

目前智能打殼下料技術(shù)主要功能是識別和處理堵卡,控制打殼深度和打殼頻次減少粘包,主要有以下三種方案:

圖1 智能打殼下料的三種方案

方案1采用行程位移裝置。氣缸上裝有行程開關(guān),通過打通與打不通的行程不一樣,識別堵卡,打通后快回減少粘包。氣缸上還具有增壓、減壓門,不同的打殼行程,可以施加不同的打殼壓力,容易打通時減壓打,堵卡時加壓打,從而減少壓縮空氣用氣量。

方案2采用電信號檢測方式。當打殼頭打入電解質(zhì)后,將有電流通過打殼頭傳遞到電解質(zhì)、鋁水,檢測陰極母線和打殼頭之間的電位差,就能識別打通與打不通的狀態(tài),從而識別堵卡,打通后快回減少粘包。

方案3采用壓力檢測方式識別堵卡問題。通過識別打通與打不通時打殼壓力的變化,通過壓力傳感器實現(xiàn)對堵卡的識別。當電解槽過熱度合適時,通過變頻打殼減少粘包。

行程位移檢測、電信號檢測和壓力檢測三種打殼技術(shù)各有優(yōu)缺點,三種技術(shù)對比詳見表1。

采用智能氣缸的智能打殼下料技術(shù)需要外掛控制柜,當遇到包、堵、卡時,增配的外掛控制柜要切斷槽控系統(tǒng)的下料控制。該種技術(shù)需要將增配控制系統(tǒng)與槽控系統(tǒng)進行系統(tǒng)集成,形成一套智能決策系統(tǒng)來減少包、堵、卡。雖然,該技術(shù)對處理包、堵、卡問題取得了顯著效果,但由于氧化鋁下料量由兩套控制系統(tǒng)進行控制、決策,在電解槽過熱度異常時,很容易造成電解槽極上積料,上部散熱減少,熔化側(cè)部爐幫,產(chǎn)生不好的效果,見表2。

表2 某電解鋁廠400kA系列外掛控制柜智能打殼下料對比試驗

表2為某電解鋁廠400 kA在兩個工區(qū)的智能打殼下料技術(shù)試驗,采用行程位移外帶智能氣缸控制柜的模式。使用智能氣缸技術(shù)的兩個工區(qū)試驗槽相較于普通槽氧化鋁下料量增多、現(xiàn)場粘包減少,但電解槽陽極表面積料增多,氧化鋁不能有效進入電解質(zhì),電解槽中多余能量不能散發(fā),導致側(cè)部爐幫熔化,鐵、硅含量增高,能耗上升。目前,上述三種智能打殼下料技術(shù)均無法有效處理電解槽陽極表面積料增多問題。

3 智能打殼下料技術(shù)控制策略

一個完整的智能打殼下料技術(shù),可以用各種方式識別堵卡,但核心控制應(yīng)該與槽控系統(tǒng)相結(jié)合,與電解槽的過程控制相結(jié)合,進行智能打殼下料控制,以智能打殼下料技術(shù)[7-9]為例,其控制策略見圖2。

圖2 智能打殼下料控制策略

3.1 追加打殼控制策略

發(fā)現(xiàn)堵卡后,首先進行智能的追加打殼控制策略,針對實際情況進行追加打殼,槽控系統(tǒng)電阻曲線上顯示B。

3.2 單點下料控制策略

如果追加打殼不能處理堵卡,進行智能單點控料策略,針對實際情況進行單點控料,槽控系統(tǒng)電阻曲線上顯示N。同時,基于單點下料控制策略,開發(fā)出了換極智能控制策略和輔助控料策略。

3.3 過熱度調(diào)控策略

如果電解槽多個點出現(xiàn)堵卡,或者幾個點多次出現(xiàn)堵卡,槽控系統(tǒng)自動調(diào)整電解槽工藝參數(shù),進行過熱度調(diào)控。

4 智能打殼下料技術(shù)對電解生產(chǎn)運行的影響

與槽控系統(tǒng)相結(jié)合的智能打殼下料技術(shù)在某企業(yè)400 kA系列86臺電解槽上進行了改造,取得了較好的效果。

4.1 錘頭粘包與卡堵

如表3所示,采用智能打殼下料控制技術(shù)后,改善了氧化鋁的溶解性,可實現(xiàn)氧化鋁的低窄控制,此時電解質(zhì)的過熱度保持在5～15℃之間,打殼錘頭粘包和卡堵次數(shù)分別降低75%和67%,顯著降低了工人處理錘頭粘包和卡堵的作業(yè)量。

表3 打殼錘頭粘包和火眼卡堵數(shù)量對比

4.2 氧化鋁濃度

如表4所示,采用智能打殼下料控制技術(shù)后,電解槽氧化鋁下料量偏差由0.48%下降至0.05%,下降值達0.43%。由此,可得出采用智能打殼下料技術(shù)后,氧化鋁可及時溶于電解質(zhì)中,電解槽氧化鋁濃度分布更加均勻。

表4 氧化鋁濃度對比 %

4.3 陽極電流分布

采用智能打殼下料控制技術(shù)后,可控制氧化鋁的濃度始終保持在敏感區(qū)間內(nèi)(即氧化鋁濃度在1.5%～2.5%之間),選取代表性的試驗數(shù)據(jù)(表5和表6)可知,槽電阻和氧化鋁濃度呈反相關(guān)趨勢,故在氧化鋁低濃度情況下,陽極電流分布會減小;而高氧化鋁濃度會導致氧化鋁不能及時溶解于電解質(zhì)中,致使爐底沉淀產(chǎn)生,陽極電流分布會升高。由表5、6可知,電解槽A、B側(cè)電流密度標準偏差分別由0.41%和0.35%降低至0.26%,降低幅度達0.15%和0.09。由此,可得出氧化鋁及時溶于電解質(zhì)后,電解槽陽極電流分布更加均勻。

表5 對比電解槽陽極電流分布 %

表6 智能打殼電解槽陽極電流分布 %

4.4 電解槽爐膛內(nèi)形

由表7和表8可知,采用智能打殼下料控制技術(shù)后,電解槽始終保持在一個適宜的過熱度下運行,此時可形成更加規(guī)整的槽膛,保護槽內(nèi)襯。由測量數(shù)據(jù)可知,電解槽A、B面爐幫厚度標準偏差由3.4 cm降低至1.9 cm,爐幫厚度更加均勻;電解槽A、B面伸腿長度標準偏差仍保持0.5 cm,未發(fā)生明顯變化,故伸腿長度受智能打殼系統(tǒng)影響不明顯。

表7 電解槽爐幫厚度對比 cm

4.5 陽極效應(yīng)

陽極效應(yīng)通常是在陽極電流密度增大到一定數(shù)值時發(fā)生的(臨界電流密度),而臨界電流密度又與氧化鋁濃度密切相關(guān)。由邱竹賢研究可知,臨界電流密度隨著氧化鋁濃度的增大而增大,故氧化鋁濃度的減小是引起陽極效應(yīng)的一個重要原因[10]。由表9可知,采用智能打殼下料控制技術(shù)后,可控制氧化鋁的濃度始終保持在敏感區(qū)間內(nèi)。

表9 陽極效應(yīng)系數(shù)對比

4.6 電解生產(chǎn)指標

由表10可知,采用智能打殼技術(shù)后,可控制氧化鋁的濃度始終保持在敏感區(qū)間內(nèi),此時氧化鋁濃度與槽電壓呈反相關(guān)。由于CO2氣體在冰晶石-氧化鋁溶液中的溶解度是很小的,只有10-6～10-5mol/cm3,所以電流效率的降低主要是因為電解質(zhì)中鋁被CO2氣泡所氧化。采用智能打殼技術(shù)后,陽極產(chǎn)生的CO2氣泡較容易從陽極邊緣排出,故CO2在電解質(zhì)中與鋁接觸的機會減少,被氧化的鋁也相應(yīng)減少,電流效率會升高。此外,由于氧化鋁的溶解對電解槽過熱度也有較大的影響,而較低的過熱度可減少鋁的溶解損失,提高電流效率。電流效率升高0.4%,直流電耗由12 480 kWh/t-Al下降至12 405 kWh/t-Al,噸鋁電耗節(jié)余75 kWh,對于綠色鋁電解具有重要意義。

表10 電解槽能耗對比

4.7 設(shè)備壽命

表11為某400 kA推廣智能打殼下料技術(shù)前后打殼頭和氣缸壽命對比,采用智能打殼下料控制技術(shù)后,打殼頭和氣缸壽命均延長30%以上。

表11 智能打殼下料控制技術(shù)應(yīng)用前后打殼頭和氣缸使用量對比

5 結(jié) 論

1) 智能打殼下料技術(shù)要與槽控系統(tǒng)相結(jié)合,與電解槽過程控制相結(jié)合,否則易與槽控系統(tǒng)控制沖突,產(chǎn)生積料,熔化爐幫。

2)智能打殼下料技術(shù)能夠減少打殼頭磨損和延長氣缸使用壽命20%以上,減輕現(xiàn)場勞動強度。

3)智能打殼下料技術(shù)能夠減少包卡堵,均勻氧化鋁濃度、陽極電流分布和爐幫厚度,可降低陽極效應(yīng)系數(shù),避免電耗損失50 kWh/t-Al,效率損失0.5%。