500kA大型預(yù)焙電解槽電流效率與鋁水平相關(guān)性探討

張向珍

（中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司連城分公司，甘肅 蘭州 730335）

電流效率是鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，是各項(xiàng)工藝技術(shù)條件與電解槽維護(hù)操作水平的綜合反映，直接影響電解槽的產(chǎn)鋁量與電耗。

在鋁電解生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，影響電流效率的因素有很多，而鋁水平作為電解槽重要的工藝技術(shù)條件，直接影響電解槽的熱平衡和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響電解槽的電流效率。適宜的鋁水平可以使電解槽保持穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，有助于維持規(guī)整的爐膛；同時(shí)，適宜的鋁水平也可以平衡電解槽磁場(chǎng)波動(dòng)，隨著鋁水平高度增加，鋁液層內(nèi)各方向電磁力會(huì)減弱，從而提高電解槽穩(wěn)定性。

本文通過(guò)對(duì)500kA電解槽電流效率和鋁水平相關(guān)性進(jìn)行分析，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)管理有一定的指導(dǎo)意義。

1 鋁水平高度與電流效率相關(guān)性分析

1.1 鋁水平對(duì)磁流體穩(wěn)定性的影響

提高鋁水平可以減少電解槽內(nèi)水平電流，減小鋁液界面變形，降低電解槽噪聲，提高電解槽的穩(wěn)定性，這些都已被理論研究和工業(yè)實(shí)踐所驗(yàn)證。

從Sele推導(dǎo)的一種穩(wěn)定性準(zhǔn)則[1]，即：

（D+DO）·HM＞A·BZ·IP

其中：D為極距，m；DO為等效“陽(yáng)極”極距，m；HM為鋁液層高度，m ；A=5＊10-6m2＊gauss-1＊kA-1，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Bz為陽(yáng)極下方的垂直磁場(chǎng)算術(shù)平均值，gauss；IP為槽系列電流，kA。

從上面的公式可以看出，鋁水平的提高有助于電解槽穩(wěn)定性提高，而穩(wěn)定性提高有利于提高電流效率。

1.2 鋁水平與電流效率相關(guān)性分析

以下是某公司500kA電解系列鋁水平和電流效率關(guān)系對(duì)比：

從圖1中鋁水平和電流效率的變化可以看出，該系列電解槽電流效率差異性非常大，同時(shí)電流效率與鋁水平之間有著強(qiáng)烈的相關(guān)性，電流效率對(duì)應(yīng)鋁水平升高呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)。

圖1 鋁水平與電流效率關(guān)系對(duì)比

2 提高鋁水平試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)槽選擇、鋁水平調(diào)整

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電解槽鋁水平的提高對(duì)電流效率的影響，選取兩臺(tái)電解槽進(jìn)行提高鋁水平試驗(yàn)。

試驗(yàn)槽確定的原則：為了使試驗(yàn)槽具有一定的代表性，在選取試驗(yàn)槽時(shí)盡量使鋁水平靠近系列平均值，同時(shí)考慮提高鋁水平帶來(lái)的負(fù)面影響，試驗(yàn)槽電解質(zhì)水平保持在高限，電解槽爐膛相對(duì)規(guī)整，爐底壓降在350mv以內(nèi)，運(yùn)行穩(wěn)定。

基于以上條件，選取2104#、2105#兩臺(tái)電解槽作為試驗(yàn)槽進(jìn)行提高鋁水平試驗(yàn)。鋁水平的提高通過(guò)適當(dāng)減少出鋁量來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，2104#槽鋁水平從25.5cm提高到27.5cm，2105#槽鋁水平從25.5cm提高到26.5cm。

2.2 電流效率測(cè)定

6月10日開始逐步調(diào)整試驗(yàn)槽出鋁量，期間隨著鋁水平上升，采用奧氏氣體分析儀對(duì)兩臺(tái)試驗(yàn)槽進(jìn)行電流效率測(cè)定。

奧氏氣體分析儀的測(cè)定原理是利用不同的溶液來(lái)吸收氣體試樣中的不同組分。在本次測(cè)定中，用30%的氫氧化鉀吸收試樣中的二氧化碳，然后根據(jù)吸收前后試樣體積的變化來(lái)計(jì)算二氧化碳的含量。計(jì)算公式為：

其中：η為電流效率；ψ為吸收前后試樣體積變化量。

測(cè)定后，對(duì)兩臺(tái)試驗(yàn)槽鋁水平上升過(guò)程中電流效率的變化進(jìn)行分析，如下圖：

從圖2和圖3可以看出，隨著鋁水平的升高，兩臺(tái)測(cè)試電解槽電流效率均呈上升趨勢(shì)；同時(shí)，2104#電解槽鋁水平較2105#電解槽高1cm，其電流效率也較2105#電解槽高。試驗(yàn)槽鋁水平和電流效率的變化驗(yàn)證了電流效率隨著鋁水平的升高而提高的論斷。需要注意的是，提高鋁水平，會(huì)增加電解槽的熱損失，因此，鋁水平的升高要與電解槽的整體熱平衡和工藝技術(shù)條件相匹配。

圖2 2104#槽-鋁水平和電流效率的關(guān)系

圖3 2105#槽-鋁水平和電流效率的關(guān)系

2.3 爐底壓降變化

在提高鋁水平的過(guò)程中，電流效率逐步提高，而爐底壓降呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。鋁水平的提高并沒有導(dǎo)致爐底壓降上升，說(shuō)明在鋁水平提高時(shí)電解槽的熱平衡是能夠支撐的，同時(shí)也證明鋁水平提高后電解槽水平電流減少、垂直電流增加，對(duì)凈化爐底沉淀有利。

圖4 鋁水平-爐底壓降變化趨勢(shì)圖

2.4 三鋼溫度變化

隨著鋁水平逐步提高，電解質(zhì)水平會(huì)有一定程度的收縮，此時(shí)要及時(shí)調(diào)整電解質(zhì)水平，防止出現(xiàn)低電解質(zhì)的情況。同時(shí)電解槽側(cè)壁溫度、棒頭溫度和爐底鋼板溫度均出現(xiàn)降低：

圖5 三鋼溫度變化趨勢(shì)圖

通過(guò)試驗(yàn)可看出：鋁水平提高有利于電流效率的提高，同時(shí)電解槽爐底壓降和三鋼溫度均出現(xiàn)不同程度的下降。

3 結(jié)論

提高電解槽鋁水平有助于電流效率的提高。在鋁水平上升過(guò)程中，電解槽水平電流減小，垂直電流增加，有助于形成穩(wěn)固的爐幫和較為規(guī)整的爐膛，提高電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)，隨著鋁水平提高，電解槽電流效率呈線性升高的趨勢(shì)。

但是，鋁水平過(guò)高會(huì)使電解槽側(cè)下部散熱量增大，容易造成電解槽伸腿過(guò)長(zhǎng)，爐底沉淀增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生爐底結(jié)殼，破壞電解槽穩(wěn)定性，因此，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選擇合適的鋁水平高度，在保持電解槽平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，獲得更高的電流效率。