張鵬程,張偉,陳仕鴻,李官福,王輝

(云南文山鋁業(yè)有限公司,云南 文山 663000)

隨著國家碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標的提出和逐步實施,電解鋁行業(yè)面臨“能耗雙控”的壓力愈發(fā)增大,亟需開展相關(guān)節(jié)能研究。500 kA石墨化陰極新型節(jié)能電解槽是沈陽院在其原500 kA電解槽基礎(chǔ)上進行節(jié)能技術(shù)升級改造。該槽型的成功節(jié)能改造升級標志著我國電解鋁節(jié)能技術(shù)又迎來一次新的跨越。

就生產(chǎn)技術(shù)而言,雖然有了多年的500 kA鋁電解槽生產(chǎn)經(jīng)驗,但由于500 kA新型節(jié)能電解槽采用石墨化陰極結(jié)構(gòu),以往基于石墨質(zhì)和半石墨質(zhì)的生產(chǎn)技術(shù)[1-4]不能直接應(yīng)用,需針對石墨化陰極的性能(如表1所示)進行調(diào)整。

表1 目前幾種國產(chǎn)陰極炭塊的性能對比表

如何圍繞新型石墨化陰極節(jié)能電解槽的特點開發(fā)與之相匹配的焙燒啟動技術(shù)是至關(guān)重要的問題之一。它不僅關(guān)系到電解槽能否順利投產(chǎn),而且影響到正常生產(chǎn)期的技術(shù)經(jīng)濟指標和槽壽命。

因此針對新型節(jié)能電解槽陰極高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率和陰極耐磨性變差的特點[5],焙燒啟動過程中要綜合考慮電解槽陰極特點,并以此開展工作,保障焙燒啟動的質(zhì)量。因此,需要對新型節(jié)能電解槽科學(xué)合理地進行焙燒啟動探索。

1 裝 槽

本次技改升級采用的500 kA新型節(jié)能電解槽充分考慮了石墨化陰極的特性,通過減小和均化鋁液中水平電流,有效降低了鋁液沖刷石墨化陰極的速率。并且通過提高陰極炭塊有效高度的技術(shù)措施,保障并提高了電解槽運行壽命[6]。

石墨化陰極裝槽作業(yè)總體步驟借鑒了石墨質(zhì)和半石墨質(zhì)電解槽的啟動技術(shù),包括鋪焦、掛極、裝爐、安裝軟連接、分流器四個環(huán)節(jié)。

本文重點針對關(guān)鍵環(huán)節(jié)-鋪焦和裝爐進行了調(diào)整。

1.1 鋪 焦

眾所周知,焦粒的鋪設(shè)直接影響著焙燒的效果、直接決定了電解槽內(nèi)陽極電流分布的大小及槽內(nèi)各部位溫度是否均勻、焙燒時陽極是否出現(xiàn)脫極現(xiàn)象[5]。

針對半石墨質(zhì)電解槽,國內(nèi)有鋁企[7]鋪焦方式為焦粒和石墨比例進行裝爐,其中四組角部陽極處配比為8∶2,中間陽極為9∶1,焦粒選粒度為1～4 mm,石墨粒度≤0.3 mm。由于石墨化陰極炭塊的電阻率低于石墨質(zhì)炭快。為了增加槽內(nèi)的發(fā)熱功率,焦粒與石墨碎粒度為3～6 mm,焦粒厚度為25 mm,中間極使用焦粒,角極使用焦粒和石墨碎的配比比例為3∶1。

1.2 掛 極

掛極所采用的陽極為表面清潔、底面平整、導(dǎo)桿與陽極底掌垂直的陽極,保證陰極受重均勻、陽極電流分布和陰極電流分布均勻,鋪焦與掛極如圖1所示。橫梁母線與導(dǎo)桿間距1～3 mm。

圖1 鋪焦和掛極

1.3 裝 爐

鋪焦掛極完成后必須嚴格按規(guī)定的裝入物料順序和重量進行裝爐:① 沿電解槽側(cè)部扎糊帶均勻撒上0.5 t氟化鈣;② 沿側(cè)部四周和中縫裝入10 t冰晶石;③ 再裝電解質(zhì)粉與大堿混合料15 t;④ 在陽極表面鋪一層20 cm電解質(zhì)粉(粒度1～3 cm);⑤ 在裝混合料之后預(yù)埋8根熱點電偶套管用于焙燒過程中監(jiān)測焙燒溫度。

節(jié)能型電解槽陰極材質(zhì)具備高導(dǎo)熱特性,裝爐過程增加了陽極表面電解質(zhì)粉的厚度以降低槽整體散熱量。

1.4 安裝軟連接、分流器

安裝軟連接、分流器前做好壓接面的清潔打磨處理,軟連接不低于8 cm的伸縮空間,確保陽極加熱膨脹后軟連接不與導(dǎo)桿拉脫。軟連接與導(dǎo)桿和母線、分流器與立柱和母線的接觸面緊貼且無縫隙,所有接觸面積>95%。

本企業(yè)500 kA新型節(jié)能電解槽采用6組分流器進行分流,分流率在40%～50%,確保通電峰值電壓在3.6 V以下。

2 通電焙燒

電解槽通電采用不停電裝置進行通電作業(yè)。焙燒時間的選擇有70 h,80～96 h和120 h等。國外企業(yè)如Hydro在Karmφy試驗槽上采用70 h的焙燒時間[8]。

早期國內(nèi)有400 kA電解企業(yè)將焙燒時間從96 h延長到120 h[9-10],發(fā)現(xiàn)延長焙燒時間對電解槽指標和壽命具有積極作用?；谠其X石墨質(zhì)焙燒啟動經(jīng)驗[10],本文采用120 h焙燒時間。通電8 h后,根據(jù)槽電壓的下降情況,確定分流器的拆除時間。拆除按照先兩端,再中間原則進行。槽電壓低于2.8 V,拆除第一組。組與組拆除時間間隔必須在4 h以上,每次拆除前槽電壓應(yīng)低于3.0 V,具體如表2所示。

表2 拆除分流片電壓與時間管理

3 電解槽啟動

3.1 啟動前準備

電解槽焙燒結(jié)束,電解質(zhì)溫度≥950℃、爐底溫度≥50℃、電解質(zhì)水平≥30 cm,具備啟動條件。

3.2 啟動過程

雖然石墨化陰極材質(zhì)的抗熱沖擊性優(yōu)于石墨質(zhì)陰極,500 kA新型節(jié)能電解槽仍采用濕法無效應(yīng)啟動來減少啟動過程對陰極內(nèi)襯的熱沖擊。

① 灌入液體電解質(zhì)約10 t,當灌入的電解質(zhì)流動到煙道端時,開始上抬陽極,上抬速度根據(jù)電解質(zhì)的灌入速度決定,確保陽極浸入電解質(zhì)液面不低于5 cm。② 啟動過程中電壓控制在10.0 V以內(nèi),每隔1～2 h后,根據(jù)實際情況將邊部四周物料鏟到中縫熔化。待邊部四周物料完全熔化,進行炭渣打撈作業(yè)。③ 撈完炭渣后,開通NB。槽狀態(tài)從啟動改為正常,電壓控制在5.8～6.5 V。④ 電解槽啟動后,要及時適量添加電解質(zhì),避免空燒或添加過多造成局部溫度過冷,控制液面高度低于電解槽側(cè)塊壓板下沿5 cm,防止電解質(zhì)“側(cè)部翻墻”。⑤ 電解槽啟動結(jié)束24 h后一次灌鋁20～25 t。灌鋁前打撈炭渣,保持槽內(nèi)電解質(zhì)清潔,灌鋁后電壓保持4.8～6.5 V。

電壓管理如表3和圖2所示。

表3 啟動過程控制

圖2 灌鋁后電壓管理

電解槽啟動過程中,炭渣打撈作業(yè)非常重要。有文獻[11]表示電解質(zhì)中炭渣含量增加1%,電解質(zhì)電阻率提高11%。干凈的電解質(zhì)不僅有利于電解槽啟動過程中的槽電壓控制,還可以減少電解質(zhì)溫度過高而向陰極炭快的滲透速率。本企業(yè)在啟動過程中打撈出的炭渣量約1.2～1.7 t/槽,電解質(zhì)溫度控制在980℃以下,減輕了電解質(zhì)向陰極滲透的現(xiàn)象。

國內(nèi)外企業(yè)針對灌鋁的時間選擇并沒有統(tǒng)一的標準。中孚400 kA電解槽也是在灌入電解質(zhì)后24 h灌入第一包鋁,但12 h后又灌入第二包鋁[12];沈陽院的論文中[2],500 kA電解槽在啟動24 h后,分四次灌入28 t鋁液;甘肅東興鋁業(yè)500 kA電解槽啟動12 h第一次灌鋁,灌入鋁量約為20 t;24 h后第二次灌鋁,灌入鋁量10～20 t[3];中潤鋁業(yè)[7]的灌鋁策略是電解槽啟動結(jié)束后24 h第一次灌鋁10 t,啟動32 h后第二次灌鋁10 t,灌鋁后電壓保持在5 V左右。國外Hydro是在電解槽啟動后24 h灌入第一包鋁[8]。

本文采用的石墨化陰極炭快具備導(dǎo)熱率高、抗沖擊性好的特性,經(jīng)過三臺試驗槽的實踐,結(jié)合電解槽的熱平衡和磁流體穩(wěn)定性狀態(tài),采用電解槽啟動結(jié)束24 h后一次灌鋁20～25 t的灌鋁方式。

節(jié)能電解槽采用了沈陽院最新的陰極結(jié)構(gòu)和母線設(shè)計[13-14],具備良好的磁流體穩(wěn)定性和抗干擾性,可在灌鋁后保持14～16 cm的鋁水平穩(wěn)定運行,較傳統(tǒng)石墨質(zhì)電解槽低約2 cm。

4 焙燒、啟動過程異常問題及處理

電解槽焙燒啟動過程中會有異常情況的發(fā)生,若處理不及時,將會降低電解槽的焙燒、啟動質(zhì)量,影響電解槽槽壽命[15],嚴重的危及系列運行安全。

1)陽極偏流或鋼爪過熱發(fā)紅:扒開鋼爪周圍物料,用風(fēng)管吹風(fēng)降溫,若效果不明顯,調(diào)整軟連接與導(dǎo)桿連接處夾具,當陽極電流分布值>5 mV時,對該陽極實施斷電,1 h后再恢復(fù),這種調(diào)整工作不允許同時超過2塊;當陽極電流分布值<1.0 mV,復(fù)緊軟連接夾具等措施進行處理。

2)陰極鋼棒因電流集中而過熱:采取邊部補料降溫,若效果不好,可拆除對應(yīng)陽極的軟連接。

3)軟連接拉伸、拉斷:焙燒過程中,軟連接伸縮弧度不夠時,要及時松開夾具,使軟帶有足夠的伸縮空間,同時擰緊上部夾具的壓緊頭。

4)陽極嚴重偏流:啟動過程中,由于陽極底掌聚集焦粒量的差異及電解質(zhì)浸入陽極高度的不一致導(dǎo)致陽極電流分布過大,陽極嚴重偏流。此時應(yīng)及時上抬電壓,在陽極底掌不脫離電解質(zhì)的前提下,盡量保持較高電壓,恢復(fù)電流分布。若個別陽極電流過大,可適當提極,使陽極電流分布趨于均勻,陽極壓降保持在1.5～4.5 mV,待電壓穩(wěn)定后,逐步少量多次下降陽極直至正常值。

5 實踐效果

1) 通電時峰值電壓在3.6 V以下。峰值電壓的大小一般由焦粒的厚度、鋪設(shè)質(zhì)量和分流器安裝質(zhì)量決定,峰值電壓過高不但容易導(dǎo)致陽極電流分布不均加重,出現(xiàn)鋼爪發(fā)紅及炭塊裂紋,給啟動工作帶來困難,而且易導(dǎo)致陰極電流分布不均,熱沖擊過大,造成局部爐底、爐幫溫度異常[16]。500 kA節(jié)能型電解槽通電峰值電壓均控制在3.6 V以下,如圖3所示。

2) 陽極電流分布均勻。陽極電流分布的好壞,在某種程度上表征焙燒電解槽的溫度分布特征,較好的陽極電流分布的偏差應(yīng)不大于15%,最好在10%以下[11]。

500 kA節(jié)能型電解槽焙燒期間陽極電流分布如下表所示。其中表4為焙燒槽48 h陽極電流的分布值,標準偏差為0.39 mV,約為全槽平均值的15%。表5為焙燒槽72 h陽極電流的分布值,標準偏差降為0.36 mV,約為全槽平均值的13%。

圖3 通電焙燒歷史曲線

表4 焙燒槽48h陽極電流分布值 mV

表5 焙燒槽72h陽極電流分布值 mV

3) 焙燒升溫梯度小,溫度均勻。一個完整的鋁電解槽升溫速度,在各個溫度階段應(yīng)該是不一樣的。在300～600℃溫度區(qū)間,電解槽的焙燒升溫速度應(yīng)該是最慢的,一般在5～10℃/h,超過600℃,其焙燒升溫速度可以加快到20～50℃/h,但溫度梯度要盡可能低些為好,陰極表面的溫度分布的偏差應(yīng)不大于10%[11]。500 kA節(jié)能型電解槽焙燒升溫曲線如圖4所示。

4) 啟動后槽體“三鋼溫度”未見異常,電解槽運行平穩(wěn)。500 kA節(jié)能型電解槽從焙燒啟動至啟動后期對槽體“三鋼溫度”跟蹤測量未見異常。槽殼溫度平均穩(wěn)定在310～350℃(見圖5),鋼棒溫度平均穩(wěn)定在290～330℃(見圖6),爐底溫度平均穩(wěn)定在55～70℃(見圖7),“三鋼溫度”均保持在正常的控制范圍內(nèi)。

圖4 三臺典型槽槽的焙燒升溫曲線

圖5 槽殼溫度

圖6 鋼棒溫度

圖7 爐底溫度

5) 陰極電流分布正常。陰極電流也是表征電解槽焙燒質(zhì)量好壞的一個重要指標[11]。陰極電流分布偏差9%～12%,500 kA節(jié)能型電解槽焙燒期間陰極電流分布如下圖8所示。

圖8 1136#槽陰極電流分布圖

6) 啟動后原鋁質(zhì)量上升較快,20天左右原鋁中Si、Fe含量分別由啟動時的0.14%、0.134%下降到0.035%、0.078%,如圖9、圖10所示。

圖9 啟動槽Si含量變化趨勢圖

圖10 啟動槽Fe含量變化趨勢圖

6 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)石墨質(zhì)電解槽啟動經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,對節(jié)能型500 kA的焙燒啟動進行了針對性調(diào)整,實現(xiàn)了啟動過程“零事故、零滲漏、零脫極”的目標。為電解槽轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)和延長電解槽壽命打下良好的基礎(chǔ),為同類型鋁電解槽焙燒啟動提供了實踐經(jīng)驗。