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            某電解鋁企業600kA電解槽運行穩定性分析

            2024-03-08 10:33:16 來源:中冶有色技術平臺
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            簡介:隨著科學技術進步,鋁電解槽容量逐步大型化,先出現了160kA?200kA?240kA系列,隨后出現了280kA?320kA?350kA?400kA?420kA系列,再到當前的500kA?600kA?660kA系列,電解槽大型化越來越突出?大型化在投資效益方面具有單位產能投資少,噸鋁成本折舊資金少?設備維護成本低?勞力成本低等多項優勢?但隨著電解槽容量的不斷加大,大型電解槽電壓的針振和擺動日益成為生產過程不穩定的重要因素,電解槽運行穩定性成為大型化的瓶頸,其穩定性研究已經成為設計和生產中越來越重要的課題?
            前言

            隨著科學技術進步,鋁電解槽容量逐步大型化,先出現了160kA?200kA?240kA系列,隨后出現了280kA?320kA?350kA?400kA?420kA系列,再到當前的500kA?600kA?660kA系列,電解槽大型化越來越突出?大型化在投資效益方面具有單位產能投資少,噸鋁成本折舊資金少?設備維護成本低?勞力成本低等多項優勢?但隨著電解槽容量的不斷加大,大型電解槽電壓的針振和擺動日益成為生產過程不穩定的重要因素,電解槽運行穩定性成為大型化的瓶頸,其穩定性研究已經成為設計和生產中越來越重要的課題?

            電解槽

            從設計角度來說,運行穩定性主要由磁場和電場決定?鋁液中的水平電流與垂直磁場相互作用,形成鋁液流動的原動力,當垂直磁場與水平電流都比較大時,鋁液流動形成的流場不穩定性加劇?從工藝控制角度來說,提高鋁水平減少水平電流,控制各陽極的導電均勻性是常見的穩定措施;而控制好氧化鋁濃度?過熱度等,減少陽極氣泡在陽極底的富積,讓氣泡從陽極底掌排出時更小更快,以減少氣泡對鋁液鏡面的擾動,可以很好地控制電解槽電壓波動?本文就設計因素和工藝控制因素,對某電解鋁企業600kA電解槽的運行穩定性進行分析,并針對影響電解槽電壓穩定的環節,采取相應的措施,以突破大型槽穩定性瓶頸,做到安全平穩高效運行?

            1.某電解鋁企業600kA電解槽運行穩定性分析

            1.1 600kA電解槽的基本設計情況

            某電解鋁企業電解槽設計電流為600kA,陽極56組,陰極30組,陽極電流密度設計為0.816A/cm2?在設計方面,600kA電解槽母線配置采用槽外補償方式,對運行穩定性的影響比較突出:

            1)槽體大,長度近23m,寬度約4.6m,啟動期間,槽殼底隆起最高達11cm?大槽體對溫度均勻性?濃度均勻性都有較大負面影響?

            2)陰極采用450mni高的GS-5陰極(半石墨質),與方鋼的粘接方式為磷生鐵澆鑄,不利于減少水平電流;但陰極炭塊與方鋼粘接的外端采用了一定的絕緣方式,可以抑制40%的水平電流?

            3)電解槽中的下料點分布不均勻?8個下料點按陽極排列下料面積比為2,4,4,4,4,4,4,2?區域下料不均,易引起氧化鋁濃度差異?

            4)槽內襯熱場結構設計為底部保溫,側部散熱?對于大型槽,這種設計易使邊部與中間形成溫差?

            1.2 影響600kA電解槽穩定運行的因素分析

            1.2.1 磁場電場的設計對運行穩定的影響

            為盡可能排除氣泡對電壓穩定性的影響,選取處于啟動后期管理運行的電解槽進行分析?跟蹤記錄1臺600kA(實際575kA)電解槽啟動后30-56天的運行數據見表1,槽在出鋁作業?換極作業和抬母線作業后的擺動曲線,如圖1所示?

            某 電解鋁企業1臺600ka電解槽啟動后30-56天的運行參數

            1)由表1可知,工作電壓為3.951V,電壓偏離值為23mV,分子比為2.858,槽溫981.4°C,實際運行電流為575kA,陽極電流密度為0.782A/cm2,噪聲長期穩定保持在13.500mV?

            電解槽出鋁?換極?抬母線作業的電壓曲線

            2)由圖1可知,電解槽電壓在出鋁?換極?抬母線作業后穩定性良好,基本沒有受到影響,這是因為進人后期管理的電解槽,爐膛潔凈度好,在高分子比?高溫和低極距工藝條件下,陽極氣泡對陽極濕潤性好,在陽極底富積少,排出時體積小,電解槽可以長時間穩定運行,說明磷生鐵澆鑄陰極絕緣區抑制水平電流與電解槽的磁場設計,在運行電流為575kA時電壓穩定性好?

            1.2.2 電流對運行穩定性的影響

            1)穩定運行狀態下,電流對運行穩定性的影響?張峰等研究了鋁電解工藝對陽極氣泡析出行為的影響,發現氣泡在陽極底掌下的覆蓋面積隨著電流密度的增大而減少,即隨著陽極電流密度的增大,槽電壓波動幅度降低?單從氣泡的角度來說,提升電流對電壓無不利影響,但因采用磷生鐵澆鑄陰極,增加電流在一定程度上增加了水平電流分量?因此,為了觀察電流強度對電壓穩定性的影響,跟蹤記錄同處于啟動后30-40天的4臺電解槽在不同電流條件下的運行情況,見表2。

            電解槽工藝

            由表2可知,電流由568.4kA提升至580kA,槽電壓的噪聲值由16.1mV降至15mV,穩定性無明顯變化?即在高分子比條件下,處于穩定運行的電解槽,提升電流對槽電壓影響不大?

            2)非穩定狀態下,電流對運動穩定性的影響?處于正常期運行的電解槽,分子比下降到2.55以下,如果處于非穩態運行的電解槽,散熱孔溫差增大,槽電壓噪聲值隨電流增加而明顯增加(圖2),槽電壓波動后長期不易恢復?此時,降低電流運行,是解決問題的根本辦法?前期啟動槽因架設臨時匯流母線等原因,爐膛建立不好,電解槽處于非穩定狀態下運行,系列電流曾短期保持600kA運行穩定性差,后降至580kA?

            非穩定狀態運動的電解槽電壓波動曲線

            1.2.3分子比和過熱度對運行穩定性的影響

            對其中某個管理正常?操作比較好的工區進行3個月的跟蹤記錄,運行電流為580kA,將分子比從2.84分階段調整到2.45,期間電解槽各工藝參數見表3?

            不同分子比條件下的電解槽的工藝參數

            由表3可知,當分子比保持2.45~2.65?鋁水平24~26cm?過熱度大于14°C時,有較好的電壓穩定性和較低的電壓偏離值?但在分子比下降到2.45?槽溫降到961°C后,噪聲值上升到22mV,電壓偏離值上升到62mV,槽電壓的穩定性明顯變差,電解槽基本脫離微機控制區間,處于無序狀態?

            1.2.4陽極效應干擾相鄰槽對運行穩定性的影響

            電解槽發生陽極效應后,在消除陽極效應過程中,電解槽各陽極電流會出現短時間不平均導致電壓出現擾動,相鄰槽電壓擾動情況如圖3所示?

            發生陽極效應后相鄰槽的電壓影響

            從圖3可以看出,發生陽極效應后,對電流方向的上一臺電解槽擾動稍大?

            綜上所述,高溫高分子比條件下,其運行穩定性較好;發生陽極效應后,相鄰槽的電壓擾動不大;在鋁水平高度保持低于26cm時,要保持更髙的過熱度14°C,方可保持稍好的噪聲值,此時,分子比變化對槽電壓穩定性影響明顯?磁場及陰極水平電流設計基本滿足生產要求,但因槽體大,生產中影響因素被放大,電解槽的抗干擾能力不強,波動后不易恢復,對爐膛規整性造成破壞?對此,以降低電流強度來應對,這也就形成了電解槽大型化的瓶頸?為增強其搞干擾能力,做到長期穩定運行,需要在過熱度?鋁水平等方面做出適應性調整,以應對大型化帶來的不穩定性?

            2.某電解鋁企業600kA電解槽運行適應性調整

            2.1 控制過熱度

            陽極氣體覆蓋率的變化與槽電壓的波動高度吻合,氣泡的周期性行為是引起槽電壓波動的主要原因之一;增加電解質對陽極濕潤性和增強電解質流動性的工藝技術條件,有利于陽極氣體排出穩定槽電壓,這也與上述多個運行實例吻合,高分子比有利于增加電解質對陽極的濕潤性和增強電解質流動性,穩定槽電壓?正常期生產分子比為低分子比,要達到類似的性質,需通過保持高過熱度來獲得?要在低電壓下實現高過熱度,啟動中前期需建立高而陡且規整的爐膛?

            2.2 控制爐膛

            600kA電解槽穩定運行要求有更高的過熱度,生產中,如果僅是提高電壓來達到提高熱度,能耗過高,也不利于安全?建立良好的高溫規整爐膛是保持低電壓下足夠過熱度的前提條件?高溫爐膛的建立機制如下:

            2.2.1 控制啟動期應力

            600kA大型電解槽,槽寬度與中型槽相比相差不大,但長度增加較大,上部衍架跨度大,槽殼槽體長?生產運行中,啟動期應力變化主要表現為上部結構下撓?槽底殼上隆,槽底殼隆起最高達11cm,如衍架受熱稍大,會加劇下撓幅度,并引發掉極?所以,焙燒與啟動時以緩升溫?避高溫原則進行,減少衍架和槽底殼變形,讓槽電壓平穩下調,是啟動中后期建立高溫槽膛的前提和保障?否則,爐膛伸腿偏小且不規整,在進入正常生產后,槽電壓會較高,穩定性差?

            2.2.2 啟動期保持高鋁水平和高晶點電解質

            600kA電解槽槽體大,各部位熱平穩均度和動態穩定性相對差,因此要求所建爐膛要有更高的穩固性和規整性,為正常期低分子比運行時有足夠的過熱度和長期穩定運行創造條件?對此,采用髙鋁水平和高晶點電解質建膛?爐膛按要求建立后,跟蹤記錄某一電解槽(4119#槽)的生產實際運行情況,運行參數見表4?

            4119#電解槽啟動后1-3個月的運行參數

            由表4可知,高溫期保持更高位的鋁水平啟動槽;啟動進人第3個月以后,在電壓3.945V?鋁水平25.5cm時,有14°C以上的過熱度?

            2.3 正常生產期保持高鋁水平

            進入正常生產期后,鋁水平保持為28~30cm?經計算,鋁水平為28cm,電解質水平為18cm時,每萬電流盤存鋁量約930kg(—般槽型為750~850kg),電解質量為217kg?對比中小型電解槽的電解質量偏少,故保持高鋁水平,增加單位電流鋁熔體,有利于彌補電解質少帶來的熱平衡差異,平衡各區域的溫度,增強微機雙平衡控制系統對能量與物料平衡的控制?有18臺電解槽(4618#-4636*)采用高溫高晶點高鋁水平建膛,在后期保持高鋁水平運行后,獲得良好的生產指標,電流效率達到93%,具體參數見表5。


            高溫高鋁水平建膛保持高鋁水平的電解槽的運行參數


            2.4 平衡電解槽中各區域的溫度和氧化鋁濃度

            高鋁水平和足夠過熱度可以在氣泡及電解質對陽極濕潤性方面,起到增強電壓穩定性的作用;同時在平衡電解槽中各區域的溫度和氧化鋁濃度?減少水平電流?穩定槽電壓等方面,也起到了根本性的作用?而要平衡槽中各區域的溫度和氧化鋁濃度,還應增加如下措施:

            1)均勻換極?在正常生產中,換極均勻性影響鋁液鏡面和槽電壓的穩定性?大型槽電解槽長度跨度大?陽極多,如果換極采取傳統方式間隔兩塊極,易導致電流及溫度分布不均,引發槽電壓波動?故定制換極表時,拉長換極位置間隔,上一次換極的位置與下一次換極的位置距離大于4塊陽極,盡可能避免單位時間內集中一端換極,讓換極位置均勻分布?

            2)均勻下料?因流場等原因,在設計上電解槽各下料點的排布方式為兩端頭密中間疏?實際運行中,出鋁口下料點稍有積料,煙道端下料點積料相對嚴重?因此,最初對2臺電解槽兩端頭下料點采取減少下料定容器的辦法進行試驗,之后全部槽采用微機對相應點延長下料周期的辦法,這樣處理在一定程度上有利于濃度均勻和槽電壓穩定?

            3)均勻蓋料?槽型設計為底部保溫?側部散熱?其中側部散熱比例相對過大,且中間和邊部距離相對增加?當槽電壓偏高時,會導致中間和邊部的溫差增加?因此,采取減少中縫保溫料的做法,一定程度上平衡了各區域的溫度,增強了槽電壓穩定性?

            3.結論

            1) 電解槽的磁場設計及磷生鐵澆鑄陰極絕緣區形成的水平電流,基本滿足生產要求?在電流580kA,各環節控制較好的電解槽噪聲值已達18mV,電流上調的運行基礎有待提髙,在減少陰極水平電流方面有待改進?

            2) 大型槽大型化至穩定性變差,抗干擾性變差?在不穩定狀態下,電解槽的波動幅度大,不易恢復?電解槽能否長期穩定運行,是滿負荷600kA運行的瓶頸所在?

            3) 在過熱度偏低?鋁水平高度不夠的情況下,分子比對槽電壓的穩定性影響較大?

            4) 高鋁水平?高晶點?高溫建爐膛,有利于在正常生產期獲得良好的溫度和均勻性濃度,并在低電壓條件下獲得足夠過熱度?在此條件下,進人正常期后把鋁水平控制在28~30cm時,穩定性增強,電流效率可達到93%?

            5) 大型槽槽體大,各種現場作業與工藝定制應盡可能少干擾到電解質中的溫度均勻?氧化鋁濃度均勻?


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