空腔焦粒焙燒啟動(dòng)工藝在大型預(yù)焙電解槽上的實(shí)踐及探討

魏成岐,夏德法,王風(fēng)慧

（南山鋁業(yè)公司,山東 龍口 265713）

空腔焦粒焙燒啟動(dòng)工藝在大型預(yù)焙電解槽上的實(shí)踐及探討

魏成岐,夏德法,王風(fēng)慧

（南山鋁業(yè)公司,山東 龍口 265713）

電解槽焙燒啟動(dòng)是電解鋁生產(chǎn)的重要階段,焙燒啟動(dòng)的工藝與技術(shù)水平直接關(guān)系到電解槽的生產(chǎn)管理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo).通過(guò)空腔焦粒焙燒啟動(dòng)工藝實(shí)踐,從裝爐到后期管理各環(huán)節(jié)的研究分析,提出了一些優(yōu)化措施.

新建鋁電解槽和大修槽需經(jīng)焙燒、啟動(dòng)和啟動(dòng)后期生產(chǎn)管理階段后,才能轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn).焙燒的目的是使電解槽能平穩(wěn)地從室溫逐步升高接近電解生產(chǎn)溫度,避免熱沖擊對(duì)內(nèi)襯的損壞,使填縫糊得到良好的焙燒而獲得適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度,并驅(qū)除內(nèi)襯中的水分.大量研究表明,電解槽內(nèi)襯的缺陷絕大多數(shù)都是在焙燒啟動(dòng)階段產(chǎn)生的,因而焙燒啟動(dòng)對(duì)鋁電解槽的正常生產(chǎn)和電解槽壽命影響極大.近年來(lái)隨著鋁電解槽容量的不斷增大,鋁業(yè)界對(duì)焙燒啟動(dòng)方法愈來(lái)愈重視,焙燒啟動(dòng)方法已有較大改進(jìn).我國(guó)鋁電解槽的平均壽命短,生產(chǎn)效率較低,其中,焙燒啟動(dòng)方法的不當(dāng)和焙燒質(zhì)量偏低乃是重要原因之一.

1 焙燒方法分類

我國(guó)鋁廠自 20世紀(jì) 70年代以來(lái),幾乎全都采用鋁水焙燒法.近年來(lái)我國(guó)鋁廠對(duì)焙燒啟動(dòng)方法愈來(lái)愈重視,焙燒方法向多樣化發(fā)展,已有不少預(yù)焙槽鋁廠采用焦粒焙燒法 （又稱焦粒法、焦層法）,部分鋁廠還自行開發(fā)了燃?xì)獗簾?（又稱燃料法、熱法、火焰法）.國(guó)外先進(jìn)鋁廠多采用燃?xì)獗簾?它能使溫度分布均勻,較好地控制焙燒時(shí)的升溫速度.焦粒焙燒可從常溫下逐漸升溫預(yù)熱,避免灌高溫電解質(zhì)時(shí)的熱沖擊,在使用大分流器的情況下,控制預(yù)熱速度,簡(jiǎn)便實(shí)用,成本低廉,成為多數(shù)新建鋁廠電解槽焙燒啟動(dòng)的首選.

2 焙燒方法的選擇

2.1 焙燒的一般原則

（1）低溫排除內(nèi)襯中的水份,300℃以下防止產(chǎn)生大裂紋.

（2）中溫 （300～600℃）焙燒填縫糊,升溫速度最好≤10℃/h,驅(qū)除瀝青中的揮發(fā)份,填縫糊焙燒時(shí)先收縮后膨脹.

（3）啟動(dòng)后焙燒大邊縫,邊部電解質(zhì)或冰晶石不能撬開,需要慢慢熔化.

2.2 焙燒方法評(píng)價(jià)

從技術(shù)角度講,一般可從以下 6個(gè)方面對(duì)焙燒方法進(jìn)行評(píng)價(jià)

（1）升溫速度的可控性.平均升溫速度一般不應(yīng)超過(guò) 20℃ /h,最大升溫速度不應(yīng)超過(guò)50℃/h.在焙燒溫度 300～600℃范圍內(nèi),升溫速度應(yīng)控制在 10℃/h或更小.

（2）焙燒過(guò)程中陰極表面的溫度分布.顯然,溫度分布愈均勻愈好.一般要求其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 10%.焙燒結(jié)束時(shí)陰極表面沒(méi)有溫度超過(guò)1 000℃的“熱區(qū)”.

（3）焙燒結(jié)束時(shí)陰極表面的平均溫度.理想情況是這一溫度應(yīng)盡可能接近電解槽正常生產(chǎn)時(shí)電解質(zhì)的溫度,以避免灌電解質(zhì)時(shí)產(chǎn)生熱沖擊.

（4）陽(yáng)極電流分布.這是用焦粒法焙燒預(yù)焙槽時(shí)的一個(gè)重要考查指標(biāo).一般要求陽(yáng)極電流分布的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 15%,最好小于 10%.

（5）陰極電流分布.這是用焦粒法焙燒電解槽時(shí)的另一個(gè)重要考查指標(biāo),其要求與陽(yáng)極電流分布一樣,即其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于 15%,最好小于10%.

2.3 焙燒方法的優(yōu)缺點(diǎn)

按照熱量的來(lái)源,一般可將焙燒方法分為電阻法和燃料法兩大類.其中電阻法中最常用的是焦粒法和鋁水法.燃料法中現(xiàn)在最常用的燃料是液化石油氣和天然氣,故常稱之為燃?xì)夥?焦粒法常用于預(yù)焙槽,也用于自焙槽.鋁水法現(xiàn)只用于二次啟動(dòng)槽.燃?xì)夥ㄟm用于所有槽型,目前在西方國(guó)家中,最常用和最有競(jìng)爭(zhēng)力的焙燒方法實(shí)際上只有焦粒法和燃?xì)夥?一般來(lái)講,焦粒法具有簡(jiǎn)便、不需要復(fù)雜設(shè)備、不需要燃料、基本上不存在陰極炭塊燒損問(wèn)題、焙燒時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn).燃?xì)夥ㄒ驗(yàn)槭强涨槐簾跃哂锌諝饬鲃?dòng)暢通、熱傳導(dǎo)快、溫度分布均勻、升溫速度的可控性好、垂直溫度梯度小、啟動(dòng)后不需要清除焦粒、不存在電流分布不均問(wèn)題和對(duì)同系列生產(chǎn)槽的運(yùn)行無(wú)影響等優(yōu)點(diǎn).傳統(tǒng)的焦粒焙燒是通過(guò)焦粒層電阻產(chǎn)生熱量來(lái)焙燒的,陽(yáng)極四周是用冰晶石填充和覆蓋起來(lái)的.在焙燒過(guò)程中,由于各部分冰晶石熔化速度不同,導(dǎo)致整個(gè)爐膛空氣流動(dòng)不暢通,所以,焦粒焙燒最大弱點(diǎn)是陽(yáng)極電流分布控制較難,對(duì)升溫速度的控制及溫度分布不夠均勻,易出現(xiàn)局部溫度過(guò)高及局部欠燒情況.

從上述可看出,焦粒焙燒與燃?xì)獗簾饔星?假若,把兩種焙燒方法的優(yōu)點(diǎn)集中到一種方法中去,是否會(huì)有更好的效果呢?為此,某鋁業(yè)公司在 300 kA大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽焙燒過(guò)程中大膽提出采用新焙燒啟動(dòng)技術(shù)——空腔焦粒焙燒技術(shù),通過(guò)對(duì)焦粒焙燒啟動(dòng)工藝的改進(jìn)和實(shí)踐,取得了有益的經(jīng)驗(yàn).

3 空腔焦粒焙燒啟動(dòng)應(yīng)用實(shí)踐要點(diǎn)

3.1 裝爐和掛極

3.1.1 焦粒及鋪設(shè)厚度的選擇

采用煅燒石油焦,粒度在 1～3mm之間,這樣粒度能保證電阻率,同時(shí)避免氧化過(guò)快.焦粒層厚度為 20mm,既保證足夠的發(fā)熱量又避免啟動(dòng)時(shí)有過(guò)多的焦粒殘留.焦粒用鋁框 （鋁框面積比一組陽(yáng)極底掌面積略大）均勻地鋪在槽底,用刮板將其刮平,確保厚度一致,不能用腳踩焦粒層.整臺(tái)槽所有陽(yáng)極下焦粒層的厚度應(yīng)一致且鋪設(shè)均勻.

3.1.2 陽(yáng)極的安裝

陽(yáng)極安裝自 A 10、B10開始,至 A 1、B1結(jié)束.要求采用質(zhì)量較好、單塊陽(yáng)極底面平正、兩塊陽(yáng)極底掌齊平、導(dǎo)桿澆鑄垂直度較好的組裝陽(yáng)極.將陽(yáng)極依次輕輕地吊放到相應(yīng)的位置上,吊放后不要移動(dòng),利用陽(yáng)極的重量將焦層壓實(shí),保證陽(yáng)極底掌和焦粒層接觸良好.由于每塊陽(yáng)極的重量基本相同,故加在焦粒上的壓力也大致相同,從而使整個(gè)電解槽在焙燒過(guò)程中升溫均勻,防止槽內(nèi)襯裂紋的產(chǎn)生.由于在通電后,焦粒受熱膨脹,陽(yáng)極發(fā)生上移或傾斜,如果導(dǎo)桿與大母線接觸過(guò)于緊密,會(huì)使陽(yáng)極位移受阻,陽(yáng)極底掌會(huì)與焦粒之間產(chǎn)生縫隙,使得電流分布不均勻.另外,因?qū)U與大母線接觸過(guò)于緊密,在調(diào)整電流分布時(shí)會(huì)造成麻煩,出現(xiàn)調(diào)整電流分布困難的現(xiàn)象.所以,陽(yáng)極與大母線之間不能用卡具固定,要采用軟連接,導(dǎo)桿與大母線之間一定要留有 1～2 cm空隙,以便陽(yáng)極能自由膨脹,保證電流分布均勻,焙燒效果良好.

3.1.3 裝爐

裝爐采取的是空腔裝爐方式.為防止側(cè)面人造伸腿部分升溫過(guò)快和氧化,在人造伸腿表面用20 cm的碎電解質(zhì)塊砌筑成薄薄一層密實(shí)的斜坡,但不能把加工面空間全部填充,只要能把人造伸腿覆蓋,防止升溫過(guò)快和氧化即可.中縫也切不可填充冰晶石等物將其堵塞,應(yīng)該保持暢通,使熱量通過(guò)該通道進(jìn)行輻射和對(duì)流傳遞,使槽溫均勻.為防止陰極氧化,在中縫中再鋪約 20 mm焦粒層.陽(yáng)極上表面組間縫、中縫和與砌塊連接處用 3 mm厚鋼板覆蓋,并用冰晶石密封,使電解槽在焙燒期間空腔內(nèi)為還原性氣體,減少陽(yáng)極及爐底氧化.采用這種方式的目的是,在焙燒期間通過(guò)槽內(nèi)氣體的對(duì)流、輻射熱等形式對(duì)整個(gè)陽(yáng)極、陰極進(jìn)行加熱,且溫度分布均勻,減少偏流的發(fā)生.實(shí)踐證明,只要裝爐工作做的細(xì)致,焙燒期間陽(yáng)極電流分布無(wú)需做任何調(diào)整.再者,沒(méi)有冰晶石存在,不會(huì)有液體電解質(zhì)生成,也就不會(huì)存在陰極吸鈉現(xiàn)象,就可以在理想狀況下完成初期預(yù)熱目標(biāo).

3.1.4 軟連接與分流裝置

在陽(yáng)極導(dǎo)桿與陽(yáng)極橫母線之間設(shè)置軟帶連接母線,使陽(yáng)極底掌與焦粒之間始終保持良好接觸,獲得均勻的陽(yáng)、陰極電流分布,確保槽溫均勻升高,減少裂縫的產(chǎn)生.采用焦粒焙燒的分流裝置常用的有兩種,一種連接陽(yáng)極大母線和下游槽立柱母線的分流器;一種是用鋼帶連接陽(yáng)極鋼爪和陰極鋼棒的分流片.兩種分流方式在使用過(guò)程中各有千秋,我們認(rèn)為兩種分流裝置結(jié)合使用更合理,因?yàn)楹笳叱哂蟹至鞴δ芡膺€具有均流的作用.在焙燒過(guò)程中,當(dāng)無(wú)法利用分流片調(diào)整某組陽(yáng)極輸入能量的幅度時(shí),可以采取松開軟連接的方式,限制此組陽(yáng)極輸入電流量以達(dá)到調(diào)整電流分布的目的.由于采用了空腔裝爐,在終止向單組陽(yáng)極供電期間,陽(yáng)極底部不會(huì)形成電解質(zhì)絕緣層,所以當(dāng)溫度降到可控范圍后可以很快恢復(fù)該組陽(yáng)極的能量的需求.

3.2 焙燒、啟動(dòng)

3.2.1 通電

該公司在通電時(shí)采用的是“賽爾開關(guān)”,實(shí)現(xiàn)了系列不停電開停槽技術(shù) （詳細(xì)敘述略）.沖擊電壓在 2.5～2.7 V之間,通電平穩(wěn)安全,說(shuō)明裝爐質(zhì)量及分流器效果良好.3.2.2 電解槽啟動(dòng)

為了減小效應(yīng)啟動(dòng)電壓過(guò)高對(duì)電解槽內(nèi)襯的沖擊,采用的是濕法無(wú)效應(yīng)啟動(dòng)方案,從出鋁口向槽內(nèi)灌入一定量的電解質(zhì),槽電壓控制在 8V以下.值得一提的是,大型預(yù)焙槽啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),目的之一是提高液體電解質(zhì)量,之二是繼續(xù)焙燒側(cè)部大邊縫和角部（人造伸腿）,提高側(cè)部溫度到正常生產(chǎn)溫度.為此,關(guān)鍵是如何熔化陽(yáng)極四周人造伸腿上部的電解質(zhì)塊覆蓋層,既不能高抬陽(yáng)極,使液體電解質(zhì)遠(yuǎn)離電解質(zhì)塊固體物料,造成電解質(zhì)中縫處過(guò)熱,而邊部物料不化;又不能急于把側(cè)部料撬開推入電解質(zhì),使尚未焙燒好的側(cè)部直接接觸液體電解質(zhì),造成側(cè)部溫度急劇上升,影響側(cè)部焙燒質(zhì)量.

3.2.3 后期管理

電解槽焙燒啟動(dòng)的關(guān)鍵是裝爐和后期管理,啟動(dòng)后期管理階段是建立、規(guī)整爐膛階段,此階段要盡快縮小過(guò)熱度,建立起高分子比爐幫,為正常期生產(chǎn)管理打好基礎(chǔ),啟動(dòng)后期管理需把握以下要點(diǎn).

（1）槽電壓調(diào)整要點(diǎn)

啟動(dòng)電解槽后電壓控制,第一周降的快些,第二周是維持階段,第三周末達(dá)到正常值.啟動(dòng)后期是熱平衡與物料平衡建立的過(guò)程,同時(shí)也是調(diào)整電壓的有利時(shí)機(jī).

（2）槽溫、分子比

第一個(gè)月:975℃以上,2.75以上;第二個(gè)月965℃以上,2.70以上;第三個(gè)月 960℃以上,2.50以上.

（3）兩水平

電解質(zhì)水平啟動(dòng)后第一周保持在 28～30 cm,第二周保持在 25～28 cm,第三周保持在 23～25 cm,第四周以后保持在 18～22 cm.灌鋁后鋁水平達(dá)到 15～16 cm,達(dá)到 17 cm即可開始出鋁,一個(gè)月內(nèi)調(diào)整到 19 cm.此階段鋁水平的調(diào)整幅度,太慢太快均不好,太慢會(huì)延遲電效高效期的到來(lái),太快雖然可使電效速度提高,但經(jīng)實(shí)踐表明,此做法易引起畸形的爐膛內(nèi)型,造成后期電壓擺的提前發(fā)生.

（4）效應(yīng)控制

啟動(dòng)后的第一周內(nèi)效應(yīng)系數(shù)控制在 1.0次/槽·日,第二周內(nèi)控制在 0.3次 /槽·日左右.第一個(gè)月末降至 0.1次 /槽·日以下,嚴(yán)格杜絕 5m in以上的超時(shí)效應(yīng),以免破壞新生成的高分子比爐幫.

4 全新鋁電解槽空腔焦粒焙燒技術(shù)實(shí)踐結(jié)果

2009年 1月份,某公司采用在 300kA大型電解槽上應(yīng)用了空腔焦粒焙燒技術(shù),從鋪焦粒、掛極、焙燒、啟動(dòng)等環(huán)節(jié)分析,各項(xiàng)工作達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).

表 1 某槽 24～120 h爐膛溫度數(shù)據(jù)

續(xù)表

從圖 2分析得出,此槽焙燒期間電流分布均勻,無(wú)偏流現(xiàn)象.

從圖 3看出每小時(shí)焙燒溫度上升溫差控制在10℃以內(nèi),升溫曲線符合控制要求.

圖 3 某槽 120 h焙燒溫度曲線

從表 2數(shù)據(jù)可以看出,爐底鋼板溫度正常.啟動(dòng)后期溫度略有升高,但隨著工作電壓的逐漸降低,爐底鋼板溫度又逐漸降低,處于正常范圍之內(nèi).

從表 3看出采用新焙燒、啟動(dòng)方案后,側(cè)部槽殼溫度大面沒(méi)有大于 300℃的,表明側(cè)部已形成爐幫.從兩小頭溫度偏高,可看出,大型預(yù)焙電解槽煙道端與出鋁端側(cè)部槽殼由于是雙圍帶設(shè)計(jì),側(cè)部空氣上下不流通,導(dǎo)致爐幫的管理與建立成為薄弱環(huán)節(jié).今后在設(shè)計(jì)方面要有所改進(jìn).

5 問(wèn)題探討

5.1 裝爐方法和啟動(dòng)方法

從焙燒的目的和有利于正常生產(chǎn)考慮,作者更傾向于槽邊部砌電解質(zhì)塊圍墻,中縫空腔的裝爐方法,采用濕法無(wú)效應(yīng)啟動(dòng).從通電時(shí)的沖擊電壓和升溫速度考慮選用粒度為 1～3mm的焦粒, 且可以在其中添加一定量的石墨碎.

表 2 某槽爐底鋼板溫度 /℃

表 3 某槽側(cè)部槽殼溫度 /℃

5.2 焙燒時(shí)間

關(guān)于焙燒時(shí)間各家鋁廠做法各異,作者認(rèn)為焙燒時(shí)間宜長(zhǎng)些,4天或 5天為好.實(shí)踐表明這樣可使槽內(nèi)襯各部位的溫度趨于平衡,槽內(nèi)襯的扎固糊焦化比較理想,啟動(dòng)時(shí)和后期管理十分平穩(wěn).

5.3 分流時(shí)間

采用大分流器時(shí),分流時(shí)間為 12～24 h;用鋼帶分流時(shí),分流時(shí)間為 24～36 h,具體何時(shí)拆除分流器或鋼帶,應(yīng)由升溫速度和槽電壓決定,當(dāng)槽電壓低于 2.8 V以下時(shí),可拆除之.實(shí)踐證明,分流24 h較好,國(guó)外法鋁公司也提出分流不少于 24 h的做法,這樣焙燒初期緩慢升溫,升溫均勻,可減少偏流的發(fā)生.

5.4 灌鋁時(shí)間

電解槽啟動(dòng)后,雖然物料全部熔化,炭渣已撈出,但是實(shí)際上人造伸腿和側(cè)部炭塊之間還沒(méi)有完全焦化為一個(gè)整體,如果灌鋁水時(shí)間過(guò)早,則可能使鋁水滲透到后期焦化產(chǎn)生的裂縫中,從而失去焦粒焙燒的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)該讓電解質(zhì)液充分滲透到內(nèi)襯裂縫后再灌鋁水.啟動(dòng)后 24 h灌鋁水最佳,可分兩次灌入,兩次間隔 12 h,啟動(dòng)初期鋁水平控制在 15～16 cm為宜,灌鋁后電壓降至 5 V左右.

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）電解槽的焙燒啟動(dòng)工作是電解槽生產(chǎn)的開端,要以科學(xué)理論和技術(shù)為依據(jù),在實(shí)際生產(chǎn)中與時(shí)俱進(jìn),以延長(zhǎng)槽正常生產(chǎn)和電效高效期為目的,不斷優(yōu)化工藝.

（2）從電解槽焙燒啟動(dòng)操作工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)看,它還是一項(xiàng)系統(tǒng)的管理工程,必須加強(qiáng)技術(shù)和管理方面的培訓(xùn),以便適應(yīng)生產(chǎn)的需要.

（3）經(jīng)優(yōu)化的空腔焦粒焙燒啟動(dòng)方法,使電解槽的陰、陽(yáng)極電流分布更均勻,升溫速度更合理,槽溫分布更均勻,避免了局部過(guò)熱的現(xiàn)象,扎固糊焦化良好,可望獲得較長(zhǎng)的槽壽命,降低噸鋁生產(chǎn)成本.

（4）采用空腔焦粒焙燒啟動(dòng)技術(shù),簡(jiǎn)便實(shí)用,勞動(dòng)強(qiáng)度低,成本低廉,易于操作.

（5）電解槽啟動(dòng)后期管理非常重要,應(yīng)嚴(yán)格避免技術(shù)條件的大起大落,盡快建立完整的爐膛體系,有了規(guī)整的爐膛基礎(chǔ),此后電解槽的運(yùn)行將會(huì)非常穩(wěn)定,不僅能高效低耗,減少勞動(dòng)強(qiáng)度,也有利于延長(zhǎng)槽壽命.

A

1671-6620（2010）S1-0047-05