楊 剛
(重慶天泰鋁業(yè)有限公司, 重慶 401328)
異型陰極鋁電解槽電解質(zhì)-焦粒焙燒啟動(dòng)技術(shù)實(shí)踐及分析
楊 剛
(重慶天泰鋁業(yè)有限公司, 重慶 401328)
分析了鋁電解槽常用的焙燒啟動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn),詳細(xì)介紹了重慶天泰鋁業(yè)300 kA異型陰極鋁電解槽電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動(dòng)方法并與常用方法進(jìn)行了對(duì)比分析,實(shí)踐證明異型陰極鋁電解槽采用電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動(dòng)效果更好。
鋁電解槽; 焙燒; 啟動(dòng); 異型陰極; 電解質(zhì)- 焦粒焙燒
無(wú)論是新建還是大修的鋁電解槽,在投入生產(chǎn)運(yùn)行前都必須先進(jìn)行焙燒后才能啟動(dòng)。對(duì)于鋁電解生產(chǎn)來(lái)說(shuō),大型預(yù)焙鋁電解槽的焙燒啟動(dòng)是一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié),它不僅關(guān)系到電解槽能否順利投產(chǎn),而且影響正常生產(chǎn)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及槽壽命,歷來(lái)為國(guó)內(nèi)外各廠家所重視[1]。鋁電解槽焙燒的方法主要有鋁液焙燒、焦粒焙燒、燃?xì)獗簾?,啟?dòng)方法主要有干法啟動(dòng)、濕法效應(yīng)啟動(dòng)和濕法無(wú)效應(yīng)啟動(dòng)。
異型陰極電解槽技術(shù)的應(yīng)用是我國(guó)電解鋁行業(yè)節(jié)能技術(shù)突破性的里程碑,由此激發(fā)和帶動(dòng)了中國(guó)電解鋁行業(yè)節(jié)能技術(shù)探索和研發(fā)相關(guān)節(jié)能技術(shù)及新材料的熱情和積極性。但異型陰極電解槽的陰極底面不平導(dǎo)致了其焙燒啟動(dòng)難度較大。常用的異型陰極電解槽焙燒方法主要有鋁液焙燒、焦粒焙燒和燃?xì)? 鋁液兩段焙燒。
1.1 鋁液焙燒
先將加熱片安放在陰極凹槽,通電加熱至140 ℃左右,或者常溫下直接灌入一定量的鋁液通電焙燒。該方法的優(yōu)點(diǎn)是焙燒時(shí)不使用軟連接、分流器,簡(jiǎn)便、易操作,焙燒過(guò)程陰極不會(huì)氧化,啟動(dòng)后電解質(zhì)潔凈,不用撈炭渣;缺點(diǎn)是灌鋁時(shí),高溫鋁液直接與較冷的陰極內(nèi)襯接觸,熱沖擊大,對(duì)陰極內(nèi)襯及凸梁形成損傷,可能影響槽壽命和節(jié)能效果。同時(shí),鋁液電阻小,大部分熱量則由陰極和陽(yáng)極產(chǎn)生,焙燒時(shí)間長(zhǎng)(7 d),端角部升溫慢,在焙燒期內(nèi)溫度達(dá)不到啟動(dòng)要求,焙燒質(zhì)量不理想。
1.2 焦粒焙燒
先用殘極炭塊填充陰極凹槽到凸梁,然后再整體鋪上一層焦粒,安裝陽(yáng)極通電焙燒[2]。該方法優(yōu)點(diǎn)是焦粒及殘極炭塊電阻發(fā)熱量足夠,焙燒時(shí)間較短(3~4 d),陰極凸梁損傷較小;缺點(diǎn)是裝爐工作量大,端角部升溫慢,焙燒質(zhì)量不夠理想,啟動(dòng)完后要將大量炭渣撈出槽外,容易造成電解質(zhì)含炭,引發(fā)病槽等。
1.3 燃?xì)? 鋁液兩段焙燒
先用天燃?xì)饣蛎簹鈱㈦娊獠鄄厶偶訜嶂?00 ℃左右,然后灌入鋁液通電焙燒。該方法優(yōu)點(diǎn)是焙燒升溫易控制且均勻,對(duì)陰極及凸梁的損傷較小,焙燒時(shí)間較短(3~4 d),啟動(dòng)后不用撈炭渣;缺點(diǎn)是裝爐焙燒的工作量比較大,天燃?xì)饣蛎簹夤艿赖仍谏a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)形成一些不安全因素。
重慶天泰鋁業(yè)二期工程共建有300 kA異型陰極電解槽126臺(tái),投產(chǎn)采取何種焙燒啟動(dòng)方法和技術(shù)關(guān)系重大。對(duì)大型預(yù)焙槽而言,焙燒啟動(dòng)方法的選擇和制定應(yīng)主要遵循以下四項(xiàng)原則:①安全可靠;②延長(zhǎng)電解槽壽命。在焙燒啟動(dòng)期間,應(yīng)盡量減少對(duì)陰極內(nèi)襯的熱沖擊,避免因陰極裂紋而導(dǎo)致電解槽早期破損;③經(jīng)濟(jì)適用,焙燒時(shí)間較短,焙燒成本不能過(guò)高;④焙燒操作要簡(jiǎn)單易行。公司2008年與東北大學(xué)合作試驗(yàn)異型陰極技術(shù)時(shí),成功發(fā)明了燃?xì)? 鋁液兩段焙燒法,并在全國(guó)許多廠家推廣應(yīng)用。然而,近年來(lái),重慶地區(qū)天然氣供給緊張,126臺(tái)電解槽焙燒時(shí)的天然氣用量不能得到有效保障,同時(shí),燃?xì)? 鋁液兩段焙燒啟動(dòng)方案也存在一些安全隱患,因此,有必要采用更安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的電解槽焙燒啟動(dòng)方案。在結(jié)合異型電解槽的特點(diǎn)并對(duì)國(guó)內(nèi)外鋁電解槽所有焙燒啟動(dòng)技術(shù)綜合分析后,公司制定出了300 kA異型陰極槽電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動(dòng)方案。該方案在電解槽焙燒階段采用了電解質(zhì)- 焦粒焙燒技術(shù),用銅軟連接代替了普通的鋁軟連接,啟動(dòng)時(shí)采用濕法無(wú)效應(yīng)啟動(dòng)。
該方法以電解質(zhì)與焦粒的混合物料作為介質(zhì),并通過(guò)合理設(shè)計(jì)使其鋪設(shè)在陰極表面凹槽和凸臺(tái)上,坐實(shí)陽(yáng)極,通電焙燒,讓電解槽溫度勻速上升,接近電解槽正常生產(chǎn)溫度,熔化電解質(zhì)等物料,產(chǎn)生一定量的電解質(zhì)液體,從而達(dá)到啟動(dòng)條件。其原理和過(guò)程是電解槽通電后,焦粒(或焦粒與石墨碎的混合物)先導(dǎo)電,電流從陽(yáng)極流經(jīng)陰極凸臺(tái)的焦粒(或焦粒與石墨碎的混合物)到陰極,利用焦粒電阻和陰、陽(yáng)極炭塊的自身電阻加熱焙燒電解槽。在陽(yáng)極底掌溫度達(dá)到930 ℃左右時(shí),陰極表面凹槽與陽(yáng)極底掌之間的固體電解質(zhì)逐步熔化,產(chǎn)生液體電解質(zhì),并一起導(dǎo)電發(fā)熱,加熱焙燒電解槽,熔化固體電解質(zhì),直到槽溫升至接近電解槽正常生產(chǎn)溫度,產(chǎn)生足夠的液體電解質(zhì),即達(dá)到啟動(dòng)條件。使用該方法可能的兩個(gè)顧慮:一是電解槽通電焙燒時(shí),尤其是初期電流只能從陽(yáng)極流經(jīng)陰極凸梁,是否會(huì)燒壞陰極凸梁,影響以后的節(jié)能效果;二是焦粒只鋪在陰極凸梁上,數(shù)量只有平底槽的1/2,是否會(huì)導(dǎo)致其發(fā)熱量不足,無(wú)法將溫度升起來(lái)從而導(dǎo)致焙燒失敗。其實(shí)不然,對(duì)于陰極和陰極凸梁,高溫鋁液的突然熱沖擊會(huì)造成比較大的損傷。采用電解質(zhì)—焦粒焙燒時(shí),只要進(jìn)行足夠的分流,沖擊電壓不高于4.5 V,陰極和陰極凸梁是不會(huì)損傷的。該方法在通電初期只有焦粒和陰、陽(yáng)極炭塊導(dǎo)電發(fā)熱,但一段時(shí)間后電解質(zhì)開(kāi)始熔化,越來(lái)越多的液體電解質(zhì)導(dǎo)電并產(chǎn)生熱量,由于該方法產(chǎn)生的液體電解質(zhì)比平底槽焦粒焙燒時(shí)多得多,因此其導(dǎo)電效果更好,產(chǎn)生的熱量更大,升溫較快且勻速,啟動(dòng)前無(wú)需提升陽(yáng)極就能將全槽溫升至啟動(dòng)所需溫度。
4.1 原輔材料選取準(zhǔn)備
公司126臺(tái)300 kA系列電解槽焙燒啟動(dòng)按表1準(zhǔn)備原材料,實(shí)際用量也與表1基本吻合。
表1 焙燒啟動(dòng)原輔材料用量 單位:t
4.2 鋪焦、裝爐
(1)填充電解質(zhì)。清掃干凈陰極表面,在陰極溝槽內(nèi)用電解質(zhì)塊充滿,電解質(zhì)塊鋪設(shè)高度與陰極凸臺(tái)表面水平面保持在同一水平。此工序重點(diǎn):電解質(zhì)塊粒度不宜過(guò)大,原則上要求在10 mm以下,純度要高,要充分壓實(shí);電解質(zhì)層上部不再鋪設(shè)焦粒,見(jiàn)圖1。
(2)鋪焦。在凸臺(tái)表面鋪設(shè)煅后焦粒、石墨碎混合物(焦粒與石墨碎混合比為3∶1,角部陽(yáng)極混合料配比為2∶1),鋪設(shè)厚度為15 mm。將鋪設(shè)焦粒的專用框平整擺放在凸臺(tái),其專用框的內(nèi)框面積與陰極凸臺(tái)表面積相同。然后將篩分好的焦粒及石墨的混合料倒入框內(nèi)并搗實(shí),用板尺刮平,確認(rèn)無(wú)凹陷區(qū)域后,取走專用框即可進(jìn)行掛極工作。
圖1 已填充電解質(zhì)和鋪焦的電解槽
圖2 已掛部分陽(yáng)極的電解槽
選好陽(yáng)極,吹凈陽(yáng)極底面,將陽(yáng)極小心平放在焦粒上,壓實(shí),若有明顯沒(méi)接觸的地方要用焦粒填充。鋁導(dǎo)桿和陽(yáng)極大母線不要直接靠緊,保持1 mm左右的縫隙(不超過(guò)2 mm)。
(3)安裝銅制軟連接。每根導(dǎo)桿安裝一個(gè)銅制軟連接(如圖2),一臺(tái)槽共需40個(gè)。上部采用絲桿拉緊壓接在陽(yáng)極導(dǎo)桿一側(cè),下部用弓形卡具壓接在陽(yáng)極導(dǎo)桿兩側(cè)大母線側(cè)面上,一定要壓緊。作業(yè)前,軟連接及水平母線壓接處必需做打磨、清潔處理。軟連接與導(dǎo)桿、水平母線必須壓接嚴(yán)實(shí),確保通電后壓降不大于10 mV,否則需及時(shí)處理。
(4)裝爐。將500 kg氟化鈣均勻撒在電解槽人造伸腿四周,陽(yáng)極邊縫用紙板或廢紙堵住,避免純堿落入縫內(nèi)。邊縫按一層電解質(zhì)塊一層純堿交叉加滿,電解質(zhì)加入量不少于6 t,純堿加入量不少于1 t;中縫用電解質(zhì)塊加滿,陽(yáng)極上先加一層電解質(zhì)粉,再加一層冰晶石,見(jiàn)圖3。
(5)安裝熱電偶。在電解槽A1和B1、A20和B20兩陽(yáng)極組間的電解槽中縫處、A10和A11、B10和B11兩陽(yáng)極中縫位置各放置一個(gè)熱電偶套管,注意不可與陽(yáng)極接觸,以便掌握焙燒過(guò)程中溫度上升情況。
(6)安裝分流器。每槽安裝5套分流器,先將分流器一頭用弓形卡具壓接在陽(yáng)極大母線上,在另一頭將兩塊10 mm的鋼板用夾板壓接在下臺(tái)電解槽立柱母線上(如圖3)。如果無(wú)下一槽立柱母線可進(jìn)行分流,就采用在鋼爪至方鋼之間焊接分流片的方式來(lái)進(jìn)行分流。
圖3 已裝爐的電解槽
4.3 通電焙燒
首批通電槽(4臺(tái))由整流所控制電流上升速度,起步電流80 kA,逐級(jí)送電,送電梯度如表2。后續(xù)槽用大電流開(kāi)關(guān)進(jìn)行通電作業(yè),整流所無(wú)需停電和進(jìn)行升降電流,電流一直恒定保持在300 kA。
表2 首批4臺(tái)電解槽通電電流上升梯度
4.3.1 電流分布控制管理
通電后,電壓降到3.5 V以下,陽(yáng)極電流分布均勻,無(wú)鋼爪發(fā)紅,可逐步拆除分流器(或分流片)。拆除分流器順序1→5→2→3→4,在通電后24 h左右全部拆除,拆除一組允許電壓上升0.3 V,電壓>3.5 V時(shí)則停止拆除。二級(jí)分流片通電后36 h左右拆完,電流小的鋼爪先拆,拆除一片,電壓允許上升0.1 V,電壓>3.5 V 時(shí)則停止拆除。通電時(shí)沖擊電壓應(yīng)控制在4.5 V以下,否則要降電流滿足這個(gè)條件。
對(duì)于電流分布大于10 kA、陽(yáng)極鋼爪發(fā)紅的陽(yáng)極要及時(shí)扒開(kāi)冰晶石進(jìn)行散熱,必要時(shí)要用風(fēng)管進(jìn)行冷卻和分流處理。偏流嚴(yán)重,電流分布大于12 kA、陽(yáng)極鋼爪發(fā)紅嚴(yán)重的,可適當(dāng)松卡具,待陽(yáng)極鋼爪冷卻后再緊上卡具,但每槽一次不可同時(shí)切斷兩塊以上陽(yáng)極。
4.3.2 溫度控制
要求槽溫均勻上升,升溫曲線平緩均勻,經(jīng)3~4 d焙燒后槽膛溫度達(dá)到930 ℃左右,如表3所示。焙燒期間側(cè)部散熱孔、陰極扁鋼等溫度超過(guò)300 ℃,采用風(fēng)管吹風(fēng)降溫;槽內(nèi)局部過(guò)熱時(shí),加強(qiáng)散熱或分流;全槽過(guò)熱時(shí)可考慮提前啟動(dòng)。在實(shí)際焙燒過(guò)程中,72 h后槽溫已達(dá)到或超過(guò)了940 ℃,如表4所示。因此,將焙燒時(shí)間調(diào)整為72 h。
表3 電解槽焙燒升溫梯度參照控制表
表4 電解槽實(shí)際焙燒升溫情況表
4.4 啟動(dòng)
通電焙燒3 d,槽溫上升至930 ℃,確認(rèn)槽內(nèi)電解質(zhì)液達(dá)到15 cm左右,中縫貫通,可準(zhǔn)備進(jìn)行啟動(dòng)。
(1)取出熱電偶及其保護(hù)套管,拆除軟連接,卡具上緊后點(diǎn)動(dòng)電壓后復(fù)緊卡具劃線,使陽(yáng)極導(dǎo)桿與陽(yáng)極大母線接觸良好并避免陽(yáng)極下滑。拆除軟連接卡具上緊后,如陽(yáng)極發(fā)紅嚴(yán)重,可適當(dāng)松卡具或?qū)㈥?yáng)極適當(dāng)上提,使混合料釋放因溫升產(chǎn)生的綜合熱應(yīng)力,重新使料層電阻趨于一致。
(2)提前確認(rèn)電解質(zhì)吸出槽號(hào)及其吸出量,天車、抬包及其操爐等工具準(zhǔn)備齊全,人員組織到位。
(3)在出鋁口打開(kāi)電解質(zhì)灌入口,要求與槽內(nèi)電解質(zhì)液聯(lián)通,便于灌電解質(zhì)時(shí)電解質(zhì)流動(dòng)順暢,安放好電解質(zhì)溜槽。
(4)把槽控箱手動(dòng)—自動(dòng)狀態(tài)打到手動(dòng)位置,并打開(kāi)排風(fēng)閥。
(5)抽取準(zhǔn)備好的電解質(zhì)液約8 t,灌入啟動(dòng)槽并持續(xù)抬升電壓進(jìn)行啟動(dòng),灌完電解質(zhì)后,電壓穩(wěn)定在7~8 V。
(6)將極上保溫料推入中縫,根據(jù)電解質(zhì)(冰晶石)熔化情況及電解質(zhì)液高度添加電解質(zhì)塊。
(7)槽內(nèi)物料全部化開(kāi)、電解質(zhì)水平達(dá)到要求(35 cm左右)時(shí),將電壓調(diào)整到7 V左右。
(8)打撈炭渣,啟動(dòng)完成,電解槽轉(zhuǎn)入后期管理。
上述是異型陰極槽電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動(dòng)的整個(gè)過(guò)程。2013年6月10日,公司首批4臺(tái)槽通電焙燒,9月中旬126臺(tái)槽全部成功啟動(dòng)并投產(chǎn)運(yùn)行,除期間因電力負(fù)荷不足等因素先后二次停槽31 d外,整個(gè)系列的焙燒啟動(dòng)都平穩(wěn)順利。
300 kA異型陰極槽電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動(dòng)非常成功,整個(gè)投產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)順利,完成質(zhì)量高,沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)一次漏鋁或漏電解質(zhì),甚至連陽(yáng)極鋼爪發(fā)紅的現(xiàn)象也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)。電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動(dòng)與之前異型槽通常采取的一些焙燒啟動(dòng)技術(shù)方法對(duì)比,其優(yōu)勢(shì)和效果比較明顯:
(1)焙燒時(shí),沒(méi)有灌入高溫鋁液,陰極尤其是陰極凸梁沒(méi)有受到高溫鋁液直接沖擊,啟動(dòng)后沒(méi)有出現(xiàn)陰極凸梁脫落。
(2)用殘極炭塊填充陰極凹槽的焦粒焙燒,裝爐及啟動(dòng)后工作量很大,大量炭渣不易打撈干凈,往往會(huì)引發(fā)病槽。此法炭渣很少,很容易打撈干凈,不會(huì)產(chǎn)生病槽。公司此次投產(chǎn)及后續(xù)生產(chǎn)中沒(méi)有出現(xiàn)一個(gè)病槽。
(3)鋁液和焦粒焙燒過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)電流分布不均的現(xiàn)象,焙燒質(zhì)量不能得到保證。其槽溫上升不均,往往個(gè)別部位溫度在計(jì)劃時(shí)間升不上去,兩端和四角低于850 ℃(槽溫較低時(shí)需在啟動(dòng)前提升陽(yáng)極增加熱收入來(lái)提高槽溫)。因此,啟動(dòng)及后期生產(chǎn)中一些槽會(huì)出現(xiàn)滲鋁、漏電解質(zhì)甚至發(fā)生漏槽事故。此法由于焙燒時(shí)大量電解質(zhì)熔化(槽中縫液體電解質(zhì)高度在啟動(dòng)時(shí)達(dá)15 cm以上),大量液體電解質(zhì)的導(dǎo)電性和發(fā)熱均較強(qiáng),電流分布均勻,槽溫上升均勻(兩端和四角也能達(dá)到930 ℃以上),焙燒質(zhì)量好,啟動(dòng)及后期生產(chǎn)中不會(huì)發(fā)生上述問(wèn)題。天泰鋁業(yè)此次投產(chǎn)及后續(xù)生產(chǎn)中沒(méi)有出現(xiàn)一次滲鋁、漏電解質(zhì)的現(xiàn)象。
(4)裝爐及后續(xù)工作中,使用大量的電解質(zhì)代替冰晶石,節(jié)約了原材料費(fèi)用。公司此次采購(gòu)的電解質(zhì)塊每噸單價(jià)比冰晶石低2 000元左右,節(jié)約原材料費(fèi)用700萬(wàn)元以上。
(5)由于采用濕法無(wú)效應(yīng)啟動(dòng),且啟動(dòng)時(shí)加入的是電解質(zhì)塊,啟動(dòng)期間物料揮發(fā)損失小,同時(shí)撈出的炭渣很少,減少了環(huán)境的污染。
(6)300 kA系列異型陰極電解槽的電解質(zhì)- 焦粒焙燒設(shè)計(jì)采用銅軟連比傳統(tǒng)的鋁軟連更輕便,易操作,減少了人員輕微傷的發(fā)生。同時(shí),由于此法產(chǎn)生的炭渣量少,工作量和工作強(qiáng)度大大減少。通常,許多廠家在焙燒啟動(dòng)期間要雇用臨時(shí)工來(lái)完成一些雜活以保證員工有充足的精力和時(shí)間完成技術(shù)操作管理工作。公司此次投產(chǎn)沒(méi)有雇用臨時(shí)工,比最初計(jì)劃節(jié)約人工費(fèi)100萬(wàn)元左右。
異型陰極電解槽節(jié)能效果明顯,目前國(guó)內(nèi)、外許多廠家都在推廣應(yīng)用,但其焙燒啟動(dòng)難度大,許多廠家想應(yīng)用這項(xiàng)節(jié)能技術(shù),又擔(dān)心焙燒啟動(dòng)不好引發(fā)大的安全事故或給后續(xù)生產(chǎn)造成影響和損失。實(shí)踐證明,電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動(dòng)方法很好解決了這個(gè)問(wèn)題,它彌補(bǔ)了其它幾種焙燒啟動(dòng)方法的不足,讓異型陰極電解槽焙燒啟動(dòng)更容易,更安全,大大減少了工作量,降低了成本,提高了焙燒啟動(dòng)質(zhì)量,同時(shí),也為后續(xù)生產(chǎn)管理和獲得良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。公司300 kA系列投產(chǎn)以來(lái),生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn),取得了良好的經(jīng)技指標(biāo),目前其電解交流電耗(可比交流電耗)已降低至13 050 kW·h/t-Al左右,達(dá)到了行業(yè)先進(jìn)水平。
[1] 邵勇. 230 kA預(yù)焙陽(yáng)極電解槽焦粒焙燒啟動(dòng)優(yōu)化實(shí)踐[C].全國(guó)鋁電解槽生產(chǎn)技術(shù)與操作技術(shù)學(xué)術(shù)和經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集,2007.
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Practice and Analysis of Electrolyte-Coke Baking Start-up Technique in Abnormal Cathode Aluminum Reduction Cell
YANG Gang
This paper analyzes the advantages and disadvantages of common baking start-up methods in aluminum reduction cell, and detailedly introduces the electrolyte-coke baking start-up method which is used in 300 kA abnormal cathode aluminum reduction cell of Tiantai Chongqing Aluminum Industry Co., Ltd., and a contrastive analysis of common method is carried out. Industrial practice shows that using electrolyte-coke baking start-up technique in abnormal cathode aluminum reduction cell is much better.
aluminum reduction cell; baking; start-up; abnormal cathode; electrolyte-coke baking
2014-03-20
楊剛(1965—),男,四川岳池人,大學(xué)本科,高級(jí)工程師,主要從事鋁電解生產(chǎn)管理工作。
TF821
B
1008-5122(2014)04-0007-05