影響鋁電解槽氧化鋁濃度的主要因素及控制措施

高連山

(中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司青海分公司, 青海 大通 810108)

影響鋁電解槽氧化鋁濃度的主要因素及控制措施

高連山

(中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司青海分公司, 青海 大通 810108)

電解槽中氧化鋁濃度的準(zhǔn)確控制直接影響著電解槽電流效率的提高和能耗的降低。本文詳細(xì)闡述了影響氧化鋁濃度控制的兩大主要因素——工藝技術(shù)條件和人工操作質(zhì)量，通過(guò)對(duì)中鋁青海分公司某系列電解槽進(jìn)行了實(shí)證分析，提出了相應(yīng)的控制措施。

氧化鋁濃度； 分子比； 電解質(zhì)溫度； 操作質(zhì)量

目前，在國(guó)內(nèi)大量的鋁電解生產(chǎn)中，由于受工藝條件、人工操作質(zhì)量以及原輔材料質(zhì)量等各種因素的影響，電解質(zhì)成分復(fù)雜多樣，不同成分之間濃度比例不易控制，特別是氧化鋁濃度難以控制在最佳狀態(tài)，導(dǎo)致電解質(zhì)流動(dòng)性、導(dǎo)電性以及熔解氧化鋁的性能較差,嚴(yán)重影響了電流效率的提高和能耗的降低，也在很大程度上制約了鋁電解生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 影響氧化鋁濃度的主要因素

1.1 工藝技術(shù)條件

影響氧化鋁濃度的主要因素之一就是電解槽工藝技術(shù)條件，其中最重要的是分子比和電解質(zhì)溫度。

1.1.1 分子比

選擇合適的分子比對(duì)于電解鋁生產(chǎn)(NaF/AlF3之比)十分重要。長(zhǎng)期以來(lái)，基于低分子比生產(chǎn)具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)電解鋁企業(yè)采用該方式進(jìn)行生產(chǎn)。但較低的分子比使電解質(zhì)導(dǎo)電性降低，電阻增大，不僅使工藝參數(shù)的變化范圍變得較窄，電解槽對(duì)外界的干擾較為敏感，更主要的是熔解氧化鋁的能力減弱[1]，電解質(zhì)中氧化鋁濃度會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，最終導(dǎo)致電解槽穩(wěn)定性下降。

1.1.2 電解質(zhì)溫度

電解質(zhì)初晶溫度隨分子比的降低而降低。因此，較低的分子比必然會(huì)導(dǎo)致較低的電解質(zhì)溫度。特別是目前很多電解鋁企業(yè)為了進(jìn)一步節(jié)能降耗，都采用低電壓生產(chǎn)的情況下，由于熱收入的減少，電解質(zhì)溫度必然也會(huì)更低。實(shí)驗(yàn)證明，較低的電解質(zhì)溫度會(huì)降低氧化鋁在電解質(zhì)中的熔解性能[2]。生產(chǎn)實(shí)踐也表明，在電解質(zhì)溫度偏低的狀態(tài)下，氧化鋁濃度出現(xiàn)波動(dòng)的幾率和程度都會(huì)顯著增加，最直觀的表現(xiàn)就是電解槽噪聲值增大，突發(fā)效應(yīng)增多，電壓曲線出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)。 以中鋁青海分公司180 kA系列H號(hào)電解槽為例，該槽主要技術(shù)條件保持情況及部分電壓曲線見(jiàn)表1、圖1。

表1 H號(hào)電解槽主要技術(shù)參數(shù)

圖1 H號(hào)電解槽部分槽電壓歷史曲線截圖

從圖1可以看出，H號(hào)電解槽在沒(méi)有任何操作的情況下電壓波動(dòng)劇烈，且突發(fā)效應(yīng)頻繁，這主要是由于氧化鋁濃度異常引起。從表1所示的技術(shù)條件分析可知根本原因是分子比和槽溫偏低所致。

1.2 人工操作質(zhì)量

在目前國(guó)內(nèi)電解鋁生產(chǎn)自動(dòng)化程度不高的情況下，人工操作質(zhì)量的好壞對(duì)于氧化鋁濃度控制會(huì)有很大影響，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

圖2 M號(hào)電解槽部分槽電壓歷史曲線截圖

1.2.1 陽(yáng)極更換

陽(yáng)極是預(yù)焙鋁電解槽的“心臟”。陽(yáng)極的工作狀態(tài)好壞直接決定著電解槽的運(yùn)行情況，因此，換極工作也就顯得尤為重要。在實(shí)際操作中，出現(xiàn)以下幾種情況時(shí)給電解槽帶來(lái)的影響會(huì)更大。

(1)換極前，殘極上的浮料沒(méi)有扒干凈，在拔出陽(yáng)極的過(guò)程中大量氧化鋁進(jìn)入電解槽中，造成氧化鋁濃度驟然失衡；

(2)陽(yáng)極更換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(換極操作時(shí)間超過(guò)25 min)造成換極處局部電解質(zhì)溫度下降過(guò)快，熔解氧化鋁的性能變差，導(dǎo)致氧化鋁濃度失衡，甚至引發(fā)效應(yīng)；

(3)新陽(yáng)極梯度設(shè)置不精確，尤其是新極安裝過(guò)深的情況下會(huì)造成局部極距過(guò)小甚至發(fā)生短路導(dǎo)致鋁液大幅波動(dòng)，嚴(yán)重超出濃度控制范圍。

以上幾種情況最終結(jié)果都是槽電壓出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。圖2是中鋁青海分公司180 kA系列M號(hào)電解槽的部分槽電壓曲線截圖。從圖中可以看到，M槽在換極之前槽電壓非常平穩(wěn)，換極之后開(kāi)始出現(xiàn)明顯波動(dòng)，直至數(shù)小時(shí)后不得不采用人工調(diào)陽(yáng)極處理后才逐漸恢復(fù)正常。

1.2.2 下料異常

(1)下料孔不暢通?，F(xiàn)代大型預(yù)焙鋁電解槽為了將氧化鋁濃度控制在較理想的范圍內(nèi)(1.5～3.5%)，基本都采用中間多點(diǎn)打殼下料。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于各種原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)中間下料孔不暢通，甚至積料的情況，導(dǎo)致氧化鋁不能順利地進(jìn)到電解槽里面。人工處理時(shí)，如果不提前扒干凈積料,會(huì)造成大量氧化鋁突然進(jìn)入電解槽中，導(dǎo)致氧化鋁濃度忽高忽低，波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響智能模糊控制技術(shù)對(duì)氧化鋁濃度的有效控制。

(2)NB(下料間隔)設(shè)置不合理。生產(chǎn)過(guò)程中，電解槽NB設(shè)置不合理也會(huì)導(dǎo)致下料異常，從而引起氧化鋁濃度頻繁波動(dòng)。特別是在NB設(shè)置過(guò)短的情況下，由于電解槽頻繁下料，會(huì)造成氧化鋁濃度持續(xù)偏高，大大降低了氧化鋁在電解質(zhì)中的熔解性[2]，因而，會(huì)有大量氧化鋁無(wú)法及時(shí)熔解而沉降到爐底成為沉淀。相反，在NB設(shè)置過(guò)長(zhǎng)的情況下，由于進(jìn)入槽內(nèi)的氧化鋁量持續(xù)偏少，造成氧化鋁濃度過(guò)低，發(fā)生效應(yīng)的幾率就會(huì)增加。

2 主要控制措施

2.1 優(yōu)化電解質(zhì)成分

從上述影響氧化鋁濃度的主要因素可以看出，氧化鋁濃度控制的一個(gè)重點(diǎn)是對(duì)電解質(zhì)成分進(jìn)行優(yōu)化，其中，最重要的是通過(guò)技術(shù)調(diào)整使電解質(zhì)分子比保持在適當(dāng)較高的范圍內(nèi)。

生產(chǎn)過(guò)程中，為了保持電解槽的分子比穩(wěn)定，需要每天定量投入氟化鋁來(lái)補(bǔ)償電解質(zhì)中由于揮發(fā)造成的氟鹽損失。因此，為了提升分子比，從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，更加合理的方法應(yīng)該是通過(guò)分步遞減電解槽中氟鹽(AlF3)投放量的方式逐步將分子比調(diào)控到合理的范圍內(nèi)(2.65～2.80)。需要強(qiáng)調(diào)的是，在分子比優(yōu)化的過(guò)程中必須因槽制宜，根據(jù)每臺(tái)電解槽實(shí)際運(yùn)行狀況有計(jì)劃、有步驟地進(jìn)行，防止分子比提升過(guò)快而其它技術(shù)條件不匹配造成電解槽出現(xiàn)波動(dòng)。

2.2 合理匹配工藝技術(shù)條件

在優(yōu)化電解質(zhì)成分的過(guò)程中，必須兼顧其他工藝技術(shù)條件的合理匹配，特別是槽電壓(決定電解槽熱收入)和鋁水平(決定電解槽熱支出)的保持尤為重要。電解槽穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)是必須保證兩個(gè)平衡——能量平衡和物料平衡，相比之下保證能量平衡更為關(guān)鍵，只有在保證能量平衡的前提下才能實(shí)現(xiàn)物料平衡。

需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于電解槽設(shè)定電壓的調(diào)整應(yīng)當(dāng)遵循“先升后降、先高后低”的原則。因?yàn)?，隨著分子比上升，電解質(zhì)初晶溫度必然升高，為了保證足夠的過(guò)熱度，在調(diào)整分子比初始階段應(yīng)先將設(shè)定電壓提高5～10 mV以增加熱收入，同時(shí)，加強(qiáng)電解槽保溫以減少熱損失，待分子比上升到合適的范圍且電解質(zhì)物化性能有了明顯改善并保持穩(wěn)定之后，再將電壓逐步降下來(lái)。與此同時(shí)，為防止槽溫上升過(guò)快促使?fàn)t底結(jié)殼和沉淀熔解太快導(dǎo)致?tīng)t底返熱甚至出現(xiàn)陰極破損，必須適當(dāng)留鋁，待爐底基本清理干凈，爐膛達(dá)到規(guī)整后再將鋁水平調(diào)整到合理范圍，即遵循“先留鋁后撤鋁”的原則。

以H號(hào)電解槽為例，工藝技術(shù)條件調(diào)整如下：

(1)分兩階段遞減氟鹽投放量，每次減少10 kg，逐步將分子比提高至2.75左右，同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)下料間隔(NB)。

(2)在調(diào)整分子比初始階段先將設(shè)定電壓提高10 mV至3.900 V，并加強(qiáng)電解槽保溫。槽溫從原來(lái)的918 ℃逐漸上升至926 ℃左右，同時(shí)減少出鋁量；

(3)下調(diào)設(shè)定電壓10 mV，待槽況穩(wěn)定之后繼續(xù)下調(diào)設(shè)定電壓10 mV，適當(dāng)增加出鋁量。H槽技術(shù)條件調(diào)整前后對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 H槽工藝技術(shù)條件調(diào)整前后對(duì)比表

2.3 提高人工操作質(zhì)量

2.3.1 確保陽(yáng)極更換質(zhì)量

(1)陽(yáng)極更換前，仔細(xì)扒干凈所換殘極表面上的浮料，指揮天車(chē)沿陽(yáng)極縫砸開(kāi)“U”型口，盡量避免在拔陽(yáng)極過(guò)程中有多余的氧化鋁料塊掉入電解槽內(nèi)。

(2)陽(yáng)極拔出后，務(wù)必以最快的速度完成打撈氧化鋁塊、處理沉淀、打撈炭渣、測(cè)換極處兩水平等必要的操作。

(3)精確安裝新極。考慮到新極在達(dá)到全電流之前消耗速度較慢，因此，新極的安裝位置應(yīng)該比殘極高1.5～2.0 cm，相當(dāng)于正常陽(yáng)極在24 h內(nèi)的消耗量。

2.3.2 保證氧化鋁正常進(jìn)入槽內(nèi)

(1)加強(qiáng)對(duì)電解槽打殼下料裝置的維護(hù)、保養(yǎng)及點(diǎn)檢，確保各部件運(yùn)行正常，及時(shí)對(duì)過(guò)短、過(guò)小的打殼錘頭進(jìn)行更換，確保打殼錘頭能順利打開(kāi)下料處電解質(zhì)殼面。

(2)實(shí)行電解槽分片負(fù)責(zé)制。當(dāng)班期間對(duì)工段內(nèi)電解槽進(jìn)行分片劃分，指定專人負(fù)責(zé)定時(shí)巡檢電解槽打殼下料狀況，確保下料孔暢通。

(3)正常情況下，定期對(duì)電解槽各下料點(diǎn)定容料量進(jìn)行稱重，根據(jù)稱量結(jié)果及時(shí)對(duì)NB進(jìn)行校正，發(fā)現(xiàn)料量異常及時(shí)聯(lián)系維修人員進(jìn)行維修。

3 結(jié)論

(1)穩(wěn)定控制氧化鋁濃度的關(guān)鍵是在合理匹配各項(xiàng)技術(shù)條件的前提下保持適當(dāng)較高的分子比和電解質(zhì)溫度；

(2)加強(qiáng)日常管理，保證操作質(zhì)量特別是換陽(yáng)極質(zhì)量，確保下料點(diǎn)暢通也是氧化鋁濃度控制的一個(gè)重要手段。

[1] 邱竹賢.預(yù)焙槽煉鋁[M].北京：冶金工業(yè)出版社(第3版)，2005.

[2] 馮乃祥.鋁電解[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Main Factors and Control Measures Affecting the Concentration of Alumina in Aluminum Electrolysis Cell

GAO Lian-shan

To exact control the alumina concentration will directly improve the current efficiency of cell and reduce the energy consumption. This paper expounds two main factors affecting the concentration control of alumina-process technical conditions and quality of manual operation. Through empirical analysis of aluminum reduction cell in Qinghai Branch of CHALCO, this paper puts forward some corresponding control measures.

alumina concentration; molar ratio; electrolyte temperature; operation quality

2014-05-02

高連山(1978—),男，甘肅永登人，大學(xué)本科，工程師，主要從事鋁電解工作。

TF821

A

1008-5122(2014)05-0024-03