帶外補(bǔ)償母線和傳統(tǒng)母線配置技術(shù)在500 kA預(yù)焙電解槽中的應(yīng)用對(duì)比

宋書(shū)紅,范晉平

(1.營(yíng)口忠旺鋁業(yè)有限公司,遼寧 營(yíng)口 115000;2.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024)

隨著國(guó)內(nèi)鋁行業(yè)的快速進(jìn)步,電解槽運(yùn)行電流不斷增加,電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行成為電解生產(chǎn)的關(guān)鍵。隨著國(guó)內(nèi)500、600 kA大型預(yù)焙電解槽的投入生產(chǎn)運(yùn)行,傳統(tǒng)母線配置磁場(chǎng)補(bǔ)償已經(jīng)不能滿足進(jìn)一步提高電解槽節(jié)能降耗的要求。適應(yīng)我國(guó)鋁電解發(fā)展的實(shí)際需要,以沈陽(yáng)院專利CN105220179A[1]為代表的帶外補(bǔ)償母線的新概念母線配置方案新鮮出爐,該方案的應(yīng)用,大幅提高了電解槽的穩(wěn)定性,為電解生產(chǎn)節(jié)能降耗奠定了基礎(chǔ)。

下面通過(guò)帶外補(bǔ)償母線500 kA電解槽和傳統(tǒng)母線配置500 kA電解槽實(shí)踐應(yīng)用的對(duì)比,介紹了外補(bǔ)償母線配置電解槽實(shí)踐應(yīng)用。

1 兩種配置方式的計(jì)算仿真比較

根據(jù)仿真模擬計(jì)算得出的帶外補(bǔ)償母線500 kA電解槽和傳統(tǒng)母線配置500 kA電解槽Bz方向磁場(chǎng)、鋁液流速及鋁液界面變形的模擬比較,如表1、圖1、2及圖3、4所示。

表1 500 kA電解槽帶外補(bǔ)償母線和傳統(tǒng)母線配置Bz方向磁場(chǎng)的比較

圖1 帶外補(bǔ)償母線500 kA電解槽鋁液流速

圖3 帶外補(bǔ)償母線500 kA電解槽鋁液界面變形

圖4 傳統(tǒng)母線配置500 kA電解槽鋁液界面變形

帶外補(bǔ)償母線配置方案是在500 kA電解槽旁采用單獨(dú)的補(bǔ)償母線來(lái)綜合均衡電解槽的磁場(chǎng),使電解槽具有一個(gè)不受系列電流波動(dòng)影響的恒定附加磁場(chǎng)環(huán)境。該母線優(yōu)化配置目的就是進(jìn)一步優(yōu)化垂直磁場(chǎng)各方向梯度分布,使電解槽內(nèi)熔體流速得到進(jìn)一步降低。

從表1看,帶外補(bǔ)償母線電解槽Bz磁場(chǎng)4個(gè)象限的值比傳統(tǒng)母線配置電解槽更加相近,且最大值也比傳統(tǒng)母線配置電解槽小,與傳統(tǒng)母線相比,外補(bǔ)償母線磁場(chǎng)結(jié)果更優(yōu)。從圖1和圖2的比較看,帶外補(bǔ)償母線電解槽鋁液流速明顯小于傳統(tǒng)母線配置電解槽,熔體流速降低幅度超過(guò)30%;從圖3和圖4的比較顯示,帶外補(bǔ)償母線電解槽鋁液界面變形明顯小于傳統(tǒng)母線配置電解槽鋁液界面變形,鋁液變形幅度降低超過(guò)30%。從分析得知,外補(bǔ)償母線的磁場(chǎng)強(qiáng)度和電解槽磁流體穩(wěn)定性都有大幅度的提高,為電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行提供了良好的基礎(chǔ)。

2 兩種配置方式在電解槽上應(yīng)用比較

2.1 電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性

基于統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)據(jù)挖掘的槽況綜合分析是現(xiàn)代大型預(yù)焙電解槽綜合管控的重要手段?，F(xiàn)代大型預(yù)焙電解槽智能管控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)控制過(guò)程采集到的的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可對(duì)電解槽進(jìn)行相關(guān)的趨勢(shì)診斷。電解槽槽噪聲分析[2]、運(yùn)行電壓穩(wěn)定性及運(yùn)行歷史曲線分析是電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性分析的重要方法。

本文對(duì)比了槽齡和裝備水平基本相同的500 kA電解兩個(gè)系列一個(gè)區(qū)的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和歷史曲線,其中電解一、二車間為一系列,采用傳統(tǒng)母線配置,電解三、四車間為二系列,采用外補(bǔ)償母線配置。

2.1.1 電解槽噪聲分析

電解槽的噪聲通常分為高頻噪聲(通常稱為擺動(dòng))和低頻噪聲(通常稱為針振)兩種,對(duì)比兩種不同類型電解車間電解槽的平均噪聲數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 電解車間噪聲統(tǒng)計(jì)表

傳統(tǒng)母線配置電解槽實(shí)際運(yùn)行擺動(dòng)平均在4.5 mV,帶外補(bǔ)償母線的電解槽在1.5 mV,傳統(tǒng)母線配置電解槽擺動(dòng)強(qiáng)度比帶外補(bǔ)償母線的電解槽高3 mV,高大約200%,低頻噪聲擺動(dòng)幅度通常由由鋁液層波動(dòng)引起[3]。通過(guò)這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比,明顯看出帶外補(bǔ)償母線的電解槽鋁液波動(dòng)要比傳統(tǒng)母線配置電解槽有大幅度的改進(jìn)，為電解槽的長(zhǎng)期穩(wěn)定行提供了良好的基礎(chǔ)。

在開(kāi)展企業(yè)經(jīng)濟(jì)責(zé)任審計(jì)工作中為了找到被審計(jì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)責(zé)任的實(shí)際承擔(dān)者，一定要明確劃分各部門(mén)人員的企業(yè)經(jīng)濟(jì)責(zé)任，這樣可以避免出現(xiàn)推卸責(zé)任的問(wèn)題。在實(shí)際工作中可以從以下幾方面進(jìn)行：

傳統(tǒng)母線配置電解槽實(shí)際運(yùn)行針振平均在13.5 mV,帶外補(bǔ)償母線的電解槽在9.5 mV,傳統(tǒng)母線配置電解槽針振強(qiáng)度比帶外補(bǔ)償母線的電解槽高4 mV,約40%。

2.1.2 運(yùn)行電壓分析

從它們運(yùn)行電壓的穩(wěn)定性方面比較看,如表3所示。

傳統(tǒng)母線配置電解槽實(shí)際運(yùn)行平均電壓和設(shè)定目標(biāo)電壓的差值較大,平均達(dá)到20.5 mV,而帶外補(bǔ)償母線的電解槽實(shí)際運(yùn)行平均電壓和設(shè)定目標(biāo)電壓的差值平均才6 mV。其原因是因?yàn)閭鹘y(tǒng)母線配置的電解槽運(yùn)行針振、擺動(dòng)、異常電壓的強(qiáng)度和時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于帶外補(bǔ)償母線的電解槽,說(shuō)明帶外補(bǔ)償母線的電解槽運(yùn)行比較穩(wěn)定。

2.1.3 運(yùn)行歷史曲線

通過(guò)電解槽控制系統(tǒng)歷史運(yùn)行曲線的解析更加直觀反映電解槽的運(yùn)行穩(wěn)定性。如圖5、6為500 kA預(yù)焙電解槽控制系統(tǒng)歷史運(yùn)行曲線。

表3 電解槽電壓比較

圖5 傳統(tǒng)母線配置500 kA預(yù)焙電解槽控制系統(tǒng)歷史運(yùn)行曲線

圖6 帶外補(bǔ)償母線500 kA預(yù)焙電解槽控制系統(tǒng)歷史運(yùn)行曲線

通過(guò)對(duì)對(duì)比槽歷史曲線的解析可發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)母線配置電解槽針振擺動(dòng)強(qiáng)度較大,累積時(shí)間較長(zhǎng),電解槽經(jīng)常通過(guò)升降陽(yáng)極進(jìn)行調(diào)整,陽(yáng)極調(diào)整必然導(dǎo)致電解槽電阻發(fā)生變化,致使系統(tǒng)基于電阻斜率權(quán)重判斷的氧化鋁濃度控制出現(xiàn)紊亂,電解槽表現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)往往表現(xiàn)出突發(fā)效應(yīng)多、爐底沉淀多等問(wèn)題,增加槽控系統(tǒng)判斷失誤的概率。外補(bǔ)償母線配置電解槽由于良好的磁流體穩(wěn)定性基礎(chǔ),較低的槽噪聲,為電解槽控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確判斷提供了良好的基礎(chǔ)。

2.2 電解槽運(yùn)行工藝參數(shù)

表4所列數(shù)據(jù)為以上對(duì)比槽運(yùn)行工藝參數(shù)。兩種母線配置電解槽運(yùn)行過(guò)程中槽溫、兩水平及分子比基本保持一致;電解槽的日下料量帶外補(bǔ)償母線電解槽要高于傳統(tǒng)母線電解槽262 kg/(槽·日),說(shuō)明帶外補(bǔ)償母線電解槽效率比傳統(tǒng)母線電解槽高,這一點(diǎn)從后續(xù)表6數(shù)據(jù)也予以佐證;效應(yīng)控制帶外補(bǔ)償母線電解槽要優(yōu)于傳統(tǒng)母線電解槽,結(jié)合下料欠過(guò)比數(shù)據(jù)看,帶外補(bǔ)償母線電解槽氧化鋁濃度控制基本實(shí)現(xiàn)低濃度敏感區(qū)的控制要求,這也從另一面體現(xiàn)出帶外補(bǔ)償母線電解槽穩(wěn)定性高于傳統(tǒng)母線電解槽高,為氧化鋁濃度控制創(chuàng)造了條件,因?yàn)椴鄯€(wěn)定是控制策略賴以成功實(shí)施的必要條件;異常電壓累積時(shí)間和原鋁質(zhì)量也略有提高,說(shuō)明帶外補(bǔ)償母線電解槽使電解槽的整體穩(wěn)定性有了明顯的提高。

表4 帶外補(bǔ)償和傳統(tǒng)母線配置500 kA電解槽系列運(yùn)行工藝參數(shù)對(duì)比

2.3 電解槽爐膛情況

如圖7所示為電解槽爐幫構(gòu)型圖,對(duì)爐幫a、b兩處的位置尺寸予以測(cè)定就基本可以構(gòu)建電解槽的爐膛內(nèi)型。其中a處位置表征爐幫的最薄處,b處表征爐幫伸腿的位置。它們均可通過(guò)相應(yīng)測(cè)定棒進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)在c處測(cè)量電解槽槽殼側(cè)壁典型溫度數(shù)值,從而了解電解槽的爐幫基本狀況。從跟蹤500 kA預(yù)焙電解槽傳統(tǒng)母線配置槽和帶外補(bǔ)償母線配置槽爐幫形成過(guò)程數(shù)據(jù)可以比較出兩種電解槽爐膛內(nèi)型的形成變化機(jī)制。表5是500 kA電解槽不同時(shí)期測(cè)得爐幫數(shù)據(jù)情況。

圖7 爐幫構(gòu)型圖

表5 500 kA預(yù)焙電解槽爐幫測(cè)定表

從表5數(shù)據(jù)可以看出:帶外補(bǔ)償母線的電解槽形成的爐幫比傳統(tǒng)母線配置電解槽厚約3～4cm,伸腿反而短,而且穩(wěn)定;槽殼側(cè)壁溫度平均低10 ℃左右。從表5數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)看:帶外補(bǔ)償母線的電解槽形成的爐幫比較穩(wěn)定,隨著槽齡的增加變化不大;而傳統(tǒng)母線配置電解槽爐幫厚度有一定的起伏,伸腿有隨槽齡加長(zhǎng)的趨勢(shì)。表5數(shù)據(jù)說(shuō)明帶外補(bǔ)償母線的電解槽爐膛更加規(guī)整穩(wěn)定。這應(yīng)該主要取決于帶外補(bǔ)償母線電解槽垂直磁場(chǎng)各方向梯度分布更加均衡,使電解槽內(nèi)熔體流速得到進(jìn)一步降低,同時(shí)縮小電解質(zhì)和鋁液兩層流動(dòng)的速度差別,減小了對(duì)爐幫的沖刷,利于電解槽爐幫的穩(wěn)定形成。實(shí)踐證明,外補(bǔ)償母線配置的電解槽爐膛較規(guī)整和穩(wěn)定,是外補(bǔ)償電解系列取得高效穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

3 兩種配置形式的電解槽運(yùn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

與傳統(tǒng)母線配置槽相比,500 kA預(yù)焙電解槽采用帶外補(bǔ)償母線配置后,電解槽穩(wěn)定性大大提高,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)也比較理想。

表6所示數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)母線配置500 kA電解槽系列啟動(dòng)一年后2016年全年的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和帶外補(bǔ)償母線配置500 kA電解槽系列啟動(dòng)一年后2019年全年的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo),它們內(nèi)襯設(shè)計(jì)基本一致,技術(shù)條件基本相同。其中帶外補(bǔ)償母線配置電解槽的可比交流電耗中含獨(dú)立補(bǔ)償母線的耗電量。

表6 兩種配置形式的電解槽2019年主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

從表6可以看出:帶外補(bǔ)償母線的電解槽平均電流效率達(dá)到了94.37%,可比交流電單耗達(dá)到13,034 kWh/t-Al,比傳統(tǒng)母線配置電解槽平均電流效率高出2.54個(gè)百分點(diǎn),可比交流電單耗降低237 kWh/t-Al,經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果非常明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐證明帶外補(bǔ)償母線的電解槽長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,優(yōu)化了電解槽磁感應(yīng)強(qiáng)度、熔體流動(dòng)速度、鋁液-電解質(zhì)界面波動(dòng),與傳統(tǒng)母線配置電解槽相比運(yùn)行更加穩(wěn)定,為采用該技術(shù)的電解系列取得更好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。