縮短330 kA鋁電解槽非正常期的探索

張榕德

(青海百河鋁業(yè)有限責(zé)任公司,青海 西寧 811600)

電解槽從啟動結(jié)束到正常生產(chǎn),必須經(jīng)歷一個過渡階段,即非正常期。在這期間,電解槽由啟動初時的高槽溫、高電壓、高電解質(zhì)水平、高分子比逐漸過渡到正常生產(chǎn)條件,并沿電解槽四周逐漸形成由冰晶石組成的固態(tài)結(jié)殼,建立起規(guī)整、穩(wěn)定的爐膛內(nèi)形。非正常期管理的目的是通過氧化鋁與技術(shù)條件的控制,使電解槽逐漸具備以下特征:① 陰極內(nèi)襯材料在高分子比體系下吸鈉逐漸達(dá)到飽和平衡;② 逐步建立能量平衡和物料平衡,電解槽形成穩(wěn)定、堅固、規(guī)整的爐膛;③ 電解槽電壓、溫度、分子比、效應(yīng)系數(shù)從較高值逐步降低到正?？刂品秶?④ 鋁水平、電解質(zhì)水平逐步達(dá)到正常生產(chǎn)要求;⑤ 電流效率、電耗指標(biāo)逐步接近并達(dá)到正常生產(chǎn)目標(biāo);⑥ 原鋁中鐵含量、硅含量等雜質(zhì)逐步降低至正常范圍[1-3]。

為保證上述目標(biāo)的完成,長期以來公司電解槽的非正常期管理時間一般控制在90天(3個月)。但是,這些年,為了響應(yīng)國家對鋁電解行業(yè)節(jié)能降碳工作的要求,企業(yè)在新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用方面也是積極嘗試。前面提到,非正常期管理對電解槽正常期指標(biāo)優(yōu)劣有著很大的影響,但是,傳統(tǒng)90天非正常期管理期間電解槽的能耗指標(biāo)偏高。所以,在確保非正常期管理效果的前提下,嘗試通過縮短電解槽非正常期管理時間,使電解槽提前進入正常生產(chǎn)狀態(tài),從而提高系列電解經(jīng)濟指標(biāo),降低能耗將是我們關(guān)注和嘗試的方向。

1 縮短電解槽非正常期管理時間的可行性

2016年,公司接手兩個系列共計50萬噸電解鋁產(chǎn)能,由于種種原因全系列處于停產(chǎn)狀態(tài),停產(chǎn)前原企業(yè)電解槽穩(wěn)定性差、電流效率達(dá)不到90%,各項能耗指標(biāo)較高。2016年年底,二系列282臺電解槽技改復(fù)產(chǎn)工作正式開始。技改期間,對電解槽上部提升機構(gòu)及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。通過在電解槽底部和側(cè)部增加保溫層,提高了電解槽保溫性能。同時,采用高導(dǎo)電陰極鋼棒和石墨質(zhì)含量30%～50%的陰極炭塊,進一步降低了陰極電壓降。

1.1 優(yōu)化改進筑爐工藝

1.1.1 優(yōu)化爐襯設(shè)計提高了電解槽的保溫性能

從理論上分析,啟動后的電解槽爐底依然偏涼,需要大量的熱收入來保證電解槽的能量需求,所以,為保證電解槽有足夠的能量收入,管理上要求電解槽在啟動初期,需要保持一段時間的高電壓,待電解槽陰極吸鈉完成,炭素材料進一步燒結(jié)定型,才能依據(jù)電解槽的熱平衡,逐步的降低電壓,將其控制在目標(biāo)值[3]。但是隨著低電壓生產(chǎn)的普遍實踐,新型的保溫材料在電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)中的廣泛使用,使得電解槽的保溫性能明顯提高,電解槽也由傳統(tǒng)的散熱性向保溫性轉(zhuǎn)變,在焙燒后期管理的過程中,電解槽需要的能量隨之降低。

某公司330 kA系列電解槽在筑爐過程中,爐底和側(cè)部分別增加10 mm和20 mm厚的陶瓷纖維板、角部使用50 mm(壓實尺寸)厚陶瓷纖維氈。提高了電解槽的保溫性能。從熱平衡的角度出發(fā),有必要對電解槽后期管理電壓的下降幅度和下降速度作出相應(yīng)的修訂和完善。

1.1.2 優(yōu)化陰極鋼棒

高導(dǎo)電節(jié)能鋼棒技術(shù)的應(yīng)用,是電解槽在新技術(shù)領(lǐng)域的一大突破。某公司在筑爐過程中,全部采取高導(dǎo)電雙陰極鋼棒開槽技術(shù),并且將鋼棒高度從原來的180 mm調(diào)整為230 mm,寬度從70 mm調(diào)整到90 mm,這樣增加了陰極鋼棒與槽底炭塊的接觸面積和陰極鋼棒的導(dǎo)電橫截面積,從而使陰極鋼棒的導(dǎo)電能力大大提高,有效降低電解槽在生產(chǎn)過程中的水平電流,降低鋁液的流速和波動、增加了電解槽的穩(wěn)定性,為電解槽快速降低電壓,奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.1.3 優(yōu)化陰極炭塊

高石墨質(zhì)陰極炭塊與傳統(tǒng)無煙煤基陰極炭塊相比,具有電阻率低、熱導(dǎo)率高、抗熱沖擊性能高、鈉滲透膨脹率低等主要特點,在電解槽上得到廣泛應(yīng)用。某公司兩個330 kA系列564臺電解槽全部采用30%～50%的石墨質(zhì)陰極炭塊,電解槽爐底壓降由技改前的330 mV左右降到了300 mV左右,為電解槽后期管理電壓管理、熱平衡保持和爐幫形成提供了較大的調(diào)整空間。

1.2 鋁電解管理觀念的轉(zhuǎn)變

鋁電解管理觀念的改變,為縮短后期管理時間奠定了思想基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的后期管理模式中,需要高電壓、高槽溫、高分子比的技術(shù)條件形成堅固、穩(wěn)定的爐幫,所以,在后期管理中,人為的通過技術(shù)手段要提高電解槽初期分子比,到后期需要增加氟化鋁才能將分子比降到正?？煽胤秶?因此這一調(diào)整的過渡期較長,需要三個月時間才能完成。目前由于新技術(shù)的應(yīng)用、電解質(zhì)成分的改變、低電壓生產(chǎn)模式的推廣,使常規(guī)的管理觀念與現(xiàn)實出現(xiàn)偏差,而這種偏差主要表現(xiàn)為新啟動的電解槽在不到60天時間里,電解槽就具備了正常生產(chǎn)的特征,因此要及時修正管理思路,對傳統(tǒng)的三個月非正常期管理時間也應(yīng)做出相應(yīng)的調(diào)整。

2 非正常期爐膛建立的重要性

非正常期管理的核心目標(biāo)就是建立穩(wěn)固、規(guī)整的爐幫[1-4]。爐幫的構(gòu)建過程實質(zhì)上是電解質(zhì)溶液偏析層層凝固的過程,也是一個在較好的技術(shù)條件下形成熱平衡的過程。對電解槽長期穩(wěn)定、高效運行,保障系列安全起著決定性的作用[4]。

2.1 電解槽非正常期管理內(nèi)容

電解槽非正常期的管理的主要內(nèi)容有電解質(zhì)水平、鋁水平、槽電壓、分子比、加工間隔、效應(yīng)系數(shù)的管理等。非正常期管理的核心內(nèi)容是,建立理想的爐膛內(nèi)形,維持好生產(chǎn)時的熱平衡和物料平衡,使電解槽盡快進入正常生產(chǎn)階段。

2.2 電解槽非正常期管理的要點

電解槽啟動后,各項技術(shù)條件在經(jīng)歷大幅度調(diào)整之后,便開始出現(xiàn)一個相對平緩階段,電解槽緩慢轉(zhuǎn)向正常運行,雖然技術(shù)條件變化不甚激烈,但電解槽的運行卻發(fā)生著質(zhì)的變化。因此,非正常期管理需要注意以下幾點:

(1)槽電壓下降幅度要與電解質(zhì)溫度下降的速度相匹配,一般情況下剛啟動后4～5天內(nèi)可加大電壓下降的幅度,以后根據(jù)溫度情況穩(wěn)步下降,防止電解槽過冷。

(2)啟動之初,分子比要控制在2.8以上,之后隨著槽溫的下降而有所回落。45天左右開始借助氟化鋁的添加逐步下降分子比,以確保電解質(zhì)過熱度合適,這樣可保證爐幫上析出的電解質(zhì)結(jié)殼比較堅硬、初晶溫度高,后期不易遭到熱沖擊破壞。

(3)電解質(zhì)水平適當(dāng)保持高一些(25～28 cm),一方面要滿足形成爐幫對電解質(zhì)量的需求,另一方面有利于電解槽熱穩(wěn)定性和氧化鋁溶解能力的保持,減少沉淀[1]。同時防止側(cè)部炭塊被早期氧化,影響壽命。隨著鋁液的上升、爐幫的良好形成,電解質(zhì)水平開始調(diào)整到正常范圍(18～20 cm)。

(4)要準(zhǔn)確評估非正常期的電流效率,做到科學(xué)控制鋁水平,要求鋁水平的升高速度不能太快[2]。

(5)效應(yīng)系數(shù)。啟動后期為了補充散失的熱量,要求要保持較高的效應(yīng)系數(shù),第一周效應(yīng)系數(shù)保持在1個/(槽·日),對清潔電解質(zhì)、分離碳渣有益。第二周后可轉(zhuǎn)入正常,保持正常生產(chǎn)規(guī)定的效應(yīng)系數(shù)。

(6)電解質(zhì)溫度的控制是通過槽電壓、分子比、電解質(zhì)水平和鋁水平等多參數(shù)平衡來實現(xiàn)的。只有上述條件控制好,溫度能順利轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)要求。

3 縮短非正常期管理時間的實踐

3.1 試驗工區(qū)的選擇

利用330 kA電解槽技改復(fù)產(chǎn)的時機,選取兩個工區(qū)為試驗區(qū),其中一工區(qū)47臺電解槽將按照60天的非正常期進行后期管理(簡稱60天管理型),四工區(qū)按照傳統(tǒng)的90天非正常期進行后期管理(簡稱90天管理型)。

60天管理型電解槽具體技術(shù)參數(shù)控制見表1所示。

表1 60天管理型電解槽技術(shù)參數(shù)控制目標(biāo)

選取60天管理型槽47臺,按照公司制定的控制方案,啟動正常后,通過60天時間,電壓由啟動后灌鋁后的4.5 V逐步降至到3.97 V左右,分子比由大于2.8降至2.30左右,電解槽溫度由960℃左右調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)溫度925℃左右。鋁水平和電解質(zhì)水平達(dá)到技術(shù)規(guī)范要求。

同時選取90天管理型槽47臺,按照公司制定的控制方案,啟動正常后,通過90天時間,將電解槽各項參數(shù)控制到進入正常生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),控制目標(biāo)同上。

90天管理型電解槽具體技術(shù)參數(shù)控制見表2所示。

表2 90天管理型電解槽技術(shù)條件控制目標(biāo)

3.2 后期管理效率指標(biāo)跟蹤和測定

通過跟蹤、對標(biāo)兩種槽型的部分指標(biāo)和參數(shù),修正控制過程中出現(xiàn)的差異,重點監(jiān)控電解槽的槽況變化及出鋁情況,得出兩種不同的管理思路對電解槽效率的影響(見表3)。

通過上表數(shù)據(jù)統(tǒng)計,得出結(jié)論:

(1)60天管理型將領(lǐng)先90天管理型一個月左右時間,電流效率指標(biāo)達(dá)標(biāo);

(2)前三個月,60天管理型平均電流效率達(dá)到86.83%,較90天管理型提高2.83個百分點。

3.3 兩種管理型三個月以后部分技術(shù)參數(shù)對標(biāo)

后期管理是否成功,關(guān)鍵要評價三個因素:一是電解槽在于進入正常生產(chǎn)時,電解槽是否形成完整、規(guī)整的爐膛;二是電解槽其技術(shù)條件是否獲得正常生產(chǎn)槽所具備的技術(shù)參數(shù)目標(biāo);三是進入正常期電解槽各項經(jīng)濟指標(biāo)指標(biāo)是否達(dá)到公司技術(shù)規(guī)范要求。

為驗證兩種管理槽型的優(yōu)缺點,對后期槽況進行了跟蹤,發(fā)現(xiàn)60天管理槽型電解槽整體運行平穩(wěn),鋁液水平上升速度和電解溫度下降速度都明顯加快,在啟動后45天左右基本達(dá)到了正常生產(chǎn)的要求。其次,在接近60天時電解槽爐膛基本形成,專門測量了94臺電解槽的爐幫厚度和散熱孔溫度,從數(shù)據(jù)測量和分析來看,60天管理槽型無論從爐幫厚度、散熱孔溫度、爐底壓降、陰極鋼棒溫度等均沒有出現(xiàn)異常。所以,從啟動后期數(shù)據(jù)分析,將非正常管理期由傳統(tǒng)90天管理周期縮短至60天在實踐上是可行的(見表4)。

3.4 兩種管理型電解槽正常期指標(biāo)對比

為驗證60天管理型電解槽正常生產(chǎn)期間的穩(wěn)定性、經(jīng)濟指標(biāo)是否存在影響,統(tǒng)計了兩種管理型電解槽進入正常期后一年的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo),通過對標(biāo),發(fā)現(xiàn)60天管理電解槽與90天管理槽型電解槽對比,槽況穩(wěn)定性、效應(yīng)系數(shù)、經(jīng)濟指標(biāo)等均無明顯差異,甚至出現(xiàn)了部分指標(biāo)優(yōu)于90天管理型電解槽的現(xiàn)象(見表5)。

表5 兩種管理型電解槽正常生產(chǎn)期一年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

4 效益分析

4.1 增加原鋁產(chǎn)量

前面已經(jīng)論述,在保證非正常期管理效果的前提下,把非正常期管理時間由3個月縮短到2個月后,對比啟動后前三個月的指標(biāo),電流效率提高2.83個百分點,單槽增加產(chǎn)量6.77噸,以電流強度330 kA、一個系列282臺電解槽為例計算,可增加1908噸原鋁產(chǎn)量。

4.2 降低管理后期原鋁的電耗指標(biāo)

通過實測和統(tǒng)計非正常期管理的槽平均電壓,90天管理槽型平均電壓為4.073 V,而60天管理槽型前90天平均電壓為4.041 V,通過計算、分析后,非正常期指標(biāo)對比見表6。

表6 非正常期指標(biāo)對比

從表6可以看出,將后期管理縮短為60天后,在同樣90天的計算周期內(nèi),可使噸鋁直流電耗降低580 kWh,經(jīng)濟效益可觀。

5 結(jié) 語

通過對330 kA電解槽非正常期管理周期探討和實踐,證明在新技術(shù)、新工藝的支撐下,電解槽非正常管理周期從90天縮短至60天,完全能實現(xiàn)非正常期管理的目標(biāo)。而且對后續(xù)電解槽正常生產(chǎn)不會造成影響,同時還降低了非正常期能耗。