电解槽启动初期炉底压降升高原因分析及处理措施探讨_李成元.pdf

电解槽启动初期炉底压降升高原因分析及处理措施探讨李成元，张宁，马军创（山东南山铝业股份有限公司，山东龙口265700）摘要：着重分析预焙铝电解槽炉底压降的组成部分和影响炉底压降升高的主要因素，针对新启动槽提出采取优化工艺技术条件、规范操作流程等措施，以此来减少炉底沉淀物，从而有效控制炉底压降升高，达到规整炉膛及高产高效的目的。关键词：电解槽；炉底压降；初期；工艺中图分类号：TF821；TQ151.1+5文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0182-030引言随着国家碳达峰、碳中和“3060”战略目标的提出和逐步实施，电解铝行业所面临的“能耗双控”压力愈发增大，尤其是 2021 年 8 月 26 日国家发展和改革委员会印发了 关于完善电解铝行业阶梯电价政策的通知（发改价格 2021 1239 号）后，节能降碳成为当前电解铝企业生存和发展的首要议题。而炉底压降大是造成平均电压高的主要原因之一，因此降低炉底压降对降低吨铝电耗起到非常重要的作用。1炉底压降的组成部分预焙铝电解槽炉底压降是指槽内铝液至阴极钢棒头之间的电压降，包括铝液-炭块、炭块本身、炭块-阴极钢棒以及阴极钢棒本身的电压降四部分，一般情况下，电压降在 0.3 V 左右1。影响各部分压降大小的因素具体如下：1）阴极炭块压降：炭块电压降会随着其在电解槽上服务时间的延长而逐渐降低。这是由于在电解过程中，阴极碳晶格中渗入了金属钠，并与钠生成了晶间化合物所致。2）阴极钢棒本身压降：钢棒自身压降随槽龄变化不大，但不同类型的钢棒散热量不同，从而影响炉底温度，影响炉底沉淀情况。3）阴极炭块和阴极钢棒之间的接触压降：阴极钢棒与阴极炭块之间的接触压降是由阴极组装时决定的。4）铝液和炉底接触压降：铝液和炭块的接触面很大，同时铝液是电的优良导体，它们之间压降的存在主要是因为炉底沉淀物自身导电性差，同时铝液大面积覆盖于炭素阴极表面，使铝液-炭块压降增大。因此，研究铝液-炭块压降的过程其实就是研究炉底沉淀物压降的过程，即研究炉底沉淀物电阻铝液和阴极炭块间是否有良好的接触2。2炉底压降升高的主要影响因素影响炉底压降的因素有很多，最主要的是选择合适的钢棒类型以及各项技术条件搭配的合理性，在电解槽启动初期，只有控制住这几方面才能减少炉底沉淀物的形成，现对影响炉底压降比较大的因素进行探讨。2.1阴极钢棒对炉底压降的影响以山东某铝业公司 400 kA 电解车间为例，设计钢棒类型尺寸是 90 mm180 mm，但后期尝试使用加宽钢棒，加宽后钢棒尺寸是 120 mm180 mm，将 2 台不同类型钢棒的电解槽启动后，对全年炉底压降进行对比，具体压降变化如表 1 所示。收稿日期：2022-12-07第一作者简介：李成元（1988），男，黑龙江宁安人，毕业于内蒙古科技大学，硕士，工程师，主要从事电解铝生产技术及管理工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.069表 1启动初期不同钢棒类型炉底压降变化情况mV钢棒类型第 1 个月 第 2 个月 第 3 个月 第 4 个月 第 5 个月 第 6 个月 第 7 个月 第 8 个月 第 9 个月 第 10 个月 第 11 个月 第 12 个月90 mm180 mm248253276292288284279287283284285283120 mm180 mm208222234236258268262259269282277281从表 1 中不难看出，使用 120 mm180 mm 钢棒电解槽初始炉底压降较低，为 208 mV，但经过一年的正常生产，达到 281 mV，涨幅达到 73 mV，而 90 mm180 mm 钢棒槽初始炉底压降 248 mV，一年后炉底压降 283 mV，涨幅只有 35 mV。其主要原因有两点：一是随着槽龄的增加，在阴极钢棒的表面上有强碱性电解质和-Al2O3析出，从而使接触压降增大，虽然通过增大阴极方钢和阴极炭块之间的接触面积能有效控制电解槽初期炉底压降的大小，但由于方钢增大会导致散热偏大，炉底压降后期上升幅度较大，并且方钢变大后，析出强碱性电解质和-Al2O3所受应力更大，炉底变形破损几率较大；二是电解槽设计时匹配的是 90 mm180 mm 规格钢棒，能够保证能量平衡，调整钢棒类型后，由于钢棒加宽，导致散热量加大，能量平衡被打破，电解槽炉底趋冷，炉底沉淀偏多，影响炉底压降。生产实践2023 年第 5 期3029282726252423铝水平/cm1086420-2-4炉底压降涨幅/mV123456789101112月份图 1启动初期铝水平与炉底压降对应关系2.2铝水平对炉底压降的影响铝水平是影响电解槽热平衡的重要因素，它的高低决定了电解槽热收支的变化，主要体现在炉底上，适宜的铝液高度能更好地传导槽中心区域温度。对部分电解槽炉底压降的涨幅以及铝水平变化进行统计，两者之间的对应关系如图 1 所示。从图 1 中可看出，前 6 个月，在铝水平逐渐达到正常期铝水时，炉底压降涨幅较大，在此期间随着铝水平上涨，炉底有走冷趋势，氧化铝溶解性降低，铝液与炉底之间压降逐渐升高。2.3电解质分子比对炉底压降的影响新槽启动前期，为了形成一个较为坚固的炉帮，电解质分子比保持较高，钠的吸收比较强，随着非正常期的过渡，分子比逐渐降低。启动初期分子比与炉底压降对应关系如表 2 所示。由表 2 可以看出，随着电解质分子比不断降低，表 2启动初期电解质分子比与炉底压降对应关系时间1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月10 月11 月12 月电解质分子比2.882.692.642.582.522.432.442.442.42.442.422.41炉底压降/mV249254262267269275277277279276278279炉底压降在不断升高，特别是 3 个月以后，随着氟化铝的投入，电解槽氧化铝的溶解性降低，使一部分氧化铝沉积在阴极表面，从而造成炉底压降的升高。2.4槽温对炉底压降的影响铝电解生产中槽温主要是指电解质的温度，由电解质初晶温度和电解质过热度组成，电解槽启动初期，为了形成一个坚固且规整的炉膛，初晶温度和槽温都保持较高，随着非正常期的结束，槽温逐渐恢复正常。但是在槽温降低的过程中对炉底压降的影响也很明显，具体影响如图 2 所示。从图 2 可看出，在启动前 6 个月槽温变化较大，平均温度从 973 逐渐降到 960，虽然表面上只有十几摄氏度的温降，但实质上对新槽的影响却非常大。温度降低的这 6 个月也恰恰是炉底压降涨幅最快的几个月。6 个月后，槽温变化平稳，炉底压降波动减小。这是由于在槽温降低的过程中，电解质对氧化铝的溶解性降低，溶解不了的氧化铝逐渐沉积在炉底，从而使炉底压降逐渐增加。2.5电解质中氧化铝浓度对炉底压降的影响氧化铝在电解槽中并不是迅速溶解的，而是有一定过程的，先是部分氧化铝溶解，剩余氧化铝不能及时溶解，而是形成氧化铝和电解质的聚合物，之后继续溶解，受电解质中氧化铝浓度升高对氧化铝溶解速度降低的影响，氧化铝溶解速度很慢，使得部分氧化铝沉降到了铝液底层形成沉淀3。氧化铝从下料器进入电解质中进行溶解，但当下料量明显大于电解质的溶解速率的时候，电解质中氧化铝的浓度明显升高，未溶解部分的氧化铝逐步沉积到炉底，形成沉淀，最终影响炉底压降。因此，合理的氧化铝浓度对炉底压降的控制有重要作用。据此统计了部分电解槽启动后全年炉底压和氧化铝浓度情况，如表 3 所示。从表 3 中可以看出，启动初期电解槽氧化铝浓度图 2启动初期槽温与炉底压降的对应关系表 3不同氧化铝浓度与炉底压降上升幅度情况时间1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月10 月11 月12 月w（Al2O3）/%2.42.52.42.62.22.32.42.12.12.02.12.0炉底压降变化情况/mV58526202-3212整体偏高，氧化铝溶解性差，炉底沉淀积累，炉底压降升高，主要是前期槽温较高，电解槽产铝效率偏低，氧化铝消耗低所导致。3处理措施经分析可知，炉底压降升高主要是铝液-炭块部分压降增大，而造成这一问题的主要原因是阴极表面的沉淀造成的，想要有效地控制炉底压降，可以从控制电解槽的能量平衡和物料平衡入手，并配合人工辅助的措施进行处理。3.1保证电解槽的能量平衡保证电解槽的能量平衡是电解槽稳定运行的根本，更是减缓炉底压降升高的有效措施。当电解槽过铝水变化情况炉底压降涨幅975970965960955950槽温/炉底压降/mV123456789101112月份285280275270265260255250245240235230槽温炉底压降李成元，张宁，马军创：电解槽启动初期炉底压降升高原因分析及处理措施探讨183山西冶金E-mail:第 46 卷表 42 台电解槽炉底压降及各项指标变化情况冷或者过热时，电解质溶解氧化铝的能力都会降低，这样势必会造成部分氧化铝未参加电解反应而是直接沉降到炉底，从而导致炉底压降升高，所以保证电解槽的能量平衡尤为重要。在电解槽设计之初，设计过程中会考虑能量平衡的问题，但在生产过程中，若内衬材质出现更改，或外界环境温度发生变化，则应及时作出相应调整，使能量再次达到平衡。在电解生产中有两个调整能量平衡的重要参数，分别是系列电流和设定电压。当系统出现能量不平衡的问题时可通过调整系列电流重新达到平衡，若单槽出现能量不平衡的时候最好通过调节电压来进行调整。3.2保证电解槽的物料平衡当电解槽氧化铝进料量和产铝所消耗的量达到平衡时，产生的沉淀相对较少，当进料量大于产铝的消耗量时，多余部分的氧化铝会沉降到炉底，形成沉淀导致炉底压降升高，因此控制电解槽的物料平衡也很重要。电解槽物料平衡的主要控制方式有四个方面。1）制订合理的下料间隔，电解槽可通过设计产能推出氧化铝的日消耗量，根据单点下料量可推出一个合理的下料间隔，若在下料量正常的情况下，下料间隔小于正常值，则整体氧化铝投料量会比正常情况多，这导致部分氧化铝未参与反应而沉降到炉底，造成炉底沉淀，炉底压降升高。在正常生产过程中应保持下料间隔的合理性。2）有效解决下料异常问题。打壳装置堵料、过失操作都会导致槽内单点下料口进入大量物料，部分物料无法溶解进入电解质而进入炉底，形成沉淀，导致炉底压降上升4。当下料出现异常情况的时候要在第一时间予以解决。3）减少非正常物料的进入槽内。在电解生产过程中，不论是出铝过程导致的壳面坍塌还是过热度偏大造成的壳面坍塌，都会使壳面料进入槽内，因在短时间内无法溶解，从而形成沉淀结壳，导致炉底压降上升。因此，减少非正常物料进入电解过程很有必要。4）保证系统物料的稳定。电解槽系统物料主要包括两个方面：一是氧化铝的浓度均衡，尽量避免波动；二是覆盖料中氧化铝含量稳定。3.3采取精细化操作当电解槽炉底已经产生沉淀后，除了需保证能量平衡和物料平衡，还需控制沉淀不再增加。人工辅助处理炉底是降低炉底压降的重要手段5。在换极过程中，可采用料爬等工具将炉底沉淀搅动到电解质中，使炉底沉淀的这部分氧化铝再次发生电化学反应产生铝，从而减少炉底沉淀，控制炉底压降。4效果检验对启动一年以内的 2 台电解槽进行跟踪，对比采取不同处理措施的 2 台电解槽炉底压降及各项指标变化情况，具体如表 4 所示。从表 4 可看出，经采取措施的电解槽的全年炉底压降增幅明显降低且电效，电压、电耗等指标明显更优。5结论1）通过对电解槽启动初期的阴极钢棒、铝水平、分子比、槽温、电解质中氧化铝浓度对炉底压降的影响进行跟踪及分析，得出影响炉底压降升高的主要原因是铝液-炭块部分的压降升高。2）通过采取保持稳定的各项电解参数、达到电解槽的双平衡、配合精细化操作等一系列控制措施，降低炉底沉淀物压降，进而保持槽况的稳定和较高的电流效率。参考文献1邱竹贤.预焙槽炼铝：第 3 版M.北京：冶金工业出版社，2005：293-294.2康天虎.降低预焙铝电解槽炉底压降的途径探索J.有色设备，2014（4）：22-26.3李洋.浅谈降低 200 kA 预焙铝电解槽炉底压降的途径J.科技视界，2013（14）：42.4赵飞宇，翟超迎，杜天锋，等.探究 320 kA 预焙电解槽中控制炉底压降的方法J.四川有色金属，2022（3）：50-53.5耿晖.铝电解槽低电压下降低炉底压降提高电效措施分析与应用J.甘肃冶金，2019，41（6）：37-39.（编辑：武倩倩）指标启动初炉底压降/mV一年后炉底压降/mV炉底压降增幅/mV全年平均电压/V全年电效/%全年电耗/kWh对比槽248280324.01091.9013 003实验槽250269194.00592.0512 966Cause Analysis and Treatment Measures of Pressure Drop Rise at the Bottom of Electrolyzerat the Initial Start-up StageLi Chengyuan,Zhang Ning,Ma Junchuang（Shandong Nanshan Aluminum Co.,Ltd.,Longkou Shandong 265700）Abstract:Based on the analysis of the components of the bottom pressure drop and the main factors affecting the rise of the bottom pressuredrop,this paper puts forward some measures to reduce the bottom sediment by optimizing the technical conditions and standardizing theoperation flow of the new startup tank,so as to effectively control the rise of the bottom pressure drop and achieve the goal of high productionand high efficiency of the regular hearth.Key words:electric tank;bottom pressure drop;initial stage;craft184