400 kA铝电解槽工艺技术评判方法的研究.pdf

第 51 卷 第 1 期有色金属设计Vol.51 No.12024 年 3 月Nonferrous Metals DesignMar.2024收稿日期:2023-05-16作者简介:李坤(1984),男,云南曲靖人,工程师。主要研究方向:铝电解。E-mail:dvs164 通讯作者:陶宣行(1991),男,云南宣威人,工程师。主要研究方向:铝电解生产管理。400 kA 铝电解槽工艺技术评判方法的研究李坤,陶宣行,耿家荣,寸跃祖,沈应仆,孙啸飞,李文虎,赵兵(云南云铝泽鑫铝业有限公司,云南 富源 655500)摘要:电解槽的槽况、工艺都因槽而异,想要统一管理就要先把电解槽的整体情况分类。电解槽分类管理重点解决的问题是电解槽的一致性,其中包括工艺条件的一致性,生产槽况的一致性、控制思路的一致性、经济指标的一致性等,一致性可以减少非正常问题的发生,让电解槽受控并持续改进电解槽状况。通过对电解槽进行分类管控,区别制定管控标准和措施,使不同类别的电解槽的运行状一致,便于生产管控和指标优化。关键词:电解槽;持续改进;一致性中图分类号:TF821文献标识码:B文章编号:1004-2660(2024)01-0052-12A Study on Technology Evaluation Method of 400 kA Aluminum Electrolytic CellsLI Kun,TAO Xuanxing,GENG Jiarong,CUN Yuezu,SHEN Yingpu,SUN Xiaofei,LI Wenhu,ZHAO Bing(Yunnan Yunlv Zexin Aluminum Industry Co.,Ltd.,Fuyuan,Yunnan,655500,China)Abstract:The conditions and processes of electrolytic cells vary from cell to cell.If unified management is re-quired,the overall conditions of electrolytic cells shall be classified first.The key problem to be solved for clas-sified management of electrolytic cells is the consistency of electrolytic cells,including the consistency of process conditions,production cell conditions,control ideas and economic indicators.Consistency results in the reduc-tion in abnormal problems,controlled electrolytic cells and continuous improvement in conditions of electrolytic cells.Through classified control of electrolytic cells,based on cell-specific control standards and measures,the operation status of different types of electrolytic cells is consistent,which facilitates production control and indicator optimization.Keywords:Electrolytic cell;Continuous improvement;Consistency0 引 言铝企业的工艺技术评判一直都是经验式管理,以人传、帮、带人的方式,个人以自己的理解来控制电解槽的工艺,不同人有不同的理解,带来的结果就是电解槽的工艺控制方向不同,导致工艺执行力低,最终结果就会出现工艺偏差大1。通过对电解槽工艺技术评判的研究结果应用,可以让电解槽经验式管理向数据化管理转变,电解槽分散式管理向集中式管理转变,电解槽差异化管理向标准化管理转变2。最终实现电解槽长寿命,运行安全、平稳、高效的目的。1 铝电解工艺技术评判方法概述电解工艺评判方法管理模式的形成是在标准化体系、精益化生产、数据化分析的理念引导下形成的3,是针对电解生产的标准化、精益化、数据化的管理模式;运用标准化生产、精益质量管理的思想,统计过程质量控制,数据分析来管理电解槽,形成了工艺评判方法。把生成工艺、生成操作、经济指标完全数据化,用数据特征代替定性描述,用数据指标分析评价生产状态,形李坤,陶宣行,耿家荣,等:400 kA 铝电解槽工艺技术评判方法的研究成规范的数据管理模式。以正常生产工艺技术标准、启动后期管理标准、启动焙烧标准、操作质量标准为依据,实现数据化管控生产。达到延长电解槽寿命,降低电耗实现电解槽安全平稳运行。电解 系 列 不 同,槽 型、槽 龄 结 构 复 杂 多样4,按照槽型、槽龄对电解槽进行分类,并对每一类电解槽的工艺参数进行科学合理匹配,从槽况有序、运行曲线、槽况级别 3 个维度对所有电解槽进行综合评判,评判出 A、B、C、D、E类槽建立数据库。A 类槽表示电解槽各项指标都是优秀,电解槽槽况最好,E 类槽则是最差。2 铝电解槽分类2.1 工艺技术级别分类制定工艺技术标准,标准制定是根据生产实际总结而来,符合工艺路线。根据工艺技术标准从 10 方面把电解槽分为 5 类电解槽,电解槽工艺技术分类标准见表 1。2.2 电解槽槽况分类及槽况运行曲线分类电解槽技术标准分类完成后,又从电解槽槽况是否有序、运行曲线情况 2 方面进行细化,所对应的结果和技术标准分类一一对应,槽况分类标准见表 2。表 1 技术规范评判分级表Tab.1 Technical specification evaluation(classification)技术级别项目分子比温度平面设定电压曲面槽设定电压电流效率出铝量铝水平电解质水平直流电耗炉底压降E2.659804.344.1590.5%380D2.60-2.65970-9804.27-4.344.10-4.15 90.5%-91.5%2 980-3 02030-3516-2014 060-14 134 380C2.55-2.60960-9704.2-4.274.05-4.10 91.5%-92.5%3 020-3 06030-3516-2013 678-13 756 380B2.5-2.55950-9604.13-4.24.00-4.05 92.5%-93.5%3 060-3 10030-3516-2013 305-13 386 370A2.40-2.50940-9504.1393.5%3 10030-3516-2013 162360D2.549534.0192.5%3 000511353301805 690360C2.519513.98093.0%3 010511353301805 721360B2.489493.95093.5%3 020511353301805 752360A2.459473.92093.8%3 030511323301805 767340注:A、B、C、D、E 5 个级别,按技术规范评判表分级。2.2.1 槽况有序分类A 类:槽况稳定。电流效率93.5%,工艺条件合格率95%,基础工作达标率95%,电压偏差20 mV,效应系数0.01 次/槽日,炭渣分离好,铝 液 铁 含 量 0.08%,铝 液 硅 含 量0.03%,坚持工艺标准管理,坚持精益操作,采取周评判;B 类:槽况不稳定。电流效率93.5%,工艺条件合格率95%,电压偏差20 mV,效应系数0.01 次/槽日,炭渣 分 离 好,铝 液 铁 0.08%,铝 液 硅 含 量0.03%,坚持工艺标准管理,坚持精益操作,确定调整策略,调整期(12)周,采取日评判跟踪;C 类:槽况恶化。电流效率92%,工艺条件合格率20 mV,效应系数0.08%,铝液硅含量0.03%,炉底压降400 mV,集中会诊确定调整方案,适时跟踪;D 类:槽况无序。电流效率90%,工艺条件合格率30 mV,效应系数0.10%,铝液硅含量0.035%,炉底压降420 mV,紧急集中会诊确定调整方案,适时跟踪;E 类:槽况长期不稳定。电流效率85%,工艺条件合格率35 mV,效应系数0.15%,铝液硅含量 0.040%,炉底压降440 mV,紧急集中会诊确定调整方案,适时跟踪。2.2.2 运行曲线分类从历史情况来看,曲线的走势最差情况就是异常电解槽,因此将曲线是否有序细化为 4 类。A:曲线有序。周曲线符合度(过欠均匀、电压正弦曲线)95%;B:曲线基本有序。曲线出现毛刺,周曲线符合度(过欠均匀、电压正弦曲线)90%,稍做技术调整就可以很快恢复,稳定操作;C:曲线无序。周曲线符合度(过欠均匀、电压正弦曲线)80%,需人工现场干预并调整技术条件,稳定操作;D:曲线异常。曲线波动大,周曲线符合度(过欠均匀、电压正弦曲线)925925925925925温度范围/下限935937939941943上限961959957955953平均目标935948948948948炉底压降VC/mv380380380370350阳极压降Va/mv359359359359359母线压降Vex/mv235235235235235分解电压E0/mv1 7001 7001 7001 7001 700电解质压降Ee/mv1 1801 1801 1801 1801 180设定电压下限Vset/mv4.3404.2704.2004.1303.920设定电压上限Vset/mv4.5004.3404.2704.2004.13045李坤,陶宣行,耿家荣,等:400 kA 铝电解槽工艺技术评判方法的研究电流效率范围/%下限90.0%90.5%91.5%92.5%93.5%上限90.5%91.5%92.5%93.5%94.0%目标值90.3%91.0%92.0%93.0%93.8%出铝量范围Q/kg2 5002 9803 0203 0603 1002 9803 0203 0603 1003 200目标值2 7403 0003 0403 0803 150AlF3 添加量/kg5151515151NB 设定/(min/次)下限130130130130130上限140140140140140目标135135135135135铝水平下限300300300300300上限400380360350350目标350340330325325电解质水平下限1616161616上限2020202020目标1818181818氧化铝量下限5 5695 6315 6925 752上限5 5695 6315 6925 754目标5 5575 6005 6615 7235 7523.2 电解槽控制规范在生产过程中,工艺控制按表 3 中的标准控制,其中几个关键指标尤为重要,为此也制定了控制规范,关键技术标准控制范围见表 4。表 4 关键技术标准控制规范表Tab.4 Control specifications for key technical standards电压调整调整周期24 hNB 间隔调整调整周期24 h氟化铝下料间隔调整调整周期7 d3.3 趋势变化应对规范生产过程复杂多变,不同的人如果没有标准执行按各自理解,同样的操作可能带来不同的结果5,为此制定了参数控制的方向及应对措施。而趋势评判可以参考槽温、铝水平、电解质水平、分子比等参数的平均值来做出相应判断,趋势变化应对规范见表 5。表 5 趋势变化对应规范表Tab.5 Corresponding specifications for trend change序号控制方向1各单项数据的趋势用于判断各工区整体控制情况。2综合各项数据判断电解槽的运行趋势。3电解槽各项技术指标稳定,槽况正常,继续保持。4电解质水平上涨或收缩,其它技术指标稳定,槽况正常,重点评估物料平衡。5铝水平上涨或降低,其它技术指标稳定,槽况正常,重点评估出铝效率,并进行在产铝盘存。6效应系数偏高,重点评估电解质性质和电解质状态。7槽温上升或下降,同时伴随电解质水平不稳定,其它技术指标稳定,重点评估热平衡和电解槽冷热行程。55有色金属设计第 51 卷3.4 异常干预控制规范在实际的工艺控制过程中,电解槽的工艺走势极端情况下会走 2 方面,即冷行程及热行程6。不管是哪方面都代表着电解槽已走入异常需要及时干预。3.4.1 冷行程控制如果电解槽进入冷行程,按照电解槽冷趋势工艺技术条件规范进行控制,冷趋势工艺技术条件规范见表 6。3.4.2 热行程控制如果电解槽进入热行程,按照电解槽热趋势工艺技术条件规范进行控制,热趋势工艺技术条件规范见表 7。表 6 电解槽冷趋势工艺技术条件规范表Tab.6 Specifications for cold trend process conditions of electrolytic cells电流/KA炉压/mv槽温/分子比铝水平/mm电压/v氟盐投入量/kg出铝量/kg电流效率/%标准值4003459452.45343.92513 10093.8实际测量数据400350940353.94493 15094注:1.如果电解槽进入冷行程而偏离标准值,根据炉压、槽温、分子比、铝水平的实际测量数据输入表格,自动生成相匹配的槽电压、氟盐投入量、出铝量等工艺参数标准值,根据标准对电解槽进行调整,调整周期为 7 d;2.1 周后对电解槽调整结果进行评判,根据此表重新输入实际测量数据,再自动生成相匹配的槽电压、氟盐投入量、出铝量等工艺参数标准值,如回到标准工艺技术范围内,按标准继续执行;3.此表电压调整根据炉压(以 345 mv 为基准,炉压上升 20 mv 时,槽电压相对提高 10 mv)、槽温(以 945 为基准,槽温降低 10 时,槽电压相对提高 20 mv),如果炉压上升 10 mv 的同时槽温降低 10,槽电压相对提高 30 mv,以此类推;4.氟化盐投入量根据分子比,以 2.45 为基准,计算机添加量与标准值的差值,根据差值调整设定量和人工辅助量;5.出铝量根据实际电流和实际铝水平自动调整(以 34 cm 为基准,当实际铝水平34 cm 时,出铝量自动加大20 kg);6.电流效率根据实际出铝量变化而变化。表 7 电解槽热趋势工艺技术条件规范表Tab.7 Specifications for hot trend process conditions of electrolytic cells电流/KA炉压/mv槽温/分子比铝水平/mm电压/v氟盐投入量/kg出铝量/kg电流效率/%标准值4003459452.453403.92513 10093.8实际测量数据4003359482.53203.9533 08093.5注:1.如果电解槽进入热行程而偏离标准值,根据炉压、槽温、分子比、铝水平的实际测量数据输入表格,自动生成相匹配的槽电压、氟盐投入量、出铝量等工艺参数标准值,根据标准对电解槽进行调整,调整周期为 7 d;2.一周后对电解槽调整结果进行评判,根据此表重新输入实际测量数据,再自动生成相匹配的槽电压、氟盐投入量、出铝量等工艺参数标准值,如回到标准工艺技术范围内,按标准继续执行;3.此表为电解槽热趋势评判表,槽电压以 3.92 V 为基准,此电压已为技术标准下限;4.氟化盐投入量根据分子比,以 2.45 为基准,计算机添加量与标准值的差值,根据差值调整设定量和人工辅助添加量;5.出铝量根据实际电流和实际铝水平自动调整(以 34 cm 为基准,当实际铝水平34 cm 时,出铝量自动减小20 kg);6.电流效率根据实际出铝量变化而变化。4 电解槽两级评判电解槽管理方法前期标准及趋势判断标准根据以往经验及生产实际制定后,应严格执行。标准的执行情况需要通过数据来具象化,需收集数据并建立数据库,这些数据为后面的数据分析、趋势管理提过了量化指标。日常的工艺控制虽已有标准,但具体的执行情况怎么样,应制定工艺65李坤,陶宣行,耿家荣,等:400 kA 铝电解槽工艺技术评判方法的研究执行的两极评判标准即日评判及周评判。以两级评判结果来判断工艺控制结果并指导电解槽未来工艺控制方向及关键,所遵循的原则是按技术规范分析、按评判模板推导,减少人为干预。应制定评判标准模板,根据评判标准机导评判结果,生成评判执行表单,评判中发现异常,如电压拉偏大、效应不受控、下料量异常、分子比异常、长壳头包、趋势异常制定整改措施。评判成员一般包含生产一线的班组长,生产线负责人,先由班组长进行判定,然后生产线负责人对其判定结果进行二次判定,形成最终的判定结果。4.1 日评判日评判为基础评判,生产一线的班组长(评判成员)根据曲线级别、槽况级别、有序级别 3个维度对电解槽进行评判,工艺组对评判出现的问题,建立工艺纠偏和操作纠偏操作计划。评判结果汇总见图 1,单槽日评判表见图 2,日评判调整结果汇见图 3。图 1 日评判结果汇总表Fig.1 Summary of daily evaluation results75有色金属设计第 51 卷图 2 单槽日评判表Fig.2 Daily evaluation of single cell图 3 日评判调整结果汇总表Fig.3 Summary of adjustment results of daily evaluation 以电解槽异常情况检查表为依据,给出单槽控制意见形成数据库。班组长根据日评判结果来执行工艺控制。单独的日评判不能很好的看出电解槽控制趋势,为此以周为单位进行阶段性85李坤,陶宣行,耿家荣,等:400 kA 铝电解槽工艺技术评判方法的研究评判。4.2 周评判周评判主要围绕本周工艺执行情况、槽况分类情况、异常槽等方面进行综合分析,制定下周产量计划、氟化铝添加计划、异常槽处理措施、高铁槽破损点排查方向等。电解槽的工艺控制是否有成效,一般情况下一周的时间能外在表现出来7,因此没有必要再做月评判乃至于季度评判,周评判已经能指导生产正常进行。周评判目录见图 4,周运行评判结果见图 5,周运趋势评判调整结果见图 6。通过周评判数据库可以分析出电解槽的槽况走势及应对策略,这就摆脱了过去单一的指标分析,可以全面、直观、简单看出电解槽的近况及未来控制思路。5 工艺技术评判方法应用取得的成效某公司在运行电解槽上全面推行改方法,对电解槽实现分类管理。经过一段时间的运行,已形成数据库。在使用过程中慢慢优化形成了成熟的评判标准及程序,从单台槽数据收集开始建立单台槽档案,到推广到全系列电解槽。目前电解槽总体运行稳定,槽况一致性得到持续提升。5.1“A”类槽占比标准建立之初按槽况分类统计结果为“A”类槽占比 50%,而应用该评判方法后,“A”类槽占比大幅提升,从 50%上升到约 80%,电解槽分类统计结果见表 8、图 7。图 4 周评判目录表Fig.4 Contents of weekly evaluation95有色金属设计第 51 卷图 5 周运行评判结果表Fig.5 Evaluation results of weekly operation图 6 周运趋势评判调整结果表Fig.6 Evaluation and adjustment results of weekly operation trend06李坤,陶宣行,耿家荣,等:400 kA 铝电解槽工艺技术评判方法的研究表 8 电解槽分类统计表Tab.8 Classification statistics of electrolytic cells2022 年 400 kA 电解槽分类统计表/%月份ABA+BCDE1 月57.532.790.29.1102 月78.418.596.93.1003 月81.915.797.62.4004 月8414982.1005 月31.244.87612.48.406 月4048886.2007 月35.849.885.67.4008 月51.942.1946009 月77.820.698.41.60010 月8018.498.11.90011 月80.717.698.31.7005.2 工艺参数管控电解槽工艺参数管控方面,实施目标纠偏制度化操作,目前系列槽两水平、电解质温度、槽平均电压运行稳定,班组工艺参数检查合格率100%,工区之间的槽况差距逐渐在缩小。图 7 电解槽分类统计图Fig.7 Classification statistics of electrolytic cells5.3 主要经济指标系列槽平均电压 4.04 V,较实施前降低约14 mV,交流电耗降低约 51 kWh/t.Al。氧化铝单耗、氟化铝单耗、阳极炭块毛耗实现稳中有降。主要经济指标结果见图 8。图 8 主要经济指标结果图Fig.8 Results of main economic indicators16有色金属设计第 51 卷系列电解槽和采用该方法前后主要工艺参数及主要经济指标对比结果见图 9、图 10。从实施前后的对比可以看出,主要工艺参数得到控制,主要经济指标得到提升。这对电解槽的安全平稳运行提供了有力保证。随着研究的不断深入,推动了技术进步和公司持续健康发展。图 9 主要工艺参数前后对比结果图Fig.9 Comparison of main process parameters before and after图 10 主要经济指标前后对比结果图Fig.10 Comparison of main economic indicators before and after 26李坤,陶宣行,耿家荣,等:400 kA 铝电解槽工艺技术评判方法的研究6 结 语电解槽分类管理是根据工艺把电解槽分为“A、B、C、D、E”5 类,每类对应不同的标准,不同的指标,执行电解槽分类管理主要有以下 3方面好处:(1)评价电解槽健康状况。A 类电解槽为最好,控制目标是 95%以上,A 类槽占比降低,说明系列电解槽趋于劣化;(2)电解槽异常所带来的指标损失是很大的,消除低类槽,提高 A 类槽,能较好地控制亚健康槽所带来的指标损失;(3)用生产运行数据分析生产运行现状,解读数据关联,提取数据信息,制定生产管控策略,预防、预控生产。参考文献:1邱竹贤.铝电解M.北京:冶金工业出版社,1995.2姚世焕.铝电解理论与实践对近代大型预焙槽的作用.苏州润发铝业有限公司论坛C.北京:冶金工业出版社,2005.3梁学民.现代铝电解生产技术与管理M.长沙:中南大学出版社,2011.4 刘业翔.现代铝电解 M.北京:冶金工业出版社,2008.5邱竹贤.有色金属冶金学M.北京:冶金工业出版社,1988.6杨重愚.轻金属冶金学M.北京:冶金工业出版社,2002.7杨升,杨冠群.铝电解生产技术M.北京:冶金工业出版社,2010.(上接第 51 页)表 3 优化前后的管道综合造价对比Tab.3 Comparison of comprehensive costs of pipelines before and after optimization类型管道材质总重t材料单价/(万元/t)建安费用单价/(万元/t)合价万元优化前X70130.620.900.40169.81优化后X52131.990.790.40157.074 结 语(1)赤泥输送埋地管道在选择材质时需考虑应力影响。赤泥输送管道材质的选择应根据浆液特性、环境条件、设计压力等,通过技术经济比较后确定。(2)对埋地的赤泥输送管道适当增加弹性敷设,降低管道应力,优选管线钢材质的钢管。参考文献:1张连来,霍志欣.AutoPIPE 在输油埋地管道中的应用J.管道技术与设备,2013,(4):12-14.2Guidelines for the Design of Buried Steel PipeR.Ameri-can Lifelines Alliance,2001:72.3 Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries S.The American Society of Mechanical Engineers,2022.4杨重愚.氧化铝生产工艺学M.北京:冶金工业出版社,1993.5周平.5 种应力分析程序计算结果比较J.煤炭与化工,2013,36(1):120-123.6宋治林,孙学军.AutoPIPE 软件在氧化铝工厂管道设计中的应用J.轻金属,2020,(3):56-617宋岢岢.管道应力分析与工程应用M.北京:中国石化出版社,2020.36