预焙槽降低原铝直流电耗的生产实践.doc

200 kA预焙槽降低原铝直流电耗的生产实践
李玉良，靳承岗
（山东铝业股份有限公司，山东 淄博 255051）
摘　要：针对200 kA预焙槽主要经济指标较差的情况，采取调整电压和铝水平、优化电解质成分、提高阳极质量和换极质量、降低工作电压、强化系列电流、降低效应系数、加强异常槽管理等技术和管理措施，使原铝直流电耗平均降到了13 036 kW·h/t，达到国内同类槽型先进水平。
关键词：铝电解；平均电压；效应系数；氧化铝浓度；分子比
中图分类号：TF821　　 文献标识码：B　　 文章编号：1004-4620（2007）03-0046-03
Production Practice of Reducing DC Consumption Per-unit of Primary Aluminum for 200 kA Prebaked Cell
LI Yu-liang, JIN Cheng-gang
（Shandong Aluminum Corporation, Zibo 255051, China）
Abstract: In order to improve the present state that the main technological index of 200 kA pre-baked cells is too bad, it’s mostly necessary to take some feasible technological and manageable steps including adjusting the voltage and aluminum levels, optimizing the electrolyte content, improving the anode quality and the anode-changed working quality, reducing working voltage and anode effect frequency, strengthening series current electricity and abnormal cells management. As a result, the direct current electricity consumption per unit of primary aluminum has reduced to 13 036 kW·h/t, and it has taken the first class level in the same type domestic cells.
Key words: aluminum electrolysis; average voltage; effect frequency; alumina density; molecular ratio
1 前 言
　　铝电解生产是高耗能行业，提高电解铝生产管理水平，降低电解槽平均电压、提高电流效率是铝电解生产降低原铝直流电耗的主要措施[1]，也是电解铝企业降本增效、提高市场竞争力的有效手段，更是创建环境友好型、资源节约型企业的要求。根据计算，平均电压降低1 mV，原铝直流电耗降低3.15 kW·h/t；电流效率提高1％，直流电耗降低139 kW·h/t。山铝电解铝厂200 kA预焙阳极电解槽自2004年7月全部启动后，由于槽控程序、氧化铝输送、生产管理等方面存在问题，槽工作电压一直保持在4.150 V左右，效应系数在0.30 个/(槽·d)以上，平均电压高达4.220 V以上，造成电解槽上口较空、炉帮很薄，侧部氮化硅结合碳化硅砖腐蚀破损并断裂上抬，侧部槽壳温度局部偏高等问题。不仅严重影响电解槽的寿命，而且原铝直流电耗等主要经济指标较差。根据当时生产情况，提出了降低200 kA预焙槽原铝直流电耗的生产目标。
2 降低直流电耗的技术和管理措施
2.1 调整两水平，降低换极、出铝附加电压
　　槽内铝液起到传导阳极中心热量，削弱电磁力的作用，其液量必须同时满足预焙槽热工设计和磁场设计的要求，保证槽底温度适宜和铝液稳定[2]。铝水平是调整热平衡的主要手段，铝水平适当偏低，发热区下移接近槽底，槽底氧化铝结壳和沉淀便会慢慢变软，消除过量沉淀，使槽底洁净。通过槽底热流增加，侧部热流相对减少，有利于上口炉帮的增厚，防止炉压升高和阴极电流分布不均，起到规整炉膛的作用。
　　提高电压和降低铝水平，与降低电压和增加铝水平所起的作用是相似的。铝水平管理要防止偏低或偏高趋势，偏高比偏低危害性更大。200 kA预焙槽槽内产铝应在12.5 t左右，而铝水平由于炉膛的变化所测数值仅供参考，需要生产管理者凭工作经验对槽内铝盘存加以把握，大约控制在18～22 cm
    电解质水平一般为19～21 cm，电解质水平偏低，阳极电流密度增加，对降低槽电压不利。
　　两水平调整到位后，炉底温度适宜，炉底电流分布均匀，为降低换极、出铝附加电压奠定了基础，换极附加电压从150 mV保持60 min，逐渐降到50 mV保持40 min；出铝附加电压从120 mV保持60 min，逐渐降到30 mV保持15 min。这两项调整使平均电压降低10 mV，合原铝直流电耗降低31.5 kW·h/t。
2.2 优化电解质成分
2.2.1  停加氟化镁  根据当时炉底状况，借鉴某铝厂的生产经验，适当降低电解质中氟化镁的含量。氟化镁含量由2.50%逐渐降到1.50%以下，预防炉底生成致密的氧化铝结壳，以防电压降低后因炉底变差影响阴极电流分布造成的电压摆和槽况波动。
2.2.2  提高分子比合格率  根据分子比对电压、槽况、原铝质量、槽寿命的影响，结合本单位氧化铝质量差、大量生产A356.2合金对原铝质量要求高、侧部碳化硅砖易腐蚀破损的情况，采用氟化铝自动添加控制技术，分子比调整做到平稳，防止分子比出现大的波动，使电解质的物化性质相对稳定。分子比控制范围为2.30～2.50，尽量控制在2.35～2.45。在生产管理中不允许分子比低于2.30，否则，在电解质过热度低于7.5 ℃的条件下，易发生炉底直接生成固态冰晶石的反应，造成电解质温度、分子比急剧下降。如果电解质温度继续下降，炉底沉淀变硬，炉底电流分布不均，槽况会变得非常不稳定。
2.2.3  提高氧化铝浓度合格率  氧化铝浓度对电解质温度的影响是非常明显的，氧化铝浓度能够实现低窄范围控制，对减少炉底生成氧化铝沉淀、控制电解质过热度偏大、稳定槽况、提高电流效率等起到很好的作用，为电解槽其它技术条件的优化调整和降低工作电压奠定最根本的基础。通过观察、分析电压曲线变化规律来判断氧化铝浓度是否在正常控制范围之内，并对浓度异常的电解槽进行控制参数调整，成功实现了“人机对话”，氧化铝浓度合格率达到了95%以上，升级前后氧化铝浓度合格率变化见表1。
表1  槽控系统升级前后氧化铝浓度合格率对比 %
氧化铝浓度
1.0～1.5
1.5～2.5
2.5～3.5
3.5～4.5
≥4.5
浓度合格率

状态
不合格
合格
合格

不合格
不合格
升级前
3.92
17.65
21.57
25.49
31.37
39.22
升级后
1.31
52.94
43.14
2.61
0
96.08
2.3 提高阳极和换极工作质量
　　提高阳极质量的目的是减少电解质中的炭渣，清亮电解质，降低阳极和电解质电阻。电解铝企业炭素生产应从原材料质量、工艺控制等方面实施优质阳极攻关，保证阳极质量达到电解生产的需要。
　　换极是电解槽的主要操作，提高换极工作质量，保持阳极电流分布均匀至关重要。多功能机组引进安装阳极自动测高系统后，使换极精度达到5 mm，8 h、16 h导电分别达到了50%和90%，解决了换极后阳极导电分布不均的问题。电解质中炭渣多少与阳极质量、电解质温度、阳极维护等有关，电解质中炭渣应越少越好，电解生产管理中除控制好电解质温度外，应重点加强阳极工作状况检查和维护，一是极上要消除大块，保证保温料起到防止阳极氧化的目的，二是对锤头极氧化处及时进行浇氧化处理，防止阳极进一步氧化导致炭渣增多。
2.4 降低电解槽工作电压
　　电压是电解槽输入能量的主要来源，是维持和调整体系热平衡最重要、最易实现的因素。在自行组织电压平衡测试的基础上，邀请某专业研究院对电解槽进行电压平衡和能量平衡测试，并对电解质体系和槽控系统进行诊断，找出极间压降偏高等问题，为降低工作电压找到了理论依据。工作电压第一阶段从4.140 V逐渐降到4.100 V，现在已经降到4.075 V（其典型组成见表2）。
表2  200 kA槽工作电压典型组成
项目
电压降/ mV
占总电压的百分数/%
电压累计/mV
阳极母线压降
75
1.84
75
阴极母线压降
135
3.31
210
阳极压降
295
7.24
505
炉底压降
340
8.34
845
电解质压降
1460
35.83
2305
极化电压
1770
43.44
4075
合计
4075
100

2.5 适当强化系列电流，加强电解槽保温
　　为保持槽况稳定，尽量保持电解槽原有的能量平衡不被打破，适当强化电流使电解槽输入能量增加，加强电解槽保温，再通过降低极间压降减少能量输入，建立电解槽新的能量平衡。电流从200 200 A增加到204 100 A，电流强化了2.0%，凭此措施降低工作电压25 mV，合原铝直流电耗降低78.8 kW·h/t。
　　在正常生产中，电解槽热平衡调整一般是通过变动铝水平来实现，如果铝水平不宜变动，则需要增减极上保温料来实现。根据资料，阳极上保温料每减薄1 cm相当于多放出0.06～0.09 V电压的热量。加强电解槽保温主要采取了两项措施：一是极上保温料厚度由16 cm增加到18 cm，即换极7 d后检查保温料厚度，对保温料不足的进行补充；每天对电解槽边部进行检查，发现有塌壳、冒火的及时予以处理，减少边部过度散热。经检测发现，极上氧化铝保温料厚度适当增加后未对炉帮造成太大影响。二是对电解槽角部进行保温，角部槽壳温度一般只有150 ℃左右，保温后可以有效控制角部长得过大，为适当降低铝水平、平稳槽况创造了条件。
2.6 加强氧化铝输送管理，降低效应系数
　　首先，由汽车罐装氧化铝全部替代火车罐来输送，降低了氧化铝的输送风压和输送距离，氧化铝磨损降低，保证了氧化铝的质量。其次，对净化除尘器箱体内的流化床和罗茨鼓风机进行了改造，提高了新鲜氧化铝的循环率，解决了载氟氧化铝掺配不均的问题，保证输送料系统正常，降低了对生产的不利影响，有利于平稳条件和槽况。第三，加强电解槽下料系统检查和处理，电解槽送料间隔从8 h缩短到6 h，送料时，电解车间做好检查，确保料仓每次充满料。在班电解工定期巡视、检查打壳和下料是否正常，防止堆积料问题得不到及时处理造成突发效应，提高效应受控率。
　　电解槽亮效应的主要目的是校正氧化铝浓度和调整电解质状况，减少炉底沉淀，保持槽况稳定。在电解槽控制程序改造升级初期，为保持热平衡，效应间隔设定为72 h，效应系数控制在0.30 个/（槽·d）左右。在解决好氧化铝浓度控制的基础上，采用每个效应周期后延长1 d的方法逐步延长效应间隔，对槽况不适应的电解槽放缓延长效应间隔。第一阶段将效应间隔延长到240 h，第二阶段延长到360 h，目前已将效应间隔延长到528 h。
　　目前效应系数已降到0.06 个/（槽·d），效应持续时间平均控制在3.2 min以内（见图1）。考虑降低效应系数和缩短效应持续时间两项因素，降低平均电压约20 mV，合原铝直流电耗降低63 kW·h/t。

图1  200kA预焙槽阳极效应系数
2.7 加强异常槽管理
　　异常槽即炉底结壳厚、上口局部空、电压易摆动、生产指标差的电解槽。这种槽往往炉底压降偏高，槽况波动时电压需要偏高100～300 mV保持，对降低平均电压、提高电流效率造成不利影响。
　　保持炉膛规整是保证条件和槽况稳定的基础，在炉膛管理上应以预防炉膛变差为主。根据预防比处理更重要的原则，炉膛差的异常槽应坚持在稳定槽况的前提下，分子比略高保持，铝水平逐渐降低，促进炉底温度慢慢升高，改善炉底电流分布。异常槽最怕换极等“干扰”， 异常槽换极、出铝时要特别注意操作的精益化、标准化。在实际生产管理中，异常槽条件切忌大起大落，槽温尤其是炉底温度不能长时间保持偏低。
　　异常槽槽况波动时，应及时查找原因，有针对性地采取抬高电压增加热收入和调整极距、停料亮效应清亮电解质和消除炉底沉淀、提高分子比增加电解槽的稳定性、调极促进阳极电流分布均匀等措施，尽快平稳槽况。侧部空、电压摆的电解不能采用“用氧化铝大块扎边部”这种治标不治本、有害无利的处理方法。
3 改进效果
　　过热度的降低有利于炉帮的形成，减少水平电流。降低电解槽电压后，给电解生产带来的最大好处就是电解质过热度降低，用专业过热度测试仪检测，均在10 ℃以内，和1年前过热度20.2 ℃相比有质的提高。通过对炉帮厚度及侧部槽壳温度进行监测，炉帮增厚2～3 cm，侧部窗口温度大大降低，碳化硅砖腐蚀情况得到有效遏制，原铝中硅含量由0.087％降到0.058％。平均电压降到4.130 V以下（见图2）。
4.10

4.14

4.18

4.22

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

时间/月 （2005年1月～2006年12月）

图2  200 kA预焙槽平均电压
　　低平均电压对原铝质量和电流效率的提高起到了促进作用，系列原铝中铁含量降到0.083％以下，铁08槽率大大提高，满足了铸造合金生产的需要。2006年统计，200 kA预焙槽系列电流效率比2005年下半年提高0.5％以上（见图3）。

图3  200kA预焙槽电流效率
　　从200 kA预焙槽系列原铝直流电耗统计数据（见图4）可以看出，通过降低电解槽平均电压，提高电流效率，2006年大型预焙槽原铝直流电耗平均降到13 036 kW·h /t，达到国内同类槽型先进水平。

图4  200KA预焙槽原铝直流电耗
4 问题分析及建议
　　1）降低直流电耗应有技术措施支持。电解槽生产管理重点就是技术参数如何组合与控制，炉膛状况差的电解槽的温度不能低，氧化铝浓度要经常校正。分子比控制应谨慎，分子比偏低的电解槽稳定性变差。如果电解槽的炉底压降上升，说明电解槽可能处于冷行程，炉底已开始破损，应密切注意。不采取技术措施而降电压、降电耗，控制不好生产行程，就会出现炉底压降持续上升、侧部炉帮恶化减薄，电压摆、电流效率下降等被动局面。
　　2）降低直流电耗应与炉膛管理相结合。槽况与炉膛的规整程度有关系，电压降低不当，电解槽伸腿过大、结壳厚、炉底散热不好，热量不能从炉底散出，势必要从上口散热，造成炉帮建立不起来。好的炉膛必须先有好的炉底，其次才有规整的伸腿和炉帮，保持合理的电压指标，对炉膛规整、控制条件和槽况稳定、延长槽寿命有利。
　　3）大型预焙阳极电解槽生产正常必须依靠好的控制系统、优质的原材料和科学严谨的生产管理。电解生产管理要围绕炉膛规整来开展工作，防止生产指标波动。随着对大型预焙槽生产运行规律的认识，电解生产管理者及岗位操作工科学合理地控制电解槽各项技术条件，加强工作质量管理，平稳控制电解生产行程，在应用一些电解节能项目和保证氧化铝、阳极质量的情况下，原铝直流电耗可以降到12 800 kW·h/t以下。