前言
隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,鋁電解槽容量逐步大型化,先出現(xiàn)了160kA?200kA?240kA系列,隨后出現(xiàn)了280kA?320kA?350kA?400kA?420kA系列,再到當(dāng)前的500kA?600kA?660kA系列,電解槽大型化越來(lái)越突出?大型化在投資效益方面具有單位產(chǎn)能投資少,噸鋁成本折舊資金少?設(shè)備維護(hù)成本低?勞力成本低等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)?但隨著電解槽容量的不斷加大,大型電解槽電壓的針振和擺動(dòng)日益成為生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定的重要因素,電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性成為大型化的瓶頸,其穩(wěn)定性研究已經(jīng)成為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中越來(lái)越重要的課題?
從設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō),運(yùn)行穩(wěn)定性主要由磁場(chǎng)和電場(chǎng)決定?鋁液中的水平電流與垂直磁場(chǎng)相互作用,形成鋁液流動(dòng)的原動(dòng)力,當(dāng)垂直磁場(chǎng)與水平電流都比較大時(shí),鋁液流動(dòng)形成的流場(chǎng)不穩(wěn)定性加劇?從工藝控制角度來(lái)說(shuō),提高鋁水平減少水平電流,控制各陽(yáng)極的導(dǎo)電均勻性是常見(jiàn)的穩(wěn)定措施;而控制好氧化鋁濃度?過(guò)熱度等,減少陽(yáng)極氣泡在陽(yáng)極底的富積,讓氣泡從陽(yáng)極底掌排出時(shí)更小更快,以減少氣泡對(duì)鋁液鏡面的擾動(dòng),可以很好地控制電解槽電壓波動(dòng)?本文就設(shè)計(jì)因素和工藝控制因素,對(duì)某電解鋁企業(yè)600kA電解槽的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行分析,并針對(duì)影響電解槽電壓穩(wěn)定的環(huán)節(jié),采取相應(yīng)的措施,以突破大型槽穩(wěn)定性瓶頸,做到安全平穩(wěn)高效運(yùn)行?
1.某電解鋁企業(yè)600kA電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性分析
1.1 600kA電解槽的基本設(shè)計(jì)情況
某電解鋁企業(yè)電解槽設(shè)計(jì)電流為600kA,陽(yáng)極56組,陰極30組,陽(yáng)極電流密度設(shè)計(jì)為0.816A/cm2?在設(shè)計(jì)方面,600kA電解槽母線配置采用槽外補(bǔ)償方式,對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響比較突出：
1)槽體大,長(zhǎng)度近23m,寬度約4.6m,啟動(dòng)期間,槽殼底隆起最高達(dá)11cm?大槽體對(duì)溫度均勻性?濃度均勻性都有較大負(fù)面影響?
2)陰極采用450mni高的GS-5陰極(半石墨質(zhì)),與方鋼的粘接方式為磷生鐵澆鑄,不利于減少水平電流;但陰極炭塊與方鋼粘接的外端采用了一定的絕緣方式,可以抑制40%的水平電流?
3)電解槽中的下料點(diǎn)分布不均勻?8個(gè)下料點(diǎn)按陽(yáng)極排列下料面積比為2,4,4,4,4,4,4,2?區(qū)域下料不均,易引起氧化鋁濃度差異?
4)槽內(nèi)襯熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為底部保溫,側(cè)部散熱?對(duì)于大型槽,這種設(shè)計(jì)易使邊部與中間形成溫差?
1.2 影響600kA電解槽穩(wěn)定運(yùn)行的因素分析
1.2.1 磁場(chǎng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定的影響
為盡可能排除氣泡對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響,選取處于啟動(dòng)后期管理運(yùn)行的電解槽進(jìn)行分析?跟蹤記錄1臺(tái)600kA(實(shí)際575kA)電解槽啟動(dòng)后30-56天的運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,槽在出鋁作業(yè)?換極作業(yè)和抬母線作業(yè)后的擺動(dòng)曲線,如圖1所示?
1)由表1可知,工作電壓為3.951V,電壓偏離值為23mV,分子比為2.858,槽溫981.4°C，實(shí)際運(yùn)行電流為575kA,陽(yáng)極電流密度為0.782A/cm2,噪聲長(zhǎng)期穩(wěn)定保持在13.500mV?
2)由圖1可知,電解槽電壓在出鋁?換極?抬母線作業(yè)后穩(wěn)定性良好,基本沒(méi)有受到影響,這是因?yàn)檫M(jìn)人后期管理的電解槽,爐膛潔凈度好,在高分子比?高溫和低極距工藝條件下,陽(yáng)極氣泡對(duì)陽(yáng)極濕潤(rùn)性好,在陽(yáng)極底富積少,排出時(shí)體積小,電解槽可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,說(shuō)明磷生鐵澆鑄陰極絕緣區(qū)抑制水平電流與電解槽的磁場(chǎng)設(shè)計(jì),在運(yùn)行電流為575kA時(shí)電壓穩(wěn)定性好?
1.2.2 電流對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響
1)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,電流對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響?張峰等研究了鋁電解工藝對(duì)陽(yáng)極氣泡析出行為的影響,發(fā)現(xiàn)氣泡在陽(yáng)極底掌下的覆蓋面積隨著電流密度的增大而減少,即隨著陽(yáng)極電流密度的增大,槽電壓波動(dòng)幅度降低?單從氣泡的角度來(lái)說(shuō),提升電流對(duì)電壓無(wú)不利影響,但因采用磷生鐵澆鑄陰極,增加電流在一定程度上增加了水平電流分量?因此,為了觀察電流強(qiáng)度對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響,跟蹤記錄同處于啟動(dòng)后30-40天的4臺(tái)電解槽在不同電流條件下的運(yùn)行情況,見(jiàn)表2。
由表2可知,電流由568.4kA提升至580kA,槽電壓的噪聲值由16.1mV降至15mV,穩(wěn)定性無(wú)明顯變化?即在高分子比條件下,處于穩(wěn)定運(yùn)行的電解槽,提升電流對(duì)槽電壓影響不大?
2)非穩(wěn)定狀態(tài)下,電流對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響?處于正常期運(yùn)行的電解槽,分子比下降到2.55以下,如果處于非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電解槽,散熱孔溫差增大,槽電壓噪聲值隨電流增加而明顯增加(圖2),槽電壓波動(dòng)后長(zhǎng)期不易恢復(fù)?此時(shí),降低電流運(yùn)行,是解決問(wèn)題的根本辦法?前期啟動(dòng)槽因架設(shè)臨時(shí)匯流母線等原因,爐膛建立不好,電解槽處于非穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,系列電流曾短期保持600kA運(yùn)行穩(wěn)定性差,后降至580kA?
1.2.3分子比和過(guò)熱度對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響
對(duì)其中某個(gè)管理正常?操作比較好的工區(qū)進(jìn)行3個(gè)月的跟蹤記錄,運(yùn)行電流為580kA,將分子比從2.84分階段調(diào)整到2.45,期間電解槽各工藝參數(shù)見(jiàn)表3?
由表3可知,當(dāng)分子比保持2.45~2.65?鋁水平24~26cm?過(guò)熱度大于14°C時(shí),有較好的電壓穩(wěn)定性和較低的電壓偏離值?但在分子比下降到2.45?槽溫降到961°C后,噪聲值上升到22mV,電壓偏離值上升到62mV,槽電壓的穩(wěn)定性明顯變差,電解槽基本脫離微機(jī)控制區(qū)間,處于無(wú)序狀態(tài)?
1.2.4陽(yáng)極效應(yīng)干擾相鄰槽對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響
電解槽發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)后,在消除陽(yáng)極效應(yīng)過(guò)程中,電解槽各陽(yáng)極電流會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間不平均導(dǎo)致電壓出現(xiàn)擾動(dòng),相鄰槽電壓擾動(dòng)情況如圖3所示?
從圖3可以看出,發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)后,對(duì)電流方向的上一臺(tái)電解槽擾動(dòng)稍大?
綜上所述,高溫高分子比條件下,其運(yùn)行穩(wěn)定性較好;發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)后,相鄰槽的電壓擾動(dòng)不大;在鋁水平高度保持低于26cm時(shí),要保持更髙的過(guò)熱度14°C,方可保持稍好的噪聲值,此時(shí),分子比變化對(duì)槽電壓穩(wěn)定性影響明顯?磁場(chǎng)及陰極水平電流設(shè)計(jì)基本滿足生產(chǎn)要求,但因槽體大,生產(chǎn)中影響因素被放大,電解槽的抗干擾能力不強(qiáng),波動(dòng)后不易恢復(fù),對(duì)爐膛規(guī)整性造成破壞?對(duì)此,以降低電流強(qiáng)度來(lái)應(yīng)對(duì),這也就形成了電解槽大型化的瓶頸?為增強(qiáng)其搞干擾能力,做到長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,需要在過(guò)熱度?鋁水平等方面做出適應(yīng)性調(diào)整,以應(yīng)對(duì)大型化帶來(lái)的不穩(wěn)定性?
2.某電解鋁企業(yè)600kA電解槽運(yùn)行適應(yīng)性調(diào)整
2.1 控制過(guò)熱度
陽(yáng)極氣體覆蓋率的變化與槽電壓的波動(dòng)高度吻合,氣泡的周期性行為是引起槽電壓波動(dòng)的主要原因之一;增加電解質(zhì)對(duì)陽(yáng)極濕潤(rùn)性和增強(qiáng)電解質(zhì)流動(dòng)性的工藝技術(shù)條件,有利于陽(yáng)極氣體排出穩(wěn)定槽電壓,這也與上述多個(gè)運(yùn)行實(shí)例吻合,高分子比有利于增加電解質(zhì)對(duì)陽(yáng)極的濕潤(rùn)性和增強(qiáng)電解質(zhì)流動(dòng)性,穩(wěn)定槽電壓?正常期生產(chǎn)分子比為低分子比,要達(dá)到類似的性質(zhì),需通過(guò)保持高過(guò)熱度來(lái)獲得?要在低電壓下實(shí)現(xiàn)高過(guò)熱度,啟動(dòng)中前期需建立高而陡且規(guī)整的爐膛?
2.2 控制爐膛
600kA電解槽穩(wěn)定運(yùn)行要求有更高的過(guò)熱度,生產(chǎn)中,如果僅是提高電壓來(lái)達(dá)到提高熱度,能耗過(guò)高,也不利于安全?建立良好的高溫規(guī)整爐膛是保持低電壓下足夠過(guò)熱度的前提條件?高溫爐膛的建立機(jī)制如下：
2.2.1 控制啟動(dòng)期應(yīng)力
600kA大型電解槽,槽寬度與中型槽相比相差不大,但長(zhǎng)度增加較大,上部衍架跨度大,槽殼槽體長(zhǎng)?生產(chǎn)運(yùn)行中,啟動(dòng)期應(yīng)力變化主要表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)下?lián)?槽底殼上隆,槽底殼隆起最高達(dá)11cm,如衍架受熱稍大,會(huì)加劇下?lián)戏?并引發(fā)掉極?所以,焙燒與啟動(dòng)時(shí)以緩升溫?避高溫原則進(jìn)行,減少衍架和槽底殼變形,讓槽電壓平穩(wěn)下調(diào),是啟動(dòng)中后期建立高溫槽膛的前提和保障?否則,爐膛伸腿偏小且不規(guī)整,在進(jìn)入正常生產(chǎn)后,槽電壓會(huì)較高,穩(wěn)定性差?
2.2.2 啟動(dòng)期保持高鋁水平和高晶點(diǎn)電解質(zhì)
600kA電解槽槽體大,各部位熱平穩(wěn)均度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性相對(duì)差,因此要求所建爐膛要有更高的穩(wěn)固性和規(guī)整性,為正常期低分子比運(yùn)行時(shí)有足夠的過(guò)熱度和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造條件?對(duì)此,采用髙鋁水平和高晶點(diǎn)電解質(zhì)建膛?爐膛按要求建立后,跟蹤記錄某一電解槽(4119#槽)的生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行情況,運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表4?
由表4可知,高溫期保持更高位的鋁水平啟動(dòng)槽;啟動(dòng)進(jìn)人第3個(gè)月以后,在電壓3.945V?鋁水平25.5cm時(shí),有14°C以上的過(guò)熱度?
2.3 正常生產(chǎn)期保持高鋁水平
進(jìn)入正常生產(chǎn)期后,鋁水平保持為28～30cm?經(jīng)計(jì)算,鋁水平為28cm,電解質(zhì)水平為18cm時(shí),每萬(wàn)電流盤存鋁量約930kg(—般槽型為750～850kg),電解質(zhì)量為217kg?對(duì)比中小型電解槽的電解質(zhì)量偏少,故保持高鋁水平,增加單位電流鋁熔體,有利于彌補(bǔ)電解質(zhì)少帶來(lái)的熱平衡差異,平衡各區(qū)域的溫度,增強(qiáng)微機(jī)雙平衡控制系統(tǒng)對(duì)能量與物料平衡的控制?有18臺(tái)電解槽(4618#-4636*)采用高溫高晶點(diǎn)高鋁水平建膛,在后期保持高鋁水平運(yùn)行后,獲得良好的生產(chǎn)指標(biāo),電流效率達(dá)到93%,具體參數(shù)見(jiàn)表5。
2.4 平衡電解槽中各區(qū)域的溫度和氧化鋁濃度
高鋁水平和足夠過(guò)熱度可以在氣泡及電解質(zhì)對(duì)陽(yáng)極濕潤(rùn)性方面,起到增強(qiáng)電壓穩(wěn)定性的作用;同時(shí)在平衡電解槽中各區(qū)域的溫度和氧化鋁濃度?減少水平電流?穩(wěn)定槽電壓等方面,也起到了根本性的作用?而要平衡槽中各區(qū)域的溫度和氧化鋁濃度,還應(yīng)增加如下措施:
1)均勻換極?在正常生產(chǎn)中,換極均勻性影響鋁液鏡面和槽電壓的穩(wěn)定性?大型槽電解槽長(zhǎng)度跨度大?陽(yáng)極多,如果換極采取傳統(tǒng)方式間隔兩塊極,易導(dǎo)致電流及溫度分布不均,引發(fā)槽電壓波動(dòng)?故定制換極表時(shí),拉長(zhǎng)換極位置間隔,上一次換極的位置與下一次換極的位置距離大于4塊陽(yáng)極,盡可能避免單位時(shí)間內(nèi)集中一端換極,讓換極位置均勻分布?
2)均勻下料?因流場(chǎng)等原因,在設(shè)計(jì)上電解槽各下料點(diǎn)的排布方式為兩端頭密中間疏?實(shí)際運(yùn)行中,出鋁口下料點(diǎn)稍有積料,煙道端下料點(diǎn)積料相對(duì)嚴(yán)重?因此,最初對(duì)2臺(tái)電解槽兩端頭下料點(diǎn)采取減少下料定容器的辦法進(jìn)行試驗(yàn),之后全部槽采用微機(jī)對(duì)相應(yīng)點(diǎn)延長(zhǎng)下料周期的辦法,這樣處理在一定程度上有利于濃度均勻和槽電壓穩(wěn)定?
3)均勻蓋料?槽型設(shè)計(jì)為底部保溫?側(cè)部散熱?其中側(cè)部散熱比例相對(duì)過(guò)大,且中間和邊部距離相對(duì)增加?當(dāng)槽電壓偏高時(shí),會(huì)導(dǎo)致中間和邊部的溫差增加?因此,采取減少中縫保溫料的做法,一定程度上平衡了各區(qū)域的溫度,增強(qiáng)了槽電壓穩(wěn)定性?
3.結(jié)論
1) 電解槽的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及磷生鐵澆鑄陰極絕緣區(qū)形成的水平電流,基本滿足生產(chǎn)要求?在電流580kA,各環(huán)節(jié)控制較好的電解槽噪聲值已達(dá)18mV,電流上調(diào)的運(yùn)行基礎(chǔ)有待提髙,在減少陰極水平電流方面有待改進(jìn)?
2) 大型槽大型化至穩(wěn)定性變差,抗干擾性變差?在不穩(wěn)定狀態(tài)下,電解槽的波動(dòng)幅度大,不易恢復(fù)?電解槽能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,是滿負(fù)荷600kA運(yùn)行的瓶頸所在?
3) 在過(guò)熱度偏低?鋁水平高度不夠的情況下,分子比對(duì)槽電壓的穩(wěn)定性影響較大?
4) 高鋁水平?高晶點(diǎn)?高溫建爐膛,有利于在正常生產(chǎn)期獲得良好的溫度和均勻性濃度,并在低電壓條件下獲得足夠過(guò)熱度?在此條件下,進(jìn)人正常期后把鋁水平控制在28～30cm時(shí),穩(wěn)定性增強(qiáng),電流效率可達(dá)到93%?
5) 大型槽槽體大,各種現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)與工藝定制應(yīng)盡可能少干擾到電解質(zhì)中的溫度均勻?氧化鋁濃度均勻?
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