某420 kA大型電解槽電熱場測試和分析

李南誼

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

鋁電解槽電熱場的分布狀態(tài)，直接影響到爐膛形狀和整個電解槽的電熱平衡，進而影響電流效率、噸鋁能耗和槽壽命。合理的內(nèi)襯設計和熱場設計可使電解槽生產(chǎn)獲得良好的技術指標。

研究鋁電解槽的熱平衡，主要是研究電解槽內(nèi)各部分結(jié)構(gòu)中的溫度分布。在穩(wěn)定狀態(tài)下，供給電解槽體系的能量等于電解過程需要的能量與從電解槽體系損失的熱能之和，這就是電解槽的能量平衡原理。

為了深入掌握某系列420 kA電解槽生產(chǎn)運行情況，我們選取了該420 kA電解系列117#、129#、136#、707#4臺電解槽為測試對象，全面記錄了其工藝參數(shù)、進行了電熱場測試和能量平衡計算。通過對測試結(jié)果分析評價，為改善大型鋁電解槽的設計和工藝技術條件，延長槽壽命，實現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)節(jié)能降耗提供依據(jù)。

1 工藝參數(shù)

1.1 生產(chǎn)工藝參數(shù)

4臺槽測試前一天的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)見表1。可以看出，4臺槽的平均槽電壓為3.973 V，117#和707#槽的槽電壓不高于3.950 V。4臺槽的平均電解溫度為941 ℃，電解質(zhì)分子比平均值為2.42，且通過分析，該系列電解質(zhì)中含有2.5 %左右的LiF。因此，該系列的分子比和電解溫度比較匹配，從而說明電解槽有序，這是該系列的電流效率能保持在94 %以上的重要保障。電解槽鋁水平總體表現(xiàn)平穩(wěn)，維持在261 mm。

表1 電解槽生產(chǎn)工藝參數(shù)

1.2 氧化鋁下料量

電解槽設計6個氧化鋁下料點，下料器的正常下料值為1.8 kg。4臺槽的氧化鋁料量稱料情況見表2，24個點的氧化鋁平均稱料量為1.76 kg。

按94.5%的效率計算，每天單槽平均產(chǎn)鋁量為3 196 kg，氧化鋁單耗按1.92 kg/kg-Al計算，則每天單槽消耗氧化鋁量為6 136 kg。對于本系列被測電解槽，實際下料量(1.76 kg)比設計下料量(1.8 kg)少，因此，6 136 kg的氧化鋁在槽控機上的計量為6 234×1.8/1.76=6 275 kg，這和該系列反應的槽控機上計量的氧化鋁下料量偏大的情況比較吻合，其主要原因是筒式下料器下料量達不到設計值。

1.3 多點分子比

由于低分子比電解過程容許的工藝參數(shù)變化范圍顯著變小，對外界的干擾更敏感，分子比變化引起槽況波動顯著且持續(xù)時間變長，因此，分子比控制的穩(wěn)定性對電解槽穩(wěn)定性起著決定性作用。4臺槽的多點分子比分析結(jié)果見表3。由表可知，各測試點的分子比分布均勻，偏差在±0.06范圍以內(nèi)，因此，筆者認為該系列應用的氟化鋁兩點下料技術有利于提高電解槽氟化鋁擴散性和分子比均勻性，從而有利于保證槽況平穩(wěn)，提高電流效率。

表2 氧化鋁稱料情況表

1.4 極距

從各槽多點極距測試結(jié)果見表4。各槽極距在3.9～4.4 cm范圍內(nèi)基本保持均勻，4臺槽極距的平均值為4.2 cm，與3.973 V的槽電壓比較吻合。因此，該系列進一步降低極距的空間比較小。

表3 多點分子比分析結(jié)果

表4 多點極距測試結(jié)果

2 電平衡測試

鋁電解槽電平衡測試主要從電壓平衡和電流分布進行：①測試陰極壓降、陽極壓降及卡具壓降；②測試陰極電流分布、陽極電流分布及立柱電流分布。

2.1 電解槽各部分壓降測試

4臺槽的電場測試結(jié)果見表5。

表5 某420 kA槽電壓測試數(shù)據(jù)匯總表

從表5可以看出：

1)該420 kA電解槽采用的是48組單陽極設計，單組陽極電流8 750 A。在單根陽極導桿承受8 750 A電流的情況下，卡具壓降能降低到6 mV左右，認為卡具設計節(jié)能效果明顯。值得注意的是，隨著陽極導桿使用時間的增長及壓接面的磨損，卡具壓降要保持住6 mV需要付出一定的人工成本。

2)4臺槽的陽極炭塊壓降平均值為264 mV，比計算值略小，認為原因在于受測試條件限制，不可能準確用鉤子鉤住陽極炭塊底部而不觸及鋁液表面，因此鉤子鉤住的是炭塊的側(cè)部，這樣測出的壓降要偏小一些。

3)陰極壓降測量范圍從陰極炭塊表面到壓接面的外層，即包括壓接壓降。從陰極壓降來看，陰極壓降平均297 mV，而傳統(tǒng)電解槽陰極壓降在320 mV以上，說明采用磷生鐵澆注陰極技術對陰極壓降的降低有非常明顯的作用。該技術既能避免扎陰極鋼棒糊質(zhì)量問題，又能降低陰極壓降，將是以后大型槽的主流技術。

4)軟帶壓降為A側(cè)軟帶和B側(cè)軟帶壓降的平均值，18.52 mV和計算值吻合。

2.2 立柱母線電流分布

立柱電流分布是電解槽“電場”測試的重要指標，立柱電流分布的均勻性很大程度上決定了電解槽的電場總體設計的合理性，4臺槽的立柱母線電流分布見表6，圖1。

從圖1中可看出，立柱母線電流偏差除個別點外，基本都分布在±3 %的范圍內(nèi)，較為理想，與設計計算值偏差不大。

表6 立柱母線電流分布偏差表

圖1 立柱母線電流分布偏差圖

2.3 陽極電流分布

陽極電流分布均勻性受小盒卡具壓接質(zhì)量、陽極高度、電解質(zhì)的區(qū)域成分電阻率、鋁液界面波動、爐底沉淀、伸腿等因素綜合影響。但由于單臺電解槽有48組陽極，除了新極異常，陽極電流分布能一定程度上體現(xiàn)出電解槽設計的合理性與操作水平、槽況等。4臺槽的陽極電流分布見圖2。

從圖2可明顯看出，除了待換極外，4臺槽的陽極電流分布總體均勻。剔除前后3天這些非正常極，經(jīng)過統(tǒng)計計算，陽極電流分布偏差基本在±20 %以內(nèi)，說明該420 kA電解槽陽極電流分布均勻。

2.4 陰極電流分布

4臺槽的陰極電流分布見圖3、圖4。

圖2 陽極電流分布圖

Fig.2 Distribution of anode current

圖3 A側(cè)陰極電流分布

圖4 B側(cè)陰極電流分布

陰極電流分布一定程度上體現(xiàn)電流在全槽分布的均勻性，但由于陰極電流分布客觀上受槽況、爐幫、伸腿、爐底沉淀、鋁水平、鋁液波動、壓接塊壓接質(zhì)量等綜合影響，測試手段上受測試工具的精度、母線表面的清潔度，因此測試數(shù)據(jù)總會存在誤差，且陰極電流分布是實時隨槽況在不斷變化的。

總體看，4臺槽的陰極電流分布重復性較好，且偏差基本在±25 %以內(nèi)，說明該系列電解槽電平衡設計合理，爐底情況較好。

3 能量平衡測試

能量平衡測試依據(jù)YS/T 481—2005《鋁電解槽能量平衡測試與計算方法》標準進行，測試內(nèi)容包括：各部分散熱損失、爐膛形狀、能量平衡等。

能量平衡測試點布置要求合理、全面、能較好地反映槽子實際散熱情況。為此，將陰極槽殼分3個區(qū)域布點測試，即熔體區(qū)(一帶)、陰極碳塊區(qū)(二帶)、耐火層與保溫層區(qū)(三帶)；槽底板以工字鋼梁劃分測試帶；槽罩分塊測量，每塊分上、中、下3個區(qū)域布點測試，其中每帶(區(qū)域)又分為若干個測量點；對于電解質(zhì)與鋁液溫度、兩水平、極距及槽膛內(nèi)形等參數(shù)，每臺電解槽分別按照實際情況測8～12個點。

計算所取體系為：槽底-槽殼側(cè)部(包括陰極棒頭)-四面?zhèn)炔坎壅?上部水平罩-鋁導桿所構(gòu)成的密封型體系。以環(huán)境溫度為計算基礎溫度，以單位小時為能量收入支出時間計量單位。

3.1測試方法

1)煙氣流量的測量是在排煙管上開孔后，采用煙氣采樣分析儀(可同時測量排煙溫度及煙氣流速)，2～3次/h，每次在煙道斷面上測取4個點，然后將各點煙氣流速平均后換算成煙氣流量。

2)極距、爐膛形狀、兩水平、電解質(zhì)與鋁液溫度每臺槽測8～12點，1 h內(nèi)測完；其中極距和槽膛內(nèi)形采用自制的專用工具進行測定。

3)測量順序說明：

先測各金屬表面溫度、煙氣流量與溫度，然后打開槽罩，測碳塊表面溫度、覆蓋層溫度，再開測孔進行極距、兩水平、電解質(zhì)和鋁液溫度及槽膛內(nèi)形的測定。

3.2 熱平衡測試結(jié)果

4臺被測試電解槽槽殼各部分的溫度分布情況見表7。

表7 槽殼溫度測試結(jié)果

4臺被測槽散熱孔平均溫度為347 ℃，B側(cè)比A側(cè)略高，但基本在較合理的范圍內(nèi)。4臺被測試槽的爐底鋼板溫度為77 ℃，處于比較合理的范圍，說明底部采用保溫型設計以后爐底溫度比傳統(tǒng)電解槽有大幅度的降低。4臺被測試槽的陰極鋼棒溫度為235 ℃，在安全范圍內(nèi)。

4臺被測試電解槽的能量平衡見表8、表9。

表8 各部分散熱情況(單位V)

表9 能量平衡表(單位V)

從表8和表9中可以看出：①電解槽的鋁電解反應能耗占總能量收入的50 %左右；②換極和出鋁帶走的熱量占總能量收入的4 %；③煙氣帶走熱量占總能量收入的18 %；④從槽體系本身散熱來看，散熱量最大的是槽上部，約占總散熱的51 %～453 %；槽殼側(cè)部散熱約占總散熱的45 %；槽底散熱占總散熱的3 %。

根據(jù)上述測試及分析結(jié)果，我們可以總結(jié)如下：

1)煙氣帶走的熱量非常大，因此若能做好槽罩板密封的情況下，生產(chǎn)時可以減小排煙風機開啟的數(shù)量，一方面可以減小風機的用電，另一方面可以減小電解槽的熱損失，對電解槽的節(jié)能降耗非常有利。

2)相比傳統(tǒng)槽型，槽底加強保溫后，槽底散熱明顯減小，說明我們的槽底保溫已經(jīng)足夠強，再繼續(xù)加強保溫對降低槽電壓已經(jīng)沒有意義。而且進一步加強槽底保溫存在等溫線下移的風險，存在安全隱患。

3)基于目前槽平均電壓能保持在4 V以下，為了匹配其電壓，420 kA電解槽側(cè)部可以加6～410 mm的陶瓷纖維板，以適當降低電解槽散熱孔的溫度，減小槽殼側(cè)部的散熱。

4)基于目前散熱孔溫度偏高，槽殼側(cè)部特別是熔體區(qū)散熱過大的情況，熔體區(qū)的保溫可用120 mm的炭塊代替炭氮化硅，以便更有利于電解槽散熱孔溫度的降低。

3.3 爐膛形狀測試結(jié)果

4臺被測槽的爐膛形狀測試結(jié)果見表10。

表10 爐幫和伸腿測試結(jié)果

從爐幫測試情況來看，4臺槽的平均爐幫厚度為9.7 cm，且各槽爐幫的偏差不大。考慮到該電解槽系列的側(cè)部塊材料為碳氮化硅，因此稍微有點偏薄，理想的爐幫厚度能達到12 cm，這也是直接引起電解槽散熱孔溫度偏高的原因。爐幫偏薄的一個重要原因是電解槽啟動的時間比較短，爐幫正處于發(fā)育期。再者，考慮到生產(chǎn)工藝，測試期間正是鋁水往上抬的時候，這個時候是爐幫逐漸形成的階段。

從電解槽運行來說，伸腿過短或過長都不利于電解槽的正常生產(chǎn)，伸腿過長后容易形成過大的水平電流，不利于電解槽的穩(wěn)定性和電流效率的提高，進一步發(fā)展后在電解槽角部容易出現(xiàn)頂極的情況，且爐底容易形成硬結(jié)殼。而伸腿比較短雖然有利于減小水平電流，而且有利于保持爐底的干凈，但若過短以致于不能覆蓋住人造伸腿后則會使電解槽存在安全隱患。

從伸腿長度的測試情況來看，4臺槽的平均伸腿長度為10.3 cm，比傳統(tǒng)小容量電解槽，該伸腿明顯較短。主要原因是該槽型測下部保溫較強，不利于形成伸腿。該槽型在0.78 A/cm2的陽極電流密度下，可以適當減弱陰極炭塊區(qū)的保溫，以更有利于伸腿的發(fā)育，更有利于電解槽的安全性。

4 結(jié) 語

4.1 工藝參數(shù)

4臺被測試槽的平均電壓為3.973 V，該電壓較為合理，既能保持非常高的電流效率，又能保證噸鋁電耗較低。

4臺被測試槽的電解溫度為941 ℃，分子比平均值為2.42，考慮到該系列電解質(zhì)含有2.5 %的鋰鹽，因此其分子比和電解溫度體現(xiàn)了比較好的一致性，說明該電解槽有序，這是其電流效率能保持在94 %以上的重要保障。

從多點分子比測試結(jié)果來看，各測試點的分子比基本比較均勻，偏差基本在±0.06以內(nèi)，說明該槽型兩點氟化鋁下料更有利于電解槽氟化鋁的均勻性。

從多點極距測試結(jié)果來看，極距比較均勻。4臺被測電解槽極距在3.9～4.6 cm范圍內(nèi)，均值為4.12 cm，與槽電壓比較吻合，說明該系列進一步降低極距的空間比較小。

4.2 電平衡方面

1)卡具壓降能達到6 mV左右，說明該廠管理及操作質(zhì)量非常好。

2)陰極壓降平均297 mV，而傳統(tǒng)電解槽陰極壓降在320 mV以上，說明采用磷生鐵澆注陰極技術對陰極壓降的降低有非常明顯的作用。該技術既能避免扎陰極鋼棒糊質(zhì)量問題，又能降低陰極壓降，將是以后大型槽的主流技術。

3)除個別點外，立柱母線電流偏差基本在±3 %的范圍內(nèi)，較為理想，與設計計算值偏差不大。

4)剔除前后3天這些非正常極，陽極的電流分布偏差基本控制在±20 %以內(nèi)，說明陽極電流分布均勻，這是該電解系列能做到高效低耗的重要保障。

4.3 能量平衡方面

1)4臺被測槽散熱孔平均溫度為347 ℃，散熱孔溫度稍高；4臺被測試槽的爐底鋼板溫度為77 ℃，處于比較合理的范圍；4臺被測試槽的陰極鋼棒溫度為252 ℃，在安全范圍內(nèi)。

2)煙氣帶走的熱量非常大，占總能量收入的17 %。因此若能做好槽罩板密封的情況下，生產(chǎn)時可以減小排煙風機開啟的數(shù)量，一方面可以減小風機的用電，另一方面可以減小電解槽的熱損失，對電解槽的節(jié)能降耗非常有利。

3)槽底散熱占總散熱的3 %。相比傳統(tǒng)槽型，槽底加強保溫后，槽底散熱明顯減小，說明該槽型的槽底保溫已經(jīng)足夠強，再繼續(xù)加強保溫對降低槽電壓已經(jīng)沒有意義，而且進一步加強槽底保溫存在等溫線下移的風險，存在安全隱患。

4)基于目前槽平均電壓能保持在4 V以下，為了匹配其電壓，該420 kA電解槽側(cè)部可以加6～10 mm的陶瓷纖維板，以適當降低電解槽散熱孔的溫度，減小槽殼側(cè)部的散熱。

5)基于目前散熱孔溫度偏高，槽殼側(cè)部特別是熔體區(qū)散熱過大的情況，熔體區(qū)的保溫可用120 mm的炭塊代替炭氮化硅，以便更有利于電解槽散熱孔溫度的降低。

6)從伸腿長度的測試情況來看，4臺槽的平均伸腿長度為10.3 cm，比傳統(tǒng)小容量電解槽，該伸腿明顯較短。主要原因是該槽型測下部保溫較強，不利于形成伸腿。該槽型在0.78 A/cm2的陽極電流密度下，可以適當減弱陰極炭塊區(qū)的保溫，以更有利于伸腿的發(fā)育，更有利于電解槽的安全性。