陽極炭塊結構優化降低毛耗的生產實踐

張旭貴

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041)

降低鋁電解生產成本是提高企業競爭力的根本,節能降耗是降低成本的重要措施。鋁電解企業一方面通過多種措施降低電解槽的能源消耗,同時還在盡力節約生產過程的物料消耗。預焙陽極是鋁電解生產的重要原料,陽極費用是原鋁成本的重要組成部分,可以占到鋁電解成本10%以上。影響陽極費用的重要指標是陽極毛耗,因此陽極毛耗是電解鋁企業非常關注的經濟技術指標[1-3]。

影響陽極毛耗的因素很多,這些因素可以分成陽極生產過程的影響因素和鋁電解生產過程的影響因素[4]。陽極生產過程的影響因素包括,原料控制,生產工藝參數,陽極炭塊結構設計等[4-7];鋁電解生產過程的影響因素包括,電解槽的設計,筑爐質量,生產管理、作業質量,是否使用陽極保護環等[4, 8-10]。其中優化陽極炭塊結構設計是實現降低陽極毛耗的快速有效途徑。

優化陽極炭塊結構設計,可以提高陽極的利用效率,降低陽極毛耗[4,11]。優化陽極炭塊結構可以從提高陽極炭塊高度、優化陽極炭塊頂部形狀、降低碳碗深度等方面入手。優化陽極炭塊頂部形狀可在不影響其他指標的情況下降低陽極毛耗。若殘極厚度維持固定水平,提高陽極炭塊高度,陽極毛耗降低,不足之處是陽極炭塊壓降提高,理論上會提高鋁液直流電耗,提高陽極炭塊高度產生的收益需要進行理論分析。而降低碳碗深度和提高陽極炭塊高度的效果類似。

某企業結合自身的鋁電解生產實際,開展了陽極炭塊結構優化的生產實踐,首先進行了陽極炭塊結構優化的經濟分析,采用仿真計算對結構優化后陽極炭塊的使用效果進行了分析,確定了優化方案,然后在電解槽上進行了應用,并進行了經濟評估。

1 陽極炭塊結構優化效益簡析

為了簡化問題,以僅提高炭塊高度進行分析。目前鋁電解企業在生產中,殘極高度基本恒定,若設定陽極炭塊高度提高前后殘極高度恒定,則陽極炭塊高度提高后陽極毛耗降低ΔW如式(1)所示[11]。

ΔW=W毛×[1-(H0-H殘)/(H-H殘)]

(1)

式中:ΔW——陽極炭塊高度提高后陽極毛耗降低數量,t/t-Al;

W毛——陽極炭塊高度提高前陽極毛耗,t/t-Al;

H0——陽極炭塊高度提高前陽極炭塊高度,mm;

H——陽極炭塊高度提高后陽極炭塊高度,mm;

H殘——殘極高度,mm。

如果考慮殘極價值,則由于陽極毛耗降低帶來的效益增加B增加如式(2)所示。

B增加=W毛×[1-(H0-H殘)/(H-H殘)]×(Cp-C殘)

(2)

如果不考慮殘極回收價值,則由于陽極毛耗降低帶來的效益增加B增加如式(3)所示。相比之下不計殘極價值時,產生的收益更大。

B增加=W毛×[1-(H0-H殘)/(H-H殘)]×Cp

(3)

式中:B增加——陽極毛耗降低帶來的效益增加,元/t-Al;

Cp——陽極價格,元/t;

C殘——殘極價格,元/t。

陽極炭塊高度提高后,工作狀態的陽極壓降增加,根據仿真計算和現場驗證,得出工作狀態陽極炭塊壓降U和陽極炭塊高度H有如下近似關系。

U=0.7×H工作+U0

(4)

式中:0.7——比例系數,V/m;

U——工作狀態陽極壓降,mV;

H工作——工作狀態陽極炭塊高度,mm;

U0——常數,mV。

則,由于陽極壓降增加造成的效益降低B降低如下式所示。

B降低=0.7×(H-H0)C電/(0.3356η)

(5)

式中:0.3356——鋁的電化學當量,g/(A·h);

B降低——陽極壓降提高造成的效益降低,元/t-Al;

C電——電價,元/kWh;

η——電流效率。

基于以上分析,陽極炭塊高度提高對噸鋁的成本B影響如下式所示。

B=W毛×[1-(H0-H殘)/(H-H殘)]×(Cp-C殘)

-0.7×(H-H0)C電/(0.3356η)

(6)

以某企業為例進行核算,某企業陽極炭塊高度650 mm,殘極平均高度150 mm,陽極毛耗0.485 t/t-Al,陽極價格3000元/t,殘極價格1400元/t,電價0.35元/kWh,電流效率91.66%。圖1給出陽極炭塊高度與產生效益的變化。結果表明,在其他條件不變的情況下,提高陽極炭塊高度,可以產生正向效益,隨著炭塊高度增加,產生效益提高。

圖1 陽極炭塊高度與產生的收益

結合陽極炭塊頂部形狀優化、降低碳碗深度和提高鋁電解作業質量將進一步降低陽極毛耗,提高企業收益。

2 陽極炭塊結構優化仿真計算及方案制定

某企業原來使用的陽極炭塊尺寸為1770 mm×770 mm×650 mm,碳碗深度130 mm,縱向雙開槽,單塊陽極炭塊理論重量1252 kg。陽極周期為34天,殘極平均高度150 mm,陽極毛耗485 kg/t-Al。

為了進一步降低陽極毛耗,分析陽極炭塊結構以及生產實際情況,提出的炭塊結構優化措施為:

(1)增加陽極炭塊高度

根據文中分析,提高陽極炭塊高度,可以產生正向效益,隨著炭塊高度增加,產生效益提高。測量電解槽上部結構尺寸后,發現陽極炭塊高度可增加的最大量為15 mm。陽極炭塊高度大于665 mm后,將影響換極作業。因此,將陽極炭塊高度從650 mm增加至665 mm。

(2)頂部形狀優化

陽極炭塊高度不變時,如果減少頂部質量分數,可以降低殘極率,降低陽極毛耗。某企業原來使用的陽極炭塊頂部為棱臺狀,頂部凸臺碳碗磷生鐵陽極長度方向到倒角邊距離130 mm,碳碗磷生鐵陽極寬度方向到倒角邊距離80 mm,有較大的優化空間。為減少頂部質量分數,陽極炭塊頂部形狀由棱臺狀調整為葫蘆形。

(3)降低碳碗深度

某企業原來使用的陽極炭塊碳碗深度130 mm,單塊陽極炭塊理論重量1252 kg。降低碳碗深度可為延長陽極使用周期提供前提條件。通過調研發現碳碗深度有降低的潛力,根據陽極碳碗結構調研結果和工程力學計算,將陽極炭塊碳碗深度從130 mm降低至125 mm。

陽極炭塊結構優化后還采用仿真模擬的手段對比了開槽與不開槽兩種情況的應用效果。主要邊界條件,陽極電流密度平均0.749 A/cm2,不同溫度下預焙陽極電阻率55.6-3.11×10-3T-24.1×10-6T2μΩ·m,電解質溫度955 ℃,電解質電導率2.22 S/cm,電解質水平18 cm,鋁水平32 cm,覆蓋料厚度25 cm,不同溫度下陽極覆蓋料導熱系數2.16-0.365×10-2T+0.0558×10-4T2W/m·K,式中T表示絕對溫度,單位K。首先模擬了陽極工作狀態下陽極炭塊壓降,結果如圖2所示。

圖2 陽極炭塊結構優化前后陽極炭塊壓降仿真計算結果

根據優化前后的陽極仿真計算結果,優化前后的陽極炭塊壓降見表1,優化后的不開槽陽極電壓降較優化前上升約0.011 V,優化后的開槽陽極較優化前陽極開槽壓降升高0.014 V。

表1 陽極炭塊結構優化前后陽極炭塊壓降仿真計算結果

同時對結構優化后陽極炭塊的電流分布進行了仿真計算,結果如圖3所示。

圖3 陽極炭塊結構優化前后陽極炭塊電流密度仿真計算結果

經過優化后的陽極炭塊,電流分布的均勻性未發生明顯的改變,在陽極炭塊中存在的最小電流密度顯著升高,電流分布均勻性得到一定程度改善。

表2 陽極炭塊結構優化前后陽極炭塊電流密度仿真計算結果

從陽極炭塊電流密度分布、陽極炭塊壓降分析,結合某企業的生產實際,采用了優化后不開槽陽極方案,優化后陽極炭塊單塊重量1281 kg,比優化前理論重量增加29 kg,該方案還有利延長陽極周期。

3 陽極炭塊結構優化后鋁電解生產實踐

陽極炭塊結構優化后進行了工業應用,為了降低陽極毛耗,企業提高了鋁電解作業質量,殘極厚度進一步降低,殘極厚度平均136 mm。結構優化的陽極炭塊工業應用1年后,對鋁電解運行的經濟技術指標進行了統計分析,結果如表3所示。陽極使用周期延長2天,換極對電解槽的影響降低,電解槽年平均運行電壓3.970 V,較陽極炭塊結構優化前提高5 mV。陽極炭塊結構優化后年電流效率91.76%,比優化前提高0.10%。直流電耗12,893 kWh/t-Al,比優化前高2 kWh/t-Al。陽極毛耗473 kg/t-Al,比優化前降低12 kg/t-Al。

表3 陽極結構優化前后電解槽經濟技術指標

4 陽極炭塊結構優化經濟評估

某企業年產原鋁40萬噸,電流效率提高0.1%,每年多產鋁約400噸,按鋁價1.35萬元/噸,多消耗氧化鋁768噸,按氧化鋁價格2200元/噸,產生效益371.04萬元。直流電耗提高2 kWh/t-Al,電價按照0.35元/kWh計算,相當于噸鋁成本提高0.7元;陽極毛耗降低12 kg/t-Al,陽極價格按照3000元/t計算,相當于噸鋁成本降低36元,綜合考慮,噸鋁成本降低35.3元,企業年降本1412萬元。陽極炭塊結構優化后,每年創效共計1783.04萬元。

陽極炭塊結構優化后,陽極換極周期延長,還帶來一系列的有益效果,包括降低磷生鐵澆鑄、陽極運輸、清理殘極等方面成本。

5 結 論

某鋁電解企業通過增加陽極炭塊高度、優化陽極炭塊頂部形狀、降低陽極炭塊碳碗深度等措施優化陽極炭塊結構,并采用仿真計算對優化后陽極的使用效果進行了分析,確定了優化方案。陽極炭塊結構優化后開展了工業實踐,結合提高生產作業質量,陽極使用周期延長,鋁電解能耗基本不變,電流效率提高0.10%,陽極毛耗降低12 kg/t-Al,為企業產生了可觀的經濟效益。