石墨化和50%石墨質陰極鋁電解槽指標與磁流體穩定性特征對比分析

湯 偉,李德贊,余龍進,倪德江,趙志彬

(1.廣西華磊新材料有限公司,廣西 百色 531400;2.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

鋁電解槽陰極炭塊組是電解槽結構設計的主體部分之一,作為電解生產中電平衡、熱平衡部分最重要的一環,要求其具有良好的導電性能和傳熱特性。陰極炭塊還是有效延緩電解質向下滲透的第一道防線[1],因此又要求其在高溫下具備抗冰晶石熔體侵蝕、鈉滲透的特性。

對于陰極炭塊材料的選擇,國內電解企業和國外電解企業走出了截然不同的技術路線。國外一些大型鋁廠(如美鋁、迪拜、海德魯等)很早就開始石墨化陰極炭塊的應用研究。鑒于石墨化炭塊自身良好的導電、導熱性能,抗鈉滲透和抗熱膨脹性能,西方鋁廠普遍采用了高電流密度、高電流效率的電解技術路線[2]。國內電解鋁廠則長期習慣于使用具備價格優勢的石墨質炭塊,最先進的電解技術只在能耗方面維持世界先進水平,在生產率(電流密度和電流效率)還有一定差距。

近年來國內一些電解設計科研院所和生產企業逐漸認識到石墨化陰極炭塊的優勢,陸續開始工業探索。陶紹虎[3]以某電解企業為依托,對其500 kA電解系列的石墨質陰極和石墨化陰極兩種槽型的工藝參數進行分析。統計發現石墨化電解槽陰極壓降長期保持在240～260 mV之間,而石墨質電解槽的陰極壓降則飆升到～340 mV。一年的平均數據統計顯示石墨化電解槽的電流效率高1.49%。營口忠旺鋁業[4]也做了類似的工業嘗試。通過對40臺石墨化電解槽和40臺50%石墨質電解槽的對比發現,采用石墨化陰極炭塊的電解槽陰極壓降低45.5 mV,電流效率提高1%左右,直流電耗降低150 kWh/t-Al。此外,通過對大修槽占比分析發現,石墨化電解槽的預期槽齡也大幅度提高。

截止目前,石墨化陰極炭塊在我國電解企業中并未得到廣泛的推廣應用。我公司也于2020年初利用電解槽大修的機會啟動了2臺石墨化陰極電解槽,通過同期啟動的石墨質電解槽的數據對比,獲得了大量第一手資料。本文通過兩類電解槽生產數據和指標對比、極限磁流體穩定性特征分析對石墨化陰極電解槽的生產優勢及其原因進行了分析,希望可以為國內外同行提供參考。

1 生產數據指標對比

我公司選取1202#和1722#兩臺電解槽安裝石墨化陰極炭塊組,1328#和1514#兩臺電解槽安裝50%石墨質(以下簡稱石墨質)陰極炭塊組,兩類陰極炭塊理化性質對比如表1。四臺試驗槽的熱平衡設計和內襯結構相同,啟動時間相近(間隔20天內),啟動后期管理相同,正常生產期的工藝條件相同、原材料相同。

表1 石墨化陰極炭塊與50%石墨質陰極炭塊理化性質對比

4臺試驗槽自啟動進入正常生產期后連續6個月的生產數據及指標對比顯示,兩類電解槽的運行槽電壓幾乎相同(僅差～5 mV),鋁水平、質水平、槽溫等工藝條件接近,但石墨化電解槽的電流效率高出石墨質電解槽1.46%,電解槽的直流電耗也降低了約200 kWh/t-Al。

我公司石墨化陰極試驗的結果與營口忠旺等其他鋁企[4-6]的結果相同,均顯示石墨化陰極電解槽在節能、提效方面極具優勢。目前科研院所和生產企業認為石墨化電解槽的節能優勢在于其陰極壓降節省的電壓降可轉移到極距區域,所以在相同槽電壓的情況下石墨化電解槽的極距空間大于石墨質電解槽,進而可大幅度減少鋁液與CO2氣體進行二次反應的概率。

2 極限磁流體穩定性特征分析

為了進一步探索石墨化電解槽具備節能優勢的原因,本文進行了極限磁流體穩定性特征分析試驗,即壓極距試驗(Squeezing Test)[7]。

2.1 試驗方法

壓極距試驗是國際上一種常用的評價工業電解槽極限磁流體穩定性特征的方法。

鋁電解槽的磁流體穩定性是瞬態的,該試驗是指在給電解槽一次人工擾動后,評價鋁液/電解質界面能否隨時間而逐漸恢復穩定:如界面變形會隨時間趨于穩定,此時電解槽的極距未達到極限;反之如電解槽界面變形隨時間呈現增長發育的趨勢,則電解槽極距低于極限值。

本次試驗是在電解槽處于休極期進行的,避免了由于換極帶來的干擾。試驗過程如下:

(1)試驗前測量電解槽的陽極電流分布、電解質溫度,并通過計算得出該電解槽的等效極距分布[8],該分布可作為接下來試驗的參考點;

(2)快速吃掉安全區的極距,試驗中的槽電壓(如3.88V)快速降低電壓80 mV到3.80 V;

(3)壓極距后等待5～15分鐘,密切關注電解槽擺動、針振、電壓波動的發育情況,重新測量陽極電流分布、溫度,計算極距并與上一步的極距分布對比;

(4)重復步驟(2)～(3),依次降低到3.75V,3.70 V,3.65 V等;

(5)每次壓極距后,如界面波動的穩定性逐漸恢復,則進入下一階段;否則恢復極距,停止試驗。

圖1是以1722#電解槽壓極距試驗為例的試驗過程,試驗中密切注意溫度變化、質水平變化等,避免出現安全事故。

圖1 壓極距試驗的試驗過程

2.2 試驗結果

圖2和圖3為石墨化陰極電解槽1722#和石墨質電解槽1328#在壓極距試驗過程中,不同階段電解槽的等效極距分布情況。需要指出的是,在等效極距的計算過程中,如某陽極所承擔的電流過小(如新極、伸腿過長的角極等),則其計算得到的等效極距是不準確的,如圖2中B1、B15,圖3中A23A24、B5B6,在計算平均極距和極距標準偏差時不將其考慮在內。

圖2 石墨化陰極電解槽壓極距試驗中各階段等效極距分布(1722#)

從圖2中可以看出試驗前槽電壓在3.88V的情況下,平均極距為40.4 mm,該數據與人工測量電解槽不同位置極距的平均值接近。在當前工況下,電解槽的整體極距分布呈現多峰形式,最低極距約為30 mm(A21),極距標準差為0.81;隨后電解槽的槽電壓降低到3.80 V,此時電解槽的平均極距為38.5 mm,極距的標準偏差未發生變化;繼續試驗降低槽電壓到3.75 V,平均極距降低到37.0 mm,但極距標準差開始上升到0.85,這說明電解槽鋁液/電解質界面開始出現變形;隨著試驗降低到3.70 V時候,平均極距降低到35.9 mm,此時B21所承擔的陽極電流開始出現輕微擺動;隨后,極距的分布情況繼續惡化,并出現多區域陽極電流擺動(3.65 V),這說明此時電解槽的磁流體穩定性已被破壞,在初始擾動后電解槽鋁液/電解質界面變形呈現生長發育的趨勢;停止試驗,逐漸恢復槽電壓,試驗后發現極距的分布情況與試驗前基本相同,說明該電解槽的鋁液/電解質界面可恢復到初始狀態。

圖3顯示了石墨質電解槽1328#在壓極距試驗過程中等效極距分布情況。可以發現雖然試驗前的槽電壓相同,但其平均極距為39.2 mm,較石墨化電解槽降低了1.2 mm,極距分布的標準差也比石墨化電解槽高～33%,極距分布也呈現多峰形式,但存在4根陽極(A8,B21,B22,B24)的等效極距小于30 mm的情況,明顯大于石墨化電解槽;隨后槽電壓陸續降低到3.80V和3.75V,陽極電流出現擺動的情況(B20),隨后又出現多區域陽極電流擺動;停止試驗、電壓恢復后的極距分布情況也呈現與試驗前基本相同的形貌,說明該電解槽的鋁液/電解質界面也可恢復到初始狀態。

石墨化電解槽1202#與石墨質電解槽1514#也出現與圖2和圖3相同的趨勢,這里不再贅述。

圖3 石墨質陰極電解槽壓極距試驗中各階段等效極距分布(1328#)

2.3 分析與討論

從圖2和圖3的對比中,可以發現石墨化電解槽和石墨質電解槽在壓極距試驗中的區別。為了進一步具體分析兩者的差異性,本節總結了四臺電解槽在3.88V和3.80 V兩種工況下的極距和極距標準偏差對比情況,如表2所示。

表2 石墨化和石墨質電解槽壓極距試驗對比

從表2中可以看出,正常生產時兩臺石墨化電解槽的平均極距為40.20mm,而兩臺石墨質電解槽的平均極距為38.98 mm,兩類電解槽存在1.2 mm的極距差異。結合試驗槽所采用的純凈電解質體系,1.2 mm的極距差異可折合約41 mV電解質壓降。從極距標準差的對比也可發現,石墨化電解槽的極距均勻程度好于石墨質電解槽。

目前的大量研究認為石墨化陰極炭塊的電導率高于石墨質炭塊(YS/T623-2012和YS/T699-2009),石墨化陰極電解槽在陰極壓降方面具備明顯的優勢。通過本次試驗可以發現,除物理壓降方面,石墨化電解槽的優勢還體現在其對極距的均化程度上。

從表2中還可以發現,當電解槽槽電壓從3.88V降低到3.80 V時,兩臺石墨化電解槽的極距標準差并未出現變大的趨勢,甚至有降低的趨勢,這說明該類型電解槽鋁液/電解質界面的分布形貌并未發生變化,其極距整體偏移降低;兩臺石墨質電解槽的極距偏差則明顯增大(增大幅度～22%),在相同工況下,該類型電解槽的界面分布形貌出現惡化的趨勢。這里的對比可說明石墨化電解槽在抗干擾能力上遠高于石墨質電解槽。

3 結 語

本文從工業生產的現場數據分析著手,進行了石墨化和石墨質電解槽的性能指標對比、極限磁流體穩定性試驗分析,得到的主要結論如下:

(1)通過6個月的生產數據及指標對比發現,在兩類電解槽運行管理相同、工藝條件接近的情況下,石墨化電解槽的電流效率高出石墨質電解槽1.46%,電解槽的直流電耗低～200kWh/t-Al。

(2)通過極限磁流體穩定性試驗發現石墨化電解槽降低到3.70 V開始出現局部陽極電流波動,而石墨質電解槽降低到3.75 V就出現局部陽極電流波動的情況。

(3)計算等效極距發現,正常生產情況下石墨化電解槽的平均極距為40.2 mm,石墨質電解槽的平均極距為38.98 mm,差距為1.2 mm,石墨質電解槽的極距分布標準偏差也比石墨化電解槽大～33%。

(4)當槽電壓從3.88 V降低到3.80 V時,兩臺石墨化電解槽的極距標準差并未出現變大的趨勢,而兩臺石墨質電解槽的極距偏差則增大約～22%,石墨化電解槽的抗干擾能力上遠高于石墨質電解槽。

(5)基于本文試驗結果,我公司擬進行下一步的擴大試驗,進一步研究石墨化電解槽抗干擾能力的深層原因,并探尋優化石墨化陰極電解槽的生產管理技術。