200 kA鋁電解槽陰極磷生鐵澆鑄試驗(yàn)及工業(yè)應(yīng)用

楊國(guó)文

(中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司 青海分公司,青海 西寧 810108)

隨著行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)家政策的更新,電解槽需在低能耗下高效運(yùn)行,而低能耗鋁電解槽必須具有優(yōu)良的磁流體穩(wěn)定性,才能夠在較低極距下穩(wěn)定高效生產(chǎn)。行業(yè)內(nèi)不斷更新的優(yōu)秀技術(shù)證明,降低鋁液中水平電流技術(shù)是提高鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性的有效手段。在此基礎(chǔ)上如何進(jìn)一步大幅降低電解槽陰極壓降,采用磷生鐵澆鑄陰極組裝形式是一條重要途徑。

但在此之前,行業(yè)內(nèi)采用磷生鐵澆鑄陰極炭塊組裝主要是針對(duì)石墨化炭塊,而石墨質(zhì)炭塊主要采用的仍是炭糊扎固的組裝形式,采用該種組裝方式的電解槽的陰極壓降基本在270～320 mV,有進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)潛力。目前石墨質(zhì)陰極炭塊仍是國(guó)內(nèi)使用規(guī)模最大的炭塊類型,特別是300 kA以下的槽型。因此,為了能夠在石墨質(zhì)炭塊上采用磷生鐵澆鑄技術(shù),達(dá)到大規(guī)模、大幅度降低電耗的目的,青海分公司與沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司合作,于2016年初在青海分公司200 kA系列上進(jìn)行了磷生鐵澆鑄的工業(yè)化試驗(yàn),試驗(yàn)成功后并在青海分公司進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)思路

首先,針對(duì)性地設(shè)計(jì)節(jié)能型陰極組形式。該陰極組形式能夠適應(yīng)磷生鐵澆鑄的工藝過(guò)程和磷生鐵的材料特性,并且將降低鋁液中水平電流與降低陰極壓降成功地結(jié)合起來(lái);其次,進(jìn)行磷生鐵澆鑄工藝的研究與工業(yè)試驗(yàn),摸索陰極炭塊磷生鐵澆鑄的工藝技術(shù)條件;最后,選取大修槽進(jìn)行試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)槽進(jìn)行詳細(xì)的熱、電測(cè)試,最終完成工業(yè)試驗(yàn),并進(jìn)行系列推廣應(yīng)用。

2 陰極組結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

在陰極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,將原來(lái)的兩根鋼棒改為單鋼棒,陰極組結(jié)構(gòu)由之前的一塊陰極和4根鋼棒優(yōu)化為一塊陰極和2根鋼棒。由于青海分公司200 kA電解槽的陰極塊寬度為515 mm,實(shí)施難度較大,經(jīng)過(guò)不斷的嘗試和試驗(yàn),最終實(shí)現(xiàn)了單鋼棒的結(jié)構(gòu)形式,即保證了磷生鐵澆鑄的成功率,又降低了水平電流和陰極壓降。對(duì)不同陰極結(jié)構(gòu)的水平電流進(jìn)行模擬計(jì)算,如圖1所示。可以看出,磷生鐵澆鑄結(jié)構(gòu)電解槽鋁液中水平電流比普通陰極電解槽有大幅降低,和雙鋼棒電解槽鋁液中水平電流基本一樣,說(shuō)明磷生鐵澆鑄和雙鋼棒電解槽的穩(wěn)定性基本一致,但磷生鐵澆鑄結(jié)構(gòu)的陰極壓降比雙鋼棒槽降低了47 mV,這說(shuō)明采用磷生鐵澆鑄技術(shù)具有較大的節(jié)能潛力。

圖1 不同陰極結(jié)構(gòu)的水平電流比較

3 陰極組澆鑄試驗(yàn)

試驗(yàn)組于2016年1月進(jìn)行了200 kA電解槽陰極磷鐵澆鑄試驗(yàn),共澆鑄了38組陰極組。試驗(yàn)方式采用燃?xì)饧訜岱绞?對(duì)炭塊和鋼棒加熱后,進(jìn)行陰極炭塊和磷生鐵澆鑄組裝施工。二者指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 陰極炭塊理化指標(biāo)(50%石墨質(zhì)陰極)

表2 磷生鐵組分要求

圖2 陰極炭塊加熱設(shè)備

加熱時(shí)間3個(gè)小時(shí),加熱結(jié)束后,移走加熱裝置,用熱成像儀檢查陰極炭塊及鋼棒溫度分布。鋼棒上表面沿長(zhǎng)度方向溫度分布如圖3所示，鋼棒溫度平均值為502 ℃。陰極炭塊頂面沿長(zhǎng)度方向溫度分布差值較小，炭塊頂面溫度約430 ℃，溫度最大最小差值在50 ℃左右。

圖3 鋼棒上表面長(zhǎng)度方向溫度分布

陰極炭塊出爐后,使用鐵水澆鑄,如圖4所示;澆鑄完成后,采取相應(yīng)保溫措施,陰極炭塊組溫度平穩(wěn)下降,檢查陰極側(cè)翼及鋼棒槽倒角部位,均未發(fā)現(xiàn)裂紋,說(shuō)明磷生鐵澆鑄試驗(yàn)取得成功,可以將澆鑄好的陰極炭塊組用于試驗(yàn)槽筑爐。

圖4 磷鐵澆鑄過(guò)程

4 試驗(yàn)槽啟動(dòng)及后期管理

選取6644#、5724#兩臺(tái)大修槽進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。該兩臺(tái)槽經(jīng)過(guò)前期的陰極澆鑄、內(nèi)襯砌筑等,完成了兩臺(tái)電解槽的筑爐并交付電解驗(yàn)收滿足焙燒的條件后,采用焦粒焙燒方式,順利完成啟動(dòng)。

6644#、5724#兩臺(tái)槽槽電壓管理按照青海分公司節(jié)能槽電壓管理的思路在啟動(dòng)后快速降電壓,啟動(dòng)后一個(gè)月,6644#、5724#槽電壓分別保持在3.73 V,3.71 V,此時(shí)主要技術(shù)條件如下:

6644#槽電壓為3.73 V,鋁水平16 cm,電解質(zhì)水平23 cm,電解質(zhì)溫度為935 ℃,分子比2.99,陰極壓降為220 mV。5724#槽電壓為3.71 V,鋁水平16 cm,電解質(zhì)水平22 cm,電解質(zhì)溫度為924 ℃,分子比2.95,陰極壓降為218 mV。

電解槽槽況運(yùn)行平穩(wěn),后續(xù)陸續(xù)按電解槽后期管理制度調(diào)整電解槽的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)至目標(biāo)值。

5 試驗(yàn)槽運(yùn)行情況測(cè)試

為了全面掌握電解槽運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)一步提高電解槽技術(shù)指標(biāo),2016年8月青海分公司和沈陽(yáng)院一同對(duì)該兩臺(tái)試驗(yàn)槽的電熱場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試,根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)電解槽進(jìn)行全面分析。電解槽主要指標(biāo)如表3所示,其中5724#和6644#槽為陰極澆鑄電解槽,其余兩臺(tái)為雙鋼棒電解槽。

表3 電解槽工藝參數(shù)匯總表

5.1 槽殼溫度

對(duì)該四臺(tái)槽槽殼側(cè)壁(熔體區(qū)、陰極區(qū))、槽底板及陰極鋼棒外表面溫度進(jìn)行了測(cè)試,槽殼側(cè)壁區(qū)和鋼棒溫度如表4和圖5所示。

由表4和圖5可知,SY200雙鋼棒槽槽殼熔體區(qū)平均溫度266 ℃,澆鑄陰極電解槽平均溫度207 ℃,相比雙鋼棒槽降低了59℃。雙鋼棒槽陰極鋼棒頭平均溫度241 ℃,澆鑄陰極電解槽陰極鋼棒頭平均溫度268 ℃,與雙鋼棒槽相比增加了27 ℃。兩臺(tái)槽型槽底板平均溫度為136 ℃和91 ℃,澆鑄陰極電解槽槽底平均溫度比雙鋼棒槽低45 ℃。

為使A相剩磁穩(wěn)定，需使合閘時(shí)刻外加電源A相虛擬磁鏈正好處在對(duì)應(yīng)方向的峰值，若剩磁為負(fù)，則為負(fù)峰值，反之亦然。假設(shè)剩磁為某一值X，則要求剩磁滿足：

表4 測(cè)試電解槽溫度對(duì)比表

圖5 測(cè)試槽槽殼及陰極鋼棒溫度分布

5.2 槽膛內(nèi)形

4臺(tái)槽的爐膛內(nèi)形如表5所示,SY200雙鋼棒槽爐幫平均厚度為9.0 cm,伸腿長(zhǎng)約11.6 cm。澆鑄陰極結(jié)構(gòu)電解槽爐幫厚度14.5 cm,伸腿長(zhǎng)度12.85 cm。可見,磷生鐵澆鑄陰極電解槽爐膛內(nèi)形更合理。

表5 SY200測(cè)試槽爐膛內(nèi)形

5.3 散熱分布

電解槽的熱損失是指除鋁電解反應(yīng)能耗以外的能量支出。測(cè)試的四臺(tái)電解槽熱損失分項(xiàng)對(duì)比如圖6～圖7所示。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示澆鑄陰極結(jié)構(gòu)電解槽上下散熱比例相比雙鋼棒電解槽有所不同,下部散熱比例較雙鋼棒槽小。

圖6 雙鋼棒槽散熱分布

圖7 澆鑄陰極槽散熱分布

5.4 測(cè)試結(jié)論

(1)采用雙鋼棒結(jié)構(gòu)的電解槽噸鋁直流電耗平均值為12,682 kWh,爐底壓降平均值為336 mV;采用澆鑄陰極結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)槽噸鋁直流電耗為12,404 kWh,爐底壓降為253 mV,相比雙鋼棒槽降低了83 mV,同時(shí)前者噸鋁直流電耗相比后者降低了278 kWh,這基本為陰極壓降降低值對(duì)應(yīng)的能耗。

(2)澆鑄陰極結(jié)構(gòu)電解槽的爐幫厚度要比雙鋼棒槽厚6.3 cm,這與澆鑄陰極結(jié)構(gòu)電解槽側(cè)壁溫度較低是比較相符的。兩種槽型伸腿長(zhǎng)度略有差異,總體來(lái)說(shuō)澆鑄陰極結(jié)構(gòu)槽膛上口更厚,形狀合理。

對(duì)陰極磷生鐵澆鑄電解槽運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤,發(fā)現(xiàn)其爐底壓降和直流電耗隨槽齡增長(zhǎng)略有上升,但整體上基本保持穩(wěn)定,各種工藝參數(shù)基本保持穩(wěn)定,詳細(xì)數(shù)據(jù)見表6。

表6 磷生鐵澆鑄陰極電解槽運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

6 推廣應(yīng)用效果

陰極澆鑄試驗(yàn)結(jié)果顯示出澆鑄技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì),非常具有推廣意義。自2019年10月起,青海分公司180 kA和200 kA系列大修槽均采用該技術(shù)進(jìn)行大修。截至2020年,累計(jì)在180 kA系列上推廣應(yīng)用31臺(tái),在200 kA系列上推廣應(yīng)用19臺(tái),并取得了良好的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),相比改造前,澆鑄陰極電解槽平均直流電耗在進(jìn)入正常期后相比系列槽有大幅降低,2020年磷生鐵澆鑄電解槽正常期累計(jì)噸鋁直流電耗達(dá)到了12,400 kWh以下,噸鋁節(jié)能超過(guò)230 kWh/t-Al,2020年全年累計(jì)降低電耗591.3×104kWh,節(jié)約電費(fèi)達(dá)到206.9萬(wàn)元,同時(shí)社會(huì)效益顯著,實(shí)現(xiàn)電廠減排CO2約5895 t。

7 結(jié) 論

(1)采用針對(duì)性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式和燃?xì)饧訜岬姆绞?能夠?qū)崿F(xiàn)515 mm寬度的石墨質(zhì)陰極單鋼棒磷生鐵澆鑄組裝。

(2)試驗(yàn)結(jié)果顯示:在磷生鐵澆鑄和雙鋼棒兩種槽型的槽溫、兩水平、覆蓋料情況、電解質(zhì)體系、分子比和水平電流基本相同的情況下,陰極壓降降低83 mV的差距直接決定著兩種電解槽的能耗表現(xiàn),測(cè)試結(jié)果顯示磷生鐵澆鑄槽噸鋁直流電耗降低了278 kWh,直接體現(xiàn)出了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

(3)該技術(shù)已經(jīng)在青海分公司200 kA和180 kA電解槽大規(guī)模推廣應(yīng)用,2020年磷生鐵澆鑄電解槽平均噸鋁直流電耗達(dá)到了12,400 kWh以下,2020年全年累計(jì)降低電耗591.3×104kWh,實(shí)現(xiàn)鋁廠減排CO2約5895 t,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益非常顯著。