500kA预焙铝电解槽工艺现状评述.pdf

4 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 5 年第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 l ／J ．i s s n ．1 0 0 7 ‘7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 6 ．0 11 5 0 0k A 预焙铝电解槽工艺现状评述 刘振乾，曹亚兵，王小康 酒钢集团东兴铝业嘉峪关分公司，甘肃嘉峪关7 3 1 0 0 0 摘要介绍5 0 0k A 大型预焙电解槽技术条件的选择和在现有工艺条件下的运行情况，同时对出现的相 关问题提出了具体的解决方案。从整体看，电解槽槽况稳定，运行正常，电流效率达9 2 ．0 ％以上，吨铝 电耗小于1 32 0 0k W h ，电解质工作状态良好，工艺技术条件的匹配和工艺参数的控制十分理想。 关键词5 0 0k A 铝电解槽；槽温；电流效率；槽电压；效应系数 中图分类号T F 8 2 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 6 0 0 4 2 0 4 C o m m e n t a r yo nT e c h n i c a lS t a t u so f5 0 0k AP r e b a k e dA l u m i n u mC e l l L I UZ h e n q i a n ，C A OY a b i n g ，W A N GX i a o k a n g B r a n c ho fG a n s uD o n g x i n gA l u m i n u mI n d u s t r yi nJ i a y u g u a n 。J i a y u g u a n7 3 1 0 0 0 ，G a n s u ，C h a i n A b s t r a c t S e l e c t i o no ft e c h n o l o g i c a ls p e c i f i c a t i o na n do p e r a t i o nu n d e rc u r r e n tp r o c e s sc o n d i t i o no f5 0 0k A l a r g e - s i z ep r e b a k e da l u m i n u mc e l lw e r ei n t r o d u c e d ．T h es o l u t i o n st oa d d r e s sp r o b l e m sw e r ep u tf o r w a r d ． O nt h ew h o l e ，e l e c t r o l y z e rr u n sn o r m a l l ya n ds t a b l yw i t hc u r r e n te f f i c i e n c yo f9 2 ．0 ％a b o v ea n dp o w e r c o n s u m p t i o no f1 32 9 0k W h ／tb e l o w ．M a t c h i n go ft e c h n i c a lc o n d i t i o n sa n dc o n t r o l l i n go ft e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r sa r es a t i s f a c t o r y ． K e yw o r d s 5 0 0k Aa l u m i n u mc e l l ；t e m p e r a t u r eo fc e l l ；c u r r e n te f f i c i e n c y ；c e l lv o l t a g e ；e f f e c tc o e f f i c i e n t 酒钢集团东兴铝业有限公司 以下简称东兴铝 业 5 0 0k A 铝电解系列是目前国内设计槽型最大、 单系列产能最高的铝电解系列。从2 0 1 1 年通电启 动至今，电解槽的工艺技术条件与实际生产完美匹 配，各项生产指标均达到了国内先进水平，受到了国 内外同行的高度关注。本文结合实际生产过程，对 东兴铝业5 0 0k A 铝电解系列各项工艺条件的确定 和匹配情况进行简要评述。 1工艺技术条件 1 ．1 电解质成分 要获得理想的电流效率，改善和优化电解质成 分是十分有效的手段，因此东兴铝业十分重视对 5 0 0k A 电解槽电解质成分的优化和改善。2 0 1 3 年 收稿日期2 0 1 5 0 11 4 作者简介刘振乾 1 9 6 6 一 ，男，甘肃嘉峪关人，工程师． 1 ～5 月东兴铝业5 0 0k A 铝电解系列电解质成分如 表1 所示。 表1 电解质组成 T a b l e1 E l e c t r o l y t ec o m p o s i t i o n 由表1 可知，东兴铝业5 0 0k A 铝电解系列的电 解质分子比较高，为2 ．7 以上，K F 、L i F 的含量比较 高，而且递增趋势明显，尤其是L i F 的含量很高。 K F 、L i F 都有助于降低电解质的初晶温度、提高电 万方数据 2 0 1 5 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／] y s y l ．b g r i m m ．c n 4 3 解质的导电性、提高电流效率；K F 对A l 。O 。的熔解 有明显的促进作用，但L i F 却对A l 0 。的熔解有负 面影响，另外两者均会使电解槽热稳定性变差、向阴 极炭块渗透而影响槽寿命口] 。由于国内氧化铝中氧 化锂含量普遍较高，其在后续反应中又转化为氟化 锂进入电解质体系，但锂盐在电解质中不挥发，可积 累，造成现有电解质体系锂盐含量过高，而K F 含量 却完全符合生产要求。此外由表1 可以看出，M g F 和C a F 的含量变化不大，维持在一个相对稳定的 区间内。 综上所述，由于L i F 含量偏高，造成初晶温度偏 低，使得5 0 0k A 电解槽的热稳定性变差，电解质对 A l 。O 。的熔解能力变弱，所以在分子比的选择上没 有一味地最求低分子比，而是将分子比调整在2 ．7 左右，以保证较高的电解温度来维持电解质对 A l 。O 。的熔解和保证电解槽的热稳定性。另外考虑 到添加剂M g F 。和C a F 。在降低电解质熔点、减小铝 液二次损失、促进炉帮形成等方面的诸多特性，东兴 铝业将电解质体系中M g F 。和C a F 的含量分别保 持在1 ％和2 ％。 1 ．2 电解质温度 电解质温度是电解槽生产主要控制参数之一， 另外电解质温度也对电流效率也有直接影响，一般 来讲，电解温度每降低1 0 ℃电流效率提高1 ％～ 2 ％[ 2 ] ，所以现代铝企业普遍追求将电解质温度控制 在较低的温度下进行。表2 是2 0 1 3 年1 ～5 月东兴 铝业5 0 0k A 铝电解系列部分指标。 表2 生产指标 T a b l e2P r o d u c t i o ni n d e x 月份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 电解质温度／ c槽电压／V效应系数吨铝炭耗／k g 4 ．0 10 ．0 6 5 3 ．9 8O ．0 5 5 3 ．9 70 ．0 4 5 3 ．9 70 ．0 4 0 3 ．9 50 ．0 3 0 4 9 5 4 9 2 4 9 0 4 8 5 4 8 3 从表2 可见，东兴铝业5 0 0k A 铝电解系列的电 解温度逐月降低，当前的平均电解质温度在9 3 5 ～ 9 4 0 ℃。由于电解温度包括初晶温度和过热度两部 分，而初晶温度高低完全取决于电解质成分，根据 B u l l a r d 和P r z y b y c i e n 得出的电解质体系中各成分 的含量与初晶温度的关系u J T 一1 0 1 0 ．6 0 0 ．1 7 7 r A l F 。] 2 0 ．0 0 0 5 r A l R ] 4 6 ．6 4 6 [ A l 。0 3 ] 0 ．1 6 8 [ A 1 。0 3 ] 2 2 ．8 5 3 [ C a F 2 ] 一 4 ．6 0 [ - M g F 2 ] 一9 ．2 0 [ L i F ] 1 公式 1 中，方括号内表示的各种添加剂含量均 按照质量百分比计算，而A I F 。为电解质体系中游 离的A l F 3 含量。 根据表1 的相关数据由公式 1 可计算出分子 比为2 ．7 ～2 ．9 时，电解质的初晶温度为9 2 5 ．4 ～ 9 2 7 ．1 ℃，此时实际生产的电解温度为9 3 5 ～ 9 4 0 ℃，即过热度为8 ～1 3 ℃，这说明电解质体系中 分子比的选择和各成分含量的控制到位，过热度的 保持合理，这为5 0 0k A 系列电解槽的热稳定性和 氧化铝的溶解提供了可靠保证。若一味地追求低温 则会导致电解质黏度、密度增加，氧化铝的溶解降 低，炉底沉淀增多，炉底压降增大，最终使得槽电压 摆动大、电耗高、槽况恶化。所以东兴铝业5 0 0k A 铝电解系列的电解温度保持在9 3 5 ～9 4 0 ℃，过热度 控制在8 ～1 3 ℃比较合适。此外电解温度也与槽电 压、电流强度、两水平有关。 1 ．3 槽电压 电解槽的设定电压 即槽电压 直接决定了电解 槽的实际工作电压[ 4 ] 。槽电压的控制是通过对极距 的调整来实现的，在实际生产中，阳极底掌与铝液之 间的间距每缩小1c m ，电解槽的电流效率就降低 2 ～4 个百分点，因此尽可能保持较高的极距对提高 电流效率是十分有利的。 电解槽实际工作电压V 槽包括[ 1 ’5 1 阳极压降、阴 极压降、反电势、母线压降、电解质压降V 质，而 V 质一P J L ／s 2 I nP 一一1 ．9 0 1 5 0 ．1 6 2 C R { 1 7 ．3 8 [ A l 。o 。] 3 ．9 5 5 [ C a F 2 ] 9 ．2 7 7 [ M g F 2 ] 一2 1 ．5 5 [ L i F ] 1 ．7 4 5 7 r 1 } 1 0 _ 3 3 式中，P 为电解质的电导率， S I T I - 1 ；J 为电 流强度 A ；L 为极距 e r a ；S 为阴极面积 c m 2 ；C R 为分子比。 由公式 2 、 3 可知，槽电压的设定可以根据阴 极压降和电解质压降的变化来改变，另外也考虑到 卡具压降等因素的影响。 因此，东兴铝业5 0 0k A 电解系列在合理调整 和保持电解质充分、强化操作质量、提高卡压合格 率、减少槽电压的同时，在设定电压上没有一味地追 求低电压，而是经过对各处电压降的测定和计算，合 理匹配设定电压，将设定电压保持在3 ．9 5 0V 左右。 1 ．4 两水平 两水平指的是铝水平和电解质水平，它是保证 热量平衡和维持电解槽热稳定性的重要条件，也是 影响电流效率的主要因素之一，电解铝企业对两水 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第6 期 平的选择都十分重视[ 6 ] 。由于东兴铝业5 0 0k A 铝 电解系列电解槽母线配置优异，其造成的磁场对铝 液的波动不是很大，另外整个系列电解槽炉底保持 得比较好，炉帮完整，所以将铝水平选择保持在 2 3 ～2 4c m 出铝后 ，选择较低的铝水平有利于炉 底的保持，避免槽底沉淀和结壳的产生，同时也避免 了由于铝液波动造成阳极与铝液间短路，这对提高 电流效率是有利的。 电解质水平对电解槽的热平衡和电流效率等有 很大影响，如果电解质过低，电解槽的热稳定性变 差，槽温波动大，氧化铝的熔解能力弱，从而导致产 生炉底沉淀或造成电解槽针振摆动大、阳极效应频 发、电解槽整体运行不稳定，容易出现病槽。但是电 解质过高则会带来下述问题1 恶化电解质的循环 和传热条件，使槽子过热甚至化爪，影响原铝质量； 2 增加阳极侧面通过的电流，从而使阳极的电流密 度降低，最终导致电流效率的降低；3 存在侧部漏炉 的风险；4 增加阳极在电解质中的深度，这对阳极气 体的排除、炭渣的分离以及阳极产生热量的传导均 带来十分不利的影响。综合上述因素并结合实际生 产条件，东兴铝业5 0 0k A 铝电解系列电解槽电解 质水平选取在1 7 ～1 9c m 。 1 ．5 氧化铝浓度和效应系数 氧化铝浓度的控制是现代电解槽智能模糊控制 系统的核心理念，因为氧化铝浓度直接影响电解质 成分和电流效率。图1 为电流效率与氧化铝浓度的 关系哺3 曲线。 毋 、 碍 较 斌 脚 氧化铝质量分数，％ 图1电流效率与氧化铝质量分数的关系曲线 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u r r e n t e f f i c i e n c ya n dm a s sf r a c t i o no fa l u m i n a 从图1 可以看出，当A I 。O 。质量分数小于 4 ．0 ％时，电流效率随着A l 。O 。浓度的降低而增加。 当控制A l 。0 。质量分数小于3 ．0 ％时，电流效率可 保证在9 2 ．5 ％以上。当控制A l 。O 。质量分数在 2 ．0 ％～2 ．8 ％时，电流效率可达到9 2 ．5 ％～ 9 3 ．5 ％，而且可以避免炉底沉淀的产生，能够获得稳 定的槽况和较高的电流效率，同时也可以有效降低 阳极效应的发生。所以东兴铝业5 0 0k A 铝电解系 列电解槽的氧化铝浓度通过合理制定基准加料间 隔、对电解槽智能模糊控制系统的改进、加强下料系 统的检修维护力度保证下料畅通等一系列手段，将 氧化铝浓度控制在2 ．5 ％左右，取得良好的效果。 阳极效应发生的主要原因[ 7 ] 一是“浓度效应”， 即电解质中氧化铝浓度过低；二是“温度效应”，即电 解质温度太低。阳极效应的发生大大提高了吨铝电 耗，破坏电解槽的热平衡和稳定运行，同时由于阳极 效应期间电解槽产生大量有毒、有害气体 如C F 。、 C F 。等 ，极大地破坏了工作环境，同时也造成环境 污染。此外阳极效应的发生还会引起铝液水平和电 解质水平的大范围波动，从而降低电流效率。根据 现场实际生产情况，发生阳极效应后，电解温度一般 上升6 ～1 5 ℃，要恢复到原来温度需要l ～2h ，使电 解槽的正常生产受到影响。为了降低阳极效应系 数，东兴铝业采取的措施主要有 1 在计算机控制中设定较长的阳极效应等待间 隔和效应持续时间； 2 实现低效应系数控制，减少下料系统故障； 3 改造和升级智能模糊控制技术； 4 加强下料系统故障的点检维修力度，保证下 料口畅通，确保正常下料； 5 实行操作人员专槽负责制，并加强效应的控 制管理。 通过表2 可以看出，目前我们的效应系数保持 在0 ．3 2 次／ 槽日 ，由于目前5 0 0k A 铝电解系列 所用阳极质量较好，但氧化铝仍然是国产的粉状氧 化铝，所以我们的目标是将阳极效应系数降至 0 ．0 1 8 次／ 槽日 ，以保证生产需要。 1 ．6 阳极炭耗 东兴铝业5 0 0k A 大型铝电解槽系列使用的预 焙炭阳极尺寸为长度17 5 0m m 、宽度7 4 0m m 、高 度6 2 0m m 。电解槽阳极为2 4 组 4 8 块 ，每块阳极 底部面积为1 29 5 0c m 2 ，阳极电流密度d 阳一0 ．8 0 4 A ／c m 2 ，电流效率 ，一9 2 ％，阳极净耗量W 。一4 1 0 k g ／t ，阳极假密度d 。一1 ．5 6g ／c m 3 ，由此可算出阳极 理论消耗速度口1 为 h 。一 8 ．0 5 4 d 阳y W 。 ／d 。1 0 1 1 ．5 6 据统计，东兴铝业5 0 0k A 电解系列电解槽端 部的残极平均高度为1 6c m ，全槽残极最高为1 7c m 万方数据 2 0 1 5 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 5 出现在电解槽端部 ；槽中部残极平均高度为1 5 c m ，全槽残极最低为1 4c m 出现在电解槽中部 。 造成这种差异的主要原因是5 0 0k A 电解槽中部磁 场比端部相对较强，中部铝液和电解质流速比端部 也相对较大一些，使得中部阳极消耗速度比两端略 快，中部残极厚度较端部平均薄了1c m 。另外。安 装新极的高度比残极原位置高1 ．5c r n ，因此可计算 出换极周期为 A 一 H H L ／h 。 1 一 6 2 一 1 6 1 5 ／2 ／1 ．5 6 l 3 0 ．8 天 从使用3 1 天之后所换下来的残极来看，没有出 现诸如露钢爪、掉块、掉角、裂纹、氧化严重而明显变 形等异常现象，阳极炭块较好地满足了正常电解生 产的实际需要。 2 综合槽况评述 东兴铝业5 0 0k A 大型铝电解系列在工艺技术 参数的控制和匹配上严格遵守上述工艺技术条件， 从一年来的生产运行情况来看，电解槽整体运行平 稳、槽况稳定，主要体现在 1 电解槽运行平稳，从运行曲线来看电解槽工 作电压与氧化铝浓度的关系匹配合理，电解槽针振 摆动小[ 9 ] ，噪声值低，阳极效应系数低，换极和出铝 等日常操作干扰小； 2 电解质工作状态好，电解质“沸腾”均匀有力， 炭渣分离清晰，阳极壳面薄厚均匀、疏松易砸，整体 炉面维护良好； 3 从下料口火苗来看，各点火苗表现苍劲有力， 呈蔚蓝色或淡蓝紫色； 4 更换的残极厚度在1 2t i n 左右，没有长包或 出现裂纹，无涮爪现象； 5 炉底干净，无沉淀和结壳，炉底压降可控。 但是也存在一些问题 1 电解槽整体炉帮的形成不是十分的均匀，特 别是A 、B 两面有差距，炉帮的稳定性较差，对电流 的波动比较敏感； 2 L i F 的含量较高导致电解槽初晶温度偏低， 对过热度的控制难度大，甚至影响氧化铝的熔解，造 成炉底沉淀和结壳； 3 电流效率难以超过9 3 ％。 3结语 东兴铝业5 0 0k A 大型铝电解系列在工艺条件 的选择上理论结合实际，整体槽况稳定，系列运行良 好，达到了预期的各项生产指标。 参考文献 [ 1 3 邱竹贤．预焙槽炼铝[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 2 3 卢惠民，邱竹贤．低温电解的研究进展[ J ] ．轻金属， 1 9 9 7 4 2 4 2 8 ． [ 3 3B e c kTR ．P r o d u c t i o no fa l u m i n u mw i t hl o wt e m p e r a t u r ef l u o r i d e m e l t s [ - 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