大型铝电解槽强化电流条件下槽帮形成规律的研究.pdf

2 8 - 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c r l 2 0 1 2 年6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．t 辎n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 6 ．0 0 9 大型铝电解槽强化电流条件下槽帮 形成规律的研究 王维1 ，薛济来1 ，朱骏1 ，刘翘楚1 ，刘康1 ，牛庆仁2 ， 何华2 ，韩立国2 ，王延庆2 ，张成浩2 1 ．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．中电投宁夏青铜峡能源铝业集团有限公司，银川7 5 0 0 0 2 摘要以3 5 0k A 铝电解槽为研究对象，现场测定了运行中槽帮的厚度及温度分布，并在考虑化学反应热 效应的情况下，运用有限元方法对温度场、强化前后炉膛形状分别进行模拟．分析了阴极材质对电解质 凝固等温线和槽帮厚度以及操作参数对石墨化阴极强化电流后炉膛形状的影响规律。结果表明，模型 估计值与现场测量值相当吻合，所用模型方法有助于强化槽电流、实现运行参数的优化。 关键词3 5 0k A 铝电解槽；化学反应；槽帮；石墨化程度；强化电流 中围分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 】0 6 0 0 2 8 0 4 S t u d yo nL e d g eF o r m i n gu n d e rC o n d i t i o no fI n c r e a s e dH i g hA m p e r a g e A l u m i n u mR e d u c t i o nC e l l s W A N GW e i l ，X U EJ i l a i l ，Z H UJu n l ，L I UQ i a o - c h u l ，L I UK a n 9 1 ，N I UQ i n g - r e n 2 ， H EH u a 2 ，H A NL i - g u 0 2 ，W A N GY a n - q i n 9 2 ，Z H A N GC h e n g h a o z 1 ．S c h o o lo fM e t a l l u r g i c a la n dE c o l o g i c a lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a 2 ．N i n g x i aQ i n g t o n g x i aE n e r g yA l u m i n i u mG r o u p ，C h i n nP o w e rI n v e s t m e n tC o r p o r a t i o n ，Y i n c h u a n7 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h el e d g et h i c k n e s sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw e r em e a s u r e do ns i t ew i t h3 5 0k Aa l u m i n u m c e l l sa st h er e s e a r c ho b j e c t ．T h el e d g es h a p ea n dt e m p e r a t u r ef i e l db e f o r ea n da f t e rc u r r e n tr e i n f o r c e m e n t w a sn u m e r i c a ls i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t ha c c o u n to fc h e m i e a lr e a c t i o n s ．T h ee f f e c t so fe a t h o d em a t e r i a l s0 nt h el e d g et h i c k n e s sa n df r e e z el i q u i d u si s o t h e r m sa n dt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r so nt h e l e d g es h a p ea f t e rc u r r e n tr e i n f o r c e m e n to ft h ec e l lw i t hg r a p h i t i z e dc a t h o d e sw e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l tc o i n c i d e sw i t ht h ei n d u s t r i a Id a t ac o n s i d e r a b l y ．a n dt h em o d e lc a nb eu s e d t or e i n f o r c ec u r r e n t , a s s e s sc a t h o d em a t e r i a l sa n do p t i m i z et h eo p e r a t i o np a r a m e t e r s ． K e yw o r d s 3 5 0k Aa l u m i n u mc e l l } c h e m i c a lr e a c t i o n ；l e d g e ；d e g r e eo fg r a p h i t i z a t i o n ；c u r r e n tr e i n f o r c e m e n t 规整炉膛对强化电流生产中减少电解槽热损 失、提高电流效率和生产率有着重要作用Ⅲ。强化 电解槽电流可提高现有单槽产能，是较小的技改投 收稿日期2 0 1 2 - 0 1 2 0 作者简介王维 1 9 7 l 一 ，男，河南南阳人，在读博士 入实现铝厂增产节能的一种有效方式‘2 ’3 ] 。数值模 拟方法随着计算机和工程软件功能的不断提高，已 深入运用到有关电热场分析研究和工程应用中，所 万方数据 2 0 1 2 年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 2 9 获结果对优化槽启动和运行参数、形成规整炉膛内 形和槽帮[ 4 3 等都有指导意义。 近年来，先进大型槽的一个重要趋势是采用石 墨化或高石墨质阴极，通过强化电流挖掘电解槽的 增产节能潜力[ ”。因而对槽内化学反应过程及其全 程调控亦提出了更高、更精确的要求。尽管用电解 槽强化电流增产、降耗已有不少研究结果[ 6 ] ，但有关 大型石墨化阴极电解槽强化电流后各操作参数对规 整炉膛的影响规律及运行过程中如何协调发挥其优 越性还缺乏相关数据支撑。 本文把槽帮厚度的现场测量和模拟分析相结 合，研究了各操作参数对石墨化阴极电解槽强化电 流后形成槽帮的影响，在考虑化学反应热效应的条 件下，研究阴极材质对槽帮厚度的影响规律，并为大 型铝电解槽强化槽电流和操作参数调控优化提供参 考数据。 1 研究方法 1 ．1 电解槽槽帮测试方法 将水平仪放置在测定棒上，插人电解槽内，使棒 顶端与侧部炉帮最薄处粘合，保持水平仪水平。用 刻度尺垂直于槽沿板内侧，测定棒零位到刻度尺的 进深即为槽帮最薄处的厚度。 I ．2 温度场研究方法 铝电解槽结构[ 1 ] 经适当简化处理后，采用如下 导电、导热联立方程 卦a 去警] a 岳[ 寿雾a ] ￡aL 卫p - 罾a ] 一。c ，，。l a ；J 。，l 一，J 。； tJ ⋯’ 芝[ t za d T ．7 ￡[ 惫，a d T ，．q 蒉[ 矗za d T ，。q S v ∑q 一0 2 式中雎，D ，肛为电阻率；V 为电位；志，， ，，七 为导热系数；S v 为导体产生的焦耳热；q 为电解过 程化学反应热。表‘1 列出了反应热和氧化铝加料的 热效应[ ⋯。 裹1 铝电解槽中主要反应的热效应 T a b l e1T h e r m a le f f e c to ft h em a j o rr e a c t i o n s i na l u m i n u mc e l l s 2 结果与讨论 2 ．1 槽底炭块温度场分布 图1 为槽底部炭块从槽端部至槽中心的位置标 识，表2 列出了相应各槽底炭块最大温度梯度 D 。。 和最低温度 k 的模拟结果。从表2 可看 出，从槽端部到槽中心的阴极炭块最低温度值逐渐 增大，炭块越靠近端部，其最低温度值越小；炭块位 置相同，石墨化程度越低，最高温度梯度越大；同类 阴极炭块，从端部到中心最高温度梯度逐渐降低。 这些结果表明，采用石墨化阴极可使槽底部温度场 分布较为均匀，有利于强化电流、稳定电解过程和延 长槽服役寿命。 图1阴极炭块从槽端面至槽中心的位置 F i g ．1 L o c a t i o n so fc a t h o d eb l o c k si n a l u m i n u mc e l l 表2 槽底阴极炭块最低温度、最大温度 梯度模拟结果比较 T a b l e2 C o m p a r i s o no fs i m u l a t e dt e m p e r a t u r e a n dt e m p e r a t u r eg r a d i e n t si nb o t t o mb l o c k s 2 ．2 电解槽槽帮形状 图2 为两种电解槽在考虑热效应下的二维槽帮 轮廓。两种电解槽的槽帮形状比较规整，槽帮结壳 在阴极中的位置处于阳极投影区边缘正下方，这有 利于提高电流效率和有效保护槽内衬。半石墨质阴 极电解槽的电解质凝固等温线H 位于阴极钢棒1 ／2 处，而石墨化阴极电解槽的则移到了距阴极钢棒槽 侧面端1 ／3 处；这种差别是由于石墨化租半石墨质 阴极炭块的导热率依次减小、电阻率依次增加的缘 故。 万方数据 3 0 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 2 年6 期 图2电解槽槽帮形状与温度场分布 F i g ．2 P r o f i l e so fl e d g ea n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ec e l l 2 ．3 优化强化电流时槽帮状况及工艺参数调整 为维持原有炉帮并达到热平衡，可减少电解质 高度、提高分子比、极距降低2l - t i m 、增加铝水平3 c m 及减少覆盖料厚度2c m 。槽电压降至4 ．0 5 5V 后，电解槽热平衡体系内的电压降约为3 ．9 2V ，减 去反电动势1 ．7V ，则槽平衡体系内的发热电压V 。 一2 ．2 2V 。电流强化增加1 7 ．5k A 时，其电解槽热 平衡体系内的热平衡在单位时问 1h 内增加[ 8 ] 2 ．2 2V 1 7 ．5k A 1h 3 8 ．8 5k W h 。同时，电 解槽单位时间 1h 内降低的电热能为 △V I t 一0 ．0 3 3 5 0 1 1 0 ．5k W h 每厘米铝水相当于1 0m V 电压的散热量，铝水 平提高3c m ，可增大槽输出电热能量约1 0 ．5k w h ； 每厘米厚的氧化铝保温料相当于2 0 ～3 0m V 电压 的散热量，将阳极保温料的厚度降低2c m ，可增大 槽输出电热能量约1 7 ．8 5k W h 。表3 为某铝厂3 5 0 k A 石墨化阴极电解槽强化电流前后的操作参数， 可以看出，强化电流后电流效率有所提高。 表3 3 5 0k A 铝电解槽强化电流前后主要工艺参数 T a b l e3T e c h n i c a lp a r a m e t e r sb e f o r e ／a f t e r c u r r e n tr e i n f o r c e m e n tf o r3 5 0k Aa l u m i n u m c e l l s 图3 为降低极距2m m 、降低电解质水平1c m 、 增加铝水平3c m 、减少覆盖料2c m 、石墨化阴极槽 强化电流 5 ％ 后的温度场分布。表4 为强化后电 压分布模拟值和测量值，二者相当接近，强化电流后 降低了极距，减少了电解质高度，因而降低了槽电压 和能耗。根据国内外强化电流的实践，还可以通过 增大阳极钢爪直径增加散热量、再增加铝水平2 ～3 c m 及降低电解质操作温度等措施，进一步强化电流 到1 0 ％。 A 3 8 B 2 6 0 - C - C 4 ‘D D 5 6 0 B 珊 F - - 8 0 0 G d 抛 H - - 9 4 2 图3 石墨化阴极电解槽优化强化电流后 温度场分布 F i g ．3T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni ng r a p h i t i z e d c a t h o d e sc e l la f t e ro p t i m i z e dc u r r e n t r e i n f o r c e m e n t 表43 5 0k A 铝电解槽强化电流后电压分布 的模拟数据与测试结果 T a b l e4C a l c u l a t e da n dm e a s u r e dv a l u e so f v o l t a g ed i s t r i b u t i o ni ng r a p h i t i z e d c a t h o d e sc e l l 2 ．4 槽帮厚度实测结果与模拟值比较 图4 为3 5 0k A 半石墨质阴极电解槽槽帮三维 一篡竺黧l l 萋 一纛篇篇篇 万方数据 2 0 1 2 年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 3 1 形状示意图。无论电解槽侧部还是端部，从电解槽 中间到角部，槽帮逐渐变厚，角部厚度最大。为提高 电流效率，应加强角部的散热。 y ●Z 匕x 1 1 忙e n d w a l l 图43 5 0k A 半石墨质阴极电解槽槽帮轮廓 温度分布示意图 F i g ．4 T e m p e r a t u r ep r o f i l eo fl e d g ei n3 5 0k A c e l lw i t hs e m i - g r a p h i t i cc a t h o d e s 表5 列出了在国内某大型铝厂按照1 ．1 中的方 法测出的3 5 0k A 强化电流前和强化电流 5 ％ 后 石墨化阴极槽的槽帮厚度，表6 列出了熔体区槽壳 平均温度，并与模拟计算结果比较。考虑热效应计 算出的槽帮厚度和熔体区槽壳平均温度更接近现场 实测值，槽帮厚度测试值变化规律与模拟结果相似。 强化电流后石墨化阴极电解槽熔体区槽壳平均温度 显著低于强化前，因为强化电流后槽内铝液高度大， 增加了散热面积。强化电流后的槽帮接近设计值 1 0c m ，能达到热平衡，在强化电流基础上能够保持 规整炉膛，实现增产降耗的目的。 表53 鳓k A 石墨化阴极电解槽强化前后不同位置 上槽帮厚度的模拟数值与测试结果 T a b l e5C a k u l a t o da n dm e a s u r e dv a l u e so fl e d g e t h i c k n e s si n3 5 0k Ag r a p h i t i z e dc a t h o d e sc e l l 注括号内为未考虑热效应的槽帮厚度模拟值 表63 5 0k A 石墨化阴极电解槽强化电流 前后熔体区槽壳平均温度的模拟数值 与测试结果 T a b l e6C a l c u l a t e da n dm e a s u r e dv a l u e so f s h e l lm e a nt e m p e r a t u r eO Hm e l ta r e ai n3 5 0k A g r a p h i t i z e dc a t h o d e sc e l l 注括号内为未考虑热效应的槽壳平均温度模拟值 3结论 1 3 5 0k A 电解槽可采用石墨化阴极强化电流， 在考虑反应热效应条件下，通过有限元数值模拟方 法分析优化强化时操作参数对槽帮形状、槽底碳块 温度场和电解质凝固等温线的影响，有助于制定实 现面向提高电流效率、增强槽运行稳定性的参数调 控方案。 2 大型槽采用石墨化阴极可强化电流5 ％～ 1 0 ％，需降低铝液水平3 ～5c m 、减少覆．盖料厚度 2 ～3c m 和降低操作温度等相关操作参数配合，可 维持原槽帮厚度和热平衡，有利于提高电流效率、降 低电耗。 3 石墨化阴极电解槽炉底温度场分布更加均 匀，较石墨质阴极更有利于强化电流。 4 电解槽端部和侧部的槽帮从槽中心到角部逐 渐变厚，角部厚度最大，应加强角部散热来提高电流 效率。 参考文献 [ 1 ] 邱竹贤．预备槽炼铝[ M ] ．3 版，北京冶金工业出版社， 2 0 0 5 1 5 5 - 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