（有色金属冶金专业论文）160ka预焙铝电解槽强化电流试验研究.pdf

摘要 作者通过对青海分公司1 6 0 k a 电解槽扩容到1 8 0 k a 后的磁场、流 场、电压平衡、电流效率和热平衡进行各种测试分析与计算，得出了 如下的研究结论： 1 ) 在原有电解槽内衬结构和母线配置不变的情况下将阳极从 1 4 0 0 m m 加长到1 5 0 0 眦，在技术上是完全可行的，而且将阳极两侧各 向外延长5 0 咖的方案最好； 2 ) 电流扩大后电解槽内的磁场强度有所增加，但不影响电解槽 的正常生产，同时电解槽的流速差有所减少，这样可减少因此而引起 的铝液的波动，有利于电流效率的提高和改进； 3 ) 电流扩容后，阳极电流密度、阳极和阴极电压降增加微小或 不增加，不会造成阳极工作条件变坏和电耗的增加； 4 ) 在现行1 6 0 k a 电解槽的电流密度条件下，极距降低2 毫米是 可行的，同时扩容后电解槽的阴极电流密度增加，有利于电流效率的 提高；槽电压的适当降低，不但稳定了槽帮结壳的厚度，而且吨铝直 流电耗降低了1 5 0 k w h 以上。 电解槽的扩容改造在增加少量投资的情况下，不但增加了铝电解 的产量，而且使电流效率、电耗等经济指标得到了提高，具有很好的 推广价值。 关键词：铝电解，扩容，电流效率，吨铝电耗 a b s t r a c t t h r o u 曲m u l t i f a r i o u st e s ta n a l y s ta n dc a l c u l a t i o no ft h em a g n e t i c f i e l d 、n o w6 e l d 、v o l t a g ee q u i l i b r i u m 、c u r r e m e 蚯c i e n c ya n d h e a tb a i a l l c e a b o u tt h ec e l lo fq i n g h a ib r a n c hc o m p a n y ，w h i c he x p a n di t s c u r r e n t 厅o ml6 0 k at o18 0 k a t h ec o n c l u s i o ni sb e l o w ： 1 ) i ti sc o m p l e t e l yf e a s i b i e i nt e c h l l i c a la b o u tp r o l o n gt h ea n o d e 丹o m1 4 0 0 m mt o1 5 0 0 m mw h i i ek e e pt h ec o n f i g u r eo f t h e i 1 1 n e ri i n i n g s t m c t u r ea n db u su n c h a n g e d ，a i l dt h eb e s ts c h e m ei se x t e n de a c ha n o d e 5 0 m mt oo u t s i d e 2 )a l t h o u g hm ec e l lm a g n e t i ci n t e n s i 哆w i l l i n c r e a s et os o m e d e g r e e ，t h en o 姗a le l e c t r o l y s i sp r o d u c t i o ni s n te f f b c t e d ，w h i l e a tt 1 1 e s a m et i m e ，t h ec e l l v e l o c i t yo fn o wd i s p a t c hw i i ld e c r e a s e ，w h i c hw i l l r e d u c em en u c t u a t i o no fa l u m i n u mf l u i d a n di n c r e a s e 也ec u n | e n t e f f i c i e n c y 3 ) a 矗e rt h ee n l a 唱eo fc u r r e n t ，a n o d ec u r r e n td e n s i t y 、a n o d ea 1 1 d c a t h o d e v 0 1 t a g e w i l li n c r e a s el i t t l eo rn o n e ，w h i c hw i l ln o tm i nt l l e a n o d e o p e r a t i o n c o n d i t i o na n dw i l ln oi n c r e a s et h ee l e c t r i c i t yc o n s u m e 4 ) u n d e rp r e s e n tl6 0 k ac e l lc u r r e md e n s i 劬i t sa b l et or e d u c e 2 m mo fm ep 0 1 a rd i s t a n c e ，a n dt h ec e l lc a t h o d ec u r r e md e n s i t yw i l l i n c r e a s ea r e rt h ee n l a 唱eo f c u r r e n t ，t h i si sp r o f l t a b l ef o rt h ei m p r o v e m e n t o fc u n | e n t e f f i c i e n c ) l t h ep r o p r i e t yd r o po fc e l l v o l t a g ew 订l n o to n l y s t a b l et h et h i c k n e s so fl e d g eb u ta l s or e d u c ea l u m i n u m e l e c t r i c i t y c o n s u m e p e r t o na b o u t15 0 k w h i nt h ec o n d i t i o no fs m a l la n l o u n to fi n v e s t m e n t ，t h ee n l a r g ec u r r e n t r e c o n s t m c to ft h ec e l lw i l li n c r e a s et 1 1 eo u t p u to fa l u m i n u ma n di m p r o v e e c o n o m vi n d e xs u c ha s ：c u r r e n te m c i e n c y 、e l e c t r i c i t yc o n s u m ea n ds oo n t h i sw o u l db ee x c e l l e n ts d r e a dv a l u e k e yw o r d ：a l u m i n u me l e c t m l y s i s ，e n l a 玛ec u r r e n t ，c u r r e n te m c i e n c y ， e l e c t r i c i t yc o n s u m ep e r t o na l u m i n u m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包括他人已经发表过的 研究成果，也不包括为获得中南大学或其他单位的学位或使 用的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在 在论文作了明确的说明。 作者签名：锣多日期：堕年上1 月上 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定。 即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、 缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有 关规定送交学位论文。 作者签名_ - 主丝墨导师签名：日期!年_ 月 日 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 强化电流是世界铝工业的发展趋势 电解铝行业的发展，一方面靠建设规模较大的新厂，一方面靠扩建现有的 电解铝厂。新建铝厂的投资一般较大，如果包括与之配套的阳极厂的投资在内， 吨铝投资在1 5 0 0 0 1 6 0 0 0 元之间( 国内) 。扩建项目的投资，大约在吨铝l o o o o 元左右。国外铝厂的基建投资一般是中国的1 5 2 倍。因此，近些年来，国内 外多家铝厂通过适当提高系列电流( 称为强化电流) 的方法，充分利用已有设 施( 电力、电解槽) 的潜力，可以用很少的投资，较多地提高铝的产量，从而 获取明显的经济效益。与新建和扩建相比，强化电流的方法是最经济的。众所 周知，提高电流效率，可以在用电不增加的情况下提高铝的产量。但是，电流 效率从9 2 提高到9 5 ，已经是比较难的了，而其产量的提高，不过是3 。如 果把电流从1 6 0 k a 提高到1 8 0 k a ，则产量可以提高1 2 5 。当然，提高系列电流 要根据各铝厂的实际情况，更要以先进的电解技术来支撑。从某种意义上讲， 这不单单是靠提高系列电流而实现，这是一个系统工程。 国外铝厂强化电流的例子很多。挪威桑达尔铝厂的三期电解槽，1 9 6 9 年投 产时的电流强度为1 3 8 k a ，到了1 9 8 5 年电流强度增加到1 5 l k a ，1 9 9 7 年增加到 1 6 0 k a 。2 0 0 0 年他们在该系列1 4 台电解槽上做强化电流到1 7 5 k a 的试验。试验 槽运行平稳，电流效率达到9 2 5 ，该厂现已在全系列电解槽上推广。电流强 度从刚投产时的1 3 8 k a ，提高到现在的1 7 5 k a ，增加了3 7 k a ，相当于提高产能 2 6 8 。每年该厂多产铝4 6 2 万吨。既使按中国的投资水平1 5 万元吨铝计算， 投资节省近7 亿元。 根据德国1 9 9 8 年轻金属杂志关于法国彼麓涅公司的1 8 0 k a 大型预焙槽技术 创新的报道，该系列电流强度从1 8 0 k a 提高到2 1 0 k a ，增加了3 0 k a ，电流效率 不但没有降低，相反却从9 4 8 9 4 g 提高到9 5 3 。 新西兰迪拜铝厂新系列2 0 0 k a 大型预焙槽一年的运行结果显示，阳极电流 密度高达o 。8 8 a c m 2 ，电流效率高达9 5 5 。这种高电流密度的电解槽堪称世界 一流，属目前最先进的电解槽技术。相比之下，我国大型预焙阳极电解槽的阳 极电流密度至今还没有超过o 7 3 a c m 2 。这反映了我国在电解槽设计、阳极质量、 中南太学碰士学位葩文 第一章文献综述 内衬质量等多方面的差距，同时也显示出在提高阳极电流密度方面，我们有 很多潜力可挖。由于高电流密度铝电解槽是在不降低电流效率和不增加设备的 情况下提高铝电解反应速度，以提高铝的产量，大幅度地提高劳动生产率， 夫幅度降低生产成本，从而产生显著的经济效益，所以，它也是当今铝工业的 商新技术。开发高电流密度的电解槽，是一个系统的技术创新工程。 我国的很多铝厂，早就认识到强化电流的巨大经济效益，但由于局限于本 j 的供电条件、电解槽条件以及技术条件，往往是对电解槽不做任何改动，工 艺条件不变，只能增加很少的电流，比如从1 6 0 k a 强化到1 6 3 1 6 5 k a ，从1 9 0 k a 强化到1 9 6 k a ，既使这样，往往还耍牺斗生一点儿电流效率指标。这和上述国外 的情况完全是两回事，这里面缺少先进技术支撑。 因此，我国电解铝行业，喵待在设领域奋起直追，开发适合我国情况的强 化电流的电解技术。 1 2 研究现场的概况 青海分公司是中国铝业股份有限公司所属的企业，生产规模为2 5 5 力吨铝 锭，建有与之配套的规模为1 2 万吨的阳极厂以致齐全的辅助生产设施。青海分 公司分三期建成，一期工程于1 9 8 7 年1 2 月投产，一二期工程于1 9 驰年1 2 月投 产。一期和二期工程均采用了1 6 0 k a 大型顸焙阳极电解槽，每期产能10 万吨， 两个电解系列共安装j 2 0 台1 6 0 k a 电解槽。三期于2 0 0 2 年6 月投产，设计产能 5 ，5 九吨年，槽型为2 0 0 k a 大型预焙阳极电解槽，阳极长1 5 0 0 m m 。 青海分公司目前是我国规模最大的电解铝厂，是青海省的纳税大户a 建厂 卜几年来为中国铝业的发展做出了重大贡献，同时也为青海省乃至大西北的经 济发展做出丁重大贡献”。 1 3 扩容的必要性 现在运行的1 6 0 k a 电解槽，基本上是在贵州铝厂八十年代初引进的口轻技 术基础上没计的，两端进电，中间点式f 料，电流效率设计值为8 8 ，这在八 十年代的中国，属于比较先进的槽型。九十年代中期，随着国际电解技术的迅 速发展，我国丌始设计大面多点进电的大型预焙阳极电解槽，特别是1 9 9 7 年沈 中南大学硕+ 学位论义 第一辛文献综述 阳铝镁设计研究院引进先进的a n s y s 软件包以后，我国电解槽设计迅速赶上了 世界先进水平。主要表现在物理场计算结果，可以直接用于新型电解槽的工程 设计，投产后的1 6 0 k a 、1 9 0 k a 、2 3 0 k a 、3 0 0 k a 槽的实测数据与设计值基本吻合。 电解槽的优化设计，加上计算机控制技术的进步、合理的工艺制度、供电质量 和阳极质量的提高等诸多因素，使电流效率提高，吨铝直流电耗明显降低。去 年7 月鉴定的解州铝厂1 9 0 k a 电解系列，全系列6 个月连续运行的平均电流效 率达9 51 2 ，吨铝直流电耗为1 3 1 4 4 k w h ，达到困际先进水平。 青海分公司的两个1 6 0 k a 电解系列，受当时技术水平的局限，只能反映出 十几年前的电解技术水平，与现在设计的大面进电的电解槽相比，存在着较大 差距。但南丁受各方面因素的制约，绝不能扒倒重来，亦不可能全系列停产进 行技术改造。根据青海分公司现有的供电设施，增加设备机组后，具有分别为 两个电解系列提供2 0 0 k a 系列电流的能力，而现有电解槽的槽膛宽度，尚有适 当加长阳极以便提高系列电流到1 8 0 k a 的余地，因此提出这次扩容改造。这次 扩容改造，由丁利用原有供电设施，电解槽的台数、槽壳、阴极、母线均不改 变，只改变阳极尺寸改变侧部炭块，电流密度稍有增加，系列电流就可以从 现在的1 6 0 k a 提高到1 8 0 k ，这样，在不影响生产的前提下，可以用较少的投 资，增加两个电解系列的产能，将明显地提高企业的经济效益。 1 4 扩容的可行性 青海分公司的现有条件，已基本满足扩容改造的要求a ( 1 ) 电力供应：电网可满足扩容的需要。 ( 2 ) 整流设施：槽数不增，现有1 1 5 0v d c 的系列电压不变。每个系列由4 台5 6 k a 机组供电，最大直流输出可达2 2 4 k a ，满足1 8 0 k a 的需要a ( 3 ) 阳极块的长度从1 4 0 0 【1 1 i n 延长到1 5 0 0 m ，现有电解槽的炉膛宽度可以 满足。 ( 4 ) 阳极焙烧炉可以焙烧长为1 5 0 0 m 的阳极炭块。 ( 5 ) 改造现有的阳极组装设备，使其适应四爪阳极组的生产。增加电解烟 气净化系统及焙烧烟气净化系统的烟气处理能力，增加焙烧产能以及其它相关 设备的改造，都是可以实现的。 1 中南大学顿士学位论义 第一章文献综述 ( 6 ) 可实现不停产改造。侧部炭块的更换仅在槽大修时进行。 综上所述，这次扩容改造是完全可行的。 1 5 本课题研究的目的和意义 综上所述，强化电流已经成为在投资很少的情况下大幅度提高铝产量的重 要途径。我国在这方面的技术还远远落后于先进的西方国家。青海分公司1 6 0 k a 电解系列扩容改造势在必行，将产生巨大的经济效益。 但是，1 6 0 k a 提高到1 8 0 k a ，并不是轻而易举的事，要经过试验，在试验中 解决电解槽的热平衡、磁场、电压平衡等问题。在没有在试验槽上开发出这一 套技术及取得实际改造经验以前，不能冒然地对5 2 0 台槽进行改造。因此，试 验工作是整个扩容改造成功与否、顺利与否的关键，是实施该工程的重要前提。 这次扩容试验成功后，不仅可以为青海分公司扩容改造打下坚实可靠的基础， 而且还将为全国铝行业的扩容改造开辟出一条平坦大路。 中南人学碗士学位论文 第二章扩容试验的技术路线与技术方案 第二章扩容试验的技术路线及技术方案 21 技术方案 2 1 1 对称、偏心阳极两种方案的选择 1 6 0 k a 预焙槽扩容到1 8 0 k a ，阳极电流密度由原来的0 7 2 1 5 a c m 2 提高到 0 ，7 5 7 6a c 砰，是通过延长阳极长度来实现，阳极碳块的长度由原来的1 4 0 0 m m 延长到1 5 0 0 m m 。根据阳极导杆和阳极碳块的相对位置，对称阳极和偏心阳极均 能实现试验的要求，这两种方式，也是近年来各电解铝厂进行扩容所选择的方式。 在电解槽上部结构和电解槽槽体没有变化的情况下，为保持中间打壳下料不受影 响，电解槽中缝我们仍保持2 5 0 m m 的距离，这种情况需采用偏心阳极。但根据我 厂的实际情况，现我厂一、二、三期三个电解系列采用两种规格的阳极，一、二 期采用1 4 0 0 6 6 0 5 5 0 的三爪碳块，三期采用1 5 0 0 6 6 0 5 5 0 的四爪阳极，如 果扩容试验取得成功，一、二两个系列电流将由现在的1 6 0 k a 扩容到1 8 0 k a ，相 应的阳极也由1 4 0 0 6 6 0 5 5 0 三爪阳极改为1 5 0 0 6 6 0 5 5 0 四爪阳极，全分公 司将采用同一种型号的阳极，届时分公司阳极生产将做到统一管理。为了使1 5 0 0 6 6 0 5 5 0 的四爪对称阳极能满足这次扩容的需要，我们采用了在阳极大母线 上加铝垫片的方法，将阳极铝导杆向外位移5 0 m m 的距离，这样既保证了中缝不 发生变化，又能保证四爪对称阳极满足我们试验的要求。 2 1 2 侧炭的选择 为了得到较长的铝电解槽寿命，侧壁材料必须选择具有一些特殊的性质。它 们必须能抗化学及物理腐蚀及空气氧化，具备所有这些的同时还需具有足够的热 量传递能力，进而建立一层凝固电解质伸腿“3 。 碳化硅系列耐火砖材料具备热传导率高，高温下机械强度高，抗氧化性、抗 热震性、抗腐蚀性好等优点。碳化硅还是一种低电导率材料，这种特性有利于减 少电解电流流向侧壁。 为降低成本和增加制品加工灵活性，一种新改进的侧壁复合块已被发展为预 焙槽或自焙槽的侧部内衬。它将无烟煤炭块用胶结剂粘结到碳化硅砖上。在阴极 侧壁上碳化硅层提供了良好的抗腐蚀和抗氧化性，可保持稳定的电解质伸腿。 中南丈学硕士学位论文 第二章扩容试验的技术路线与技术方案 铝液侵蚀实验表明，铝液对碳化硅试样的腐蚀程度很小，未发现铝液渗透于 试样中，且铝液不与碳化硅发生反应。 铝电解质腐蚀实验中，碳化硅试样具有良好的抗电解质腐蚀能力，其侵蚀形 式主要是电解液往试样内渗透。渗透程度与电解质分子比无太大关系，而且渗透 主要发生在侵蚀前面的2 4 小时内。2 4 小时以后，碳化硅的重量和体积基本保持 不变。 在抗高温空气氧化实验中，碳化硅试样在高温空气中具有很强的抗氧化能 力。在电解腐蚀实验中，碳化硅试样较传统阴极碳块明显耐电解质腐蚀和抗空气 氧化，试样的腐蚀主要发生在两相交界面区域，尤其是在电解液气体界面区域。 碳化硅试样电阻率远远高出传统阴极侧壁内衬材料。从性能看，碳化硅砖完 全可以作为新型铝电解用阴极侧壁内衬材料，且比传统阴极侧壁材料更优异。 侧部碳块由普通碳块改为氮化硅结合碳化硅块，会提高槽侧外壳散热能力， 有助于槽帮结壳。 因此，在这次试验中，侧壁碳块我们选择带有氮化硅结合碳化硅粘层，和不 带粘层而采用普通侧碳。也就是采用原有的侧碳的两种方案。 2 1 3 试验方案的确定 根据青海分公司的情况，这次扩容改造遵循如下原则： ( 1 ) 电解槽两端迸电的方式不变。这主要是考虑到现有使用的天车是低位天 车，大面不能进电。 ( 2 ) 槽壳不变。 ( 3 ) 阴极不变。这样可以在不停槽的情况下进行扩容改造。 ( 4 ) 变压器和整流设备不变。 ( 5 ) 电解槽的主要生产指标不变。 ( 6 ) 在以上几个不变的情况下，尽可能地加大系列电流。 根据须遵循的原则，我们在这次试验中选择的方案是： 选择台试验槽，阳极加长1 0 0 咖，中缝为2 5 0m m ，侧部碳块为氮化硅结合碳 化硅，厚度为1 2 5m m 。其余七台槽选用阳极加长1 0 0 衄，中缝为2 5 0 衄，侧部碳 块不变的方案。 中南大学硕士学位论文 第二章扩容试验的技术路线与技术方案 2 2 方案的实现办法 铝电解生产过程的特点是将几万、十几万甚至几十万的直流电通入熔融状态 下的电解质，通过电化学反应生产出电解铝。所谓电解槽的扩容改造，是指在原 设计投产的系列电流的基础上，较大幅度地增加电流，从而提高电解槽生产能力。 通过扩容改造，以较少的投资获取显著的经济效益。系列电流的增加，必须以最 经济实用的方案对电解槽加以改造。其中在阳极方面一般加长阳极尺寸。 在不改变阳极中缝宽度的前提下，寻求一种采用对称阳极组实现铝电解槽扩 容改造的最经济实用的新方法。在电解槽上原有的与阳极导杆相连接的两侧阳极 水平母线上，分别在其外侧加一个铝制垫块，垫块的长度与水平母线的宽度相同， 挚块的宽度以能方便安装导杆卡具为准，垫块的厚度为阳极炭块加长量的一半， 如图2 1 。 1 阳极大母线2 铝垫块3 阳极导杆4 阳极钢爪 5 阳极炭块6 阴极7 槽内衬 图2 一l采用对称阳极实现电解槽扩容改造示意图 在这次扩容试验中，阳极炭块长度加长了1 0 0 m m ( 从1 4 0 0 嘞加长到1 5 0 0 m ) 。 则所需铺设垫块的厚度为5 0 m ，即使阳极导杆沿槽外侧方向水平移出5 0 m m ，这 样，阳极中缝宽度与扩容前一样，仍为2 5 0 咖。 中南人学硕士学位论文第二章扩客试验的技术路线与技术方案 2 3 试验前期的准备工作 2 3 1 供电系统的准备 8 台试验槽所需2 0 k a 的叠加电流由可移动式2 2 k a 、1 2 0 v d c 调压整流一体化 电源装置提供。该装置包括1 台整流变压器( 3 1 8 0 k v a 、2 7 级有载调压开关) 、 整流柜、控制和保护柜、水冷系统、母线等。变压器一次侧电压为6 3 k v 。该整 流系统要实现对地隔离，使2 0 k a 供电系统悬浮，避免与1 6 0 k a 电流叠加时产生 不利影响。附加电流小母线的进出线及在电解车间的布线已考虑对原1 6 0 k a 槽磁 场形成的额外干扰，使进出布线反向，2 0 k a 产生的磁场相互抵消。附加小母线 的布置如图2 2 所示： 酏 趟 铡 蟋 剥 划 暑 8 台试验槽 图2 2附加小母线布置 电解生产所用的直流电供电系统，具有容量大、可靠性高的特点，其整流变压器、 整流器、控制、保护、冷却系统等，一般均为独立安装配置。因此，所组成的供 电系统是分体的，不可移动的。 铝电解的扩容试验，需按工艺要求，在电解系列中任意选定槽号相连续的 若干台电解槽，做为试验槽，在原有系列电流的基础上，叠加电流，而原有供电 系统不变。如果仍采用传统的供电方式，试验槽的选择将受到限制，叠加电流所 需铺设的临时母线的投资会大幅增加。为此，需研制一体化可移动式强直流供电 电源装置。 根据青海分公司1 6 0 k a 铝电解槽扩容至1 8 0 k a 电解槽试验的需要，对8 台 槽号连续的试验槽，在原有1 6 0 k a 的基础上，叠加2 0 k a 电流。该电源装置的额 8 中南大学硕士学位论文 第二苹扩容试验的技术路线与技术方案 定输入电压6 3 k v ，额定直流输出2 2 k a ，最高输出电压1 2 0 v ，在整流变压器中 合有2 7 级有载调压开关。将整流变压器、整流器、控制、保护、水冷系统、母 线等做成一体。可按试验槽的选择就近安装。该装置具有过流、速断和过负荷保 护及水冷系统温度高保护、整流元件过压击穿保护等功能，并具备远方与就地监 控操作功能。图2 3 是该装置的总体结构示意图。 整流变压器( 4 ) 的一次侧( 1 ) 通过电流引入6 3 k v 的输入电源，2 7 级有 载调压开关( 3 ) 安装在整流变压器( 4 ) 中，有载调压 图2 3 一体化可移动式2 2 k a 供电装置总体结构示意图 开关的控制箱( 2 ) 安装在该装置的一侧。整流变压器的二次侧通过母线铜排( 5 ) 与整流器( 6 ) 相连接，整流器通过输出母线( 1 0 ) 将直流电接入原系列直流大 母线。水冷系统主要由水泵( 7 ) 和冷却风机( 8 ) 组成。为方便检修和巡视，该 装置内设有检修通道( 1 1 ) 。该装置有就地显示操作控制箱( 9 ) ，并通过它把 远方显示、操作控制的信号通过电缆送到原整流所的主控室的监控操作盘上。 该装置的底部安装有导轨，用汽车运到所选定的试验槽的入电端附近，可 以再行调整移动位置，再行定位。 从试验过程中的使用情况来看，该供电装置运行良好。 中南大学硕士学位论文 第二章扩容试验的技术路线与技术方案 2 3 2 单极可调式母线提升装置 扩容试验之前，用近一个月的时间，将原有长1 4 0 0 呲的三爪阳极替换为长 1 5 0 0j 亦l j 的四爪阳极，这样在电解槽的正常生产过程中就会有两种规格的阳极组。 但是随着阳极的不断消耗，阳极母线的位置会不断下移，当母线接近上部结构的 密封顶板，或吊起母线的螺旋起重机丝杠快要到头时，就必须实施抬母线作业。 而现有的母线提升装置，都是按阳极导杆在电解槽上固定的物理位置设计的，只 适用于在同一台电解槽上挂装同一种规格的阳极组。如果在同一台电解槽上，同 时具有两种不同规格的阳极组时，以往的母线提升装置便不能实现母线提升的任 务了。 青海分公司在扩容试验中采用了对称阳极组。为此，要研制出一种特殊结构 的单极可调式阳极母线提升机，它能在同一台电解槽上有两种不同规格的阳极组 时，完成母线提升作业。 青海分公司在扩窖试验中采用了对称阳极组。为此，研制了一种特殊结构的 单极可调式阳极母线提升装置如图2 4 ，它能在同一台电解槽上有不同规格的阳 极组时，完成母线提升工作。单极可调式阳极母线提升装置的特点是：机架上安 装2 4 个夹紧机构、2 套夹具开闭机构及小车轨道等。将夹紧机构从吊架( 2 ) 与 抱筒( 6 ) 处分开，距离为5 0 m m ，在吊架下方焊后加工一组滑槽形轨道( 4 ) ， 在抱筒( 6 ) 上焊后加工一组滑块，组装吊架( 2 ) 与抱筒( 6 ) 时，在滑槽形轨 道( 4 ) 与滑块之间加注润滑油以减少摩擦阻力。将抱筒( 6 ) 用螺栓与气缸( 3 ) 的活塞杆联接，气缸( 3 ) 安装在吊架外侧的吊板上并垂直于抱筒( 6 ) ，确定气 缸( 3 ) 的工作行程为炭块加长长度的半。2 4 个夹紧机构相对于机架( 9 ) 中 心线a a 做纵向直线运动，从而实现单个阳极可调。该设备a 、b 两侧各配备 用以控制单个气缸的操作盘( 1 2 a ) 、( 1 2 b ) ，根据需要移动抱筒。 单极可调式阳极母线提升装置的机架机械性能好、刚性高，承受载荷大。机 架与夹紧机构之怄j 进行绝缘，每个接点的电阻大于2 兆欧姆，使用安全可靠。该 设备在电解槽上的工作应视两种不同阳极在电解槽上分布状况的不同，操作控制 单个普通气缸操作盘( 1 2 a ) 、( 1 2 b ) 实现抱筒( 6 ) 相对于机架( 9 ) 的纵向移 动。该设备以压缩空气做动力，通过操作盘上的( 2 0 q a ) 、( 2 0 q b ) 按钮，控制 夹紧机构上的薄膜气缸( 5 ) 工作，推动压缩弹簧实现阳极导杆进入夹具( 7 ) ； 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章打容试验的技术路线与技术方案 通过操作盘上的( 2 0 q a ) 、( 2 b ) 按钮，控制夹紧机构上的倾斜气缸( 1 ) 工 作，使阳极母线提升时，不论两种规格的阳极组在现行槽上的位置分布如何，2 4 个阳极组的导杆均能近靠阳极母线，进入准备提升状态。槽上作业时，通过夹具 开闭机构的控制盘( 2 0 q a ) 、( 2 0 q b ) 实现气动马达工作，输出扭矩拧紧或松动 阳极夹具上的紧固螺栓，使阳极组与阳极母线联接或断开；操作控制盘( 2 0 q a ) 、 ( 2 0 q b ) 实现夹具开闭机构在小车轨道( 1 0 ) 上横向移动。母线提升机的夹紧机 构如图2 5 ，本装置已申报国家发明专利。 2 3 3 阳极交换 整个试验过程是在电解槽不停产的情况下进行的。因此在试验前我们须完成 阳极的更换与铝垫板的安装准备。阳极组的更换按原来的正常周期和交换顺序进 行“1 ，以四爪阳极替换原来的三爪阳极。在换极过程中同时穿插铝垫板的安装工 作。 2 4 试验中需要论证的问题 选择最佳的电解槽阳极电流密度或槽电流，评价其好坏也有一个标准问题。 首先从工艺上讲，工业铝电解槽强化生产后，应该不出现热行程，技术经济技术 指标应以不明显升高和下降为准则。铝电解槽增加电流，强化生产后也可能是： 生产稳定，但电流效率稍有降低，电耗指标稍高一些。这种情况，对于电力充足 的厂家和地区来说，从技术经济角度分析，也可能仍然是合理的”3 。 目前我国大多数铝厂的电解槽的阳极电流密度偏低，并未能使投资效益达到 最大。在电力供应得到保障和原材料得到保障的前提下，用增加电流的方法可以 在不增加任何投资的情况下，将其生产能力提高5 1 5 ，因此可以显著的提高 工厂的经济效益。 铝电解强化生产后，采用不适当的管理、技术条件，不但不能达到预期的目 标，反而会适得其反。因此。研究适当的技术条件，使其更加有利于我们的生产 是我们这次试验的重点。 中南人学硕十学位论文 第二章扩容试验的技术路线与技术方案 一一18 - 图2 4 母线提升机侧视图 中南人学硕士学位论文 第二章扩容试验的技术路线与技术方案 7 商 、l ， 露 l 3 罩 m 图2 5 母线提升机夹紧机构 | 3 ! 堕茎主塑兰堂垡塑 塑兰垦堇墅堕查兰壁墨塑堡 第三章试验内容与结果讨论 3 1 工艺条件的研究 3 1 ，1 电解质温度 电流温度指的是电解质温度。电解质温度的高低取决于电解质初晶温度，电 解质初晶温度就是液体电解质开始有固体析出的温度。正常的电解生产所需的温 度比初晶温度高出2 0 3 0 ，如果温度过高造成电流效率的降低，实践证明， 电解温度每升高1 0 ，电流效率降低o 5 个百分点。但如果采用过低的电解质 温度，氧化铝的溶解度会受到影响，在生产中炉底将产生大量沉淀，从而对生产 带来一系列的影响”1 。 实现低温电解首先要降低电解质初晶点，我们在生产中采用低分子比的电解 质，配合相应的工艺制度，取得了很好的效果”1 。 试验期间电解质温度测量如表3 1 和图3 1 所示： 表3 一l试验槽电解质温度测定表单位： 越 9 81 0 41 1 41 2 41 3 41 矿1 5 41 6 。 平均 1 0 月2 7r 9 2 59 4 29 3 49 2 59 2 39 2 39 2 59 5 59 3 2 1 0 月2 8 日9 4 29 5 29 4 29 4 09 3 29 3 69 3 99 5 6 9 4 2 l o 月2 9 日 9 7 09 6 79 4 99 5 29 5 19 3 89 5 39 8 29 5 8 1 0 月3 0 同 9 7 59 6 09 5 89 6 09 5 99 4 59 6 l9 7 59 6 2 l o 月3 l 同 9 7 89 7 49 6 79 6 69 6 69 4 49 5 59 7 79 6 6 1 1 月1 日 9 6 29 7 29 5 79 5 49 5 99 4 99 5 59 5 99 5 8 1 1 月2 日 9 7 49 6 89 6 09 6 49 7 39 5 19 5 09 7 29 6 4 1 1 月3 日 9 6 29 6 89 5 29 5 49 5 99 5 19 5 79 5 99 5 8 1 1 月4r 9 7 39 7 19 5 59 5 49 8 29 8 19 6 89 8 09 7 l 1 1 月5 目 9 5 49 5 59 5 39 3 99 6 59 6 59 5 19 7 09 5 7 1 1 月6 同 9 5 39 5 49 6 19 6 59 5 49 7 09 6 49 6 89 6 1 l1 1 月7 日 9 4 79 5 39 5 59 3 89 4 69 4 29 4 19 6 59 4 8 中南大学硕十学位论文第三章 试验内容与结果讨论 1 1 月8r9 4 4 9 5 49 5 79 5 l 9 4 89 6 29 4 99 6 69 5 4 1 1 月9 日 9 4 19 5 09 5 79 5 69 4 99 4 39 4 49 6 09 5 0 1 1 月1 0 日 9 4 09 4 69 6 19 4 89 4 09 4 09 3 09 5 89 4 5 1 1 月1 1 同 9 4 69 5 99 6 39 4 69 4 99 4 l9 3 99 5 99 5 0 1 1 月1 2 同 9 4 29 3 79 4 39 2 79 4 09 3 59 4 19 3 79 3 8 1 1 月1 3 日9 4 1 9 3 99 5 09 3 89 5 19 3 49 3 99 5 19 4 3 1 1 月1 4 日 9 4 09 4 29 4 99 3 49 5 4 9 2 69 4 79 3 89 4 1 1 1 月1 5 日 9 4 59 3 69 4 89 5 49 5 3 9 3 09 4 59 3 99 4 4 1 1 月1 6 日 9 3 39 2 59 5 09 6 59 5 4 9 3 99 3 89 3 99 4 3 1 1 月1 7 同 9 3 5 9 3 29 4 69 5 39 4 99 2 89 2 89 3 5 9 3 8 1 1 月1 8 日 9 2 09 2 49 1 5 9 5 09 4 69 3 49 3 29 3 59 3 2 1 1 月1 9 日 9 4 59 3 6 9 6 79 5 99 4 79 4 29 3 3 9 4 09 4 6 1 1 月2 0 日 9 4 99 3 49 5 09 4 49 5 3 9 5 09 3 49 3 99 4 6 1 1 月2 1 日 9 4 89 5 19 4 5 9 6 59 6 69 4 89 4 19 3 8 9 4 4 1 1 月2 2 日 9 5 19 3 7 9 4 09 4 49 4 3 9 4 09 3 49 4 19 5 0 1 1 月2 3 日 9 4 69 4 4 9 4 89 6 79 5 69 3 8 9 4 l9 4 89 4 1 1 1 月2 4 日 9 4 7 9 3 39 4 29 4 l9 4 6 9 4 59 3 79 4 29 4 9 1 1 月2 5 日 9 3 29 3 79 3 8 9 4 09 4 69 4 8 9 3 59 4 89 4 2 1 1 月2 6 日 9 4 89 4 4 9 4 29 4 99 5 l 9 5 09 6 09 6 09 4 1 1 1 月2 7 日 9 5 99 4 39 5 0 9 4 79 5 19 4 39 5 8 9 7 09 5 1 1 1 月2 8 同 9 5 69 4 39 3 8 9 4 29 4 29 3 79 5 1 9 6 19 5 3 1 1 月2 9 日 9 5 99 5 l 9 4 59 5 09 4 9 9 4 29 6 09 7 l9 4 6 1 1 月3 0 日 9 5 79 5 0 9 4 19 4 89 5 0 9 4 59 5 89 6 89 5 3 1 2 月1 曰 9 5 69 4 59 4 6 9 4 49 4 8 9 3 79 4 69 6 39 4 8 1 2 月2 曰 9 5 69 3 9 9 5 09 4 09 4 6 9 3 19 3 99 6 l9 4 5 1 2 月3 日 9 5 29 3 6 9 5 39 4 09 5 19 3 0 9 4 19 6 39 4 6 1 2 月4 日 9 4 79 3 5 9 5 59 4 29 5 5 9 3 19 4 59 6 69 4 7 1 2 月5 日 9 4 5 9 4 29 5 39 5 0 9 5 19 3 59 5 4 9 5 79 4 8 1 5 中南大学硕士学位论文 第三章试验内容与结果讨论 馨慧冷慧然慧 图3 1试验槽平均温度分布表 l1 从表3 1 及图3 一l 中可以看出，9 。1 6 4 试验槽，在l o 月2 7 日强化电流前平 均温度为9 3 2 。1 0 月2 8 同强化电流后电解质温度逐渐上升，到1 1 月6 同，从 强化电流前的9 3 2 上升到9 6 1 。这和预计的电流从1 6 0 k a 强化到1 8 0 k a 后， 电解槽其它条件不变，电解质温度出于输入能量的大幅度增加雨提高的结果一 样。由于金属在融盐中的溶解度随温度升高而增大，这势必导致电解槽电流效率 降低。因此必须将电解质温度降低至适宜的温度。 为了实现热平衡，减少热能的收入量，从1 1 月6 曰开始降低试验槽极距( 即 降低设定电压) 。为确保槽况平稳，设定电压值从4 1 8 6 v 逐渐降低至4 1 3 0 v ， 也就是将极距降低了1 5 2 m m 。表1 中可看到，从1 1 月7 日开始温度逐步下降t 且趋于平稳，保持在9 4 0 左右。 在试验中，根据8 台试验槽槽龄、槽况不同，采取分别设定槽电压的方法， 在热平衡的实现方面取得了很好的效果 3 1 2 分子比 这次试验中分子比不变，保持2 2 5 2 3 5 ，仍采用酸性电解质，其优点在 于：初晶点较低，可降低电解质温度，铝溶解度小，从而可提高电流效率”1 同 时，炭渣同电解质的分离状况有所改善，槽面上的电解质结壳酥松好打，便于加 料。9 4 1 6 。槽的试验证明分子比不变，对电解槽的平稳运行，没有明显的影响。 考虑实现新的热平衡的主要方法是降低极距，因此试验槽的分子比在试验 期间未做调整。如表3 2 所示： 中南大学硕士学位论文 第三章试验内容与结果讨论 表3 2试验槽分予比统计表 愁 1 0 月1 1 月1 1 月1 1 月1 1 月1 2 月 3 0 日5 日1 2 日1 9 同2 6 日4 日 9 #2 2 32 2 92 2 42 3 02 2 72 2 8 1 0 #2 3 42 4 22 4 02 0 92 2 52 1 9 1 1 #2 2 42 3 62 3 92 2 92 2 12 2 5 1 2 #2 2 02 3 22 2 62 2 42 2 62 2 2 1 3 #2 1 22 3 22 3 l2 2 42 2 82 3 0 1 4 #2 1 32 4 32 2 02 0 92 2 3 2 1 3 1 5 #2 2 12 3 62 2 32 1 52 3 12 4 0 1 6 #2 5 02 6 42 。4 72 2 7 2 4 12 。5 2 3 1 3 槽工作电压 槽工作电压是电解槽阳极母线与阴极母线间的总电压降。取决于电解槽极化 电压和各部分导电体的电压降的大小及电解槽的类型、操作制度和加料方法。3 。 青海分公司1 6 0 k a 扩容至1 8 0 k a 后试验槽的类型、操作制度和加料方法都没有改 变。其槽工作电压主要受电解槽极化电压和各部分导电体电压降的影响。所以试 验过程中尽量减少各接点压降( 如母线与铝垫块、阳极导杆与铝垫块的压降等) ， 从减少热能的收入量方面，适当地降低极距。 在试验开始后的第四天，我们开始逐步降低设定工作电压，降低步骤及实 际调整过程如表3 3 和图3 2 所示。 从表3 3 和图3 2 可看出，设定工作电压经历了一个逐步降低的过程。到 u 月5 日，试验槽设定电压降低为4 1 0 v ，当时主要是考虑试验槽温度迟迟不降， 为避免槽内受到太大的热冲击而采取的紧急措施，迫使电解质温度降下来。运行 两天后，试验槽温度逐渐降了下来，我们考虑若长期维持4 1 0 v 的工作电压，势 必导致个别试验槽走向冷行程，因此在随后的2 天内，我们根据试验槽的槽龄、 槽况对设定工作电压重新进行单槽调整，保持在4 1 2 4 1 5 v ( 其中1 6 4 槽为新 开槽，设定工作电压保持在4 0 5 4 0 8 v ) ，此后，试验槽运行平稳，逐渐形成 新的热平衡。实践证明，这个设定工作电压是合理的。 ! 里查兰堡主兰堡笙茎 塑三童堕堕堕查兰竺墨堕堕 表3 3试验槽设定工作电压统计表单位：弼v 日期 槽号 j 矿1 0 。1 1 41 2 41 3 4 1 矿1 1 萨 1 0 月2 8 日 4 2 04 2 04 1 84 1 84 1 84 2 0 4 24 1 5 _ 1 0 月2 9 日 4 2 04 1 84 1 84 1 8 4 1 84 2 04 2 04 1 5 1 0 月3 0 日4 1 84 1 84 1 84 1 84 1 84 1 84 1 84 1 2 1 0 月3 1 日 4 1 74 1 74 1 74 1 74 1 74 1 7 4 1 74 1 0