500kA预焙铝电解槽工艺现状评述

1、500 kA预焙铝电解槽工艺现状评述doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2015.06.011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 731000）摘要：介绍500 kA大型预焙电解槽技术条件的选择和电解槽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。从整体上看，电解槽槽况稳定，运行正常，电流效率达92.0%以上，吨铝电耗小于13 200 kWh，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：500 kA铝电解槽；槽温；电流效率；槽电压；效应系数中图分类号：TF821文献标志码：A文章编号：100

2、7-7545（2015）06-0000-00Commentary on Technical Status of 500 kA Prebaked Aluminum CellLIU Zhen-qian, CAO Ya-bing, WANG Xiao-kang（Branch of Gansu Dongxing Aluminum Industry in Jiayuguan, Jiayuguan 731000, Gansu, Chain)Abstracts: Selection of technological specification and operation under current proc

3、ess condition of 500 kA large-size prebaked aluminum cell were introduced. The solutions to address problems were put forward. On the whole, electrolyzer runs normally and stably with current efficiency of 92.0% above and power consumption of 13 290 kWh/t below. Matching of technical conditions and

4、controlling of technological parameters are satisfactory.Keyword: 500 kA aluminum cell; temperature of cell; current efficiency; cell voltage; effect coefficient酒钢集团东兴铝业有限公司（以下简称东兴铝业）500 kA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2011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、500 kA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500 kA电解槽电解质成分的优化和改善。2013年15月东兴铝业500 kA铝电解系列电解质成分如表1所示。表1 电解质组成Table 1 Electrolyte composition月份Al2O3/%KF/%LiF/%MgF2/%CaF2/%分子比1月2.52.13.81.01.92.92月2.42.13.91.01.92.93月2.32.23.91.01.92.84月2.22.34.01.02.02.75月2

6、.02.34.01.02.02.7由表1可知，东兴铝业500 kA铝电解系列的电解质分子比较高，为2.7以上，KF、LiF的含量比较高，而且递增趋势明显，尤其是LiF的含量很高。KF、LiF都有助于降低电解质的初晶温度、提高电解质的导电性、提高电流效率；KF对Al2O3的熔解有明显的促进作用，但LiF却对Al2O3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1。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KF含量却完全符合生产要求。此外由表1可以看出，MgF2

7、和CaF2的含量变化不大，维持在一个相对稳定的区间内。收稿日期：2015-01-14作者简介：刘振乾（1966-），男，甘肃嘉峪关人，工程师.综上所述，由于LiF含量偏高，造成初晶温度偏低，使得500 kA电解槽的热稳定性变差，电解质对Al2O3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Al2O3的熔解和保证电解槽的热稳定性。另外考虑到添加剂MgF2和CaF2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MgF2和CaF2的含量分别保持在1%和2%。1.2 电解质温度电解

8、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10 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2013年15月东兴铝业500 kA铝电解系列部分指标。表2 生产指标Table 2 Production index月份电解质温度/槽电压/V效应系数吨铝炭耗/kg1月9534.010.0654952月9423.980.0554923月9403.970.0454904月9383.970.0404855月9363.950.030483从表2可见，东兴铝业500 kA铝电解系列的电解温度逐月降低，当前的平

9、均电解质温度在935940 。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Bullard和Przybycien得出的电解质体系中各成分的含量与初晶温度的关系3：T=1010.60-0.177AlF32-0.0005AlF34-6.646Al2O3+0.168Al2O32-2.853CaF2-4.60MgF2-9.20LiF （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AlF3为电解质体系中游离的AlF3含量。根据表1的相关数据由公式（1）可计算出分子比为2.72.9时，电解质的初晶温度为925.4927.1 ，此时实际生产的电解温

10、度为935940 ，即过热度为813 ，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500 kA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500 kA铝电解系列的电解温度保持在935940 ，过热度控制在813 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

11、的间距每缩小1 cm，电解槽的电流效率就降低24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=pIL/s （2）ln p=-1.9015-0.162CR+17.38Al2O3+3.955CaF2+9.277MgF2-21.55LiF+1.7457T-110-3 （3）式中，p为电解质的电导率，（Sm-1）；I为电流强度（A）；L为极距（cm）；s为阴极面积（cm2）；CR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

12、的影响。因此，东兴铝业500 kA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3.950 V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，电解铝企业对两水平的选择都十分重视6。由于东兴铝业500 kA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2324 cm（出铝后），选择较低的铝水

13、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

14、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500 kA铝电解系列电解槽电解质水平选取在1719 cm。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6曲线。图1 电流效率与氧化铝质量分数的关系曲线Fig.1 Relationship between current efficiency and mass fraction of alumina从图1可以看出，当Al2O3质量分数小于4.0%时，电流效率随着Al2O3浓度的降低而增加。当控制Al2O3

15、质量分数小于3.0%时，电流效率可保证在92.5%以上。当控制Al2O3质量分数在2.0%2.8%时，电流效率可达到92.5%93.5%，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500 kA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

16、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C2F6、CF4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615 ，要恢复到原来温度需要12 h，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

17、槽负责制，加强效应控制管理。通过表2可以看出，目前我们的效应系数保持在0.32次/（槽日），由于目前500 kA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0.018次/（槽日），以保证生产需要。1.6 阳极炭耗东兴铝业500 kA大型铝电解槽系列使用的预焙炭阳极尺寸为：长度1 750 mm、宽度740 mm、高度620 mm。电解槽阳极为24组(48块)，每块阳极底部面积为12 950 cm2，阳极电流密度d阳=0.804 A/cm2，电流效率=92%，阳极净耗量Wc=410 kg/t，阳极假密度dc=1.56 g/cm，由此可算出阳极理论消

18、耗速度8为：hc=（8.054d阳Wc）/dc10-3=1.56据统计，东兴铝业500 kA电解系列电解槽端部的残极平均高度为16 cm，全槽残极最高为17 cm（出现在电解槽端部）；槽中部残极平均高度为15 cm，全槽残极最低为14 cm（出现在电解槽中部）。造成这种差异的主要原因是500 kA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1 cm。另外，安装新极的高度比残极原位置高1.5 cm，因此可计算出换极周期为：=(H-HL)/hc+1=(62-(16+15)/2)/1.56+1=30.8（天）从使用

19、31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500 kA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12 cm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