190KA大型预焙槽强化电流研究技术报告

1、前言3一、国内外同类型槽强化电流概述4二、190KA大型预焙槽强化电流研究5（-）问题提出5（二）190KA大型预焙槽强化电流创新点5（三）强化方式概述5（四）强化电流技术参数和关键技术研究6一）阳极电流密度6二）阳极电压降和阴极电压降7三）电解质的电压降和极距8四）关键技术：电解槽的电热平衡研究10五）强化电流后，电解槽的电流效率12三、190KA大型预焙槽强化电流方案的确定13四、190KA大型预焙槽强化电流方案的实施14（一）强化电流前的准备工作14（二）强化电流方案实施14一）分5次强化电流14二）优化技术参数15（三）强化电流后日常维护16五、结果分析18六、效益分析及结论21（-）

2、经济效益：21（二）社会效益：217190KA大型预焙槽强化电流研究前吉在铝电解生产中，为了进一步提高铝产量，国内外，普遍采 用强化电解系列电流强度的方法来提高铝产量。铝电解槽强化电流的目的是为了提高生产率，降低生产成 本，但是强化电流是有一定限度的,而且有的电解槽就是不适 宜强化电流，如果电解槽强化电流后，破坏了原有的技术条件, 或者对强化电流后的技术或操作管理跟不上去，或者对强化电 流电解槽的工艺与技术特性不能很好的了解，而使电流强化后 电解槽的电流效率比强化前降低了，因此需要对电流强化进行 综合技术经济评价。泰山铝业公司一期续建62台槽电解槽，启动以来一直运行 在190KA电流强度下。通

3、过研究在强化电流期间阳极是否具有 承受电流强化到194.5KA的能力、阳极电压降和阴极电压降的 变化、电解质的电压降的变化和极距的变化所产生的电流效率 的变化以及电解槽的电热平衡等问题，通过优化技术参数，在 不改变槽型，不改变阳极炭块尺寸的情况下，分五次强化，成 功将190KA大型预焙槽从190KA强化到194.5KA。本文分六 部分对该成果进行技术研究总结。一、国内外同类型槽强化电流概述国内铝电解槽强化电流于2002年开始，但强化电流的幅度 较小，一般为1% 5% ,近年来强化电流的幅度有所加大。中铝广西分公司与青海分公司通过使用加长的偏心阳极，成 功的将160kA预焙槽强化电流到180kA

4、 ,提高系列电流 12.5% ,广西分公司2006年试验槽进一步强化电流到190kA; 兰州铝业2006年在不加大阳极尺寸的情况下，将200 kA系列 预焙槽的电流强化到220 kA ,试验槽强化到230 kA ,强化电 流的幅度达10%15%;郑州研究院在原280 kA预焙阳极电解 槽基础上通过强化电流至300 kA。国内160200kA预焙槽的阳极电流密度设计值约为 0.72A/ cm2 ,电流效率约为92% 93% ,强化电流后阳极电 流密度为0.75A/ cm2 0.83A/ cm2 ,电流效率提高了约0.2 个百分点，总的来看国内强化电流后电流效率变化不大。我国原来60 kA的自焙槽

5、阳极电流密度最早高达1.0A/ cm2以上，经多次阳极加宽改造后阳极电流密度仍在0.82A/ cm2以上。国外预焙槽阳电流密度一般为0.8A/ cm20.9A/ cm2，随着阳极生产技术工艺的成熟，阳极质量在不断的提高, 就阳极碳素材料物理化学性能来说，允许电流密度提高到一定 的水平，阳极电流密度提高到0.9A/cm2有可能实现铝电解生 产的正常进行。二、190KA大型预焙槽强化电流研究(-)问题提出泰山铝业公司新启动的一期续建190KA大型预焙槽，属于 设计及实践生产技术相对成熟的先进的大型中间下料式预焙 槽，目前产能较小，规模竞争力较低。目前，尚无190KA大型预焙槽强化电流成功经验可以借

6、鉴。 理论上，阳极电流密度达到一定值(1.57A/ cm2 )时电流效率 趋于恒定。就目前我国大型预焙槽来讲，凡阳极电流密度在 0.73A/ cm2以下的，电流强化10% 20%是有可能的。通过研究75KA、160KA. 200KA、220KA等不同电解槽 成功强化电流的经验，泰山铝业公司为了提高产能，进一步促 进经济效益的提高，决定对新启动电解槽进行强化电流工艺技 术研究。(-)190KA大型预焙槽强化电流创新点国内铝厂为了强化电流，有的将阳极尺寸加长，或研制偏 心阳极，或研制异型阳极，或改变电解槽容量。本技术研究的 创新点就在于不改变190KA大型预焙槽槽型，不改变其使用阳 极尺寸形状，通

7、过技术参数调整，将电流强度由190KA强化到 194.5 KAe(三)强化方式概述不同类型的铝电解槽电流的强化有两种方式：一是电解槽阳极和阴极结构不变，在原电解槽结构的基础 上强化电流，这时电解槽阳极电流密度，电解质熔体的电流密 度，阴极电流密度和他们与金属导体接触的电流密度，会由于 电流的提段J而提凌J。二是阴极结构不变，只改变阳极结构，使电解槽阳极加长, 加工面缩小，在这种情况下，阳极电流密度可以提高一些，也 可以不提高，这要视阳极加长的大小和电流强化多少而定。泰山铝业公司决定采用第一种强化电流方式。（四）强化电流技术参数和关键技术研究-）阳极电流密度目前电解槽在190KA电流强度运行时，

8、其阳极电流密度为 0.709A/cm2 ,计算公式为：电流强度/阳极底面积 = 190000/1450x660x28x0.01=0.709（A/cm2）e电流强度强化到194.5KA时，其电流密度将达到 0.726A/cm2左右。阳极电流密度比原来增加了 0.017A / cm3, 电流强度比原来了增加了 237%。参照我国一些铝厂的实际操 作经验，目前我国电解铝厂生产的炭素阳极如果没有太大的质 量问题，是能够承受0.8 A/cm3-0.82 A/cm3电流密度的。我 厂所使用的阳极均符合国家标准二级品以上，因此，将电解槽 的电流强化到194.5KA ,完全是可行的。二）阳极电压降和阴极电压降

9、阳极电流扩大到194.5KA ,阳极不变,计算结果表明,虽 然电流从190KA扩大到194.5KA，但扩大后的炭阳极电压只增 加3.6mv ,不会对电解槽阳极的工作及热负荷产生影响190KA电解槽上阳极电压降中包括了铝电解槽阳极钢角与 碳素阳极之间的接触电压降,此值在150mv左右（平均值）。 由于电流扩大后，没有对碳素阳极的炭碗和钢爪的结构设计和 尺寸大小进行改变，理论上电解槽的电流扩容4.5KA。即电流 强度扩容237% ,即平均增加3.6mv ,即达到153.6mv。然而实际上，由于电流扩大后，阳极钢爪电流密度升高， 钢爪温度会有少许升高。这会增加钢爪的热膨胀以及钢爪与阳 极炭块的接触压

10、力，使钢炭之间的接触电压降低，从而使电流 扩大后炭阳极的钢-炭电压降基本不上升。无论是过去的抚顺铝 厂60KA自焙槽，还是国内外的160KA-300KA的大型预焙阳 极电解槽，电流强化的实践经验都表明，电解槽电流适当强化 后没有使电解槽的阳极电压降和阴极电压降有明显的提高。对 第一种电流强化方式而言阳极电流密度的增加确定无疑，如果 阳极的电阻不变，阳极电压降应随电流的增加而增加。铝电解 槽的阳极以及阳极钢爪上的铁炭间的电压降是阳极电压降的主 要部分，但是由于阳极电流密度和阳极钢爪电流密度的提高， 会使其温度提高，必然导致其阳极和Fe/C之间的电阻下降。三)电解质的电压降和极距电解质的电压降等于

11、电解质的电阻乘以电流强度，因此， 计算电解质的电压降Vb之前需计算电解质的电阻Rb ,这里我 们用美国豪平关于槽电压的计算公式：Rb= Pbv + Rba式(2 )中：Rbv为对阳极泡末加修正的电解质电阻。Rba为粘附到阳极底掌上的气泡所引起的附加电阻。Rbu=(L- 8)/ ( Abk ) + ( 5- ta ) /Abk ( 1-e ) 1.5- (3)式(3)中：L 一极距ta 粘附到阳极上的单层气泡层的厚度5气泡层的总厚度e一气泡在气泡层中的比率k 一按下述公式计算出的工业电解槽电解质的电导k=exp(2.0156-0.0207%AI203-0.005%CaF2-0.0166% MgF

12、2+0.0178LiF%+0.2175 分子比-2068.4/T)( 4 )Rba=tak(l-1.26fc) Aa( 5 )式(5 )中：fc一阳极底掌表面被气泡覆盖的分数Aa一阳极底掌面积,且Aa=Ab= ( LA+2F)(WA+2F) Na这里，LA 一单个阳极的平均长度WA 一单个阳极的平均宽度Na 阳极炭块组数目F 电流扇形分布参数应用上述电解质电阻计算公式计算得出：190KA电解槽得电解质电阻Rb和电解质电压降Vb以及阳极得有效面积Ac为:Rb=Rbv+ Rba = 10.7 x 10-6Vb=IxRb=19000xl0.7xl0-6=L9133 伏扩容到194.5KA后的电解槽电

13、解质电阻Rb，和电解质电 压降Vb，Rb' = Rbv' + Rbaz =10.4x10-6Vb' =194.500x10.4x10-6=2.022由上述计算可知：(1)在保持电解槽极距不变和阳极不变 的情况下，电解质电压降增加：VB=2.022-1.9133=0.1087v(2 )在电解槽的极距不变的情况下，在电流以190KA扩 大到194.5KA后，在其它条件不变的情况下，按目前190KA 时，电解槽的电解质电压降为1.6V计算，当强化到194.5KA 的电流强度时，电解槽热平衡体系内的槽电压总的升高初步计 算为O.lv ,此值相当于电解槽中20mm电解质高度的电压

14、降。 因此在低槽电压的操作时，更利于强化电流。因此，我们的电解槽在将电流强度从190KA强化到 194.5KA时，如将槽电压这个参数保持不变，则理论上有可能 使电解槽的极距从现在的4.5 5.0cm降低到4.4 4.9cm ,这 样的极距大小并不会对电解槽的电流效率产生大的影响。 四）关键技术：电解槽的电热平衡研究铝电解槽强化电流后必须要很好的解决电解槽的热平衡问 题，这是强化电流需做到的关键技术。一般说来，铝电解槽强化电流后，槽电压技术参数的选择 对电解槽的热平衡的改变起着最重要的作用，通常电解槽强化 电流后，如果保持原有的技术参数，特别是极距不变，槽电压 比强化电流前要提高，但是在操作上一

15、般都不这么作，而是将 槽电压保持和原来一样或比强化前稍低一些，如果电解槽的极 距不低于4cm ,槽电压比强化前稍低一些为好，这是因为槽电 压的变化比电流的变化对电解槽热平衡的影响大的多，如： 190KA电解槽，槽电压从4.10V提高到4.145V ,或从4.145V 降低到4.10V ,由于电解槽槽电压的提高和降低都是通过提高 或降低极距实现的，因此提高和降低槽电压而使电解槽电热功 率的增加或降低全部发生在电解槽极间电解质熔体中，此时电 解槽单位时间（lh ）内提高和将低的电热能为I -V-t = 190KAx0.045Vxlh = 8.55Kw.h现在再分析和估算一下，电解槽电流增加或降低1

16、000A对 10几个方面的共同作用,使电解槽散热增加0.675 KW.h是可以 实现的。调整其他技术条件同样可以实现对温度的调节。2 )可根据现场实际情况适当的降低电压。不减少保温层的 厚度，其它技术条件不变，适当降低槽电压，将槽电压从目前 的4.145V逐步地随着电流强度的增加降低到194.5KA时的 4.10V ,可使电解槽输入的电能功率减少8.55 KW.h ,加上电解 槽阳极、阴极、阳极钢爪、阴极钢棒由于强化电流强度后，电 流密度的增加，温度的提高，散热量的增加，可以保证电解槽 在电流强化到194.5KA后，电解槽的热电平衡不变。五)强化电流后，电解槽的电流效率一般认为电解槽电流效率的

17、降低是由于已电解出来的阴极 铝液在阴极表面溶解，而后被阳极CO2气体氧化造成铝的损 失，如果铝的溶解损失是电流效率降低的主要原因，则根据其 电流效率的表达式：因此铝电解槽效率CE可以写成如下公式：rCE (%) = 1-0. 3355L式中：r为单位时间阳极表铝的溶解速度,g/( h.cm2 );Ic是阴极电流密度；由上式可以看出，铝电解槽电流效率与阳极电流密度成正比。由此式可以看出，强化电流提高电流密度可以使电流效率16提高，但也有由于铝液中水平电流强度增加，磁场强度增大,使槽内铝液的流速和铝液的有不稳定性增加，电流效率下降的一个方面。因此，电解槽电流增加后，使电解槽的电流效率 发生上述两种

18、不同的结果，对于第一种强化电流的方式而言, 如果电流强化后，槽膛形状的改变使槽内的水平电流变小了， 那么电流强化后，磁场变化对电流效率的影响不是很大。我们 在电流强化试验过程中和电流强化之后，采取适当的电解温度 合理的氟化铝加料制度，合适的电解质成分，较低的电解质温 度过热度，等比较先进的铝电解工艺技术条件，可以使强化后 的电解槽的电流效率不变，而且还有提高的可能性。三、190KA大型预焙槽强化电流方案的确定通过以上研究，泰山铝业公司认为：190KA电解槽，在使 用阳极为1450mmx660mmx600mm情况下，强化电流期间 该阳极能够承受电流强化到194.5KA的能力，阳极电压降和阴 极电

19、压降的变化不大。在不改变槽型，不改变阳极炭块尺寸的情况下，决定分五 次进行电流强化。制定以下技术方案：分五次对电流强度进行强化，配以技术参数的优化，在40 天时间内将电流强度由190KA强化至！ 194.5KA。四、190KA大型预焙槽强化电流方案的实施（一）强化电流前的准备工作1 ）检查供电情况，确保无误。2）使电解槽的工艺技术参数调整到如上所述给定值，和槽 电压的控制不大于4.15V ,并使其达到稳定不少于10天。3）对下料系统和计算机控制系统进行检查，确保工作正常 无误，控制准确。（-）强化电流方案实施 -）分5次强化电流从第一次强化电流开始，分5次将电流从190 KA强化到194.5K

20、A ,即每次强化1KA ,每次强化1KA需要不少于10天的稳定期，因此整个电流的强化需要40天左右或更长一些的时 间（可视具体情况进行调整）。在电流强化过程中需要做到以下几 点：1、每次调高电流强度（1KA ）后，都要对氧化铝给料箱中 的下料量按电流强度增加1KA的需求量进行调整和修正。2、氟化铝的每天基准加料量在每强化1KA后，重新进行一 次修正。每天对电解槽的温度和分子比进行常规测定，每天氟 化铝加料量根据槽温及分子比的变化情况适量添加。3、电流强化过程中和电流强化后，要保持适当的工艺技术条件。4、同时，整流所对运行的各部件和设备及时检测，如发现 异常情况，需做调试处理后再升电流。整流所当

21、接到送电及升 电流通知后，需对供电系统做出准确评价，确认无误后方可实 施调级操作。在强化电流过程中，需要进行的测量工作与测量内容1、电流强化前后电流效率的对比；2、电流强化前后，阳极压降、阳极钢爪压降、阴极压降的 测量与对比；3、电流强度每次强化之前都要对阳极压降、阴极压降，阳 极钢爪和阴极钢棒，电解槽散热控温度、阴极钢棒温度、炉底 钢板温度、阳极电流分布和阴极电流分布进行系统地测量；4、电解槽槽帮结壳厚度在强化过程中要跟踪观察；5、电解槽中的铝水平、电解质水平、温度的变化情况、电 解质成份的变化情况要经常的跟踪观察，要经常性的对数据进 行分析；6、电解槽的槽壳温度及阴极钢棒的温度在强化电流期

22、间要 进行常规的测量；7、对其非常规的数据特别是对侧部槽壳温度和阴极钢板的 温度不正常地大幅度升高的数据和情况要及时报告。二）优化技术参数在强化电流期间，总的原则是：保持热平衡，保持较低过热 度。因此，需要对技术参数进一步优化。可采取以下措施：1、由于强化电流后，带来热收入的增多，要增加热支出， 继续保持较高的铝水平,铝水平控制在2426cm ,同时电解 质水平适应调整为1720cm ,以避免化帮炉。2、将分子比提高0.1 ,以改善电解质导电，从而保持极距 不变，使强化电流后炉底状况得到一定程度的改善。3、下设电压0.045V ,进一步减少热收入。优化前后，技术参数如下：强化电流前技术参数保持

23、如下：电解槽工作电压4.14 4.16V ;电解槽温度935955 ;极距4.5cm左右;电解质 分子比2.152.35 ;效应系数0.100.20次/台；电解质水平 2023cm ;铝水平2426cm;氧化铝浓度1.5%3.0% ;电 流强度190KAo强化电流后技术参数保持如下：电解槽工作电压4.10 4.11V ;电解槽温度945960 ;极距4.44.9cm左右；电 解质分子比2.252.45 ;效应系数0.050.15次/台;电解质 水平1720cm ;铝水平2426cm;氧化铝浓度1.5%3.0% ; 电流强度194.5KA。（三）强化电流后日常维护在铝电解生产中，电解槽阴极炭块表

24、面（即炉底）不可避 免地附着一层沉淀，适宜地炉底沉淀能起到保护炉底的作用， 但过多会使阴极电流分布紊乱，炉底正常的导热、散热平衡状 态被打破。若处理不好，软化发热，很容易使电解槽局部过热, 生成炭化铝，引起二次反应；结晶形成硬壳，还会使铝水波动, 极距不一，影响电流效率，同时加大侧部散热量，损坏已形成 的正常炉帮，使整个炉膛内型受到破坏，严重影响到电解槽的 物料、能量平衡体系。如果电解槽各项操作与管理跟不上，例如换极质量不高， 冷料进入槽内过多；槽上部漏料，没有及时处理；铝水由于没 有及时抽出，炉底凉等，都会造成过多的炉底沉淀产生。强化电流后，由于阳极电流密度提高，炉底单位面积内获 得的热量增

25、加，电解质内热增加，可以在一定程度上消熔炉底 沉淀。为了进一步减少炉底沉淀的产生，在电解槽日常维护操 作上，还应抓好下列作业质量：1）保证换极质量，阳极设置精度要高，阳极下不压块，使工作电压稳定，无因针振而提高槽电压现象。2 ）加足极上保温料，减少上表面散热。3）效应熄灭及时，不出现过长时间效应和异常电压。4）出铝精度高，不出现波及槽子热平衡的干扰因素，若出现计算机失控，应及时手动降电压调到设定值。5 ）加强槽电压巡视,及时调整超出计算机控制范围的异常电压。6 ）坚持换阳极和效应熄灭后捞碳渣作业，降低电解质电阻。在管理上还必须注意以下问题：1）尽量多开槽，减少公用母线和停槽母线电压降的分摊值。

26、2）杜绝直流系统接地，防止损坏计算机控制系统设备，造成电压等失控而导致高电压。3）按技术基准维持好各项技术条件，保证有规整的炉膛， 洁净的炉底，稳定的电解质成分，合适的电解温度，使槽工作 电压靠拢设计值。4）管好氧化铝投入量，控制好氧化铝浓度，不出现缺料， 多来效应而增大效应电压分摊量，也不出现经常处理炉底沉淀 而被迫提高设定电压。5 ）建立严格的考核制度和科学的作业安排，保证各项操作 管理按基准规章进行。6 ）建立正常的生产秩序，保证阳极铸造电力原材物料设备 检修等外部条件满足生产需要，不得因外部条件不具备而破坏 电解槽的正常运行条件。五、结果分析L侧部散热孔温度由原先的290 325（,降

27、低到280 320 z边部炉帮变化不大。调整前后窗口的平均温度槽号调整前温度/（调整后温度/小面（出铝 口）小面（烟道）大面（A）大面（B）小面（出铝 口）小面（烟 道）大面（A）大面（B）132"304313372313295311312335133"306323317318288301277311134308301380321300319306321135"333342300317309302295270233,359346325367312319317324234"324318347334310309320291235#34236431531128

28、4315302295236"3683003513653023132743192、炉底压降值由原先的330 370mv，降低到290 340mv ,炉底干净无结壳。调整前后炉底压降对比槽号调整前炉底压降/mV调整后炉底压降/mVA面B面A面B面132”353312292358133"334311319334134"330314310335135”338319331312232”368316291303233"363327296298234"339332292305235"3383133063343、炉帮形成厚度跟踪测量一期续建电解槽启动后，我们选取了 9台电解槽对其侧部炉帮进行了及时测量，炉帮平均厚度8.8cm ,最厚处达到15cm , 最薄处不低于5cm ,结果表明炉帮