加铜盘存电解槽槽内铝液及电流效率的改进

加铜盘存电解槽槽内铝液及电流效率的改进

1铝电解生产的指标原铝电流效率和单次线性能耗是工业铝电解槽最重要的两个技术信息。它也是其他工程、技术和经济指标的重要指标。它们的常用定义公式如下:G理论=0.3356×I¯×t×10−3G理论=0.3356×Ι¯×t×10-3(1)η=G实际G理论×100%η=G实际G理论×100%(2)ω理论=V平均0.3356×η=2.98×V平均ηω理论=V平均0.3356×η=2.98×V平均η(3)式中:G理论——理论产铝量,kg;I¯Ι¯——在t时间段内的平均电流强度,A;η——电流效率,%;G实际——在t时间段内的实际产铝量,kg;ω理论——原铝直流电单耗,kW·h/t-Al;V平均——在t时间段内的槽平均电压,V;0.3356——铝的电化学当量,g/A·h;t——产铝的统计时间,h。但由于产铝量测定、统计时间难以统一和数据采集困难等原因,在铝电解生产中常将上述严格意义的定义式做如下方式替换:G理论=0.3356×I¯1×t1×10−3G理论=0.3356×Ι¯1×t1×10-3(4)η出铝=G出铝(t2)G理论(t2)×100%η出铝=G出铝(t2)G理论(t2)×100%(5)ω理论=V平均(t2)0.3356×η出铝=2.98×V平均(t2)η出铝ω理论=V平均(t2)0.3356×η出铝=2.98×V平均(t2)η出铝(6)式中:I¯1Ι¯1——在t1时间段内的平均电流强度,A;t1,t2——产铝和出铝的统计小时段,h;η出铝——t2时间段内的出铝电流效率,%;G出铝(t2)——t2时间段内的出铝量,kg;G理论(t2)——t2时间段内的理论产铝量,kg;V平均(t2)——在t2时间段内的槽平均电压,V。通过公式对比不难发现:产铝电流效率和产铝直流电耗这两个指标,在实际生产统计、计算和分析过程中存在易失真,甚至概念易混淆使用的可能,其原因是产铝量的适时精确或实时测定存在困难。在文献中,提到以下几种测定方法:(1)简易盘存法(物理测定法):假设电解槽和磁流体的物理尺寸为规则的条件下,进行简单几何测算。此工艺简单、快捷、成本低,但测定的精确和可信度对最低。(2)阳极气体分析法(化学反应分析法):分析阳极气体中的CO2浓度,按皮尔逊-沃丁顿(Pearson-Waddington)式计算铝电解电流效率。测定速度最快、仪器成本较高、一氧化碳和二氧化碳的来源问题会使瞬时效率测定存在较大的偏差,因而这种方法测定结果的可信度有待考证。(3)铝量盘存法(化学浓度分析法):最常用的就是加铜盘存法,此法是根据铝样中铜浓度的变化,返算铝液增加量即产铝量。该法被认为准确度较高、经济、速度适中,但结果的可信度依赖于添加工艺和光谱分析的精确度来保障。本文鉴于篇幅限制,以上测定方式的比较不做赘述,仅对加铜盘存法的工艺技术、测算数学模型的改进和加铜后电解槽技术信息的开发进行阐述。2加铜盘存测定铝程设计存在的问题文献较为详细的阐释了在某系列电解槽上采用加铜盘存法获得相关的技术信息的实践。据载,通过此次试验,获得了如下信息:(1)槽内炉膛动态变化的状况;(2)槽内单位铝液高度对应的铝液重量;(3)真实的产铝电流效率;(4)产铝直流电单耗。但通过文献查询和进一步实践测试,不难发现此方法的一些缺点:(1)铜指示剂易污染铝液、影响原铝质量和配铝量。(2)取样过程必须紧扣电解槽加铜后出铝时刻,所以对于分析精度要求较高的取样作业,短时间内无法完成对系列电解槽的测定。(3)加铜工艺过程不当,易使铜进入电解质或吸附在阳极上,对测定、分析和算法的准确性结果影响较大,甚至计算出实际不可能的计算结果。(4)容易受到外来未知铜源的污染。数日的盘存观测期内,工业电解槽的许多必要作业可能带来外来铜,对最终的算法结果产生影响。(5)在测试期间的出铝作业,易受到出铝台包前后称重、包内剩铝、吸入电解质的影响,最终影响测定结果。(6)电流强度和平均电压统计数据密度不够或与时间的不匹配,易引起电流效率、直流电单耗的计算错误。(7)出铝量与实际产铝量存在的差异,如何在每次盘存算法中得到修正,未见文献提及。(8)电解槽技术信息没有被充分挖掘出来,因而此方法的实用价值一直没有得到应有的重视。以上缺点说明:传统的加铜盘存测定工艺及其测算模型,均有待完善,同时最重要的是,电解技术管理所需要的其他工艺技术信息,没有被充分挖掘或开发出来,从而影响该方法的实用价值。鉴于此,有必要重新设计或改良加铜盘存工艺、测算数学模型、数据采集和分析方式,进一步提高这种方法的工艺简捷、安全、测算结果数据的可靠性和全面性,更好地为电解生产服务。3改进后的铜盘存送工艺3.1试验设计和过程(1)利用原铝分析历史数据,估算电解槽的本底铜浓度[Cu]0%。(2)添加指示剂铜样的化学纯度分析、制屑(便于快速熔解)、除铁、准确称重(如图1所示)、包装和标识,做为添加指示剂备用。单槽添加量按照槽内出铝后的可能盘存铝存量,加铜后浓度最大值确定为≤100×10-6,因为此浓度不影响原铝品位,不增加后续作业,简单可行。(3)工器具:舀铝工具、槽外添加铜样的容器若干(采用8～10mm的钢板焊制成上高10～15mm、上开口为20×15mm、下封底为15×15mm的四棱台状盛铝容器)、钢钎、记录表格。(4)确定试验槽、添加人员、取样、样品标识、送样、分析人员、出铝称重的记录人员和必要分工明细,并强调不同的工艺操作要点。(5)制备4～6份含铜小铝锭(如图2所示)。将单槽加入铜的总量分为4～6份,从加铜槽内舀出铝液,浇注在容器内,其间加入铜屑,形成4～6个含铜小铝锭的状态,冷凝备用。(6)添加含铜小铝锭的开口作业。添加点应均匀分布在槽四面的4～6个点上,开口处靠近但不接触到阳极为宜,洞口直径15～20mm。(7)加铜前3min内进行常规出铝作业,并测定多点铝水平高度。(8)快速、同时添加含铜小铝锭,记录加铜时刻。即分别在4～6个添加点进行添加作业,并用钢钎将加入的小铝锭压入铝液层内1～2min为宜,确保含铜铝锭快速、充分熔解。(9)从加铜时刻采用统计小软件,分5秒一次统计电流(I平均)和电压(V平均),该软件可自动计算任意时段内的平均值。(10)加铜后,每半小时取一次原铝试样,共取4h,逐个标样,送样分析。(11)堵塞其余添加口,留出铝端口,清理现场。3.2铝包测定结果(1)出铝洞、烟道端铝水平测定、记录。(2)出铝洞、烟道端每槽各取两个原铝试样、标样、送样、取前日分析结果。(3)空包第一次称重,记录M1。(4)台包吸入铝液后第二次称重M2、并记录出铝量和出铝时刻。(5)跟包、倒完铝后,第三次称重M3,记录,出铝指示量为G出铝指示量i=M2-M1-(M3-M1),(i=1,2,3,…)。4开发基于添加铜盘存的数学模型添加铜后的n次铝盘存法4.1槽内铜含量的统计G盘存0=G铜÷([Cu]max%-[Cu]0%)×10-3-ΔG=G铜÷([Cu]max%-[Cu]0%)×10-3-0.3356×I×t0×η统计(7)式中:I、t0分别为从加入铜时刻到铜浓度达到最大值的电流强度平均值(kA)和统计时间(h);η统计为测试槽月平均出铝电流效率,%;G铜为铜净质量,即G铜=化学分析纯度×G添加铜,g;[Cu]0%和[Cu]max%槽内铜的本底浓度和稀释后最高铜浓度,%;G盘存0为出铝后、加铜前的槽内盘存铝量,kg;ΔG为铜浓度最大值期间的产铝量,kg。4.2加铜法计算电流效率和单电源单耗的数学计算模型4.2.1g理论的产铝计算G理论产铝i=0.3356×Ii×ti(i=1,2,3),kg(8)式中:Ii、ti分别为加铜后第(i-1)次到第i次出铝期间的平均电流值和时间间隔值,kA、h;G理论产铝i为加铜后第(i-1)次到第i次出铝间隔期间的理论产铝量,kg;另:第0次出铝是指加铜前的出铝作业。4.2.2g出铝指示量i设加铜后,第i次(i=1,2,3,…,n)出铝前3min内取样的铜浓度为[Cu]i%,则:G实际产铝i=G铜×10-3-∑i=1n∑i=1nG出指示量(i-1)×[Cu](i-1)%÷([Cu]i%-[Cu]0%)-G盘存(i-1)(9)η产铝i=(G实际产品i÷G理论产铝i)×100%(10)η出铝i=(G出铝指示量i÷G理论产铝i)×100%(11)加铜后,第i次(i=1,2,3,…,n)出铝后槽内盘存铝变为:G盘存i=G铜×10-3-∑i=1n∑i=1nG出铝指示量(i-1)×[Cu](i-1)%÷([Cu]i%-[Cu]0%)-G出铝指示量i(12)加铜后第(i-1)次出铝到第i次(i=1,2,3,…,n)时段ti内的直电单耗:ω产铝i=2.98×V平均(ti)η产铝iω产铝i=2.98×V平均(ti)η产铝i(13)ω出铝i=2.98×V平均(ti)η出铝iω出铝i=2.98×V平均(ti)η出铝i(14)以上式中:G实际产铝i、G出铝指示量i分别为加铜后第i次出铝时段内的实际产铝量和加铜后第i次出铝量,kg;η产铝i、η出铝i为加铜后第i次出铝时段内的实际产铝电流效率和实际出铝电流效率,%;G盘存i、V平均(ti)为加铜后第i次出铝后的槽内盘存铝量(kg)和第ti个产铝时段平均电压,V;ω产铝i、ω出铝i为加铜后第ti产铝时间段内的产铝直流电单耗和出铝直流电单耗,kW·h/t-Al;[Cu]i%为加铜后第i次出铝前取样铜浓度值,%。5算法的精密度和准确度通过以上工艺改进和改进数学模型计算,已将加铜盘存法的各种过程缺陷杜绝,采用此工艺和算法在某公司两个系列多台铝电解槽上进行测试,也证明精确度和可靠性较高。表1表示盘存法测算试验槽的技术信息,图3显示出铝电流效率与产铝电流效率的差别图,图4显示出铝直流电耗和产铝交流电耗的差别图。6改良后的加铜盘存法可最大程度地降低能耗,并可实现工业、科研的自通过图3、图4出铝和产铝的电流效率、直流电耗的对比,可以及时发现并校正日常出铝指示量,使出铝量和产铝量尽量接近一致,这样可以最大程度的保持电解槽的热平衡,并以此为基础,优化管理其他工艺技术参数,使生产最大化的平稳,这是原有加铜盘存法固有的优点。改良后的方法继承原有加铜法的优点,采用改良后的方法,由于添加的铜指示剂较少(最大浓度为100×10-6),其对原铝的品位影响有限,没有后续作业,所以在条件允许时,可适度常规性的进行大规模测试和测算,取得更多、可信度更高的电解信息,这一点就是对原有加铜盘存法最大的改进,包括加铜工艺创新,这就比原有加铜盘存法更具工业推广性和实用性。通过加铜法改良后的测算数学模型所得到的关键技术经