楊 剛

(重慶天泰鋁業(yè)有限公司， 重慶 401328)

異型陰極鋁電解槽電解質(zhì)-焦粒焙燒啟動技術(shù)實(shí)踐及分析

楊 剛

(重慶天泰鋁業(yè)有限公司， 重慶 401328)

分析了鋁電解槽常用的焙燒啟動方法的優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)介紹了重慶天泰鋁業(yè)300 kA異型陰極鋁電解槽電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動方法并與常用方法進(jìn)行了對比分析，實(shí)踐證明異型陰極鋁電解槽采用電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動效果更好。

鋁電解槽； 焙燒； 啟動； 異型陰極； 電解質(zhì)- 焦粒焙燒

無論是新建還是大修的鋁電解槽，在投入生產(chǎn)運(yùn)行前都必須先進(jìn)行焙燒后才能啟動。對于鋁電解生產(chǎn)來說，大型預(yù)焙鋁電解槽的焙燒啟動是一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)，它不僅關(guān)系到電解槽能否順利投產(chǎn)，而且影響正常生產(chǎn)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及槽壽命，歷來為國內(nèi)外各廠家所重視[1]。鋁電解槽焙燒的方法主要有鋁液焙燒、焦粒焙燒、燃?xì)獗簾?，啟動方法主要有干法啟動、濕法效?yīng)啟動和濕法無效應(yīng)啟動。

1 異型陰極電解槽常用焙燒方法

異型陰極電解槽技術(shù)的應(yīng)用是我國電解鋁行業(yè)節(jié)能技術(shù)突破性的里程碑，由此激發(fā)和帶動了中國電解鋁行業(yè)節(jié)能技術(shù)探索和研發(fā)相關(guān)節(jié)能技術(shù)及新材料的熱情和積極性。但異型陰極電解槽的陰極底面不平導(dǎo)致了其焙燒啟動難度較大。常用的異型陰極電解槽焙燒方法主要有鋁液焙燒、焦粒焙燒和燃?xì)? 鋁液兩段焙燒。

1.1 鋁液焙燒

先將加熱片安放在陰極凹槽，通電加熱至140 ℃左右，或者常溫下直接灌入一定量的鋁液通電焙燒。該方法的優(yōu)點(diǎn)是焙燒時(shí)不使用軟連接、分流器，簡便、易操作，焙燒過程陰極不會氧化，啟動后電解質(zhì)潔凈，不用撈炭渣；缺點(diǎn)是灌鋁時(shí)，高溫鋁液直接與較冷的陰極內(nèi)襯接觸，熱沖擊大，對陰極內(nèi)襯及凸梁形成損傷，可能影響槽壽命和節(jié)能效果。同時(shí)，鋁液電阻小，大部分熱量則由陰極和陽極產(chǎn)生，焙燒時(shí)間長(7 d)，端角部升溫慢,在焙燒期內(nèi)溫度達(dá)不到啟動要求，焙燒質(zhì)量不理想。

1.2 焦粒焙燒

先用殘極炭塊填充陰極凹槽到凸梁，然后再整體鋪上一層焦粒，安裝陽極通電焙燒[2]。該方法優(yōu)點(diǎn)是焦粒及殘極炭塊電阻發(fā)熱量足夠，焙燒時(shí)間較短(3～4 d)，陰極凸梁損傷較小；缺點(diǎn)是裝爐工作量大，端角部升溫慢，焙燒質(zhì)量不夠理想，啟動完后要將大量炭渣撈出槽外，容易造成電解質(zhì)含炭，引發(fā)病槽等。

1.3 燃?xì)? 鋁液兩段焙燒

先用天燃?xì)饣蛎簹鈱㈦娊獠鄄厶偶訜嶂?00 ℃左右，然后灌入鋁液通電焙燒。該方法優(yōu)點(diǎn)是焙燒升溫易控制且均勻，對陰極及凸梁的損傷較小，焙燒時(shí)間較短(3～4 d)，啟動后不用撈炭渣；缺點(diǎn)是裝爐焙燒的工作量比較大，天燃?xì)饣蛎簹夤艿赖仍谏a(chǎn)現(xiàn)場形成一些不安全因素。

2 電解槽焙燒啟動方案的確定

重慶天泰鋁業(yè)二期工程共建有300 kA異型陰極電解槽126臺，投產(chǎn)采取何種焙燒啟動方法和技術(shù)關(guān)系重大。對大型預(yù)焙槽而言，焙燒啟動方法的選擇和制定應(yīng)主要遵循以下四項(xiàng)原則：①安全可靠；②延長電解槽壽命。在焙燒啟動期間，應(yīng)盡量減少對陰極內(nèi)襯的熱沖擊，避免因陰極裂紋而導(dǎo)致電解槽早期破損；③經(jīng)濟(jì)適用，焙燒時(shí)間較短，焙燒成本不能過高；④焙燒操作要簡單易行。公司2008年與東北大學(xué)合作試驗(yàn)異型陰極技術(shù)時(shí)，成功發(fā)明了燃?xì)? 鋁液兩段焙燒法，并在全國許多廠家推廣應(yīng)用。然而，近年來，重慶地區(qū)天然氣供給緊張，126臺電解槽焙燒時(shí)的天然氣用量不能得到有效保障，同時(shí)，燃?xì)? 鋁液兩段焙燒啟動方案也存在一些安全隱患，因此，有必要采用更安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的電解槽焙燒啟動方案。在結(jié)合異型電解槽的特點(diǎn)并對國內(nèi)外鋁電解槽所有焙燒啟動技術(shù)綜合分析后，公司制定出了300 kA異型陰極槽電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動方案。該方案在電解槽焙燒階段采用了電解質(zhì)- 焦粒焙燒技術(shù)，用銅軟連接代替了普通的鋁軟連接，啟動時(shí)采用濕法無效應(yīng)啟動。

3 異型陰極電解槽電解質(zhì)—焦粒焙燒技術(shù)簡述

該方法以電解質(zhì)與焦粒的混合物料作為介質(zhì)，并通過合理設(shè)計(jì)使其鋪設(shè)在陰極表面凹槽和凸臺上，坐實(shí)陽極，通電焙燒，讓電解槽溫度勻速上升，接近電解槽正常生產(chǎn)溫度，熔化電解質(zhì)等物料，產(chǎn)生一定量的電解質(zhì)液體，從而達(dá)到啟動條件。其原理和過程是電解槽通電后，焦粒(或焦粒與石墨碎的混合物)先導(dǎo)電，電流從陽極流經(jīng)陰極凸臺的焦粒(或焦粒與石墨碎的混合物)到陰極，利用焦粒電阻和陰、陽極炭塊的自身電阻加熱焙燒電解槽。在陽極底掌溫度達(dá)到930 ℃左右時(shí)，陰極表面凹槽與陽極底掌之間的固體電解質(zhì)逐步熔化，產(chǎn)生液體電解質(zhì)，并一起導(dǎo)電發(fā)熱，加熱焙燒電解槽，熔化固體電解質(zhì)，直到槽溫升至接近電解槽正常生產(chǎn)溫度，產(chǎn)生足夠的液體電解質(zhì)，即達(dá)到啟動條件。使用該方法可能的兩個(gè)顧慮：一是電解槽通電焙燒時(shí)，尤其是初期電流只能從陽極流經(jīng)陰極凸梁，是否會燒壞陰極凸梁，影響以后的節(jié)能效果；二是焦粒只鋪在陰極凸梁上，數(shù)量只有平底槽的1/2，是否會導(dǎo)致其發(fā)熱量不足，無法將溫度升起來從而導(dǎo)致焙燒失敗。其實(shí)不然，對于陰極和陰極凸梁，高溫鋁液的突然熱沖擊會造成比較大的損傷。采用電解質(zhì)—焦粒焙燒時(shí)，只要進(jìn)行足夠的分流，沖擊電壓不高于4.5 V，陰極和陰極凸梁是不會損傷的。該方法在通電初期只有焦粒和陰、陽極炭塊導(dǎo)電發(fā)熱，但一段時(shí)間后電解質(zhì)開始熔化，越來越多的液體電解質(zhì)導(dǎo)電并產(chǎn)生熱量，由于該方法產(chǎn)生的液體電解質(zhì)比平底槽焦粒焙燒時(shí)多得多，因此其導(dǎo)電效果更好，產(chǎn)生的熱量更大，升溫較快且勻速，啟動前無需提升陽極就能將全槽溫升至啟動所需溫度。

4 300 kA異型陰極電解槽電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動技術(shù)實(shí)踐

4.1 原輔材料選取準(zhǔn)備

公司126臺300 kA系列電解槽焙燒啟動按表1準(zhǔn)備原材料，實(shí)際用量也與表1基本吻合。

表1 焙燒啟動原輔材料用量 單位：t

4.2 鋪焦、裝爐

(1)填充電解質(zhì)。清掃干凈陰極表面，在陰極溝槽內(nèi)用電解質(zhì)塊充滿，電解質(zhì)塊鋪設(shè)高度與陰極凸臺表面水平面保持在同一水平。此工序重點(diǎn)：電解質(zhì)塊粒度不宜過大，原則上要求在10 mm以下，純度要高,要充分壓實(shí)；電解質(zhì)層上部不再鋪設(shè)焦粒，見圖1。

(2)鋪焦。在凸臺表面鋪設(shè)煅后焦粒、石墨碎混合物(焦粒與石墨碎混合比為3∶1，角部陽極混合料配比為2∶1)，鋪設(shè)厚度為15 mm。將鋪設(shè)焦粒的專用框平整擺放在凸臺，其專用框的內(nèi)框面積與陰極凸臺表面積相同。然后將篩分好的焦粒及石墨的混合料倒入框內(nèi)并搗實(shí)，用板尺刮平，確認(rèn)無凹陷區(qū)域后，取走專用框即可進(jìn)行掛極工作。

圖1 已填充電解質(zhì)和鋪焦的電解槽

圖2 已掛部分陽極的電解槽

選好陽極，吹凈陽極底面，將陽極小心平放在焦粒上，壓實(shí)，若有明顯沒接觸的地方要用焦粒填充。鋁導(dǎo)桿和陽極大母線不要直接靠緊，保持1 mm左右的縫隙(不超過2 mm)。

(3)安裝銅制軟連接。每根導(dǎo)桿安裝一個(gè)銅制軟連接(如圖2)，一臺槽共需40個(gè)。上部采用絲桿拉緊壓接在陽極導(dǎo)桿一側(cè)，下部用弓形卡具壓接在陽極導(dǎo)桿兩側(cè)大母線側(cè)面上，一定要壓緊。作業(yè)前，軟連接及水平母線壓接處必需做打磨、清潔處理。軟連接與導(dǎo)桿、水平母線必須壓接嚴(yán)實(shí)，確保通電后壓降不大于10 mV，否則需及時(shí)處理。

(4)裝爐。將500 kg氟化鈣均勻撒在電解槽人造伸腿四周，陽極邊縫用紙板或廢紙堵住，避免純堿落入縫內(nèi)。邊縫按一層電解質(zhì)塊一層純堿交叉加滿，電解質(zhì)加入量不少于6 t，純堿加入量不少于1 t；中縫用電解質(zhì)塊加滿，陽極上先加一層電解質(zhì)粉，再加一層冰晶石，見圖3。

(5)安裝熱電偶。在電解槽A1和B1、A20和B20兩陽極組間的電解槽中縫處、A10和A11、B10和B11兩陽極中縫位置各放置一個(gè)熱電偶套管，注意不可與陽極接觸，以便掌握焙燒過程中溫度上升情況。

(6)安裝分流器。每槽安裝5套分流器，先將分流器一頭用弓形卡具壓接在陽極大母線上，在另一頭將兩塊10 mm的鋼板用夾板壓接在下臺電解槽立柱母線上(如圖3)。如果無下一槽立柱母線可進(jìn)行分流，就采用在鋼爪至方鋼之間焊接分流片的方式來進(jìn)行分流。

圖3 已裝爐的電解槽

4.3 通電焙燒

首批通電槽(4臺)由整流所控制電流上升速度，起步電流80 kA，逐級送電，送電梯度如表2。后續(xù)槽用大電流開關(guān)進(jìn)行通電作業(yè)，整流所無需停電和進(jìn)行升降電流，電流一直恒定保持在300 kA。

表2 首批4臺電解槽通電電流上升梯度

4.3.1 電流分布控制管理

通電后，電壓降到3.5 V以下，陽極電流分布均勻，無鋼爪發(fā)紅，可逐步拆除分流器(或分流片)。拆除分流器順序1→5→2→3→4，在通電后24 h左右全部拆除，拆除一組允許電壓上升0.3 V，電壓>3.5 V時(shí)則停止拆除。二級分流片通電后36 h左右拆完，電流小的鋼爪先拆，拆除一片，電壓允許上升0.1 V，電壓>3.5 V 時(shí)則停止拆除。通電時(shí)沖擊電壓應(yīng)控制在4.5 V以下，否則要降電流滿足這個(gè)條件。

對于電流分布大于10 kA、陽極鋼爪發(fā)紅的陽極要及時(shí)扒開冰晶石進(jìn)行散熱，必要時(shí)要用風(fēng)管進(jìn)行冷卻和分流處理。偏流嚴(yán)重，電流分布大于12 kA、陽極鋼爪發(fā)紅嚴(yán)重的，可適當(dāng)松卡具，待陽極鋼爪冷卻后再緊上卡具，但每槽一次不可同時(shí)切斷兩塊以上陽極。

4.3.2 溫度控制

要求槽溫均勻上升，升溫曲線平緩均勻，經(jīng)3～4 d焙燒后槽膛溫度達(dá)到930 ℃左右，如表3所示。焙燒期間側(cè)部散熱孔、陰極扁鋼等溫度超過300 ℃，采用風(fēng)管吹風(fēng)降溫；槽內(nèi)局部過熱時(shí)，加強(qiáng)散熱或分流；全槽過熱時(shí)可考慮提前啟動。在實(shí)際焙燒過程中，72 h后槽溫已達(dá)到或超過了940 ℃，如表4所示。因此，將焙燒時(shí)間調(diào)整為72 h。

表3 電解槽焙燒升溫梯度參照控制表

表4 電解槽實(shí)際焙燒升溫情況表

4.4 啟動

通電焙燒3 d，槽溫上升至930 ℃，確認(rèn)槽內(nèi)電解質(zhì)液達(dá)到15 cm左右，中縫貫通，可準(zhǔn)備進(jìn)行啟動。

(1)取出熱電偶及其保護(hù)套管，拆除軟連接，卡具上緊后點(diǎn)動電壓后復(fù)緊卡具劃線，使陽極導(dǎo)桿與陽極大母線接觸良好并避免陽極下滑。拆除軟連接卡具上緊后，如陽極發(fā)紅嚴(yán)重，可適當(dāng)松卡具或?qū)㈥枠O適當(dāng)上提，使混合料釋放因溫升產(chǎn)生的綜合熱應(yīng)力，重新使料層電阻趨于一致。

(2)提前確認(rèn)電解質(zhì)吸出槽號及其吸出量，天車、抬包及其操爐等工具準(zhǔn)備齊全，人員組織到位。

(3)在出鋁口打開電解質(zhì)灌入口，要求與槽內(nèi)電解質(zhì)液聯(lián)通，便于灌電解質(zhì)時(shí)電解質(zhì)流動順暢，安放好電解質(zhì)溜槽。

(4)把槽控箱手動—自動狀態(tài)打到手動位置，并打開排風(fēng)閥。

(5)抽取準(zhǔn)備好的電解質(zhì)液約8 t，灌入啟動槽并持續(xù)抬升電壓進(jìn)行啟動，灌完電解質(zhì)后，電壓穩(wěn)定在7～8 V。

(6)將極上保溫料推入中縫，根據(jù)電解質(zhì)(冰晶石)熔化情況及電解質(zhì)液高度添加電解質(zhì)塊。

(7)槽內(nèi)物料全部化開、電解質(zhì)水平達(dá)到要求(35 cm左右)時(shí)，將電壓調(diào)整到7 V左右。

(8)打撈炭渣，啟動完成，電解槽轉(zhuǎn)入后期管理。

上述是異型陰極槽電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動的整個(gè)過程。2013年6月10日，公司首批4臺槽通電焙燒，9月中旬126臺槽全部成功啟動并投產(chǎn)運(yùn)行，除期間因電力負(fù)荷不足等因素先后二次停槽31 d外，整個(gè)系列的焙燒啟動都平穩(wěn)順利。

5 電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動效果分析

300 kA異型陰極槽電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動非常成功，整個(gè)投產(chǎn)過程平穩(wěn)順利，完成質(zhì)量高，沒有出現(xiàn)過一次漏鋁或漏電解質(zhì)，甚至連陽極鋼爪發(fā)紅的現(xiàn)象也沒有出現(xiàn)過。電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動與之前異型槽通常采取的一些焙燒啟動技術(shù)方法對比，其優(yōu)勢和效果比較明顯：

(1)焙燒時(shí)，沒有灌入高溫鋁液，陰極尤其是陰極凸梁沒有受到高溫鋁液直接沖擊，啟動后沒有出現(xiàn)陰極凸梁脫落。

(2)用殘極炭塊填充陰極凹槽的焦粒焙燒，裝爐及啟動后工作量很大，大量炭渣不易打撈干凈，往往會引發(fā)病槽。此法炭渣很少，很容易打撈干凈，不會產(chǎn)生病槽。公司此次投產(chǎn)及后續(xù)生產(chǎn)中沒有出現(xiàn)一個(gè)病槽。

(3)鋁液和焦粒焙燒過程中會出現(xiàn)電流分布不均的現(xiàn)象，焙燒質(zhì)量不能得到保證。其槽溫上升不均，往往個(gè)別部位溫度在計(jì)劃時(shí)間升不上去，兩端和四角低于850 ℃(槽溫較低時(shí)需在啟動前提升陽極增加熱收入來提高槽溫)。因此，啟動及后期生產(chǎn)中一些槽會出現(xiàn)滲鋁、漏電解質(zhì)甚至發(fā)生漏槽事故。此法由于焙燒時(shí)大量電解質(zhì)熔化(槽中縫液體電解質(zhì)高度在啟動時(shí)達(dá)15 cm以上)，大量液體電解質(zhì)的導(dǎo)電性和發(fā)熱均較強(qiáng)，電流分布均勻，槽溫上升均勻(兩端和四角也能達(dá)到930 ℃以上)，焙燒質(zhì)量好，啟動及后期生產(chǎn)中不會發(fā)生上述問題。天泰鋁業(yè)此次投產(chǎn)及后續(xù)生產(chǎn)中沒有出現(xiàn)一次滲鋁、漏電解質(zhì)的現(xiàn)象。

(4)裝爐及后續(xù)工作中，使用大量的電解質(zhì)代替冰晶石，節(jié)約了原材料費(fèi)用。公司此次采購的電解質(zhì)塊每噸單價(jià)比冰晶石低2 000元左右，節(jié)約原材料費(fèi)用700萬元以上。

(5)由于采用濕法無效應(yīng)啟動，且啟動時(shí)加入的是電解質(zhì)塊，啟動期間物料揮發(fā)損失小，同時(shí)撈出的炭渣很少，減少了環(huán)境的污染。

(6)300 kA系列異型陰極電解槽的電解質(zhì)- 焦粒焙燒設(shè)計(jì)采用銅軟連比傳統(tǒng)的鋁軟連更輕便，易操作，減少了人員輕微傷的發(fā)生。同時(shí)，由于此法產(chǎn)生的炭渣量少，工作量和工作強(qiáng)度大大減少。通常，許多廠家在焙燒啟動期間要雇用臨時(shí)工來完成一些雜活以保證員工有充足的精力和時(shí)間完成技術(shù)操作管理工作。公司此次投產(chǎn)沒有雇用臨時(shí)工，比最初計(jì)劃節(jié)約人工費(fèi)100萬元左右。

6 結(jié)束語

異型陰極電解槽節(jié)能效果明顯，目前國內(nèi)、外許多廠家都在推廣應(yīng)用，但其焙燒啟動難度大，許多廠家想應(yīng)用這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，又擔(dān)心焙燒啟動不好引發(fā)大的安全事故或給后續(xù)生產(chǎn)造成影響和損失。實(shí)踐證明，電解質(zhì)- 焦粒焙燒啟動方法很好解決了這個(gè)問題，它彌補(bǔ)了其它幾種焙燒啟動方法的不足，讓異型陰極電解槽焙燒啟動更容易，更安全，大大減少了工作量，降低了成本，提高了焙燒啟動質(zhì)量，同時(shí)，也為后續(xù)生產(chǎn)管理和獲得良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。公司300 kA系列投產(chǎn)以來，生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)，取得了良好的經(jīng)技指標(biāo)，目前其電解交流電耗(可比交流電耗)已降低至13 050 kW·h/t-Al左右,達(dá)到了行業(yè)先進(jìn)水平。

[1] 邵勇. 230 kA預(yù)焙陽極電解槽焦粒焙燒啟動優(yōu)化實(shí)踐[C].全國鋁電解槽生產(chǎn)技術(shù)與操作技術(shù)學(xué)術(shù)和經(jīng)驗(yàn)交流會論文集,2007.

[2] 李文超,姚克倫,袁曉東.400 kA異型陰極結(jié)構(gòu)預(yù)焙鋁電解槽焦粒焙燒啟動技術(shù)與管理[J].有色冶金節(jié)能,2013.

Practice and Analysis of Electrolyte-Coke Baking Start-up Technique in Abnormal Cathode Aluminum Reduction Cell

YANG Gang

This paper analyzes the advantages and disadvantages of common baking start-up methods in aluminum reduction cell, and detailedly introduces the electrolyte-coke baking start-up method which is used in 300 kA abnormal cathode aluminum reduction cell of Tiantai Chongqing Aluminum Industry Co., Ltd., and a contrastive analysis of common method is carried out. Industrial practice shows that using electrolyte-coke baking start-up technique in abnormal cathode aluminum reduction cell is much better.

aluminum reduction cell; baking; start-up; abnormal cathode; electrolyte-coke baking

2014-03-20

楊剛(1965—)，男，四川岳池人，大學(xué)本科，高級工程師，主要從事鋁電解生產(chǎn)管理工作。

TF821

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1008-5122(2014)04-0007-05