曹 曦,趙志彬,付 松,劉雅鋒,胡紅武,張存忠,韓憲超

(1.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001;2.聊城信源集團(tuán)有限公司,山東 聊城 252000)

鋁水高度是鋁電解的一個重要生產(chǎn)工藝和技術(shù)參數(shù),良好技術(shù)指標(biāo)的一個必不可少的重要技術(shù)條件即是合理的鋁水高度。因此電解槽鋁水高度的調(diào)整是實際的生產(chǎn)操作中調(diào)節(jié)電解槽穩(wěn)定性和熱平衡的一個常用技術(shù)手段,并且在一定的條件下,確實行之有效,所以有些技術(shù)路線把高鋁水運行作為一項重要傳統(tǒng)貫徹落實。然而對于另外一些企業(yè),一貫的高鋁水運行反而造成了一些消極的影響,但在低鋁水高度路線上也取得了良好的技術(shù)效果。

因此如何評價鋁水高度對電解槽運行穩(wěn)定性的影響是行業(yè)內(nèi)重要研究課題,以往由于理論技術(shù)條件的限制,大部分是從實際生產(chǎn)經(jīng)驗上定性的闡述?？梢钥隙ǖ氖?一種類型的電解槽都有一個最佳的鋁水高度,但不同電解槽類型的最佳鋁水高度并不一致,這是由于電解槽容量、陽極電流密度、電平衡分布、磁流體穩(wěn)定性、電解質(zhì)體系以及槽齡等各種客觀條件的存在[1]。

隨著技術(shù)的發(fā)展和研究水平的提高,技術(shù)人員可以定量的分析鋁水高度對電解槽電-熱-磁等性能指標(biāo)的影響,并且尋找出電解槽的一個最佳的鋁水高度。本文利用數(shù)學(xué)計算模型,分析鋁水高度、鋁液中水平電流、陰極壓降和爐膛形狀的相互關(guān)系,分別研究不同鋁水高度對上述條件的影響,為行業(yè)研究和生產(chǎn)提供參考。

1 研究方法

為了計算電解槽內(nèi)的電-熱平衡情況,本文建立了電解槽電熱場模型如圖1所示,模型中包含鋁液、電解質(zhì)、陽極以及內(nèi)襯槽殼等陰極裝置,研究團(tuán)隊前期的計算和現(xiàn)場測量結(jié)果已經(jīng)證明了該模型的準(zhǔn)確性[2-3],可以用來計算上述幾種工藝參數(shù)與鋁水高度的關(guān)系。

圖1 電解槽電熱場計算模型

計算工況選取目前行業(yè)內(nèi)的500 kA鋁電解槽,計算基準(zhǔn)狀態(tài)如表1所示。

表1 模型計算用工藝參數(shù)表

2 計算結(jié)果

2.1 鋁水高度對水平電流的影響

在實際鋁電解生產(chǎn)過程中,除了直接參與電化學(xué)反應(yīng)的電流,還有一部分不參與電解,只增加能耗的水平電流,如圖2所示,電流總是有一部分的水平分向。水平電流對鋁電解生產(chǎn)危害很大,主要因為水平電流與垂直磁場的相互作用是造成電解槽中鋁液波動的主要原因(F=J×B[4]),鋁液波動會引起電壓擺動,降低電流效率,嚴(yán)重時導(dǎo)致滾鋁;另外水平電流會造成鋁液流速增大,沖刷爐幫,增加側(cè)部漏爐的風(fēng)險。

圖2 電解槽鋁液中電流分布示意(單位:A/m2)

因此無論是設(shè)計、科研還是實際生產(chǎn)中,總是盡量減少鋁液中的水平電流以提高電解槽磁流體穩(wěn)定性,目前有很多新技術(shù),比如新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)、石墨化陰極技術(shù)、新式節(jié)能陰極鋼棒技術(shù)、異型陰極、變截面鋼棒、高導(dǎo)電鋼棒等,都是提高電解槽穩(wěn)定性的技術(shù),同時生產(chǎn)上也有自己的方式提高電解槽穩(wěn)定性,比如提高鋁水高度。本文分別在不同設(shè)計形式下的2種水平電流下,計算鋁水高度的影響。

2.1.1 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)下水平電流變化

對于傳統(tǒng)的鋁電解槽,其設(shè)計形式?jīng)Q定了鋁液中水平電流都在8000～10,000 A/m2左右,此時分別在20 cm、24 cm、28 cm和32 cm計算鋁液中水平電流,其結(jié)果如圖3所示。x坐標(biāo)代表鋁水高度,y坐標(biāo)代表鋁液中水平電流最大值。

圖3 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)最大水平電流隨鋁水高度變化曲線

圖3顯示對于傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu),在較低鋁水高度的情況下,鋁水高度的提高能夠降低鋁液中水平電流,水平電流最大值從20 cm的9021 A/m2降低到25 cm的7000 A/m2左右。但鋁水高度繼續(xù)提高,水平電流下降幅度減小,鋁水高度提高到32 cm時,水平電流也只降低到5906 A/m2,并維持到該水平電流附近。說明傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)在低鋁水平情況下通過提高鋁水高度,確實能夠有效降低鋁液中水平電流,鋁水提高12 cm,水平電流能夠降低3215 A/m2,但一旦鋁水高度達(dá)到25 cm以上,降低幅度不明顯。該結(jié)果說明在較高鋁水平下,再通過繼續(xù)提高鋁水高度降低水平電流從而提高電解槽磁流體動力性能的功能性顯著降低。

2.1.2 節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)下水平電流變化

對于采用降低水平電流技術(shù)的鋁電解槽,其鋁液中的水平電流得到了不同程度的遏制,特別是新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)或者石墨化陰極技術(shù)通過改變電流走向,其鋁液中水平電流都在3000～4000 A/m2左右,同樣分別在20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm和32 cm計算鋁液中水平電流,其結(jié)果如圖4所示。

圖4顯示對于采用降低水平電流技術(shù)的鋁電解槽,由于設(shè)計基礎(chǔ)值已經(jīng)較低,鋁水高度的提高對降低鋁液中水平電流效果已經(jīng)很不明顯,在20 cm鋁水高度的情況下,電解槽水平電流也只有3863 A/m2,隨著鋁水高度逐漸提高,水平電流出現(xiàn)小幅下降,但最終鋁水高度達(dá)到32 cm后,水平電流仍有2677 A/m2,也即是說鋁水高度提高12 cm,水平電流降低幅度只有1186 A/m2,能夠帶來的提升作用十分有限,因為理論計算顯示水平電流在該區(qū)間內(nèi)已經(jīng)不是限制磁流體穩(wěn)定性的主要因素,再進(jìn)一步降低的意義不大,反而要實現(xiàn)的代價很高。

圖4 節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)最大水平電流隨鋁水高度變化曲線

但需要指出的是,鋁水平高度并不是越高越好的,鋁水平的變化將會對電解槽熱平衡和槽膛形狀產(chǎn)生顯著的變化,見本文2.2小節(jié)。

2.2 鋁水高度對爐膛內(nèi)形的影響

理想的爐膛內(nèi)形為厚爐幫、短伸腿形式,具有這種爐膛形狀的電解槽可以獲得更高的電流效率:一是具有較小的非陽極投影面積;二是具有較小的鋁液內(nèi)水平電流;三是具有良好的鋁液界面[5]。特別是電解槽伸腿長度,一旦進(jìn)入陽極投影內(nèi)部,將會造成鋁液內(nèi)產(chǎn)生反向水平電流,這種反向水平電流在垂直磁場的作用下,引起鋁液界面的波動,并增加鋁液流速,影響電解槽磁流體穩(wěn)定性。

由于陰極壓降關(guān)系到電解槽陰極區(qū)的局域熱平衡,因此本文在不同陰極壓降的工況下,討論鋁水高度對爐膛內(nèi)形的影響。

2.2.1 傳統(tǒng)高陰極壓降下槽膛的變化

傳統(tǒng)的電解槽陰極壓降設(shè)計值處于較高水平,根據(jù)電流密度的不同,基本在280～320 mV之間,并隨著槽齡的增加,會逐漸提升到350 mV左右。本模型以陰極壓降300 mV為例,考察鋁水平對槽膛形狀的影響。

計算槽電壓3.95 V,陰極壓降300 mV,鋁水平對槽膛形狀的影響如圖5所示。圖5中數(shù)據(jù)顯示,在傳統(tǒng)較高的陰極壓降下,電解槽爐幫隨鋁水平變化逐漸減薄,而伸腿長度逐漸增加。圖6中數(shù)據(jù)顯示,鋁水平從20 cm增加到32 cm,爐幫厚度從16.8 cm降低到16 cm,伸腿長度從1.8 cm增加到9.7 cm。

圖5 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)爐膛形狀隨鋁水高度變化形式

圖6 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)爐幫與伸腿數(shù)值隨鋁水高度變化曲線

2.2.2 節(jié)能低陰極壓降下槽膛的變化

近幾年來節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)的物理壓降有了較大變化,特別是石墨化陰極電解槽,陰極壓降設(shè)計值一般在180～230 mV之間,本次計算以210 mV為例,低陰極壓降的情況下,考察鋁水平對槽膛形狀的影響。

計算槽電壓3.90 V,陰極壓降210 mV,鋁水平對槽膛形狀的影響如圖7和圖8所示。圖7中數(shù)據(jù)顯示,鋁水高度對節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的爐膛影響同傳統(tǒng)型不同,電解槽爐幫隨鋁水平變化逐漸減薄,但是伸腿長度變化幅度顯著。圖8中數(shù)據(jù)顯示,鋁水平從20 cm增加到32 cm,爐幫厚度從16.4 cm降低到15.6 cm,伸腿長度卻從2.2 cm陡增至20.3 cm。

圖7 節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)爐膛形狀隨鋁水高度變化形式

圖8 節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)爐幫與伸腿數(shù)值隨鋁水高度變化曲線

3 分析及討論

將上述計算表格結(jié)果匯總見表2。

表2中數(shù)據(jù)顯示鋁水高度對傳統(tǒng)和節(jié)能兩種陰極結(jié)構(gòu)的爐幫影響均在1 cm以內(nèi),而伸腿變化差距很大。如圖9所示,給出了兩種陰極結(jié)構(gòu)的伸腿長度變化情況,鋁水高度在20 cm到24 cm的區(qū)間內(nèi),兩者變化基本一致,但鋁水高度超過24 cm后,節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)的伸腿變化曲線斜率突然升高,伸腿長度急劇增加。而傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的伸腿變化則基本呈線性增加。

圖9 兩種陰極結(jié)構(gòu)伸腿數(shù)值隨鋁水高度變化曲線

表2 鋁水高度對槽膛爐幫及伸腿的影響 cm

伸腿的變化同陰極區(qū)域熱平衡變化相關(guān)性很大,熱輸入增加,伸腿減少,熱輸入減少,伸腿伸長。對于電解槽來說,熱量的產(chǎn)生和散失是平衡的,變化的是槽溫和爐膛內(nèi)形,因此鋼棒區(qū)域的熱量散失的變化趨勢即能夠反應(yīng)出陰極區(qū)域的熱量輸入的變化趨勢。

表3給出了新舊兩種陰極結(jié)構(gòu)陰極鋼棒散熱功率及散熱熱流的變化趨勢,為了便于表述,圖10和圖11中給出了同一坐標(biāo)刻度下的變化趨勢,圖中數(shù)據(jù)顯示,節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)的散熱功率相比傳統(tǒng)型總體上處于較高水平,同時傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的鋼棒區(qū)域散熱量隨鋁水高度的增加基本均勻減小,而節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)在鋁水高度超過24 cm以后,鋼棒區(qū)域散熱量隨鋁水高度迅速減少。

表3 鋁水高度對兩種陰極結(jié)構(gòu)鋼棒散熱的影響

圖10 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)散熱功率與鋁水高度變化曲線

圖11 傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)散熱熱流與鋁水高度變化曲線

上述情況及變化規(guī)律說明:

(1)節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)的陰極及鋼棒區(qū)域散熱量整體大于傳統(tǒng)型陰極結(jié)構(gòu),這是由于節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)鋼棒截面較大,導(dǎo)熱量增加所致,特別是石墨化陰極電解槽陰極區(qū)域散熱量增加明顯。

(2)節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)在鋁水高度超過24 cm后,陰極區(qū)域的熱輸入是明顯降低的,這是由于反應(yīng)發(fā)熱區(qū)域與陰極區(qū)較遠(yuǎn),傳導(dǎo)至陰極區(qū)域的熱量減少,而節(jié)能型同時陰極區(qū)域的自產(chǎn)熱較少,散熱量又大,造成局部熱輸入明顯降低,因而伸腿長度迅速增加。

因此采用節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)的低陰極壓降電解槽,鋁水平不宜過高,一旦鋁水高度超過24 cm以后,將導(dǎo)致電解槽伸腿的迅速增加,破壞爐膛內(nèi)形,反而影響了電解槽的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

(1)對于高水平電流的傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu),鋁水高度從20 cm提高到32 cm,水平電流降低幅度達(dá)到了3215 A/m2,說明對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),在低鋁水平情況下,鋁水高度提高能夠提升電解槽穩(wěn)定性,但超過25 cm后作用不明顯,建議保持22～24 cm左右。

(2)行業(yè)內(nèi)普遍采用的節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu),從結(jié)構(gòu)設(shè)計上已經(jīng)大幅度降低了鋁液中水平電流,鋁水高度從20 cm提高到32 cm,水平電流降低幅度只有1186 A/m2,鋁水高度對電解槽穩(wěn)定性的提升作用十分有限。

(3)節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)電解槽伸腿長度對鋁水高度較敏感,一旦鋁水高度超過24 cm,伸腿長度迅速增加,槽膛情況惡化,反而破壞了電解槽運行的穩(wěn)定性。

(4)考慮到后期槽齡增加對電解槽性能帶來的變化,建議節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)電解槽,特別是采用石墨化陰極的節(jié)能型電解槽,在穩(wěn)定運行期保持20 cm左右的低鋁水平工藝路線。