李成元 李文超 張 寧 李建衛(wèi)

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司, 山東 龍口 265700)

0 前言

影響鋁電解槽壽命和電流效率的因素有很多,建立和維護(hù)好電解槽內(nèi)部早期形成的高分子比規(guī)整爐幫對(duì)電解槽壽命和電流效率至關(guān)重要。電解槽投入生產(chǎn)后,隨著槽齡增長(zhǎng)或因管理不善,側(cè)部爐幫受到不同程度侵蝕,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)氮化硅結(jié)合碳化硅側(cè)塊破損的現(xiàn)象,如果不能及時(shí)修補(bǔ)側(cè)部爐幫,輕者會(huì)造成原鋁中Si、Fe含量上升,電解槽穩(wěn)定性變差,從而使原鋁品位降低、運(yùn)行電壓升高、交流電單耗及陽極炭耗增加,嚴(yán)重時(shí)會(huì)誘發(fā)側(cè)部漏爐等重大安全生產(chǎn)事故發(fā)生[1-2]。如果修補(bǔ)效果不理想,會(huì)導(dǎo)致爐膛進(jìn)一步惡化。有文獻(xiàn)[3]記載,可通過再次創(chuàng)造接近啟動(dòng)初期的技術(shù)工藝條件,快速二次形成高分子比爐幫的方法實(shí)現(xiàn)電解槽爐幫再生。如果這種技術(shù)可行,無論是對(duì)于電解槽壽命和運(yùn)行,還是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都具有積極作用。

本文從電解質(zhì)體系、爐幫破損原因及建立條件等方面分析了電解槽爐幫再生的可行性,以實(shí)際爐幫破損電解槽為試驗(yàn)槽,根據(jù)電解槽實(shí)際運(yùn)行情況提出了爐幫再生方案,并通過爐幫再生前后數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證方案的可行性。

1 電解質(zhì)體系

鋁電解的電解質(zhì)成分比較復(fù)雜,由冰晶石、氧化鋁、各種氟鹽添加劑組成。根據(jù)冰晶石、氟化鋁與氧化鋁體系的相圖[4],電解質(zhì)降溫后,最先析出的是冰晶石。相變的溫度稱為電解質(zhì)的初晶溫度,相變時(shí)界面處消耗或產(chǎn)生了冰晶石。如果傳質(zhì)過程足夠快,冷卻速度足夠慢,就會(huì)不斷地有高分子比冰晶石從電解質(zhì)中析出[5]。因此如果將電解溫度和初晶溫度之差控制得偏小些,側(cè)部便會(huì)不斷地析出冰晶石形成爐幫。

上述分析表明,在電解槽原始爐幫遭到局部或大面積損壞,嚴(yán)重影響電解槽電流效率正常發(fā)揮,甚至危及電解槽使用壽命時(shí),利用結(jié)晶原理,創(chuàng)造適宜的技術(shù)條件,再次形成自然爐幫,具有較為充分的理論基礎(chǔ),可以在實(shí)踐中嘗試。

2 爐幫破壞原因分析

爐幫在電解鋁生產(chǎn)過程中不但有保護(hù)側(cè)部的作用,而且還起到平衡電解槽能量的作用。當(dāng)電解槽過熱度偏大時(shí),爐幫會(huì)融化,消耗一部分過剩的能量,且爐幫融化變薄后散熱效果較好,使其余過剩能量散發(fā)出去。當(dāng)電解槽過熱度偏小時(shí),電解質(zhì)會(huì)不斷地結(jié)晶形成爐幫,爐幫的變厚減少能量損失,從而保證電解槽正常生產(chǎn)。在電解生產(chǎn)過程中,爐幫破壞的原因主要有兩個(gè):一是操作不當(dāng),二是工藝波動(dòng)。

2.1 操作不當(dāng)

鋁電解生產(chǎn)過程中預(yù)焙陽極不斷消耗,消耗到一定程度后需要將殘極更換,裝入新極。換極作業(yè)過程需要采用電解多功能機(jī)組打擊頭對(duì)陽極周圍開U形口,在此過程中容易出現(xiàn)地面指揮和電解多功能機(jī)組操作配合不當(dāng)?shù)那闆r,導(dǎo)致啟動(dòng)初期形成的堅(jiān)固爐幫破壞。

隨著預(yù)焙陽極的消耗以及出鋁作業(yè)的進(jìn)行,電解槽陽極每天都會(huì)以一定的速度不斷降低,導(dǎo)致預(yù)焙陽極邊部與爐幫接觸的位置出現(xiàn)落差,電解槽能量從中間的縫隙中散出形成浪費(fèi),并使作業(yè)環(huán)境溫度升高,所以需要定期對(duì)落差部位進(jìn)行處理,在此過程中因技術(shù)水平問題也會(huì)破壞爐幫。

2.2 工藝波動(dòng)

鋁電解生產(chǎn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程,導(dǎo)致電解槽工藝波動(dòng)的因素很多,如系統(tǒng)載氟含量的變化、外界氣溫的變化、覆蓋料成分的變化等,這就要求工藝管理人員對(duì)電解槽趨勢(shì)有很強(qiáng)的預(yù)判,否則整體工藝易出現(xiàn)大起大落的情況。當(dāng)電解槽工藝波動(dòng)時(shí)側(cè)部爐幫沖刷嚴(yán)重,部分位置的爐幫破壞嚴(yán)重。

3 鋁電解槽爐幫的建立

鋁電解槽啟動(dòng)后轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)時(shí),需要具備規(guī)整且穩(wěn)定的爐膛內(nèi)形。爐膛內(nèi)形是由液體電解質(zhì)析出的高分子冰晶石和剛玉凝結(jié)在陽極四周形成的近似橢圓形的固體結(jié)殼[6]。長(zhǎng)期鋁電解生產(chǎn)實(shí)踐證明,早期爐幫的質(zhì)量取決于啟動(dòng)后期電解槽的技術(shù)條件管理。通常采用“三高一低”即高槽溫、高分子比、高電解質(zhì)水平、低鋁水平的技術(shù)條件進(jìn)行管理。

3.1 電解質(zhì)溫度的管理

電解槽啟動(dòng)后,電解質(zhì)溫度超過1 000 ℃,隨著電解質(zhì)分子比的調(diào)整控制和鋁水平的升高,電解質(zhì)溫度緩慢平穩(wěn)下降。通過保持較小的過熱度控制,大量冰晶石在較冷的槽側(cè)部析出冷凝,形成爐幫。實(shí)踐證明在啟動(dòng)后期,高溫條件下形成的爐幫,在正常生產(chǎn)條件下不易熔化。

3.2 分子比控制

電解槽啟動(dòng)后期、管理初期,由于鋁電解槽內(nèi)襯中的碳素材料具有顯著的吸鈉性,為保持較高的分子比,通常會(huì)大量添加純堿。從理論上來說,高分子比電解質(zhì)為形成正冰晶石爐幫奠定了基礎(chǔ)。

3.3 電解質(zhì)水平和鋁水平的控制

非正常期電解質(zhì)水平高,電解槽熱容量較大,為形成規(guī)整的爐膛創(chuàng)造良好的條件[6]。爐幫形成過程中,由于部分高分子比電解質(zhì)結(jié)晶析出形成爐幫,電解質(zhì)液面會(huì)有所下降,而較高的電解質(zhì)水平可有效填補(bǔ)結(jié)晶到爐幫上的電解質(zhì),從而保證電解槽電解質(zhì)總量。鋁水平的保持不宜過高,因?yàn)檫^高的鋁水平會(huì)導(dǎo)致電解槽散熱偏大造成冷槽,不利于爐幫的建立。

3.4 陽極效應(yīng)的管理

電解槽啟動(dòng)后由于槽體本身尚未達(dá)到熱平衡,同時(shí)為使電解槽側(cè)部炭塊、陰極炭塊與人造伸腿等炭素材料充分焦化為一體,需要大量的熱量。因此,啟動(dòng)后期可以通過陽極效應(yīng)來滿足所需的熱量。此外,陽極效應(yīng)還可以熔化在過熱度過小條件下快速形成的不穩(wěn)定電解質(zhì)結(jié)殼,確保建立的爐幫在后期生產(chǎn)過程中的穩(wěn)固及抗侵蝕性。

4 爐幫再生技術(shù)實(shí)踐

根據(jù)以上分析,可從電解質(zhì)溫度、分子比、兩水平以及陽極效應(yīng)等幾個(gè)方面采取措施,創(chuàng)造重建爐幫所需條件,從而最終實(shí)現(xiàn)重建爐幫的目的。

4.1 前期數(shù)據(jù)采集

4059#槽是某廠400 kA系列一臺(tái)爐幫較差的電解槽,運(yùn)行槽齡為1 053 d,槽況運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)較差。由于該電解槽A9～A12位置沒有爐幫,側(cè)部沖刷比較嚴(yán)重,雖然已經(jīng)多次對(duì)側(cè)部進(jìn)行修補(bǔ),但無明顯好轉(zhuǎn)的跡象。為此,以該電解槽作為爐幫重建的試驗(yàn)槽。其部分指標(biāo)與同期正常槽4060#槽數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 試驗(yàn)槽4059#槽與正常4060#槽的3個(gè)月指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可以看出,4059#槽生產(chǎn)狀態(tài)很不穩(wěn)定,不但工作電壓偏高,而且平均電壓和設(shè)定電壓之間的壓差較大,說明槽況容易波動(dòng),電流效率明顯不如4060#槽,爐底壓降不斷升高。

對(duì)4059#全槽爐幫厚度進(jìn)行測(cè)量,數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗(yàn)槽爐幫厚度測(cè)量統(tǒng)計(jì) cm

從表2可以看出,該槽A7～A12位置沒有爐幫或爐幫較薄,且部分硅磚被腐蝕,爐幫整體厚薄不均,這也是導(dǎo)致該電解槽水平電流偏大,換極或出鋁后電壓波動(dòng)的主要原因。因此,要從根本上治理該槽,重點(diǎn)是如何在側(cè)部重建爐幫,減少水平電流。

對(duì)4059#槽的散熱孔溫度進(jìn)行測(cè)量,具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 4059#槽A面和B面散熱孔溫度 ℃

從表3可知,該槽散熱孔整體溫度較高,尤其是A7～A12散熱孔位置,全部超過400 ℃,存在較大的安全隱患。綜合表2,A7～A12前期測(cè)量沒有爐幫或爐幫較薄。

4.2 重建爐幫實(shí)驗(yàn)步驟

為實(shí)現(xiàn)重建爐幫,采取以下措施。

1)做好調(diào)整前的準(zhǔn)備工作,穩(wěn)定槽況。將設(shè)定電壓上提200 mV左右,其主要目的有兩個(gè):一是增加電解槽的熱收入,提高電解槽溫度,熔化部分不規(guī)整的爐幫;二是增加極距,盡可能保證電解槽穩(wěn)定,為后期操作打下基礎(chǔ)。電解槽溫度控制在980～985 ℃,因?yàn)闇囟冗^高會(huì)導(dǎo)致整體爐幫都熔化,側(cè)部存在風(fēng)險(xiǎn);溫度過低會(huì)導(dǎo)致部分不規(guī)整的爐幫不熔化。

2)溫度升高熔化爐幫的過程中,爐膛逐漸擴(kuò)大,鋁水平會(huì)有所降低。每天可適當(dāng)減少任務(wù)量100～500 kg,使鋁水平下降2 cm左右,但不會(huì)下降過多,否則鋁量降低后散熱減少,易導(dǎo)致電解槽能量過剩,側(cè)部風(fēng)險(xiǎn)性加大。

3)更換A9～A11位置對(duì)應(yīng)的陽極,裝入新極,陽極可適當(dāng)偏高1 cm左右,主要是為了確保換極后短時(shí)間內(nèi)該位置的爐幫不被破壞,并降低陽極導(dǎo)電率。

4)迅速將電解槽分子比提高到2.70～2.75。先取一個(gè)電解質(zhì)樣進(jìn)行熒光分析,得到現(xiàn)階段分子比情況,并根據(jù)電解槽電解質(zhì)總量計(jì)算出需要投入的純堿量,從而更精準(zhǔn)地把控分子比的變化,并向電解槽中灌入高分子比電解質(zhì),要求電解質(zhì)高度不低于25 cm,為后期形成高分子比的爐幫提供條件。

5)首先將停槽后的部分高分子比爐幫結(jié)殼放入A7～A12位置,以減少這部分電解質(zhì)的沖刷。其次將部分高分子比固體電解質(zhì)塊打碎,并與純堿按照5∶1的比例混合后加到A7～A12位置,從而提高該區(qū)域的分子比。最后在A7～A12熱孔位置增設(shè)風(fēng)排,增加該區(qū)域的散熱,降低過熱度,為形成爐幫提供有利條件。

6)將該槽按照新啟動(dòng)槽后期管理進(jìn)行維護(hù),定期化驗(yàn)分子比,跟蹤分子比變化情況,每天監(jiān)測(cè)該槽陽極電流分布、散熱孔溫度等數(shù)據(jù),分析爐幫生成情況。重點(diǎn)打撈炭渣,更換陽極時(shí)不要采用天車開U形口,以減少對(duì)換極位置的干擾。

4.3 爐幫重建效果

經(jīng)過2個(gè)月的調(diào)整后,4059#槽況逐步穩(wěn)定,撤掉排風(fēng)設(shè)施,整個(gè)工藝控制也恢復(fù)到正常狀態(tài),利用2～3個(gè)陽極效應(yīng)對(duì)爐幫進(jìn)行修正,第3個(gè)月測(cè)量爐幫厚度,全槽的爐幫測(cè)量數(shù)據(jù)見表4。

表4 調(diào)整后4059#槽爐幫厚度測(cè)量統(tǒng)計(jì) cm

由表4可見,通過技術(shù)條件調(diào)整后,試驗(yàn)槽A、B兩面的爐幫明顯增厚,且A7～A12位置爐幫也已經(jīng)形成,厚度相對(duì)比較均勻,達(dá)到了重建爐幫預(yù)期的目的。

該電解槽實(shí)驗(yàn)前后的部分指標(biāo)對(duì)比情況見表5。

表5 調(diào)整前后部分指標(biāo)對(duì)比情況

對(duì)比表5和表1可知,爐幫再生后,整個(gè)電解槽穩(wěn)定性有了明顯提高,且電流效率也有所上升,爐底壓降有所上升但幅度不大。

3個(gè)月后再次測(cè)量4059#槽散熱孔溫度,結(jié)果見表6。

表6 4059#槽試驗(yàn)后A面和B面散熱孔溫度 ℃

由表3和表6數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,經(jīng)過3個(gè)月的處理,散熱孔溫度均有所降低,尤其是試驗(yàn)前溫度較高的A7～A12位置明顯降低,全部降低到400 ℃以內(nèi),恢復(fù)到正常狀態(tài),安全隱患大幅降低,進(jìn)一步證明了該項(xiàng)試驗(yàn)整體是比較成功的。

5 結(jié)論

本文從理論上分析了電解槽爐幫再生的可行性,并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況制定了爐幫再生方案。以槽況不穩(wěn)定、側(cè)部部分位置爐幫較薄或沒有爐幫的4059#槽為試驗(yàn)槽,比對(duì)了爐幫再生前后爐幫厚度、電壓、電流效率及全槽散熱孔溫度的變化情況。爐幫再生后,A、B面爐幫平均厚度分別由之前的3 cm和7 cm增加至9 cm和13 cm,且之前沒有爐幫或爐幫較薄的A7～A12位置也形成了比較理想的爐幫,散熱孔溫度整體降低,側(cè)部風(fēng)險(xiǎn)大大降低。水平電流減小后,電解槽運(yùn)行逐步平穩(wěn),槽運(yùn)行電壓雖未恢復(fù)到正常水平,但較修補(bǔ)之前有了明顯降低,電流效率也隨之提高。4059#槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了爐幫再生方案的可行性。因此,電解槽爐幫遭到破壞后,后續(xù)可以通過創(chuàng)造相應(yīng)的技術(shù)條件輔以相應(yīng)措施來重建爐幫,從而達(dá)到提高電流效率、保證安全生產(chǎn)、延長(zhǎng)槽壽命的目的。