350 kA预焙铝电解槽磁场优化对工艺技术指标的影响

王昌昌

(1.青铜峡铝业股份有限公司， 宁夏 青铜峡 751603; 2.中南大学冶金与环境学院， 湖南 长沙 410006)

工艺节能

350 kA预焙铝电解槽磁场优化对工艺技术指标的影响

王昌昌1,2

(1.青铜峡铝业股份有限公司， 宁夏 青铜峡 751603; 2.中南大学冶金与环境学院， 湖南 长沙 410006)

介绍了350 kA预焙铝电解槽磁场优化对电解槽工艺参数、经济技术条件的影响情况。

铝电解槽； 技术指标； 磁场优化； 平衡母线

0 前言

电解槽磁场问题是铝电解槽大型化发展的一个重要问题。电解槽“物理场”的研究表明，随着电流的增加，槽内磁场强度及磁场梯度也会随之增加，电解槽稳定性降低。某公司GY350 kA预焙电解槽是以GY240 kA预焙电解槽设计为基础优化创新而来。电解槽母线设计技术特点是槽大面6点均匀进电、槽周围母线对称配置，槽磁场补偿采用槽周围强补偿、槽底弱补偿的方式。

GY350 kA预焙铝电解槽自投产以来，存在稳定性差、槽电压高、电流分布不均、电解温度较高、铝水平过高、电流效率低、电耗高等问题。经测试分析，电解槽磁场补偿效果不佳，出铝端和烟道端垂直磁感应强度较大，但其烟道端尤其突出，该处大部分垂直磁感应强度绝对值超过20 Gs，甚至达到30 Gs以上，中间区域磁场较小，磁场分布不均匀。因此，需要了解电解槽磁场优化对工艺技术指标的影响。

1 GY350 kA预焙电解槽磁场优化情况

为提高电解槽稳定性，根据现场运行情况以及磁流体稳定性仿真复核结果分析，提出GY350 kA预焙电解槽磁场优化方案。在系列电解槽母线配置不做修改的基础上，在电解槽的烟道端和出铝端外侧分别增加补偿母线，通80 kA和30 kA的补偿电流，电流方向与系列电流方向相同。补偿母线于2010年2月25日通电。

补偿前电解槽垂直磁场感应强度Bz在第一、二、三、四象限均值(绝对值平均值，下同)分别为：7.702 Gs、19.242 Gs、21.466 Gs和9.802 Gs，其中第二、三象限均值很大，一、四象限均值较小，说明磁场在四个象限的均匀性较差，且均值太高，而且垂直磁场最大值达到35.687 Gs，电解槽阴极母线电流明显分布不均，最大偏差达到5%[1]。

补偿后电解槽垂直磁场Bz在第一、二、三、四象限均值分别为3.928 Gs、4.43 Gs、7.29 Gs和6.25 Gs，与原设计垂直磁感应强度Bz相比，电解槽四个象限的垂直磁感应强度显著降低，特别是二、三象限，均值分别从19.242 Gs和21.466 Gs降到了4.430 Gs和7.290 Gs，效果非常明显；另外垂直磁感应强度的最大值也降到了20 Gs以内[2]，电解槽阴极母线电流明显分布较均匀，最大偏差小于2%。

2 磁场优化对电解槽工艺参数的影响

2.1 电解槽稳定性提高槽电压逐步降低

补偿母线通电后，系列槽电压由通电前的4.24 V降低到通电后的4.15 V(见图1)，噪声值从23 mV降至15～18 mV(见图2)，效应系数降到由0.06次/槽·日降低至0.03次/槽·日以下。这种变化的主要原因是磁场补偿前电解槽受磁场影响，铝液流速快，电解质与铝液界面变形、波动剧烈，必须保持高极距、高铝水平才能保持电解槽的稳定性，从而导致系列的较高槽电压。通电后电解槽磁场减小，铝液流速减慢，电解质与铝液界面波动降低，稳定性增强，同时不需要较高铝水平来减少铝液水平电流，可降低极距，保持较低电压进行生产。

图1 350 kA铝电解系列电压变化趋势图

图2 350 kA铝电解系列噪声值变化趋势图

2.2 硅含量、侧壁温度降低

通电前受x、y方向磁场影响较大，铝液流速大，对槽底和侧部冲刷强烈，导致电解槽早期破损，硅含量较高。通电后由于电解槽x、y方向磁场降低，铝液流速降低，电解槽稳定性增强，极距降低，电解槽工作电压降低，对外部出铝、换极等操作干扰敏感度降低，新的热平衡形成后，可形成规整的侧部结壳。经统计，系列电解槽侧壁温度均值由原来的370～380 ℃降低至330～350 ℃，炉帮平均增长2 cm左右，原铝液硅含量由0.05%降低至0.04%以下(见图3)。同时，在新的热平衡建立过程中，随着铝水平的降低，电解槽稳定性并没有变差(见图4)。

图3 350 kA铝电解系列硅含量变化趋势图

图4 350 kA铝电解系列铝水平与日电压振幅变化趋势图

2.3 阳极电流分布变均匀

图5 优化母线通电前一周内20台电解槽阳极电流分布均值图

补偿母线通电后阳极电流分布有明显改观，系列单槽阳极电流分布比以前更加均匀，特别是中间极与角部极的导电差异大幅减小，残极高度变均匀(见图5、图6)。改善了原350 kA系列阳中间极消耗过快及角部极消耗慢导致的换极周期较短、阳极毛耗高的情况。据统计，优化母线通电前残极高度小于12 cm(阳极钢爪化爪点11.5 cm)的占总残极的2%，高于17 cm的占83%，残极高度大于12 cm，小于14 cm的占15%。通电后经过2个月调整，残极高度大于12 cm，小于14 cm的占6%左右，具备延长换极周期条件。通过提高阳极质量、加强阳极使用和管理等工作，延长换极周期2 d，阳极毛耗降低40 kg以上。

图6 优化母线通电后两周内20台电解槽阳极电流分布均值图

2.4 通电初期电解槽冷行程明显

通电初期，电解槽噪声值由23 mV下降至15～18 mV，电解槽稳定性明显增强，原有热平衡体系产生较大变化，使得在原有技术条件下，热量收入不足，电解槽冷行程明显。其主要表现在槽温降低，电解质收缩，铝水平上升，氧化铝熔解性变差，氧化铝投入量过大，炉底沉淀增多，在近1月内阴极压降上升10 mV。为防止冷行程加剧，采取适当提高设定电压，增大出铝量、减小AlF3添加量等措施来抑制冷行程，等氧化铝投入量正常后，再规范铝水平和电压。

2.5 电解槽经济技术条件变化情况

磁场优化后，电解槽的稳定性提高，不需要较高的铝水平来抑制水平电流带来的影响，在保持较低工作电压下为进一步降低分子比提供空间，同时，电解槽稳定性提高使得铝液表面二次反应减少，电流效率得以提高。在保持电解质熔解性的前提下，为配合延长换极周期，防止电解质冲涮阳极钢爪，可适当降低电解质高度。在原磁场作用下，铝液镜面变化较大，受磁场与水平电流作用，导致出铝口及烟道端铝水平较高，在补偿母线通电后，铝水平较原来下降1 cm左右。经过后期调整，各项技术经济指标逐渐稳定。补偿母线在磁场变化前后系列各项工艺技术条件、经济技术指标变化情况见表1、表2。

表1 补偿母线通电前后技术条件变化情况

注：通电前为3个月实际平均数据，通电后为技术调整稳定后3个月实际平均数据。

表2 补偿母线通电前后经济技术指标变化情况

注：通电前为3个月实际平均数据，通电后为技术调整稳定后3个月实际平均数据。

3 结论

(1)磁场优化为技术条件优化提供前提。电解槽磁场优化后，因阳极电流分布均匀，磁场、水平电流的相互作用对电解槽稳定性的影响降低，电解槽稳定性提高，从而无需保持较高铝水平、极距来保证稳定性。新的热平衡可以由比较理想的低铝水平、低电压技术条件来实现，从而为此后降低分子比，提高电流效率、降低电耗打好基础。

(2)磁场优化初期电解槽存在明显的冷行程。补偿母线通电后，磁场得以优化，电解槽原有热平衡被打破，随之进入明显的冷行程，电解槽日氧化铝投入量过大、阴极压降上升，应及时调整各项工艺技术条件，防止炉膛破坏，槽况恶化。

(3)磁场优化后，电解槽各项经济技术指标均有大幅度提高。磁场优化后，电解槽各项技术参数得以优化，为指标提升提供了空间。系列原铝液正常交流电单耗降低380 kW·h/t-Al,阳极毛耗降低40 kg/t-Al以上，电流效率增加1.5%，年产量增加近4 000 t。同时，系列电解槽换极电压摆台次由每班次8台次降低至2台次，电压摆时间大幅度降低，降低了劳动强度，增加了天车空余时间，为天车维修、电解槽槽修等工作提供了必要的时间。

[1] 胡红武，孙康健. 400 kA预焙铝电解槽磁场分布应用研究[J].轻金属,2011(增刊).

[2] 青铜峡铝业GY350电解槽磁流体稳定性研究报告[R].2009.3.

Influence of Magnetic Field Optimization on Technology Indicators of 350 kA Prebaked Aluminum Reduction Cell

WANG Chang-chang

This paper introduces the influences of magnetic field optimization on process indicators and economic and technological conditions in 350 kA prebaked aluminum reducrion cell.

aluminum reduction cell; technology indicators; magnetic field optimization; balance bus

2014-04-28

王昌昌(1985—)，男，甘肃合水人，大学本科，助理工程师，主要从事电解铝生产管理工作。

TF821

A

1008-5122(2014)05-0010-04