带外补偿母线和传统母线配置技术在500 kA预焙电解槽中的应用对比

宋书红,范晋平

(1.营口忠旺铝业有限公司,辽宁 营口 115000;2.太原理工大学 材料科学与工程学院,山西 太原 030024)

随着国内铝行业的快速进步,电解槽运行电流不断增加,电解槽的稳定运行成为电解生产的关键。随着国内500、600 kA大型预焙电解槽的投入生产运行,传统母线配置磁场补偿已经不能满足进一步提高电解槽节能降耗的要求。适应我国铝电解发展的实际需要,以沈阳院专利CN105220179A[1]为代表的带外补偿母线的新概念母线配置方案新鲜出炉,该方案的应用,大幅提高了电解槽的稳定性,为电解生产节能降耗奠定了基础。

下面通过带外补偿母线500 kA电解槽和传统母线配置500 kA电解槽实践应用的对比,介绍了外补偿母线配置电解槽实践应用。

1 两种配置方式的计算仿真比较

根据仿真模拟计算得出的带外补偿母线500 kA电解槽和传统母线配置500 kA电解槽Bz方向磁场、铝液流速及铝液界面变形的模拟比较,如表1、图1、2及图3、4所示。

表1 500 kA电解槽带外补偿母线和传统母线配置Bz方向磁场的比较

图1 带外补偿母线500 kA电解槽铝液流速

图3 带外补偿母线500 kA电解槽铝液界面变形

图4 传统母线配置500 kA电解槽铝液界面变形

带外补偿母线配置方案是在500 kA电解槽旁采用单独的补偿母线来综合均衡电解槽的磁场,使电解槽具有一个不受系列电流波动影响的恒定附加磁场环境。该母线优化配置目的就是进一步优化垂直磁场各方向梯度分布,使电解槽内熔体流速得到进一步降低。

从表1看,带外补偿母线电解槽Bz磁场4个象限的值比传统母线配置电解槽更加相近,且最大值也比传统母线配置电解槽小,与传统母线相比,外补偿母线磁场结果更优。从图1和图2的比较看,带外补偿母线电解槽铝液流速明显小于传统母线配置电解槽,熔体流速降低幅度超过30%;从图3和图4的比较显示,带外补偿母线电解槽铝液界面变形明显小于传统母线配置电解槽铝液界面变形,铝液变形幅度降低超过30%。从分析得知,外补偿母线的磁场强度和电解槽磁流体稳定性都有大幅度的提高,为电解槽的稳定运行提供了良好的基础。

2 两种配置方式在电解槽上应用比较

2.1 电解槽运行稳定性

基于统计分析与数据挖掘的槽况综合分析是现代大型预焙电解槽综合管控的重要手段。现代大型预焙电解槽智能管控系统通过对控制过程采集到的的大量运行数据进行统计分析,可对电解槽进行相关的趋势诊断。电解槽槽噪声分析[2]、运行电压稳定性及运行历史曲线分析是电解槽运行稳定性分析的重要方法。

本文对比了槽龄和装备水平基本相同的500 kA电解两个系列一个区的运行统计数据和历史曲线,其中电解一、二车间为一系列,采用传统母线配置,电解三、四车间为二系列,采用外补偿母线配置。

2.1.1 电解槽噪声分析

电解槽的噪声通常分为高频噪声(通常称为摆动)和低频噪声(通常称为针振)两种,对比两种不同类型电解车间电解槽的平均噪声数据,如表2所示。

表2 电解车间噪声统计表

传统母线配置电解槽实际运行摆动平均在4.5 mV,带外补偿母线的电解槽在1.5 mV,传统母线配置电解槽摆动强度比带外补偿母线的电解槽高3 mV,高大约200%,低频噪声摆动幅度通常由由铝液层波动引起[3]。通过这些统计数据的对比,明显看出带外补偿母线的电解槽铝液波动要比传统母线配置电解槽有大幅度的改进，为电解槽的长期稳定行提供了良好的基础。

在开展企业经济责任审计工作中为了找到被审计企业经济责任的实际承担者，一定要明确划分各部门人员的企业经济责任，这样可以避免出现推卸责任的问题。在实际工作中可以从以下几方面进行：

传统母线配置电解槽实际运行针振平均在13.5 mV,带外补偿母线的电解槽在9.5 mV,传统母线配置电解槽针振强度比带外补偿母线的电解槽高4 mV,约40%。

2.1.2 运行电压分析

从它们运行电压的稳定性方面比较看,如表3所示。

传统母线配置电解槽实际运行平均电压和设定目标电压的差值较大,平均达到20.5 mV,而带外补偿母线的电解槽实际运行平均电压和设定目标电压的差值平均才6 mV。其原因是因为传统母线配置的电解槽运行针振、摆动、异常电压的强度和时间要远远高于带外补偿母线的电解槽,说明带外补偿母线的电解槽运行比较稳定。

2.1.3 运行历史曲线

通过电解槽控制系统历史运行曲线的解析更加直观反映电解槽的运行稳定性。如图5、6为500 kA预焙电解槽控制系统历史运行曲线。

表3 电解槽电压比较

图5 传统母线配置500 kA预焙电解槽控制系统历史运行曲线

图6 带外补偿母线500 kA预焙电解槽控制系统历史运行曲线

通过对对比槽历史曲线的解析可发现:传统母线配置电解槽针振摆动强度较大,累积时间较长,电解槽经常通过升降阳极进行调整,阳极调整必然导致电解槽电阻发生变化,致使系统基于电阻斜率权重判断的氧化铝浓度控制出现紊乱,电解槽表现运行不稳定。生产现场往往表现出突发效应多、炉底沉淀多等问题,增加槽控系统判断失误的概率。外补偿母线配置电解槽由于良好的磁流体稳定性基础,较低的槽噪声,为电解槽控制系统的准确判断提供了良好的基础。

2.2 电解槽运行工艺参数

表4所列数据为以上对比槽运行工艺参数。两种母线配置电解槽运行过程中槽温、两水平及分子比基本保持一致;电解槽的日下料量带外补偿母线电解槽要高于传统母线电解槽262 kg/(槽·日),说明带外补偿母线电解槽效率比传统母线电解槽高,这一点从后续表6数据也予以佐证;效应控制带外补偿母线电解槽要优于传统母线电解槽,结合下料欠过比数据看,带外补偿母线电解槽氧化铝浓度控制基本实现低浓度敏感区的控制要求,这也从另一面体现出带外补偿母线电解槽稳定性高于传统母线电解槽高,为氧化铝浓度控制创造了条件,因为槽稳定是控制策略赖以成功实施的必要条件;异常电压累积时间和原铝质量也略有提高,说明带外补偿母线电解槽使电解槽的整体稳定性有了明显的提高。

表4 带外补偿和传统母线配置500 kA电解槽系列运行工艺参数对比

2.3 电解槽炉膛情况

如图7所示为电解槽炉帮构型图,对炉帮a、b两处的位置尺寸予以测定就基本可以构建电解槽的炉膛内型。其中a处位置表征炉帮的最薄处,b处表征炉帮伸腿的位置。它们均可通过相应测定棒进行测量,同时在c处测量电解槽槽壳侧壁典型温度数值,从而了解电解槽的炉帮基本状况。从跟踪500 kA预焙电解槽传统母线配置槽和带外补偿母线配置槽炉帮形成过程数据可以比较出两种电解槽炉膛内型的形成变化机制。表5是500 kA电解槽不同时期测得炉帮数据情况。

图7 炉帮构型图

表5 500 kA预焙电解槽炉帮测定表

从表5数据可以看出:带外补偿母线的电解槽形成的炉帮比传统母线配置电解槽厚约3～4cm,伸腿反而短,而且稳定;槽壳侧壁温度平均低10 ℃左右。从表5数据的变化趋势看:带外补偿母线的电解槽形成的炉帮比较稳定,随着槽龄的增加变化不大;而传统母线配置电解槽炉帮厚度有一定的起伏,伸腿有随槽龄加长的趋势。表5数据说明带外补偿母线的电解槽炉膛更加规整稳定。这应该主要取决于带外补偿母线电解槽垂直磁场各方向梯度分布更加均衡,使电解槽内熔体流速得到进一步降低,同时缩小电解质和铝液两层流动的速度差别,减小了对炉帮的冲刷,利于电解槽炉帮的稳定形成。实践证明,外补偿母线配置的电解槽炉膛较规整和稳定,是外补偿电解系列取得高效稳定生产的关键因素。

3 两种配置形式的电解槽运行经济技术指标对比

与传统母线配置槽相比,500 kA预焙电解槽采用带外补偿母线配置后,电解槽稳定性大大提高,运行经济技术指标也比较理想。

表6所示数据是传统母线配置500 kA电解槽系列启动一年后2016年全年的主要经济指标和带外补偿母线配置500 kA电解槽系列启动一年后2019年全年的主要经济指标,它们内衬设计基本一致,技术条件基本相同。其中带外补偿母线配置电解槽的可比交流电耗中含独立补偿母线的耗电量。

表6 两种配置形式的电解槽2019年主要经济指标对比

从表6可以看出:带外补偿母线的电解槽平均电流效率达到了94.37%,可比交流电单耗达到13,034 kWh/t-Al,比传统母线配置电解槽平均电流效率高出2.54个百分点,可比交流电单耗降低237 kWh/t-Al,经济运行效果非常明显。

4 结 语

实践证明带外补偿母线的电解槽长期稳定运行,优化了电解槽磁感应强度、熔体流动速度、铝液-电解质界面波动,与传统母线配置电解槽相比运行更加稳定,为采用该技术的电解系列取得更好的经济技术指标提供了坚实的基础。