石墨化和50%石墨质阴极铝电解槽指标与磁流体稳定性特征对比分析

汤 伟,李德赞,余龙进,倪德江,赵志彬

(1.广西华磊新材料有限公司,广西 百色 531400;2.沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

铝电解槽阴极炭块组是电解槽结构设计的主体部分之一,作为电解生产中电平衡、热平衡部分最重要的一环,要求其具有良好的导电性能和传热特性。阴极炭块还是有效延缓电解质向下渗透的第一道防线[1],因此又要求其在高温下具备抗冰晶石熔体侵蚀、钠渗透的特性。

对于阴极炭块材料的选择,国内电解企业和国外电解企业走出了截然不同的技术路线。国外一些大型铝厂(如美铝、迪拜、海德鲁等)很早就开始石墨化阴极炭块的应用研究。鉴于石墨化炭块自身良好的导电、导热性能,抗钠渗透和抗热膨胀性能,西方铝厂普遍采用了高电流密度、高电流效率的电解技术路线[2]。国内电解铝厂则长期习惯于使用具备价格优势的石墨质炭块,最先进的电解技术只在能耗方面维持世界先进水平,在生产率(电流密度和电流效率)还有一定差距。

近年来国内一些电解设计科研院所和生产企业逐渐认识到石墨化阴极炭块的优势,陆续开始工业探索。陶绍虎[3]以某电解企业为依托,对其500 kA电解系列的石墨质阴极和石墨化阴极两种槽型的工艺参数进行分析。统计发现石墨化电解槽阴极压降长期保持在240～260 mV之间,而石墨质电解槽的阴极压降则飙升到～340 mV。一年的平均数据统计显示石墨化电解槽的电流效率高1.49%。营口忠旺铝业[4]也做了类似的工业尝试。通过对40台石墨化电解槽和40台50%石墨质电解槽的对比发现,采用石墨化阴极炭块的电解槽阴极压降低45.5 mV,电流效率提高1%左右,直流电耗降低150 kWh/t-Al。此外,通过对大修槽占比分析发现,石墨化电解槽的预期槽龄也大幅度提高。

截止目前,石墨化阴极炭块在我国电解企业中并未得到广泛的推广应用。我公司也于2020年初利用电解槽大修的机会启动了2台石墨化阴极电解槽,通过同期启动的石墨质电解槽的数据对比,获得了大量第一手资料。本文通过两类电解槽生产数据和指标对比、极限磁流体稳定性特征分析对石墨化阴极电解槽的生产优势及其原因进行了分析,希望可以为国内外同行提供参考。

1 生产数据指标对比

我公司选取1202#和1722#两台电解槽安装石墨化阴极炭块组,1328#和1514#两台电解槽安装50%石墨质(以下简称石墨质)阴极炭块组,两类阴极炭块理化性质对比如表1。四台试验槽的热平衡设计和内衬结构相同,启动时间相近(间隔20天内),启动后期管理相同,正常生产期的工艺条件相同、原材料相同。

表1 石墨化阴极炭块与50%石墨质阴极炭块理化性质对比

4台试验槽自启动进入正常生产期后连续6个月的生产数据及指标对比显示,两类电解槽的运行槽电压几乎相同(仅差～5 mV),铝水平、质水平、槽温等工艺条件接近,但石墨化电解槽的电流效率高出石墨质电解槽1.46%,电解槽的直流电耗也降低了约200 kWh/t-Al。

我公司石墨化阴极试验的结果与营口忠旺等其他铝企[4-6]的结果相同,均显示石墨化阴极电解槽在节能、提效方面极具优势。目前科研院所和生产企业认为石墨化电解槽的节能优势在于其阴极压降节省的电压降可转移到极距区域,所以在相同槽电压的情况下石墨化电解槽的极距空间大于石墨质电解槽,进而可大幅度减少铝液与CO2气体进行二次反应的概率。

2 极限磁流体稳定性特征分析

为了进一步探索石墨化电解槽具备节能优势的原因,本文进行了极限磁流体稳定性特征分析试验,即压极距试验(Squeezing Test)[7]。

2.1 试验方法

压极距试验是国际上一种常用的评价工业电解槽极限磁流体稳定性特征的方法。

铝电解槽的磁流体稳定性是瞬态的,该试验是指在给电解槽一次人工扰动后,评价铝液/电解质界面能否随时间而逐渐恢复稳定:如界面变形会随时间趋于稳定,此时电解槽的极距未达到极限;反之如电解槽界面变形随时间呈现增长发育的趋势,则电解槽极距低于极限值。

本次试验是在电解槽处于休极期进行的,避免了由于换极带来的干扰。试验过程如下:

(1)试验前测量电解槽的阳极电流分布、电解质温度,并通过计算得出该电解槽的等效极距分布[8],该分布可作为接下来试验的参考点;

(2)快速吃掉安全区的极距,试验中的槽电压(如3.88V)快速降低电压80 mV到3.80 V;

(3)压极距后等待5～15分钟,密切关注电解槽摆动、针振、电压波动的发育情况,重新测量阳极电流分布、温度,计算极距并与上一步的极距分布对比;

(4)重复步骤(2)～(3),依次降低到3.75V,3.70 V,3.65 V等;

(5)每次压极距后,如界面波动的稳定性逐渐恢复,则进入下一阶段;否则恢复极距,停止试验。

图1是以1722#电解槽压极距试验为例的试验过程,试验中密切注意温度变化、质水平变化等,避免出现安全事故。

图1 压极距试验的试验过程

2.2 试验结果

图2和图3为石墨化阴极电解槽1722#和石墨质电解槽1328#在压极距试验过程中,不同阶段电解槽的等效极距分布情况。需要指出的是,在等效极距的计算过程中,如某阳极所承担的电流过小(如新极、伸腿过长的角极等),则其计算得到的等效极距是不准确的,如图2中B1、B15,图3中A23A24、B5B6,在计算平均极距和极距标准偏差时不将其考虑在内。

图2 石墨化阴极电解槽压极距试验中各阶段等效极距分布(1722#)

从图2中可以看出试验前槽电压在3.88V的情况下,平均极距为40.4 mm,该数据与人工测量电解槽不同位置极距的平均值接近。在当前工况下,电解槽的整体极距分布呈现多峰形式,最低极距约为30 mm(A21),极距标准差为0.81;随后电解槽的槽电压降低到3.80 V,此时电解槽的平均极距为38.5 mm,极距的标准偏差未发生变化;继续试验降低槽电压到3.75 V,平均极距降低到37.0 mm,但极距标准差开始上升到0.85,这说明电解槽铝液/电解质界面开始出现变形;随着试验降低到3.70 V时候,平均极距降低到35.9 mm,此时B21所承担的阳极电流开始出现轻微摆动;随后,极距的分布情况继续恶化,并出现多区域阳极电流摆动(3.65 V),这说明此时电解槽的磁流体稳定性已被破坏,在初始扰动后电解槽铝液/电解质界面变形呈现生长发育的趋势;停止试验,逐渐恢复槽电压,试验后发现极距的分布情况与试验前基本相同,说明该电解槽的铝液/电解质界面可恢复到初始状态。

图3显示了石墨质电解槽1328#在压极距试验过程中等效极距分布情况。可以发现虽然试验前的槽电压相同,但其平均极距为39.2 mm,较石墨化电解槽降低了1.2 mm,极距分布的标准差也比石墨化电解槽高～33%,极距分布也呈现多峰形式,但存在4根阳极(A8,B21,B22,B24)的等效极距小于30 mm的情况,明显大于石墨化电解槽;随后槽电压陆续降低到3.80V和3.75V,阳极电流出现摆动的情况(B20),随后又出现多区域阳极电流摆动;停止试验、电压恢复后的极距分布情况也呈现与试验前基本相同的形貌,说明该电解槽的铝液/电解质界面也可恢复到初始状态。

石墨化电解槽1202#与石墨质电解槽1514#也出现与图2和图3相同的趋势,这里不再赘述。

图3 石墨质阴极电解槽压极距试验中各阶段等效极距分布(1328#)

2.3 分析与讨论

从图2和图3的对比中,可以发现石墨化电解槽和石墨质电解槽在压极距试验中的区别。为了进一步具体分析两者的差异性,本节总结了四台电解槽在3.88V和3.80 V两种工况下的极距和极距标准偏差对比情况,如表2所示。

表2 石墨化和石墨质电解槽压极距试验对比

从表2中可以看出,正常生产时两台石墨化电解槽的平均极距为40.20mm,而两台石墨质电解槽的平均极距为38.98 mm,两类电解槽存在1.2 mm的极距差异。结合试验槽所采用的纯净电解质体系,1.2 mm的极距差异可折合约41 mV电解质压降。从极距标准差的对比也可发现,石墨化电解槽的极距均匀程度好于石墨质电解槽。

目前的大量研究认为石墨化阴极炭块的电导率高于石墨质炭块(YS/T623-2012和YS/T699-2009),石墨化阴极电解槽在阴极压降方面具备明显的优势。通过本次试验可以发现,除物理压降方面,石墨化电解槽的优势还体现在其对极距的均化程度上。

从表2中还可以发现,当电解槽槽电压从3.88V降低到3.80 V时,两台石墨化电解槽的极距标准差并未出现变大的趋势,甚至有降低的趋势,这说明该类型电解槽铝液/电解质界面的分布形貌并未发生变化,其极距整体偏移降低;两台石墨质电解槽的极距偏差则明显增大(增大幅度～22%),在相同工况下,该类型电解槽的界面分布形貌出现恶化的趋势。这里的对比可说明石墨化电解槽在抗干扰能力上远高于石墨质电解槽。

3 结 语

本文从工业生产的现场数据分析着手,进行了石墨化和石墨质电解槽的性能指标对比、极限磁流体稳定性试验分析,得到的主要结论如下:

(1)通过6个月的生产数据及指标对比发现,在两类电解槽运行管理相同、工艺条件接近的情况下,石墨化电解槽的电流效率高出石墨质电解槽1.46%,电解槽的直流电耗低～200kWh/t-Al。

(2)通过极限磁流体稳定性试验发现石墨化电解槽降低到3.70 V开始出现局部阳极电流波动,而石墨质电解槽降低到3.75 V就出现局部阳极电流波动的情况。

(3)计算等效极距发现,正常生产情况下石墨化电解槽的平均极距为40.2 mm,石墨质电解槽的平均极距为38.98 mm,差距为1.2 mm,石墨质电解槽的极距分布标准偏差也比石墨化电解槽大～33%。

(4)当槽电压从3.88 V降低到3.80 V时,两台石墨化电解槽的极距标准差并未出现变大的趋势,而两台石墨质电解槽的极距偏差则增大约～22%,石墨化电解槽的抗干扰能力上远高于石墨质电解槽。

(5)基于本文试验结果,我公司拟进行下一步的扩大试验,进一步研究石墨化电解槽抗干扰能力的深层原因,并探寻优化石墨化阴极电解槽的生产管理技术。