200 kA铝电解槽阴极磷生铁浇铸试验及工业应用

杨国文

(中国铝业股份有限公司 青海分公司,青海 西宁 810108)

随着行业技术的进步和国家政策的更新,电解槽需在低能耗下高效运行,而低能耗铝电解槽必须具有优良的磁流体稳定性,才能够在较低极距下稳定高效生产。行业内不断更新的优秀技术证明,降低铝液中水平电流技术是提高铝电解槽磁流体稳定性的有效手段。在此基础上如何进一步大幅降低电解槽阴极压降,采用磷生铁浇铸阴极组装形式是一条重要途径。

但在此之前,行业内采用磷生铁浇铸阴极炭块组装主要是针对石墨化炭块,而石墨质炭块主要采用的仍是炭糊扎固的组装形式,采用该种组装方式的电解槽的阴极压降基本在270～320 mV,有进一步优化的技术潜力。目前石墨质阴极炭块仍是国内使用规模最大的炭块类型,特别是300 kA以下的槽型。因此,为了能够在石墨质炭块上采用磷生铁浇铸技术,达到大规模、大幅度降低电耗的目的,青海分公司与沈阳铝镁设计研究院有限公司合作,于2016年初在青海分公司200 kA系列上进行了磷生铁浇铸的工业化试验,试验成功后并在青海分公司进行推广应用。

1 试验思路

首先,针对性地设计节能型阴极组形式。该阴极组形式能够适应磷生铁浇铸的工艺过程和磷生铁的材料特性,并且将降低铝液中水平电流与降低阴极压降成功地结合起来;其次,进行磷生铁浇铸工艺的研究与工业试验,摸索阴极炭块磷生铁浇铸的工艺技术条件;最后,选取大修槽进行试验,并对试验槽进行详细的热、电测试,最终完成工业试验,并进行系列推广应用。

2 阴极组结构的优化研究

在阴极结构进行优化,将原来的两根钢棒改为单钢棒,阴极组结构由之前的一块阴极和4根钢棒优化为一块阴极和2根钢棒。由于青海分公司200 kA电解槽的阴极块宽度为515 mm,实施难度较大,经过不断的尝试和试验,最终实现了单钢棒的结构形式,即保证了磷生铁浇铸的成功率,又降低了水平电流和阴极压降。对不同阴极结构的水平电流进行模拟计算,如图1所示。可以看出,磷生铁浇铸结构电解槽铝液中水平电流比普通阴极电解槽有大幅降低,和双钢棒电解槽铝液中水平电流基本一样,说明磷生铁浇铸和双钢棒电解槽的稳定性基本一致,但磷生铁浇铸结构的阴极压降比双钢棒槽降低了47 mV,这说明采用磷生铁浇铸技术具有较大的节能潜力。

图1 不同阴极结构的水平电流比较

3 阴极组浇铸试验

试验组于2016年1月进行了200 kA电解槽阴极磷铁浇铸试验,共浇铸了38组阴极组。试验方式采用燃气加热方式,对炭块和钢棒加热后,进行阴极炭块和磷生铁浇铸组装施工。二者指标如表1和表2所示。

表1 阴极炭块理化指标(50%石墨质阴极)

表2 磷生铁组分要求

图2 阴极炭块加热设备

加热时间3个小时,加热结束后,移走加热装置,用热成像仪检查阴极炭块及钢棒温度分布。钢棒上表面沿长度方向温度分布如图3所示，钢棒温度平均值为502 ℃。阴极炭块顶面沿长度方向温度分布差值较小，炭块顶面温度约430 ℃，温度最大最小差值在50 ℃左右。

图3 钢棒上表面长度方向温度分布

阴极炭块出炉后,使用铁水浇铸,如图4所示;浇铸完成后,采取相应保温措施,阴极炭块组温度平稳下降,检查阴极侧翼及钢棒槽倒角部位,均未发现裂纹,说明磷生铁浇铸试验取得成功,可以将浇铸好的阴极炭块组用于试验槽筑炉。

图4 磷铁浇铸过程

4 试验槽启动及后期管理

选取6644#、5724#两台大修槽进行工业试验。该两台槽经过前期的阴极浇铸、内衬砌筑等,完成了两台电解槽的筑炉并交付电解验收满足焙烧的条件后,采用焦粒焙烧方式,顺利完成启动。

6644#、5724#两台槽槽电压管理按照青海分公司节能槽电压管理的思路在启动后快速降电压,启动后一个月,6644#、5724#槽电压分别保持在3.73 V,3.71 V,此时主要技术条件如下:

6644#槽电压为3.73 V,铝水平16 cm,电解质水平23 cm,电解质温度为935 ℃,分子比2.99,阴极压降为220 mV。5724#槽电压为3.71 V,铝水平16 cm,电解质水平22 cm,电解质温度为924 ℃,分子比2.95,阴极压降为218 mV。

电解槽槽况运行平稳,后续陆续按电解槽后期管理制度调整电解槽的各项技术参数至目标值。

5 试验槽运行情况测试

为了全面掌握电解槽运行状态,进一步提高电解槽技术指标,2016年8月青海分公司和沈阳院一同对该两台试验槽的电热场进行了详细测试,根据测试结果对电解槽进行全面分析。电解槽主要指标如表3所示,其中5724#和6644#槽为阴极浇铸电解槽,其余两台为双钢棒电解槽。

表3 电解槽工艺参数汇总表

5.1 槽壳温度

对该四台槽槽壳侧壁(熔体区、阴极区)、槽底板及阴极钢棒外表面温度进行了测试,槽壳侧壁区和钢棒温度如表4和图5所示。

由表4和图5可知,SY200双钢棒槽槽壳熔体区平均温度266 ℃,浇铸阴极电解槽平均温度207 ℃,相比双钢棒槽降低了59℃。双钢棒槽阴极钢棒头平均温度241 ℃,浇铸阴极电解槽阴极钢棒头平均温度268 ℃,与双钢棒槽相比增加了27 ℃。两台槽型槽底板平均温度为136 ℃和91 ℃,浇铸阴极电解槽槽底平均温度比双钢棒槽低45 ℃。

为使A相剩磁稳定，需使合闸时刻外加电源A相虚拟磁链正好处在对应方向的峰值，若剩磁为负，则为负峰值，反之亦然。假设剩磁为某一值X，则要求剩磁满足：

表4 测试电解槽温度对比表

图5 测试槽槽壳及阴极钢棒温度分布

5.2 槽膛内形

4台槽的炉膛内形如表5所示,SY200双钢棒槽炉帮平均厚度为9.0 cm,伸腿长约11.6 cm。浇铸阴极结构电解槽炉帮厚度14.5 cm,伸腿长度12.85 cm。可见,磷生铁浇铸阴极电解槽炉膛内形更合理。

表5 SY200测试槽炉膛内形

5.3 散热分布

电解槽的热损失是指除铝电解反应能耗以外的能量支出。测试的四台电解槽热损失分项对比如图6～图7所示。测试数据显示浇铸阴极结构电解槽上下散热比例相比双钢棒电解槽有所不同,下部散热比例较双钢棒槽小。

图6 双钢棒槽散热分布

图7 浇铸阴极槽散热分布

5.4 测试结论

(1)采用双钢棒结构的电解槽吨铝直流电耗平均值为12,682 kWh,炉底压降平均值为336 mV;采用浇铸阴极结构的试验槽吨铝直流电耗为12,404 kWh,炉底压降为253 mV,相比双钢棒槽降低了83 mV,同时前者吨铝直流电耗相比后者降低了278 kWh,这基本为阴极压降降低值对应的能耗。

(2)浇铸阴极结构电解槽的炉帮厚度要比双钢棒槽厚6.3 cm,这与浇铸阴极结构电解槽侧壁温度较低是比较相符的。两种槽型伸腿长度略有差异,总体来说浇铸阴极结构槽膛上口更厚,形状合理。

对阴极磷生铁浇铸电解槽运行指标进行长期跟踪,发现其炉底压降和直流电耗随槽龄增长略有上升,但整体上基本保持稳定,各种工艺参数基本保持稳定,详细数据见表6。

表6 磷生铁浇铸阴极电解槽运行参数统计表

6 推广应用效果

阴极浇铸试验结果显示出浇铸技术的显著优势,非常具有推广意义。自2019年10月起,青海分公司180 kA和200 kA系列大修槽均采用该技术进行大修。截至2020年,累计在180 kA系列上推广应用31台,在200 kA系列上推广应用19台,并取得了良好的技术指标和经济效益。

根据数据统计,相比改造前,浇铸阴极电解槽平均直流电耗在进入正常期后相比系列槽有大幅降低,2020年磷生铁浇铸电解槽正常期累计吨铝直流电耗达到了12,400 kWh以下,吨铝节能超过230 kWh/t-Al,2020年全年累计降低电耗591.3×104kWh,节约电费达到206.9万元,同时社会效益显著,实现电厂减排CO2约5895 t。

7 结 论

(1)采用针对性设计的结构形式和燃气加热的方式,能够实现515 mm宽度的石墨质阴极单钢棒磷生铁浇铸组装。

(2)试验结果显示:在磷生铁浇铸和双钢棒两种槽型的槽温、两水平、覆盖料情况、电解质体系、分子比和水平电流基本相同的情况下,阴极压降降低83 mV的差距直接决定着两种电解槽的能耗表现,测试结果显示磷生铁浇铸槽吨铝直流电耗降低了278 kWh,直接体现出了该技术的优势。

(3)该技术已经在青海分公司200 kA和180 kA电解槽大规模推广应用,2020年磷生铁浇铸电解槽平均吨铝直流电耗达到了12,400 kWh以下,2020年全年累计降低电耗591.3×104kWh,实现铝厂减排CO2约5895 t,经济和社会效益非常显著。