铝电解槽铝水高度技术路线分析研究

曹 曦,赵志彬,付 松,刘雅锋,胡红武,张存忠,韩宪超

(1.沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001;2.聊城信源集团有限公司,山东 聊城 252000)

铝水高度是铝电解的一个重要生产工艺和技术参数,良好技术指标的一个必不可少的重要技术条件即是合理的铝水高度。因此电解槽铝水高度的调整是实际的生产操作中调节电解槽稳定性和热平衡的一个常用技术手段,并且在一定的条件下,确实行之有效,所以有些技术路线把高铝水运行作为一项重要传统贯彻落实。然而对于另外一些企业,一贯的高铝水运行反而造成了一些消极的影响,但在低铝水高度路线上也取得了良好的技术效果。

因此如何评价铝水高度对电解槽运行稳定性的影响是行业内重要研究课题,以往由于理论技术条件的限制,大部分是从实际生产经验上定性的阐述。可以肯定的是,一种类型的电解槽都有一个最佳的铝水高度,但不同电解槽类型的最佳铝水高度并不一致,这是由于电解槽容量、阳极电流密度、电平衡分布、磁流体稳定性、电解质体系以及槽龄等各种客观条件的存在[1]。

随着技术的发展和研究水平的提高,技术人员可以定量的分析铝水高度对电解槽电-热-磁等性能指标的影响,并且寻找出电解槽的一个最佳的铝水高度。本文利用数学计算模型,分析铝水高度、铝液中水平电流、阴极压降和炉膛形状的相互关系,分别研究不同铝水高度对上述条件的影响,为行业研究和生产提供参考。

1 研究方法

为了计算电解槽内的电-热平衡情况,本文建立了电解槽电热场模型如图1所示,模型中包含铝液、电解质、阳极以及内衬槽壳等阴极装置,研究团队前期的计算和现场测量结果已经证明了该模型的准确性[2-3],可以用来计算上述几种工艺参数与铝水高度的关系。

图1 电解槽电热场计算模型

计算工况选取目前行业内的500 kA铝电解槽,计算基准状态如表1所示。

表1 模型计算用工艺参数表

2 计算结果

2.1 铝水高度对水平电流的影响

在实际铝电解生产过程中,除了直接参与电化学反应的电流,还有一部分不参与电解,只增加能耗的水平电流,如图2所示,电流总是有一部分的水平分向。水平电流对铝电解生产危害很大,主要因为水平电流与垂直磁场的相互作用是造成电解槽中铝液波动的主要原因(F=J×B[4]),铝液波动会引起电压摆动,降低电流效率,严重时导致滚铝;另外水平电流会造成铝液流速增大,冲刷炉帮,增加侧部漏炉的风险。

图2 电解槽铝液中电流分布示意(单位:A/m2)

因此无论是设计、科研还是实际生产中,总是尽量减少铝液中的水平电流以提高电解槽磁流体稳定性,目前有很多新技术,比如新式节能阴极结构技术、石墨化阴极技术、新式节能阴极钢棒技术、异型阴极、变截面钢棒、高导电钢棒等,都是提高电解槽稳定性的技术,同时生产上也有自己的方式提高电解槽稳定性,比如提高铝水高度。本文分别在不同设计形式下的2种水平电流下,计算铝水高度的影响。

2.1.1 传统阴极结构下水平电流变化

对于传统的铝电解槽,其设计形式决定了铝液中水平电流都在8000～10,000 A/m2左右,此时分别在20 cm、24 cm、28 cm和32 cm计算铝液中水平电流,其结果如图3所示。x坐标代表铝水高度,y坐标代表铝液中水平电流最大值。

图3 传统阴极结构最大水平电流随铝水高度变化曲线

图3显示对于传统阴极结构,在较低铝水高度的情况下,铝水高度的提高能够降低铝液中水平电流,水平电流最大值从20 cm的9021 A/m2降低到25 cm的7000 A/m2左右。但铝水高度继续提高,水平电流下降幅度减小,铝水高度提高到32 cm时,水平电流也只降低到5906 A/m2,并维持到该水平电流附近。说明传统阴极结构在低铝水平情况下通过提高铝水高度,确实能够有效降低铝液中水平电流,铝水提高12 cm,水平电流能够降低3215 A/m2,但一旦铝水高度达到25 cm以上,降低幅度不明显。该结果说明在较高铝水平下,再通过继续提高铝水高度降低水平电流从而提高电解槽磁流体动力性能的功能性显著降低。

2.1.2 节能阴极结构下水平电流变化

对于采用降低水平电流技术的铝电解槽,其铝液中的水平电流得到了不同程度的遏制,特别是新式节能阴极结构技术或者石墨化阴极技术通过改变电流走向,其铝液中水平电流都在3000～4000 A/m2左右,同样分别在20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm和32 cm计算铝液中水平电流,其结果如图4所示。

图4显示对于采用降低水平电流技术的铝电解槽,由于设计基础值已经较低,铝水高度的提高对降低铝液中水平电流效果已经很不明显,在20 cm铝水高度的情况下,电解槽水平电流也只有3863 A/m2,随着铝水高度逐渐提高,水平电流出现小幅下降,但最终铝水高度达到32 cm后,水平电流仍有2677 A/m2,也即是说铝水高度提高12 cm,水平电流降低幅度只有1186 A/m2,能够带来的提升作用十分有限,因为理论计算显示水平电流在该区间内已经不是限制磁流体稳定性的主要因素,再进一步降低的意义不大,反而要实现的代价很高。

图4 节能阴极结构最大水平电流随铝水高度变化曲线

但需要指出的是,铝水平高度并不是越高越好的,铝水平的变化将会对电解槽热平衡和槽膛形状产生显著的变化,见本文2.2小节。

2.2 铝水高度对炉膛内形的影响

理想的炉膛内形为厚炉帮、短伸腿形式,具有这种炉膛形状的电解槽可以获得更高的电流效率:一是具有较小的非阳极投影面积;二是具有较小的铝液内水平电流;三是具有良好的铝液界面[5]。特别是电解槽伸腿长度,一旦进入阳极投影内部,将会造成铝液内产生反向水平电流,这种反向水平电流在垂直磁场的作用下,引起铝液界面的波动,并增加铝液流速,影响电解槽磁流体稳定性。

由于阴极压降关系到电解槽阴极区的局域热平衡,因此本文在不同阴极压降的工况下,讨论铝水高度对炉膛内形的影响。

2.2.1 传统高阴极压降下槽膛的变化

传统的电解槽阴极压降设计值处于较高水平,根据电流密度的不同,基本在280～320 mV之间,并随着槽龄的增加,会逐渐提升到350 mV左右。本模型以阴极压降300 mV为例,考察铝水平对槽膛形状的影响。

计算槽电压3.95 V,阴极压降300 mV,铝水平对槽膛形状的影响如图5所示。图5中数据显示,在传统较高的阴极压降下,电解槽炉帮随铝水平变化逐渐减薄,而伸腿长度逐渐增加。图6中数据显示,铝水平从20 cm增加到32 cm,炉帮厚度从16.8 cm降低到16 cm,伸腿长度从1.8 cm增加到9.7 cm。

图5 传统阴极结构炉膛形状随铝水高度变化形式

图6 传统阴极结构炉帮与伸腿数值随铝水高度变化曲线

2.2.2 节能低阴极压降下槽膛的变化

近几年来节能型阴极结构的物理压降有了较大变化,特别是石墨化阴极电解槽,阴极压降设计值一般在180～230 mV之间,本次计算以210 mV为例,低阴极压降的情况下,考察铝水平对槽膛形状的影响。

计算槽电压3.90 V,阴极压降210 mV,铝水平对槽膛形状的影响如图7和图8所示。图7中数据显示,铝水高度对节能型阴极结构电解槽的炉膛影响同传统型不同,电解槽炉帮随铝水平变化逐渐减薄,但是伸腿长度变化幅度显著。图8中数据显示,铝水平从20 cm增加到32 cm,炉帮厚度从16.4 cm降低到15.6 cm,伸腿长度却从2.2 cm陡增至20.3 cm。

图7 节能阴极结构炉膛形状随铝水高度变化形式

图8 节能阴极结构炉帮与伸腿数值随铝水高度变化曲线

3 分析及讨论

将上述计算表格结果汇总见表2。

表2中数据显示铝水高度对传统和节能两种阴极结构的炉帮影响均在1 cm以内,而伸腿变化差距很大。如图9所示,给出了两种阴极结构的伸腿长度变化情况,铝水高度在20 cm到24 cm的区间内,两者变化基本一致,但铝水高度超过24 cm后,节能阴极结构的伸腿变化曲线斜率突然升高,伸腿长度急剧增加。而传统阴极结构的伸腿变化则基本呈线性增加。

图9 两种阴极结构伸腿数值随铝水高度变化曲线

表2 铝水高度对槽膛炉帮及伸腿的影响 cm

伸腿的变化同阴极区域热平衡变化相关性很大,热输入增加,伸腿减少,热输入减少,伸腿伸长。对于电解槽来说,热量的产生和散失是平衡的,变化的是槽温和炉膛内形,因此钢棒区域的热量散失的变化趋势即能够反应出阴极区域的热量输入的变化趋势。

表3给出了新旧两种阴极结构阴极钢棒散热功率及散热热流的变化趋势,为了便于表述,图10和图11中给出了同一坐标刻度下的变化趋势,图中数据显示,节能型阴极结构的散热功率相比传统型总体上处于较高水平,同时传统阴极结构的钢棒区域散热量随铝水高度的增加基本均匀减小,而节能阴极结构在铝水高度超过24 cm以后,钢棒区域散热量随铝水高度迅速减少。

表3 铝水高度对两种阴极结构钢棒散热的影响

图10 传统阴极结构散热功率与铝水高度变化曲线

图11 传统阴极结构散热热流与铝水高度变化曲线

上述情况及变化规律说明:

(1)节能型阴极结构的阴极及钢棒区域散热量整体大于传统型阴极结构,这是由于节能型阴极结构钢棒截面较大,导热量增加所致,特别是石墨化阴极电解槽阴极区域散热量增加明显。

(2)节能阴极结构在铝水高度超过24 cm后,阴极区域的热输入是明显降低的,这是由于反应发热区域与阴极区较远,传导至阴极区域的热量减少,而节能型同时阴极区域的自产热较少,散热量又大,造成局部热输入明显降低,因而伸腿长度迅速增加。

因此采用节能型阴极结构的低阴极压降电解槽,铝水平不宜过高,一旦铝水高度超过24 cm以后,将导致电解槽伸腿的迅速增加,破坏炉膛内形,反而影响了电解槽的稳定性。

4 结 语

(1)对于高水平电流的传统阴极结构,铝水高度从20 cm提高到32 cm,水平电流降低幅度达到了3215 A/m2,说明对于传统结构,在低铝水平情况下,铝水高度提高能够提升电解槽稳定性,但超过25 cm后作用不明显,建议保持22～24 cm左右。

(2)行业内普遍采用的节能型阴极结构,从结构设计上已经大幅度降低了铝液中水平电流,铝水高度从20 cm提高到32 cm,水平电流降低幅度只有1186 A/m2,铝水高度对电解槽稳定性的提升作用十分有限。

(3)节能型阴极结构电解槽伸腿长度对铝水高度较敏感,一旦铝水高度超过24 cm,伸腿长度迅速增加,槽膛情况恶化,反而破坏了电解槽运行的稳定性。

(4)考虑到后期槽龄增加对电解槽性能带来的变化,建议节能型阴极结构电解槽,特别是采用石墨化阴极的节能型电解槽,在稳定运行期保持20 cm左右的低铝水平工艺路线。