磷生铁浇铸阴极铝电解槽生产实践

崔家虽

(青海桥头铝电股份有限公司,广西 西宁 810100)

2021年全球电解铝产量仍高达6744.7万吨,而我国电解铝产量达3851.6万吨,约占世界总产量的57.11%。为实现碳达峰碳中和重大战略决策,国家出台了《关于发布高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平(2021年版)》《完善能源消费强度和总量双控制度方案》及《关于完善电解铝行业阶梯电价政策的通知》文件,要求不断健全绿色价格机制,充分发挥电价杠杆作用,推动电解铝行业持续提升能源利用效率、降低碳排放强度,服务经济社会绿色低碳循环发展,完善电解铝行业阶梯电价政策,完善阶梯电价分档和加价标准:① 分档设置阶梯电价;② 稳步调整分档标准,铝液综合交流电耗对电解铝行业阶梯电价进行分档,2022年分档标准调整为铝液综合交流电耗13,650 kWh/t-Al;2023年分档标准调整为铝液综合交流电耗13,450 kWh/t-Al(不含脱硫电耗);自2025年起,分档标准调整为铝液综合交流电耗13,300 kWh/t-Al(不含脱硫电耗)。某公司2021年的铝液综合交流电耗13,648 kWh/t-Al,离阶梯电价的最终目标13,300 kWh/t-Al还存在348 kWh/t-Al的差距,通过新技术应用实现显著的节能效果是铝电解企业高质量发展的必然选择。

1 磷生铁浇铸阴极电解槽

国内科研院所、电解铝企业研究开发了很多种节能异型阴极钢棒[1-6]。某公司在电解槽大修时应用了以磷生铁浇铸阴极的技术,并配套开发了一种节能型单阴极钢棒,形成了磷生铁浇铸阴极电解槽。节能型单阴极钢棒是由传统的双阴极通长式阴极钢棒,优化分段式单阴极钢棒,双阴极通长式阴极钢棒尺寸为4330 mm×65 mm×180 mm,分段式单阴极钢棒尺寸为2110 mm×200 mm×180 mm,钢棒截面积增加了45%。为了不影响阴极组装改变了阴极炭块燕尾槽的尺寸,将阴极炭块两条燕尾槽优化为一条燕尾槽,阴极炭块燕尾槽中心线不变,便于阴极炭块和阴极钢棒组装,将燕尾槽宽度原设计90 mm优化为220 mm。阴极炭块与阴极钢棒组装是采用了磷生铁浇铸技术,两端阴极钢棒中间用糊料捣固,钢棒和糊料之间用陶瓷纤维毯分离。电解槽侧部炭块采用导热性能较好的氮化硅复合碳化硅材料,侧部下部阴极区保温采用抗拉强度较好,导热系数低的20 mm陶瓷纤维板及80 mm硅酸钙板,底部保温区将原来的保温砖更换为保温性能好的蛭石保温砖和蛭石防渗隔热砖。

2 焙烧启动生产管理

2.1 焙 烧

磷生铁浇铸阴极电解槽焙烧方法采用了焦粒焙烧方法,与前期应用的新技术双阴极钢棒电解槽、高导电阴极钢棒电解槽焙烧方法一样,该焙烧方法在行业内技术很成熟、操作熟练,安全可靠。为降低热冲击对电解槽内衬结构材料损害,确保阴阳极电流分布均匀,避免产生局部过热等现象,影响电解槽寿命,采取如下技术措施:

(1)焦粒铺设时选用了栅栏式铺设方法,焦粒颗粒选择了5 mm大小的煅后焦,中间阳极铺设焦粒采用煅后焦与石墨粉为4∶1的比例混合料铺设,为增大角部阳极的导电性,在角部铺设焦粒是采用煅后焦与石墨粉为2∶1的比例混合料铺设,厚度均在20 mm。

(2)挂极时选用阳极导杆垂直、无毛刺,阳极无裂缝、无掉角等缺陷。阳极底掌高低基本一致,磷生铁浇铸要饱满,钢爪头直径不能小于145 mm,且在炭碗中心的阳极炭块的阳极组。阳极上槽是阳极导杆放置在挂钩的中心,距挂钩两侧保持相等,阳极导杆离水平大母线有一定的距离,确保阳极自由放置在焦粒上,且阳极底掌与铺设的焦粒充分接触,接触面积达到98%以上。

(3)装炉时在人造伸腿上。首先铺设一层氟化钙和氟化镁的混合料,然后用高分子比的电解质块装满槽四周,电解质块粒度小于10 cm，为防止阳极氧化,在阳极表面覆盖和阳极中缝用冰晶石填满冰晶石,有利于保护人造伸腿防止过热，过烧现象，有助于后期形成炉帮。

(4)为通电时减少电流过大对阴极炭块造成过热现象,增大电流分流。分流技术采用了双分流技术,安装分流器前打磨立柱母线,确保分流器与立柱母线和水平母线充分接触,接触面积达到98%以上,增加分流片数量至32组。

(5)通电时使用赛尔开关设备进行通电,将系列电流240 kA降至180 kA,通电后三个阶段逐步将电流升到200 kA、220 kA、240 kA,确保每阶段的电压保持在3.60～4.05 V以下。依据电解槽内衬结构各材料的特性设定焙烧升温曲线,电解槽焙烧升温曲线见图1。

图1 焙烧升温曲线

2.2 启 动

(1)磷生铁浇铸阴极电解槽启动采用湿法无效应启动。焙烧90小时后阳极中缝的冰晶石全部熔化,焙烧温度达到920～940℃,四个角部焙烧温度达到700～800℃,槽内中缝电解质高度达到30～35 cm,该焙烧槽已具备启动条件。为确保电解槽顺利启动,在电解槽内灌入高温液体电解质12 t以上,边抬电压边灌电解质边测量阳极电流分布,保证阳极电流分布均匀。电解质在全槽贯通,启动后电压保持4.5～5.5 V。

(2)启动电解槽温度接近1000℃时,分两次灌铝液16 t,第一次灌入铝液后电压保持在4.3～4.5 V,第二次灌入铝液后电压保持4.1～4.3 V。

(3)启动后应重点关注侧部炉帮温度和端部炉帮温度大于350℃,炉底温度≥150℃时,用高压风管吹风进行冷却,防止出现红炉帮现象。严格控制电解质水平,应保持在30～33 cm,灌铝后电解槽内液体总高不能超过50 cm,防止电解质外溢的现象。

2.3 启动后期工艺管控

磷生铁浇铸阴极电解槽的启动后60天为非正常生产期,采取快速降电压,快速建立炉膛的工艺管理思路。将“高槽温、高分子比”的电解质形成坚固、厚实、规整的电解槽炉膛,同时采用“高电解质水平、高阳极效应系数”的工艺条件,确保电解槽炉底保持清洁,避免前期炉底有沉淀、结壳的现象,影响后期的运行稳定性及经济指标。

(1)磷生铁浇铸阴极电解槽60天的非正常生产期的工艺条件管理见表1。

表1 启动后期工艺条件

(2)磷生铁浇铸阴极电解槽的内衬保温设计为加强炉底保温和侧部散热的方式,侧部炭块由原来的碳化硅材质优化为导热性能较好的氮化硅复合碳化硅材料,增加侧部散热。非正常生产期内测量了阴极钢棒温度、炉帮温度、炉底温度,其平均温度分别为258℃、277℃、94℃。磷生铁浇铸阴极电解槽炉帮温度和炉底温度相对于普通电解槽升高了30℃。

(3)启动1周后连续15天测量炉底压降,随着各项技术条件的变化,电解槽炉膛內形的形成,磷生铁热膨胀也趋于稳定,炉底压降逐渐降低趋于稳定,炉底压降变化趋势见图2。

图2 炉底压降变化趋势

3 效果分析

某公司现有三类电解槽采用的阴极钢棒结构和尺寸,保温材料和结构有所不同,普通电解槽采用双阴极通长式阴极钢棒,侧部炭块采用碳化硅材料,内保温采用一层硅酸钙板。两层硅藻土保温砖和一层干式防渗料,侧下部一层硅酸钙板。而高导电双钢棒电解槽采用双阴极分段式阴极钢棒,侧部炭块采用碳化硅材料,内保温在普通电解槽底部和侧下部保温基础上增加了一层10 mm厚陶瓷纤维板,同时将电解槽端头的一层藻土保温砖用陶瓷纤维板代替。

3.1 正常生产工艺管理对比

某公司三类电解槽采用了不同的阴极钢棒、侧部炭块、内保温结构和材料,在电解槽运行稳定的前提下,保持不同的技术工艺参数。在正常生产期内。随机抽取20台三类电解槽运行的工艺参数统计分析,各类电解槽工艺技术参数统计分析见表2。

从表2可以看出,三类电解槽分子比、电解温度、电解质水平基本保持一致,最大的差异是设定电压和铝水平,磷生铁浇铸阴极电解槽的设定电压和铝水平低于普通电解槽和高导电双钢棒电解槽,设定电压低于20～100 mV,铝水平低于2～6 cm。

表2 各类电解槽工艺技术参数统计

3.2 炉帮厚度和温度对比

三类电解槽随机测量统计20台电解测量了炉帮厚度、炉帮和炉底温度,并与三类电解槽的炉帮厚度、炉帮和炉底温度进行对比、测量位置在A面A2～A6中间测量三个点、B面B2～B7中间测量三个点测量炉帮厚度,在对应的钢棒窗口测量炉帮和炉底温度,各类电解槽平均的炉帮厚度、炉帮和炉底温度测量结果见表3。

表3 各类电解槽炉帮厚度和温度测量统计

从表3可以看出,三类电解槽平均侧部炉帮厚度相比,磷生铁浇铸阴极电解槽和高导电双阴极钢棒电解槽比普通电解槽的炉帮厚度稍厚一些,能够形成完整的炉膛內形。磷生铁浇铸阴极电解槽的炉帮温度和炉底温度低于普通电解槽和高导电双钢棒电解槽,平均炉帮温度比普通电解槽和高导电双钢棒电解槽分别降低了23℃和9℃,平均炉底温度比普通电解槽和高导电双钢棒电解槽分别降低了44℃和10℃,磷生铁浇铸阴极电解槽保温效果较为显著。

3.3 技术经济指标对比

三类电解槽进入考核期内一年的技术经济指标进行了统计对比,各技术经济指标平均值统计结果见表4。

从表4可以看出,三类电解槽各项技术经济指标相比,磷生铁浇铸阴极电解槽的各项指标优于普通电解槽和高导电双钢棒电解槽,平均电压比普通电解槽和高导电双钢棒电解槽分别降低了69 mV和32 mV,平均电流效率比普通电解槽和高导电双钢棒电解槽分别提高了0.64%和0.42%,直流电耗比普通电解槽和高导电双钢棒电解槽分别降低了320 kWh/t-Al和162 kWh/t-Al、炉底压降比普通电解槽和高导电双钢棒电解槽分别降低了81 mV和33 mV,磷生铁浇铸阴极电解槽节能效果非常明显。

表4 技术经济指标统计

4 结 论

磷生铁浇铸阴极电解槽增大了导电面积,减少槽内液体水平电流,同时优化电解槽保温结构,提高了电解槽低电压生产工艺运行稳定性,电解槽节能效果明显。