智能打壳下料技术在大型预焙电解槽的应用研究

朱 博,王兆文,杨西坚

(东北大学 冶金学院,辽宁 沈阳 110167)

我国铝电解生产多采用复杂的电解质体系和低电压生产模式[1-2],电解质过热度低,粘度大,尤其是在阶梯电价背景下,电解铝厂面临持续降低能耗的压力,生产工艺过程中采用低电压的技术路线成为了普遍的选择,氧化铝下料存在的“包、堵、卡”问题越来越普遍,导致氧化铝浓度分布不均,电解槽稳定性变差,电解生产技术制备变差等。

为了有效解决“包、堵、卡”问题,智能打壳下料技术和智能气缸技术正在开始推广应用[3-6],取得了一定的效果,尤其是在减少打壳头粘包方面和减少打壳头用气方面效果较好。但同时也逐渐暴露出很多问题,例如未解决堆积料、人工操作、设备易损坏等问题。本文从“包、堵、卡”问题机理、智能打壳下料技术方案、技术控制策略、对电解生产运行影响等方面进行分析,对提高铝电解生产的技术指标具有重要意义。

1 “包、堵、卡”问题机理分析

“包、堵、卡”问题具体可分为锤头长包问题和堵料问题,从理论上分析,造成堵卡的原因有两种,一是打壳头打不穿结壳面,氧化铝进入不了电解质,主要是打壳头压力不够或者过热度低壳面太硬造成的;二是打壳头打穿结壳面,但氧化铝进入电解质后不能溶解,这是过热度低造成的。因此,堵卡的核心因素是过热度。过热度对上部炉帮结构具有显著影响。过热度越低,上部炉帮越厚。当电解温度低于电解质初晶温度,电解质会在上部炉帮冷凝,导致上部炉帮长到电解液中,这时炉帮难以打穿。

锤头长包的原因分为三个方面:一是与电解质有关;二是与锤头的材质和结构有关;三是与打壳深度有关。电解质的原因主要是电解质过热度低、氧化铝含量高时,电解质粘度增加,在锤头上更容易冷凝,导致每次打壳锤头粘接电解质量增多;锤头的原因主要在于锤头的导热性和膨胀性能,导热性好,锤头温度降低快,粘接的电解质容易脱落,锤头的膨胀性好,在同样的降温幅度下,锤头体积收缩大,电解质容易脱落;打壳深度与锤头的加热区间和加热量有关,每次打壳深度大时,锤头冷却需要更长的时间,导致电解质壳无法脱落,如果打壳深度低,锤头很容易冷却,电解质就很容易脱落。由此可见,在电解槽锤头成分和结构固定的条件下,电解质的过热度和打壳深度成为锤头长包的主要原因,因此需要控制电解质的过热度在一个合理的区间内,同时采用智能打壳系统可以有效控制锤头打壳深度。

2 智能打壳下料技术方案

电解生产的经验表明,当电解槽的过热度合适时,控制打壳深度,“包、堵、卡”现象是完全可以控制的。随着电解槽型增大,节能降耗以低过热度运行,过热度局部不均匀问题越来越容易出现,智能打壳下料技术由此而出现。

目前智能打壳下料技术主要功能是识别和处理堵卡,控制打壳深度和打壳频次减少粘包,主要有以下三种方案:

图1 智能打壳下料的三种方案

方案1采用行程位移装置。气缸上装有行程开关,通过打通与打不通的行程不一样,识别堵卡,打通后快回减少粘包。气缸上还具有增压、减压门,不同的打壳行程,可以施加不同的打壳压力,容易打通时减压打,堵卡时加压打,从而减少压缩空气用气量。

方案2采用电信号检测方式。当打壳头打入电解质后,将有电流通过打壳头传递到电解质、铝水,检测阴极母线和打壳头之间的电位差,就能识别打通与打不通的状态,从而识别堵卡,打通后快回减少粘包。

方案3采用压力检测方式识别堵卡问题。通过识别打通与打不通时打壳压力的变化,通过压力传感器实现对堵卡的识别。当电解槽过热度合适时,通过变频打壳减少粘包。

行程位移检测、电信号检测和压力检测三种打壳技术各有优缺点,三种技术对比详见表1。

采用智能气缸的智能打壳下料技术需要外挂控制柜,当遇到包、堵、卡时,增配的外挂控制柜要切断槽控系统的下料控制。该种技术需要将增配控制系统与槽控系统进行系统集成,形成一套智能决策系统来减少包、堵、卡。虽然,该技术对处理包、堵、卡问题取得了显著效果,但由于氧化铝下料量由两套控制系统进行控制、决策,在电解槽过热度异常时,很容易造成电解槽极上积料,上部散热减少,熔化侧部炉帮,产生不好的效果,见表2。

表2 某电解铝厂400kA系列外挂控制柜智能打壳下料对比试验

表2为某电解铝厂400 kA在两个工区的智能打壳下料技术试验,采用行程位移外带智能气缸控制柜的模式。使用智能气缸技术的两个工区试验槽相较于普通槽氧化铝下料量增多、现场粘包减少,但电解槽阳极表面积料增多,氧化铝不能有效进入电解质,电解槽中多余能量不能散发,导致侧部炉帮熔化,铁、硅含量增高,能耗上升。目前,上述三种智能打壳下料技术均无法有效处理电解槽阳极表面积料增多问题。

3 智能打壳下料技术控制策略

一个完整的智能打壳下料技术,可以用各种方式识别堵卡,但核心控制应该与槽控系统相结合,与电解槽的过程控制相结合,进行智能打壳下料控制,以智能打壳下料技术[7-9]为例,其控制策略见图2。

图2 智能打壳下料控制策略

3.1 追加打壳控制策略

发现堵卡后,首先进行智能的追加打壳控制策略,针对实际情况进行追加打壳,槽控系统电阻曲线上显示B。

3.2 单点下料控制策略

如果追加打壳不能处理堵卡,进行智能单点控料策略,针对实际情况进行单点控料,槽控系统电阻曲线上显示N。同时,基于单点下料控制策略,开发出了换极智能控制策略和辅助控料策略。

3.3 过热度调控策略

如果电解槽多个点出现堵卡,或者几个点多次出现堵卡,槽控系统自动调整电解槽工艺参数,进行过热度调控。

4 智能打壳下料技术对电解生产运行的影响

与槽控系统相结合的智能打壳下料技术在某企业400 kA系列86台电解槽上进行了改造,取得了较好的效果。

4.1 锤头粘包与卡堵

如表3所示,采用智能打壳下料控制技术后,改善了氧化铝的溶解性,可实现氧化铝的低窄控制,此时电解质的过热度保持在5～15℃之间,打壳锤头粘包和卡堵次数分别降低75%和67%,显著降低了工人处理锤头粘包和卡堵的作业量。

表3 打壳锤头粘包和火眼卡堵数量对比

4.2 氧化铝浓度

如表4所示,采用智能打壳下料控制技术后,电解槽氧化铝下料量偏差由0.48%下降至0.05%,下降值达0.43%。由此,可得出采用智能打壳下料技术后,氧化铝可及时溶于电解质中,电解槽氧化铝浓度分布更加均匀。

表4 氧化铝浓度对比 %

4.3 阳极电流分布

采用智能打壳下料控制技术后,可控制氧化铝的浓度始终保持在敏感区间内(即氧化铝浓度在1.5%～2.5%之间),选取代表性的试验数据(表5和表6)可知,槽电阻和氧化铝浓度呈反相关趋势,故在氧化铝低浓度情况下,阳极电流分布会减小;而高氧化铝浓度会导致氧化铝不能及时溶解于电解质中,致使炉底沉淀产生,阳极电流分布会升高。由表5、6可知,电解槽A、B侧电流密度标准偏差分别由0.41%和0.35%降低至0.26%,降低幅度达0.15%和0.09。由此,可得出氧化铝及时溶于电解质后,电解槽阳极电流分布更加均匀。

表5 对比电解槽阳极电流分布 %

表6 智能打壳电解槽阳极电流分布 %

4.4 电解槽炉膛内形

由表7和表8可知,采用智能打壳下料控制技术后,电解槽始终保持在一个适宜的过热度下运行,此时可形成更加规整的槽膛,保护槽内衬。由测量数据可知,电解槽A、B面炉帮厚度标准偏差由3.4 cm降低至1.9 cm,炉帮厚度更加均匀;电解槽A、B面伸腿长度标准偏差仍保持0.5 cm,未发生明显变化,故伸腿长度受智能打壳系统影响不明显。

表7 电解槽炉帮厚度对比 cm

4.5 阳极效应

阳极效应通常是在阳极电流密度增大到一定数值时发生的(临界电流密度),而临界电流密度又与氧化铝浓度密切相关。由邱竹贤研究可知,临界电流密度随着氧化铝浓度的增大而增大,故氧化铝浓度的减小是引起阳极效应的一个重要原因[10]。由表9可知,采用智能打壳下料控制技术后,可控制氧化铝的浓度始终保持在敏感区间内。

表9 阳极效应系数对比

4.6 电解生产指标

由表10可知,采用智能打壳技术后,可控制氧化铝的浓度始终保持在敏感区间内,此时氧化铝浓度与槽电压呈反相关。由于CO2气体在冰晶石-氧化铝溶液中的溶解度是很小的,只有10-6～10-5mol/cm3,所以电流效率的降低主要是因为电解质中铝被CO2气泡所氧化。采用智能打壳技术后,阳极产生的CO2气泡较容易从阳极边缘排出,故CO2在电解质中与铝接触的机会减少,被氧化的铝也相应减少,电流效率会升高。此外,由于氧化铝的溶解对电解槽过热度也有较大的影响,而较低的过热度可减少铝的溶解损失,提高电流效率。电流效率升高0.4%,直流电耗由12 480 kWh/t-Al下降至12 405 kWh/t-Al,吨铝电耗节余75 kWh,对于绿色铝电解具有重要意义。

表10 电解槽能耗对比

4.7 设备寿命

表11为某400 kA推广智能打壳下料技术前后打壳头和气缸寿命对比,采用智能打壳下料控制技术后,打壳头和气缸寿命均延长30%以上。

表11 智能打壳下料控制技术应用前后打壳头和气缸使用量对比

5 结 论

1) 智能打壳下料技术要与槽控系统相结合,与电解槽过程控制相结合,否则易与槽控系统控制冲突,产生积料,熔化炉帮。

2)智能打壳下料技术能够减少打壳头磨损和延长气缸使用寿命20%以上,减轻现场劳动强度。

3)智能打壳下料技术能够减少包卡堵,均匀氧化铝浓度、阳极电流分布和炉帮厚度,可降低阳极效应系数,避免电耗损失50 kWh/t-Al,效率损失0.5%。