目前,电解铝新项目普遍采用高电流强度工艺,600KA电解槽已经成为新项目的主流,工艺设计和生产管理也日趋成熟。电流强度的增大,会显著增加电解铝的产量,保障生产任务目标的完成,但同时也存在一定的不利影响。本文就强化电流后的影响进行阐述,并针对不利影响提出了建议措施。
强化电解系列的电流强度,必须在供电设备额定的范围内进行强化,否则很容易出现供电故障,这是强化电流强度的基本前提。电流强化后,根据电解槽理论日产量计算公式:M=0.3355×I×ƞ×t×,电流强度I越大,产量M越高。以设计 500KA 的电解槽为例,其电流强化到 520KA,假设电流效率93%,其日产量的增加量为:=0.3355×20000×93%×24×=0.15吨,单槽一年增加铝液产量约55吨。显然,强化电流强度的有利影响是明显的,那就是增加了产量;只要适当调整电流强度,就能够保证产量任务的完成。
电流强度提升后的不利影响也很多,主要表现在以下几个方面:
(一)公用母线公摊电耗增加。
导电母线、平衡母线、通廊母线等公用母线,如果其电阻为R母 ,则根据欧姆定律:U=RI,I增大,母线电阻R不变,则U必然升高,说明公用母线上的电压降必然升高。母线上产生的热量W=UIt必然增加,导致母线上损失的电量必然更多。对于已经设计并实施的项目,这个电量损失是可以计算的。
(二)电解槽的电压降必然增加
有电阻就必然产生电压降。电流进入电解槽后,先后流经立柱母线、水平母线、阳极导杆、炭阳极、电解质、阴极等,它们都是有一定电阻的导体,并产生电压,形成电压降。一般,除反电动势(一般约为1.7v左右,也称极化电压)不变外,其余都会随着电流强度I的升高而成几何倍数增加,使得电解槽的电耗损失更大,在各个部位产生的热量更多。
(三)对阳极炭块的质量提出更高要求
强化电流如果是在不改变阳极尺寸的情况下进行的,那么电流强化后,流经阳极的电流增多,阳极电流密度增大,阳极的热量分布发生变化,等温线下移,对阳极炭块的关键技术指标提出更高的要求。其中:
抗压强度要在原设计基础上进一步提高标准,以抵抗电流强化后产生更大的热应力;同时,强大的电流和更高的热量会使炭块骨料更快剥离,产生更多的碳渣进入电解质中。
表观密度(容积密度)需要进一步提高到1.6g/以上,以便适应电流强化后增加的氧化速度。表观密度的具体标准还要根据各企业电流强化的程度确定。例如:电流强度从500KA强化到520KA,建议表观密度提高到1.63g/以上。
电流强化后,阳极炭块接收的热量更多,如果热量不能及时散失出去,则会增加阳极炭块的热应力,因此要求其热导率要更高,达到3.9W/m.k以上。
更强的电流和更高的温度,会加速阳极炭块的氧化速度,因此,阳极炭块的空气透气度在质量标准上要更好,设计值要更低。
(四)铝液流速增加,阴极磨损和腐蚀增大。
电流强化后,磁场平衡受到影响,磁场更强,槽体内铝液水平电流更大,铝液流速加快,增加对槽底阴极的磨损,尤其是在电流密度集中、铝液流速较快的角部极下方,常常会形成明显的锥形冲蚀坑,破坏阴极炭块。破损的阴极炭块会进一步导致阴极钢棒被铝液熔化,致使铝液铁含量增加,质量下降,并增加了漏槽的重大风险。
如果铝水平未做出相应调整(应适当调高),则阳极底面的热量会更容易传递达到阴极,加快Al与阴极碳块的二次反应,生成 化合物,对阴极造成进一步损坏,并导致电流分布不均。与此同时,铝液流速的加快,导致铝液镜面波动幅度增加,电解质液体有更多机会与阴极上的化合物接触,由于电解质对的溶解度很高,因此会加快的溶解,加速新的的生成,使某些特定位置阴极的电化学腐蚀更加严重。另外需要说明的是,铝液流速的增加,会带动电解铝液面波动更大;电流的强化会使阳极产生的量增加;这两个因素会使电解质液面沸腾加剧,电解质液会腾起离开液面,对阳极炭块上部和阳极覆盖料进行激烈的冲刷,加快阳极消耗,增高电解液水平,减少残极破碎料数量,这不仅使阳极碳耗增加、电解质水平难以控制,而且会影响破碎料的物料平衡,给生产稳定带来压力。
(五)电流效率ƞ会降低
电流强化后,能量更集中,也必然加速极距区域内的氧化还原反应速度,溶解在电解质中的消耗更快。增加的下料量后,融入电解质需要一定的溶解和扩散时间,所以不能及时被消耗,因此还未扩散的就可能形成沉淀,导致炉底沉淀增多,降低阴极导电性;而Al的实际产量其实并未相应增加,从而导致电流效率降低。电流强化后,在电解工艺控制中,如若一味追求更低电耗而刻意降低槽电压,则容易进一步压低极距,液态Al与的接触几率更大,由于反应区域内温度更高,因此会增加Al的二次反应几率(2Al+3→+3CO),造成更多的能量损耗,同时使还原 Al 的电流能量减少,降低电流效率ƞ。长期从事电解铝生产的工程技术人员也发现,电解系列的电流强度越大,电流效率反而总体偏低,也就是这个原因。
1.从设计上做好基因优化。针对新建项目,在设计阶段就要提前考虑大电流强度条件下的可能影响因素,从供电条件、原材料、工艺技术(能量平衡、热平衡、磁场平衡、物料平衡)、设备等各个方面周密考虑,努力消除电流强化后带来的缺陷。
2.验证工艺技术条件变化。针对已建成的电解系列,电流强化前,要预先确保电量供给,验证整流机组的负荷,确保供电安全;要征求设计单位的意见,验证磁场变化幅度,避免磁场过强引起工艺技术条件恶化。
3.提高阳极炭块质量标准。电流强度强化的同时,阳极炭块的强度、表观密度等指标必须提高,以适应更强的电流密度条件,具体标准要根据电流强度的大小来确定,但肯定要高于国家或行业标准。
4.合理匹配极距和槽电压。极距与槽电压成正比关系,为避免来不及溶解的现象,降低铝的二次反应几率,较电流强化前,极距应适当提升,以获得较高的电流效率。
5.降低各环节的电阻率。铝母线在其它指标不降低的前提下,电阻要更低,接地保护也要合理匹配调整;生产操作水平要提高,尤其是提升换极质量,保持合理极距,降低阳极导杆与水平母线的接触电阻;电解质的成分管理要更加严格,分子比、粘度等指标控制更加严格和标准化。
在高耗能产品受限的大环境下,各企业应在产能指标下严格控制产量,并从是否有利于降低能耗、是否有利于优化工艺技术条件、是否有利于安全生产和环保等方面慎重考虑电流强化的必要性,避免盲目追求高电流强度。
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