孫曉奎

摘要:電解生產(chǎn)過程中進(jìn)行陽極交換,影響電解槽穩(wěn)定運行,惡化環(huán)境,還易造成人身傷害事故的發(fā)生。新型陽極預(yù)熱裝置技術(shù)生產(chǎn)應(yīng)用可以充分利用熱能、減少熱輻射,還可以降低對電解槽技術(shù)條件的干擾,節(jié)約成本。

關(guān)鍵詞:陽極熱交換;電解槽;節(jié)約成本

中圖分類號:TF803 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)26-0151-02

鋁是世界上大量使用的金屬, 各種各樣的鋁材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用工程中。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的逐步深入,在一些領(lǐng)域中,科學(xué)研究、生產(chǎn)實踐已經(jīng)進(jìn)入國際先進(jìn)水平的行業(yè)。我國的電解鋁生產(chǎn)技術(shù),自20 世紀(jì)80 年代初引進(jìn)160kA 預(yù)焙陽極電解槽開始,到現(xiàn)在的300kA 以上級預(yù)焙陽極電解槽生產(chǎn)電解鋁,已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍,成為世界上掌握高電流大型電解槽生產(chǎn)技術(shù)的少數(shù)幾個國家之一,在世界鋁工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)上,占有一席重要的地位。

換極作業(yè)是大型預(yù)焙槽煉鋁過程中一項重要的操作內(nèi)容。神火鋁業(yè)有限公司350kA預(yù)焙鋁電解槽陽極部分采用六點進(jìn)電,共22組雙陽極塊,換極周期初步定為30天,與一般中小型預(yù)焙槽相比換極的操作面大,且各陽極塊組分布的電流較大,所以,在具體的換極作業(yè)過程中,不僅工作量大,還易由于熱損失使陽極產(chǎn)生偏流從而導(dǎo)致針振等問題。根據(jù)我們實測的新極換上后其48 h導(dǎo)電率隨時間變化曲線圖,可以發(fā)現(xiàn)新極上槽后,1～2 h后陽極開始導(dǎo)電,16 h左右導(dǎo)電量達(dá)到正常值70%,此時等距離壓降值為2～7 mV左右,24 h左右達(dá)到正常值。研究新極16 h電流分布的意義在于衡量新極的安裝精度,因為從電解槽穩(wěn)定性考慮,要求新極24 h(角部新極48 h)通過滿電流時其底掌與其他殘極組底掌正好持平。

一、生產(chǎn)現(xiàn)狀

電解生產(chǎn)過程中進(jìn)行陽極交換,既拔出低位殘極坐上新極,而電解生產(chǎn)用部分陽極潮濕,導(dǎo)致陽極坐入電解槽中電解質(zhì)飛濺,陽極周邊沸騰劇烈,時間長達(dá)2個多小時,不僅影響操作質(zhì)量,期間電壓升高,針振增大,從而影響電解槽穩(wěn)定運行。潮濕陽極坐入電解槽不但水解電解質(zhì)產(chǎn)生氟化氫氣體惡化環(huán)境,而且還有可能引發(fā)爆炸易造成人身傷害事故的發(fā)生。高溫狀態(tài)拔出的殘極對周圍產(chǎn)生熱輻射,影響現(xiàn)場工作環(huán)境。新陽極坐入電解槽從常溫逐步升高到電解正常生產(chǎn)的溫度也需要大量熱量補充,在新極坐入電解槽中,冷態(tài)電阻大,導(dǎo)電差,16小時導(dǎo)電能力僅70%,造成電流分布不均,對電解槽生產(chǎn)干擾很大,據(jù)統(tǒng)計導(dǎo)致電解槽針振的因素有一半以上來自換極后。若換極前將陽極預(yù)熱使電阻減少,增加導(dǎo)電,有利于電解槽技術(shù)條件的穩(wěn)定。電解生產(chǎn)過程中進(jìn)行陽極交換,由于溫度炭塊劇烈膨脹超出膨脹系數(shù),導(dǎo)致陽極坐入電解槽中表面掉渣、出現(xiàn)裂痕,期間電壓升高,針振增大,從而影響電解槽穩(wěn)定運行。

因此,迫切希望坐入電解槽的陽極不潮濕、導(dǎo)電性良好,最好是加熱后的陽極,為此想到了制作陽極塊預(yù)熱交換裝置。

二、預(yù)熱交換裝置的可行性

(一)炭陽極在鋁電解中的作用

鋁電解生產(chǎn)的基本原理是:以炭素材料為陽極,以囿于炭素內(nèi)襯中的鋁液為陰極,以冰晶石熔體為電解質(zhì)溶解原料氧化鋁,通過電解反應(yīng),在陰極沉積生產(chǎn)金屬鋁。其基本反應(yīng)式為:

Al₂O₃(diss) + 1. 5C = 2Al (l) + 1. 5CO₂(g) (1)

作為陽極生產(chǎn)的主要原料———炭素材料,在鋁電解生產(chǎn)過程中,伴隨著金屬鋁的生成而不斷消耗。長期的生產(chǎn)實踐表明,炭陽極質(zhì)量的優(yōu)劣,直接或間接影響著鋁電解的各項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo),諸如電流效率、電能消耗、陽極炭耗等。因此,炭陽極在電解鋁工業(yè)中不可避免地處于舉足輕重的地位,一直被業(yè)內(nèi)人士看成為鋁電解槽的“心臟”。

(二)鋁電解槽熱損失

鋁電解槽熱損失的主要形式有傳導(dǎo)熱損失、對流熱損失、輻射熱損失,典型預(yù)焙陽極電解槽熱損失分布情況如1圖:

從上圖可看出預(yù)焙陽極鋁電解槽熱損失分布上部占50%,側(cè)部占42%,底部占7%,對已運行的電解槽來講,如何能有效地減少和利用損失熱能是一大難題。

(三)預(yù)熱交換裝置的應(yīng)用

本實用新型要解決的技術(shù)問題是:利用拔出的將陽極炭塊提前將預(yù)熱,烘干其水分,使之溫度達(dá)到800C左右,減少因潮濕或冷態(tài)陽極造成對電解的技術(shù)條件影響,縮短了新極上槽后的導(dǎo)電時間,改善了工作環(huán)境,提高料工作質(zhì)量。

解決本實用新型技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:設(shè)計一套陽極預(yù)熱裝置,該裝置包括殘極托盤支架、新極托盤支架、一個保溫箱組成,把殘極托盤支架與新極托盤支架放入保溫箱內(nèi)。利用更換下高溫狀態(tài)的殘極的熱量來預(yù)新極,達(dá)到加熱的目的。

本實用新型的積極效果是:結(jié)構(gòu)簡單,投資少,操作簡單、安全。新極預(yù)熱后,避免了因陽極塊潮濕直接坐入槽內(nèi),而引發(fā)爆炸造成人身傷害事故的發(fā)生;可提前導(dǎo)全電流縮短2～3小時,減少了因預(yù)熱新極而消耗一部分的電能,預(yù)計節(jié)約電耗20～30kWh/t-Al;預(yù)熱后的新極坐入槽內(nèi),電解槽就不會出現(xiàn)因極塊潮濕遇見熔融的電解質(zhì)和鋁液而劇烈的攪動,產(chǎn)生換極后針振,或冷態(tài)陽極坐入后電解質(zhì)溫度急劇下降,凝固陽極周圍,致使陽極不導(dǎo)電不良,從而影響電解槽穩(wěn)定運行,可有利于提高電流效率。

(四)生產(chǎn)實施方式

本實用新型的陽極預(yù)熱裝置,包括殘極托盤支架、新極托盤支架和一個保溫箱三部分組成,如圖2所示。把更換下的熱殘極置于托盤上,新極放置于殘極上向,然后把保溫箱封密好,利用熱殘極的熱量來提高新極的溫度。當(dāng)新極溫度達(dá)到一定高度后,就可以使用了。

三、本項新型陽極預(yù)熱裝置技術(shù)生產(chǎn)應(yīng)用變化情況

(一)利用熱能、減少熱輻射

槽子有自動調(diào)整能量平衡的能力,不過從換極到達(dá)到平衡需要一定的時間(大約48小時左右),主要原因是換極時上部熱損失增加,打破熱平衡從而引起一系列的變化,所以減少換極時熱量損失是降低成本提高能量利用率途徑之一。本裝置將殘極熱充分利用起來儲存在陽極炭塊中,大大縮短了從換極到平衡的時間。

(二)降低對電解槽技術(shù)條件的干擾,節(jié)約成本

引起電解槽工藝紊亂的三大因素是電解槽結(jié)構(gòu)輔助系統(tǒng)設(shè)備機電故障、操作管理失誤與陽極故障。電解槽焙燒開動及投產(chǎn)初期,第一種因素和第二種因素是引起電解工藝紊亂的主要原因,在鋁電解正常生產(chǎn)中,百分之五十的工藝紊亂與陽極有關(guān)。使用預(yù)熱的陽極與未預(yù)熱過的陽極相比,每臺電解槽日撈炭渣量減少15kg左右,氟化鹽消耗減少10kg/t以上,電耗降低150～500kWh/t,電流效率升高1.0%～1.5%,使鋁生產(chǎn)成本減少200～300元/t。

(三)炭素材料的熱處理溫度對其結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大影響

陽極各項基本性能(如電導(dǎo)率、空氣/ CO₂反應(yīng)活性、炭渣量、表觀密度和抗熱震性能等)都不同程度地受到加熱溫度的影響。實際生產(chǎn)中通過提高陽極的溫度可降低陽極活性,減少陽極的選擇性氧化。陽極的表觀密度和電導(dǎo)率隨陽極加熱溫度的提高而增大。本實驗預(yù)熱陽極到80℃左右一段時間再進(jìn)行陽極交換,導(dǎo)電性良好,掉渣量明顯減少。

四、結(jié)語

神火鋁業(yè)鋁350kA 大型鋁電解槽陽極預(yù)熱裝置在技術(shù)上的成功開發(fā),并通過工藝技術(shù)研究,成功摸索總結(jié)了350kA電解槽陽極預(yù)熱裝置工藝操作與管理方法,取得了矚目的成績,創(chuàng)建了一個高效、節(jié)能、環(huán)保型的鋁電解槽陽極預(yù)熱裝置,也為國內(nèi)鋁電解廠的利用熱能和減少成本方面提供了借鑒和參考。

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