馬軍義 王俊偉 趙 偉 曹永峰

(1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司， 河南 鄭州 450041； 2.包頭鋁業(yè)有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014000)

0 前言

現(xiàn)代鋁電解技術(shù)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，鋁電解槽焙燒啟動技術(shù)也經(jīng)歷了鋁液焙燒、焦粒焙燒、燃氣焙燒三種方式的革新。鋁液焙燒法在灌鋁時會產(chǎn)生大的熱沖擊，部分鋁水滲入內(nèi)襯裂紋中，在電毛細作用下存在漏電風險，大多數(shù)鋁廠已不再采用。焦粒焙燒法在90年代中期我國的280 kA試驗槽首次使用，具有時間短、效率高的優(yōu)點，并能有效避免正常電解過程鋁液滲透對電解槽壽命產(chǎn)生的不利影響，但也有不足之處，如因焦粒粒度不完全均勻一致，電流分布不均，易產(chǎn)生局部過熱，不利于延長槽壽命；槽邊部扎固糊焙燒不良；耗能高；啟動后電解質(zhì)炭渣多，需要清除，費工費料；焙燒成本偏高。焦粒焙燒技術(shù)成熟，總體效果較好，目前仍為眾多電解鋁廠使用。燃氣焙燒法利用燃料(油、天然氣或煤氣)燃燒在陰、陽極之間產(chǎn)生火焰來加熱槽膛，屬于外熱源焙燒，熱量通過傳導、對流和輻射傳輸?shù)狡渌课?，可以獲得良好的電解槽溫度分布。該方法具有焙燒溫度均勻、控制靈活、成本低的特點，是最有優(yōu)勢和發(fā)展前景的焙燒技術(shù)[1-4]。

本文介紹了燃氣焙燒啟動技術(shù)的過程控制，從焙燒效果及經(jīng)濟性等方面對比焦粒焙燒技術(shù)和燃氣焙燒技術(shù)。

1 燃氣焙燒技術(shù)過程控制

燃氣焙燒技術(shù)的控制要點是焙燒曲線，通過調(diào)節(jié)燃燒參數(shù)中的空燃比實現(xiàn)爐膛受熱均勻的目的。

1.1 焙燒曲線

本文所述的燃氣焙燒技術(shù)采用賽爾非線性焙燒曲線進行焙燒升溫，整個焙燒過程分為3個階段，如圖1所示。在溫度300 ℃以下，升溫時間短，焙燒曲線接近于冪指數(shù)曲線；400～600 ℃是糊料焦化溫度，這個階段需要一定的保溫時間，升溫要盡量平穩(wěn)，保持線性穩(wěn)定上升；當溫度達到600 ℃以后，升溫速度加快，焙燒曲線接近于指數(shù)曲線。

圖1 電解槽燃氣焙燒升溫曲線

1.2 燃燒器設置

燃氣焙燒需要一套完整的焙燒裝備，如圖2所示。由于現(xiàn)場安裝空間有限，焙燒系統(tǒng)采用小功率、低煙氣流速、減少熱量損失的噴燃燒器混配置方案，兩側(cè)燃燒器等距、錯位布置，逆向?qū)α鱾鳠幔鲃訌娀療崃鲾_動，實現(xiàn)均勻傳熱。

圖2 電解槽燃氣焙燒裝置安裝

1.3 燃燒參數(shù)控制

采用自修正及分段空燃比控制技術(shù)，利用控制系統(tǒng)的自動控制程序滿足焙燒曲線的燃燒控制模型(圖3)。在爐膛溫度700 ℃以下，空氣過剩系數(shù)控制在1.01～1.03；在爐膛溫度700 ℃及以上時，空氣過剩系數(shù)控制在0.95～0.98。整個焙燒過程升溫控制精確，爐膛受熱均勻；目標溫度與實際溫度偏差控制在±6 ℃；爐膛最終平均溫度為960 ℃，達到電解槽啟動對焙燒的要求。

圖3 燃燒控制模型

2 焦粒焙燒技術(shù)和燃氣焙燒技術(shù)效果對比

為綜合評價電解槽焙燒效果，在某企業(yè)400 kA系列選取2臺焦粒焙燒槽(318#、327#)和2臺燃氣焙燒槽(328#、431#)為分析對象，對比焦粒焙燒和燃氣焙燒的焙燒效果。由于電解槽焙燒過程中，槽殼和陰極炭塊基體受上、下溫度梯度的影響產(chǎn)生熱膨脹應力；電解槽啟動后，電解質(zhì)中的鈉離子滲透到內(nèi)襯材料中產(chǎn)生鈉膨脹應力，電解質(zhì)滲透到防滲層凝固產(chǎn)生結(jié)晶體或反應物不斷積累產(chǎn)生體積膨脹應力，導致爐底上抬。因此現(xiàn)場通過測量爐底上抬量分析不同焙燒方式對電解槽的影響，同時監(jiān)測槽溫及陰極鋼棒溫度、爐底板溫度和熔體區(qū)槽殼壁溫度，進行綜合評價。

2.1 爐底上抬量對比

焙燒過程中電解槽變形量大小是對電解槽內(nèi)襯破壞性最直觀的表現(xiàn)。焦粒焙燒電解槽和燃氣焙燒電解槽的爐底上抬量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比如圖4所示。

圖4 焙燒過程中電解槽爐底上抬量對比

由圖4可知，兩種焙燒法的電解槽的爐底上臺量變化趨勢基本一致。焦粒焙燒電解槽的總體上抬量小于燃氣焙燒電解槽的上抬量，平均在1.0 cm左右，最高為4.2 cm，灌完電解質(zhì)后又回落；而燃氣焙燒電解槽的上抬量峰值發(fā)生在焙燒的第5天，高達6.3 cm，然后回落。

之所以產(chǎn)生上述現(xiàn)象，主要原因是兩種焙燒方法傳熱方式不同，熱脹冷縮速度不一。焦粒焙燒是電阻通電產(chǎn)生熱量，由陰、陽極導電后傳熱逐步升溫，熱漲速度慢，冷縮也不會太明顯[5]。而燃氣焙燒是由外部供熱到槽體，內(nèi)襯整體吸收熱量速度慢，局部(噴嘴處)容易過熱，熱漲冷縮快，導致爐底上抬變形量大。

2.2 槽溫對比

焦粒焙燒電解槽和燃氣焙燒電解槽的槽溫對比如圖5所示。

圖5 不同焙燒方式對電解槽溫度的影響

由圖5可知，焦粒焙燒電解槽前期升溫速度偏快，可控程度相對稍差，不利于精準控制；燃氣焙燒雖然由于陽極自身未發(fā)熱，升溫速度稍慢，但是升溫均恒、便于控制，可減小對電解槽內(nèi)襯的熱沖擊，有利于延長電解槽內(nèi)襯壽命。灌完電解質(zhì)后電解槽溫度達到1 000 ℃，之后溫度下降慢，易于保持，最后焦粒焙燒和燃氣焙燒的電解槽溫度相差無幾。

2.3 三項數(shù)據(jù)溫度對比

三項數(shù)據(jù)溫度，即陰極鋼棒溫度、爐底板溫度和熔體區(qū)槽殼壁溫度，是焙燒啟動效果的重要體現(xiàn)。兩種焙燒方式下電解槽的陰極鋼棒溫度、爐底板溫度和熔體區(qū)槽殼壁溫度變化趨勢分別如圖6～8所示。

圖6 不同焙燒方式的陰極鋼棒溫度對比

從圖6可知，電解槽在焙燒4 d后啟動，陰極鋼棒溫度為200～250 ℃，兩種焙燒方式的陰極鋼棒溫度變化趨勢無明顯區(qū)別。

由圖7可知，電解槽在焙燒4 d后啟動，爐底板溫度在60～80 ℃，兩種焙燒方式的爐底板溫度無明顯差別。

圖7 不同焙燒方式的爐底板溫度對比

從圖8可知，電解槽在焙燒4 d后啟動，熔體區(qū)槽殼壁溫度在300～380 ℃，兩種焙燒方式的熔體區(qū)槽殼壁溫度無明顯差別。

圖8 不同焙燒方式的熔體區(qū)槽殼壁溫度對比

3 不同焙燒方式的經(jīng)濟性分析

以某企業(yè)400 kA電解槽為例，采用燃氣焙燒和焦粒焙燒的單臺電解槽能耗和經(jīng)濟性對比見表1。由表1可知，單臺電解槽燃氣焙燒較焦粒焙燒節(jié)省約1.3萬元。此外，焦粒焙燒過程需要采取分流措施，大約15%的熱能由分流器產(chǎn)生并最終損失。采用燃氣焙燒，煙氣帶走30%的熱量，一次能源的利用效率約70%。在能源利用率方面，燃氣焙燒明顯高于焦粒焙燒，有利于降碳減排。此外，相對于焦粒焙燒技術(shù)，燃氣焙燒技術(shù)大幅降低了啟動后的炭渣打撈工作量。

表1 不同焙燒方式下400 kA電解槽能耗和經(jīng)濟性對比

4 結(jié)束語

燃氣焙燒是一種具有良好發(fā)展前景的焙燒技術(shù)，可以滿足鋁電解生產(chǎn)的需求。該技術(shù)的優(yōu)勢是能源利用率高，能源成本低，有利降碳減排，啟動后無需打撈炭渣。燃氣焙燒采用不同熱源和傳熱方式，但爐底上抬量略高，今后工作中有待建立起以減小內(nèi)襯熱應力、滿足焙燒曲線的燃燒控制模型，優(yōu)化焙燒溫度和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)溫度分布均勻性，提高空氣過剩系數(shù)控制水平，降低陰極炭塊的氧化。