任廣義，強(qiáng)得旗

(蘭州鋁業(yè)有限公司,甘肅 蘭州 730060)

鋁電解陽極覆蓋料對(duì)電解生產(chǎn)有著非常重要的影響,對(duì)鋁電解槽的穩(wěn)定、高效運(yùn)行意義重大[1-3]。陽極覆蓋料的主要功能有減少電解槽上部熱損失,保障電解槽熱平衡;減少陽極氧化,降低陽極消耗;捕收電解過程產(chǎn)生的陽極含氟揮發(fā)物,降低氟鹽消耗和減少無組織排放;循環(huán)利用鋁電解過程的產(chǎn)生的電解質(zhì),保證電解過程物料平衡等作用[4-6]。覆蓋料的成分、粒度、覆蓋厚度決定了覆蓋料的性能,特別是在導(dǎo)熱系數(shù)、安息角、散熱性能、保護(hù)陽極等方面影響尤為顯著[7-11]。近年來,鋁電解工作者對(duì)陽極覆蓋料進(jìn)行了諸多研究[12-15],主要集中在覆蓋料的粒度和厚度方面,因?yàn)榱６群秃穸葘?duì)覆蓋料散熱影響較為顯著,而忽略了對(duì)覆蓋料成分的研究,主要原因是電解鋁企業(yè)覆蓋料中氧化鋁含量相對(duì)固定,不易引起重視。但是,覆蓋料成分同樣對(duì)其性能有重要影響,主要影響覆蓋料的粒度分布、散熱性能以及殘極下槽后空腔大小[16-20]。

本文針對(duì)某電解鋁企業(yè)300 kA系列覆蓋料中氧化鋁含量偏低的現(xiàn)象,采用添加氧化鋁的方式研究了覆蓋料中氧化鋁含量對(duì)其保溫性能和殘極下槽時(shí)空腔大小的影響。最后綜合不同氧化鋁含量下覆蓋料的保溫性能和殘極下槽空腔大小的試驗(yàn)結(jié)果,給出覆蓋料中合適的氧化鋁含量。本研究?jī)?nèi)容可為覆蓋料中合適的氧化鋁含量控制提供借鑒和參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

某電解鋁企業(yè)為300 kA系列,電解槽為雙陽極結(jié)構(gòu),總共20組陽極, A、B側(cè)各10組,6個(gè)下料口。通過對(duì)該企業(yè)覆蓋料成分進(jìn)行分析,氧化鋁含量為20%～25%,相對(duì)于行業(yè)內(nèi)40%的平均水平略顯偏低,覆蓋料成分如表1所示。因此,基于該企業(yè)覆蓋料現(xiàn)狀,開展了覆蓋料中添加氧化鋁的試驗(yàn)研究。

表1 覆蓋料成分表 %

對(duì)現(xiàn)有的覆蓋料加入40%的氧化鋁,配比為覆蓋料60%和氧化鋁40%,進(jìn)行全槽實(shí)驗(yàn)。待一個(gè)換極周期后,整槽都使用加了氧化鋁的覆蓋料后進(jìn)行覆蓋料表面散熱測(cè)試和實(shí)驗(yàn)槽全槽熱平衡測(cè)試,并通過測(cè)試相鄰兩臺(tái)槽子的覆蓋料散熱和上部散熱進(jìn)行對(duì)比分析,得出加40%氧化鋁后覆蓋料的保溫效果數(shù)據(jù)。

為了研究覆蓋料中不同氧化鋁含量時(shí)殘極下槽后空腔大小,分別研究了覆蓋料不添加氧化鋁、以及添加20%、40%和60%殘極下槽后形成的空腔大小,綜合兩方面的試驗(yàn)結(jié)果,給出合適的氧化鋁含量范圍。

覆蓋料的松裝密度約為1.6 g/cm3,氧化鋁的按1 g/cm3計(jì)算,加入不同含量的氧化鋁后,覆蓋料的粒度分布和氧化鋁含量變化如表2所示。

從表2可以看出,該電解鋁企業(yè)所用覆蓋料粒度偏大,并且氧化鋁含量偏低,氧化鋁含量影響電解質(zhì)的保溫性能,氧化鋁含量過低會(huì)降低覆蓋料的保溫效果[1-2]。在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得知[20],覆蓋料中氧化鋁含量一般在30%～50%,氧化鋁含量低于30%,不易形成硬結(jié)殼,有塌殼風(fēng)險(xiǎn);氧化鋁含量超過50%,電解質(zhì)滲入覆蓋料量顯著增多,電解質(zhì)水平難以保持。所以,本實(shí)驗(yàn)選用添加40%氧化鋁進(jìn)行全槽覆蓋實(shí)驗(yàn)。

表2 覆蓋料添加氧化鋁后粒度分布和氧化鋁含量 %

2 添加40%氧化鋁后單組陽極散熱變化

在某一工區(qū)選擇2臺(tái)槽況穩(wěn)定、工作電壓相近的電解槽,一臺(tái)為試驗(yàn)槽M#槽,另一臺(tái)為對(duì)比槽N#槽。M#槽覆蓋料加40%氧化鋁進(jìn)行全槽覆蓋后,對(duì)M#槽和N#槽進(jìn)行覆蓋料上表面散熱測(cè)試,A、B每面各選5組陽極,每組陽極測(cè)試3個(gè)點(diǎn),炭塊表面2個(gè)點(diǎn),斜坡1個(gè)點(diǎn),測(cè)試熱流密度。

計(jì)算單組陽極覆蓋料的面積,每組覆蓋料熱流密度乘以相應(yīng)的覆蓋料表面積,再除以系列電流,然后換算成散熱電壓,結(jié)果如表3所示。

表3 覆蓋料添加氧化鋁后試驗(yàn)槽和對(duì)比槽覆蓋料表面散熱測(cè)試結(jié)果 mV

由表3可知,單組陽極散熱試驗(yàn)槽比對(duì)比槽平均降低4.5 mV,每臺(tái)電解槽20組陽極。通過計(jì)算可知,M#覆蓋料表面散熱為532 mV,N#槽覆蓋料表面散熱為622 mV?？梢?試驗(yàn)槽覆蓋料添加40%氧化鋁后覆蓋料表面散熱減少了90 mV。

覆蓋料添加40%氧化鋁后覆蓋料表面散熱減少,分析原因,主要有以下三個(gè)方面:① 氧化鋁粒度較細(xì),原有覆蓋料粒度相對(duì)偏大,氧化鋁加入后,細(xì)小的氧化鋁會(huì)填入覆蓋料的縫隙中,降低了覆蓋料整體的粒度分布,降低了對(duì)流散熱,有助于減少散熱。② 氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為0.16+0.14×10-3T(單位:W/m2),遠(yuǎn)低于塊狀覆蓋料的導(dǎo)熱系數(shù)1.2～1.5 W/m2(實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果),氧化鋁加入后,降低了覆蓋料整體的導(dǎo)熱系數(shù)。③ 加入氧化鋁后,覆蓋料總量增加,整體密度變大,同樣有助于減少散熱。

3 添加40%氧化鋁后電解槽散熱變化

試驗(yàn)開始前,首先對(duì)試驗(yàn)槽的整體散熱進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)槽覆蓋料加40%氧化鋁進(jìn)行全槽覆蓋后,對(duì)試驗(yàn)槽進(jìn)行整槽散熱測(cè)試。2周之后電解槽建立新的能量平衡后,再次對(duì)試驗(yàn)槽進(jìn)行整槽散熱測(cè)試。通過試驗(yàn)前后的整體散熱對(duì)比,分析覆蓋料中添加40%氧化鋁對(duì)電解槽散熱變化的影響。

從表4可以看出,覆蓋料加40%氧化鋁后,即覆蓋料中氧化鋁含量從20%～25%增加到43.5%～47.5%之后,試驗(yàn)槽上部散熱從0.915 V降至0.798 V,減少了117 mV,但是側(cè)下部散熱從0.849 V增至1.001 V,增大了152 mV,電解槽整體散熱從1.764 V升至1.799 V,增加35 mV。分析原因是覆蓋料中增加氧化鋁后保溫性能提升,上部散熱減少,由于時(shí)間短,電解槽還沒有達(dá)到新的能量平衡狀態(tài),導(dǎo)致側(cè)下部散熱明顯增大。

表4 M#槽試驗(yàn)前后整體散熱對(duì)比

根據(jù)電解槽能量平衡經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,大約需要2周時(shí)間建立新的能量平衡,在經(jīng)過2周后再次對(duì)電解槽進(jìn)行能量平衡測(cè)試。試驗(yàn)槽上部散熱從試驗(yàn)前的0.915 V降至0.832 V,減少了83 mV；側(cè)下部散熱從0.849 V增至0.865 V,增加了16 mV,側(cè)下部散熱略有增加,總體上保持穩(wěn)定;電解槽總散熱從1.764 V降至1.697 V,減少了67 mV。試驗(yàn)說明覆蓋料中氧化鋁含量從20%～25%提升至43.5%～47.5%時(shí),對(duì)降低電解槽散熱具有積極作用。

對(duì)試驗(yàn)槽添加40%氧化鋁前后一個(gè)月內(nèi)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 M#槽試驗(yàn)前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

由表5可知,試驗(yàn)槽添加40%氧化鋁,2周達(dá)到新的能量平衡狀態(tài)后,電解槽的平均電壓降低了41 mV,折合噸鋁節(jié)電123 kWh,試驗(yàn)取得了良好效果。

4 覆蓋料添加氧化鋁后對(duì)殘極形成空腔大小的影響

根據(jù)研究顯示[16-20],當(dāng)覆蓋料中氧化鋁含量過高時(shí),由于電解質(zhì)流動(dòng),覆蓋料中的氧化鋁溶解,造成電解質(zhì)水平不易保持,并且形成較大空腔,加大覆蓋料散熱。本文在覆蓋料中加入不同比例的氧化鋁,研究覆蓋料中氧化鋁含量對(duì)殘極下槽形成空腔大小的影響,進(jìn)而為覆蓋料中氧化鋁含量調(diào)控提供參考依據(jù)。試驗(yàn)槽所在工區(qū)部分電解槽電解質(zhì)成分如表6所示。

表6 部分電解槽電解質(zhì)成分表 %

采用4種覆蓋料,分別為原始覆蓋料、覆蓋料+20%氧化鋁、覆蓋料+40%氧化鋁和覆蓋料+60%氧化鋁,對(duì)應(yīng)的覆蓋料中氧化鋁含量分別為20%～25%、30.8%～35.1%、43.5%～47.1%和58.7%～61.3%,每種覆蓋料選擇2組陽極做平行試驗(yàn),空腔大小為2組數(shù)據(jù)的平均值。

圖1 原覆蓋料殘極空腔現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2 覆蓋料+20%氧化鋁殘極空腔現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3 覆蓋料+40%氧化鋁殘極空腔現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 覆蓋料+60%氧化鋁殘極空腔現(xiàn)場(chǎng)圖

殘極下槽后,對(duì)使用不同氧化鋁含量的覆蓋料形成的空腔大小進(jìn)行測(cè)量,分別測(cè)量單組陽極中縫端和大面端陽極上表面到空腔距離,測(cè)量結(jié)果如表7所示。

表7 不同氧化鋁含量覆蓋料殘極空腔高度對(duì)比

由表7可以看出,覆蓋料中氧化鋁含量分別為20%～25%、30.8%～35.1%和43.5%～47.1%時(shí),殘極下槽形成的空腔高度在4～5 cm左右,整體上沒有明顯差別,但是氧化鋁含量增加到58.7%～61.3%時(shí),殘極極下槽形成的空腔高度達(dá)到了9.5 cm。說明當(dāng)覆蓋料氧化鋁含量增高時(shí),殘極下槽時(shí)形成的空腔有增大趨勢(shì),特別是達(dá)到58%以后,空腔明顯增大,空腔增大導(dǎo)致覆蓋料散熱增加,不利于電解槽能量保持。因此,結(jié)合覆蓋料添加40%氧化鋁后單組陽極和整槽散熱變化結(jié)果,認(rèn)為覆蓋料中氧化鋁含量在40%～50%較為合適。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)某電解鋁企業(yè)覆蓋料中氧化鋁含量偏低的現(xiàn)象,采用添加氧化鋁的方式研究了覆蓋料中氧化鋁含量對(duì)其保溫性能和殘極極下槽時(shí)空腔大小的影響。結(jié)果表明,覆蓋料中氧化鋁含量從20%～25%增加到43.5%～47.5%之后,試驗(yàn)槽上部散熱減少了117 mV,但是側(cè)下部散熱增大152 mV,經(jīng)過2周時(shí)間電解槽建立新的熱平衡后,試驗(yàn)槽上部散熱減少了83 mV,側(cè)下部散熱增加了16 mV,總散熱減少了67 mV,平均電壓降低了41 mV,折合噸鋁節(jié)電123 kWh。

覆蓋料中氧化鋁含量分別為20%～25%、30.8%～35.1%和43.5%～47.1%時(shí),殘極下槽形成的空腔高度在4～5 cm左右,整體上沒有明顯差別,但是氧化鋁含量增加到58.7%～61.3%時(shí),殘極極下槽形成的空腔高度達(dá)到了9.5 cm。

根據(jù)添加40%氧化鋁單組陽極和電解槽散熱的試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合不同氧化鋁含量的覆蓋料殘極下槽后形成的空腔大小,作者認(rèn)為覆蓋料中氧化鋁含量在40%～50%最為合適。本研究?jī)?nèi)容可為覆蓋料中合適的氧化鋁含量控制提供借鑒和參考,有助于電解槽穩(wěn)定運(yùn)行和獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。