240KA预焙铝电解槽强化电流的生产实践
曾建华（zengJian-hua）
（福建南平铝业有限公司，福建 南平 353000）
摘要：本文以南平铝业有限公司240KA预焙铝电解槽强化电流生产为例, 浅述强化电流生产的可能及对生产过程的影响、强化的进程和建立新的生产平衡过程的分析,指出在强化生产的工艺优化方面不断探寻匹配的生产工艺技术条件，深挖潜力, 以获取强化电流生产的最大经济效益。
要害词： 强化电流热平衡工艺优化
1.前言
目前很多铝电解企业为提高原有设备产能，一般采用加强治理，优化工艺技术条件，强化电流生产等措施。电流强度是铝电解生产的重要参数，在生产当中，可以通过调整工艺技术条件等来优化和选择某一槽型的最适宜的电流强度。南平铝业240KA预焙电解铝系列电流保持到246kA生产，整体槽况稳定。而南平铝业铝电解槽系列设计时的电流强度是在槽型电流230KA的基础上研发到240KA的，所以在选择最合适的电流强度方面还得通过不断的生产实践，以便找到较为合适的电流强度,最终得以优质、高效、低耗的生产,从而达到降低生产成本的目的。
2.强化电流的可能性分析
2.1电流强化的可能性
预焙铝电解系列强化电流的一般做法一是加大阳极面积，强化电流后阳极电流密度增幅较小;二是阳极尺寸不变，强化电流后阳极电流密度变得较高。目前很多厂家都是在现有电解槽结构不变或只改变阳极尺寸的情况下，而更多的只简单用提升电流的方法,通过工艺的合理调配来增加铝的产量，促使铝电解生产成本降低的一种有效的办法。
强化电流要考虑到阳极质量、阳极电流密度（我厂240KA电解槽阳极电流密度为0.733A/cm2, 电流强化到246KA，则电流密度为0.751A/cm2），而国外同类型的大型预焙阳极电解槽的阳极电流密度一般在0.8A/cm2以上。目前世界上最大的法国AP50(500kA)预焙铝电解槽阳极电流密度为0.8A/cm2，新西兰迪拜新系列的200kA电解槽阳极电流密度为0.88A/cm2。说明在阳极质量许可的情况下,电流的强化是可行的。
挪威奥达尔铝厂两个系列电流强化情况[1]
技术经济指标 Ardal-1 Ardal-2
1986/1987 1988/1989 1990/1991 1992/1993 1986/1987 1988/1989 1990/1991 1992/1993
电流/KA 149.8 151.0 155.0 158.7 161.7 162.4 164.8 169
电流效率/% 88.9 89.9 92.7 93.2 90.5 91.6 93.2 93.4
直流电耗/（kwh/t-AL） 16300 16100 14800 14400 15400 14800 14200 13900
年生产量/t 79175 8459.2 90067 92950 35148 36201 37565 38600
另外法国的彼施涅180kA系列电解槽的电流强度提高到210kA生产，电流效率从94.8％～94.9％提高到95.3％;委内瑞拉的Venalum铝厂146kA系列的电流经强化已高达175kA,强化的电流增幅达到原设计值近五分之一。他们通过强化电流强度，不仅电流效率和产量得以提高，而且电解槽的稳定性也有了很大的提高。国内的兰州铝业2006年在不加大阳极尺寸的情况下，将200 kA系列预焙槽的电流强化到220 kA，且其试验槽的电流强化到230 kA，强化电流的幅度达10％～15％; 中铝广西分公司与青海分公司通过使用加长阳极，成功的将160kA预焙槽强化电流到180kA，提高系列电流12.5％。国内外电解槽在强化电流方面做了大量的工作，并通过强化生产实践和工艺上的优化，生产指标也有了较大的显现,电解槽生产的稳定性也进一步提高，为电流强化提供了生产实践经验。
2.2 公司的整流供电情况
南平铝业目前的整流机组单台额定电流为42kA的有4个机组共8台,由3个机组运行供电,1个机组备用。这对设计的240KA系列电流的强化生产提供了先决的条件。但是机组基本上是满负荷运行，强化电流必然要增加供电负荷，电流强化至246kA，增加的负荷为原有负荷的2.5％，当然要进一步强化电流生产其安全性较差，考虑到阳极炭块理化指标及强化后对电解槽寿命的影响等因素,技术性能还有待于验证。
3．强化电流对铝电解槽的二个平衡可能造成的影响
3.1强化电流对电解槽热平衡的影响
强化电流在原有工艺条件下无疑会增加单位面积的热量，使得电解槽槽温升高，可能导致炉帮熔化，电解质增加，引起侧部槽壳发红等。电解槽炉底结壳和沉淀加剧熔化，可能使原来的破损部位表现出来，造成铁硅含量上升,铝水品位下降，炉膛加大使电流效率下降。
强化电流后，铝电解槽对槽电压技术参数的选择是个要害，它是电解槽能量最主要的来源，在电解槽电阻中，只有电解质电阻是可变的，在极距答应的一定范围内，可以通过调整极距、改变电解质电阻来维持强化电流前已确定的热平衡基本不变，建立强化后的热平衡，所以说槽电压是维持和调整体系热平衡最重要、最易实现的因素之一。假设保持原来各工艺参数不变，要求极距保持不变，槽电压在强化电流后也要相应的提高，但是大多厂家在操作上往往是没有这样做，而是将槽电压保持的可能比强化前稍低一些，并通过增大电解质的导电性等来增大极距，弥补槽电压下设的空间。
电解槽电压的构成如图。
因为电解槽的平均槽电压△V = E（极化电压） △V（阴极压降） △V（阳极压降） △V（电解质压降） △V（效应平均分推电压） △V（线路压降）；而电解槽体系内起发热作用的电压降△V（发热压降）=△V（阳极电压） △V（阴极压降） △V（电解质压降） △V（效应平均分推电压）共约为3.7V,可是在体系内起有效作用的电压降△V也就是有功电压降= E（极化电压） △V（阴极压降） △V（阳极压降） △V（电解质压降） △V（效应平均分推电压），去除铝电解槽反电动势的1.7V,则电解槽平衡体系内的发热的电压约为△Vt=3.7-1.7=2.0V，所以说电解槽热平衡体系内的热能在单位时间内(1h)内每增加或减少6KA(电流强化提升6KA为例)，电解槽单位时间内(1h)热能的变化量为△Vt•△I•t=2.0V×6KA×1h=12.0kw•h。 假设电压下设0.01V,槽热能下降量Q=UIT=0.01×246×1=2.46kw.h。 在生产实际操作中，影响槽子热平衡的因素除槽电压因素外，还有如电解质成份的组成、氧化铝加料量、更换阳极及出铝制度、阳极效应的治理等。其多余热能的消化应当考虑到拟提高铝水平来增加散热，再者可适当减薄极上料的厚度来增加散热，做到槽电压、铝水平及极上料厚度三者的调整配合实施，确保电解槽能量的收支平衡。
3.2 强化电流对电解槽物料平衡的影响
强化电流前期可能使炉帮、槽底沉淀及结壳的熔化，使得大量的物料进入电解质中，造成氧化铝浓度增加，影响电流效率。由于槽帮的熔化必定引起电解质分子比的升高，增大氟盐等的单耗。
目前应用的自适应控制下料的控制原理是借用电解质电阻随浓度变化的关系，用槽电阻的变化间接判定Al203浓度，进而自动调节加料间隔，做到按需下料。槽内氧化铝浓度控制一般在1.5％～3.5％这一范围内。缺料时，发生阳极效应；加入的料过量，将产生沉淀，所以对物料的平衡保持与否将直接影响到电解槽的热平衡。电解槽模糊控制原理图见下图
氧化铝的物料平衡与氧化铝的加料制度
V加料=1.8kg×2×3600s／t
其中: V加料---氧化铝的加料速率, kg／h.
t---NB时间间隔,S
因为V加料 = V消耗
则1.8×2×3600/t=1.889×q×I(A)×η×10-3
1.889---生产1kg铝理论上所消耗的氧化铝量，㎏
q---铝的电化学常数,0.3356g/A•h
I---电流强度,A
η---电流效率,％
按上述测算电流上升6KA，在保持电流效率不变的前提下则氧化铝加料NB间隔大约要由原来设定值平均缩调2-3s左右。当然对氧化铝NB间隔的设定要根据槽况、报表和浓度的实测值来分析设定，加强对电解槽效应的治理工作，尽可能减少效应系数，非凡是强化电流后要控制单槽的效应持续时间，同时要保证炉底不长沉淀，建立规整的炉膛内型（各类槽槽膛外形结构图如下），保持电解槽的平稳生产。
（1）冷槽炉膛内型（2）规整槽炉膛内型（3）热槽炉膛内型
4.电流强化的进程及工艺参数的调整
4.1强化前的预备工作
强化电流必定引起阳极毛耗、氟盐单耗等有所增加, 可能造成阳极周期缩短，母线发热加大，因槽膛及电流加大的影响，槽电压易波动等现象；在强化的过程中注重电解槽的两水平、槽温及炉帮等变化的查测工作；加强对各槽炉膛和炉底压降等项目的测量,适时调整加料间隔和槽电压设定值、必要时考虑到缩短阳极换极周期或加厚阳极；找寻到一组适宜的工艺参数，应对电解槽强化电流前后的具体问题，并随时解决，做到电解槽的平稳生产。
4.2电流强化的进度
为了保证供电安全及生产的平稳过渡，电解槽电流强化要分阶段进行，强化电流后还需要有一个稳定和平衡的过程，每个阶段每升高电流1KA用时10～20天不等,甚至更长一段时间，然后再根据电解槽整体强化的情况，逐步提升电流,前一二个阶段要将强化的时间表拉长一些,做到可能发生的问题能及时应对,采取相应的措施，稳定一段时间后，视情况再进行下一阶段的强化目标。强化的同时侧重注重高槽龄及破损槽的维护及检测工作,关注各槽铝水品位的变化,避免强化电流造成化炉底而引起漏炉等事故的发生。
南平铝业240KA系列电解槽电流强化进程表
原电流强度
KA 第一次强化
9月26日 第二次强化
11月3日 第三次强化
11月13日 第四次强化
11月20日 第五次强化
1月12日
240 241 242 244 245 246
4.3 技术条件的调整及操控
随着电流的逐步提升,强化电流要稳定在产铝量,逐步提高铝水平,降低槽电压针摆的幅值,继续推行以槽温控制为中心, 保持合理的过热度, 尽量做到技术条件的变动幅度在电解槽的自调能力范围内, 维持炉膛规整和平稳生产。
在强化电流后的头一二个月,由于槽温波动较大，槽帮熔化现象明显，电解质取换量增大，加之阳极碎裂较多，原铝品位下降等诸多不良现象，2006年11月15日起，换极附加电压由原来的90mv持续3h更改为70mv持续3h；出铝附加电压由原来的60mv持续40min更改为20mv持续20min。并将铝水平在原来的基础上上调1cm,增加侧部散热，同时减薄极上料厚度,确保槽帮不被破坏。
在强化运行前在产的破损槽有136＃、210＃共二台，这二台均有发现从钢窗口渗漏铝，在强化前就将其铝水平平均调高2cm，强化时逐步提高分子比，增加电解质的导电性,增大氧化铝的溶解性,采用低过热度生产，同时下设槽电压，并加强对异常槽的巡查治理，保证运行的安生。
月平均电流强化进程的部分工艺保持及生产指标比对表：
年.月 06.09 06.10 06.11 06. 12 07.01 07.02 07.03 07.04
平均电流强度,A 240898 241329 24365 245514 245676 246195 246638 246262
阳极电流密度,A/cm2 0.735 0.737 0.744 0.750 0.751 0.752 0.754 0.753
单槽平均电压，V 4.175 4.175 4.178 4.184 4.169 4.174 4.174 4.163
分子比 2.32 2.34 2.34 2.35 2.38 2.36 2.36 2.36
铝水平,cm 23.1 23.2 23.4 23.8 24.3 24.4 24.9 25.1
电解质, cm 20.4 20.3 20.5 20.5 20.1 20.1 20．0 20.0
槽日产,kg 1788.4 1832.5 1853.4 1870.6 1882.8 1878.8 1888.6 1878.4
电流效率,℅ 92.2 94.3 94.4 94.6 95.1 94.7 95.1 94.7
槽温,℃ 952.7 951.0 954.6 954.5 953.8 954.1 955.8 955.9
效应系数 0.32 0.37 0.28 0.29 0.21 0.28 0.21 0.25
直流电耗,kw.h/t-AL 13488 13199 13162 13164 13040 13117 13055 13072
5.电流强化存在的一些问题
(1)随着阳极电流密度的增加，产生的碳渣也相应增多，影响氧化铝的溶解，造成病槽发生的几率，如电解槽局部发热、炉帮空、侧部漏电等。
(2)继续强化电流对阳极碳块能否承受高电流密度，多大为宜，电解槽的三场（力场、磁场、热场）的变化及槽寿命的影响，应综合考虑。要强化到多大的电流这有待于生产实践，相应的合理的工艺匹配制度有待进一步的完善。
(3)强化电流对原材料提出更高的要求,非凡是大宗原料氧化铝,南平铝业多半为中间状氧化铝，易产生沉淀，伸腿长长长厚，造成阳极导杆断裂现象较为频繁，对生产不利。
6.结论
(1)强化电流生产更应注重电解槽物料、能量平衡，这二个平衡是电解槽平稳生产的基础，每强化到一个阶段，都要寻求一个新的体系、新的平衡，形成一套可行的生产标准，达到降低生产成本提高综合经济效益强化电流生产的目的。
(2) 从上述的月平均电流强化进程的部分工艺保持及生产指标比对表可以看出,南平铝业的强化电流生产是可行的, 强化前后单槽槽日产提高了100kg左右,电流效率提高2.5％左右，吨铝直流电耗降低400kWh/t-Al。
(3)强化电流生产的目的是为了降低生产成本，最大限度地实现利润和经济效益，提高生产率,但是强化电流是有一定的限度,假如电解槽强化电流后,生产产恶化了，原有的电流效率降低了,应对电流强化进行综合的评价,但最终还需要经过实践才能加以确定。
参考文献： [1] 冯乃祥.铝电解.化学工业出版社，P246
