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铝电解槽焙烧启动方法和发展动向

  提要:介绍并分析了铝电解槽焙烧启动方法和发展趋势。方法单一落后、热冲击大和检测记录不够是我国铝电解焙烧启动的主要问题。焙烧启动的方法不当和质量偏低是我国铝电解槽寿命短效率低的主要原因之一。随着我国铝电解厂向预焙化和大型化的方向发展,改进焙烧启动方法已成为我国铝电解厂的一项紧迫课题。根据我国铝电解工业现状,提出了五点建议。
  关键词:铝电解槽;焙烧启动方法;趋势
  一、引言
  新铝电解槽和大修槽需经焙烧、启动和初期生产阶段后,才能转入正常生产。
  一般将电解槽温度从室温升至600℃(指阴极炭块表面温度,下同)以上这一过程称为焙烧;加入电解质并随后通电进行电解这一过程称为启动;启动后调整电解槽温度和电解质成分、建立槽帮这一阶段称为初期生产阶段。
  焙烧的目的是使电解槽能平稳地从室温转入高温生产,避免热冲击对内衬的损坏,使填缝糊得到良好的焙烧而获得适当的强度,并驱除内衬中的水分。大量研究表明电解槽内衬的缺陷绝大多数都是在焙烧启动阶段产生的,因而焙烧启动对铝电解槽的正常生产和电解槽寿命影响极大。近年来随着铝电解槽容量的不断增大,铝业界对焙烧启动方法愈来愈重视。焙烧启动方法已有较大改进。我国铝电解槽的平均寿命短,生产效率较低,焙烧启动的方法不当和质量偏低乃是重要原因之一。
  我国铝厂自70年代以来,几乎全都采用铝水焙烧法。近年来我国铝厂对焙烧启动方法愈来愈重视,焙烧方法向多样化发展。已有不少预焙槽铝厂改用焦床焙烧法(又称焦粒法、焦层法),平果铝还自行开发了燃气焙烧法(又称燃料法、热法、火焰法)。这些都是可喜的变化。
  本文介绍并分析了近年来国外铝电解槽焙烧启动方法及其发展动态,并根据我国铝电解工业现状,提出了五点建议,供我国铝电解工程技术人员和科研人员参考。
  二、焙烧方法
  按照热量的来源,一般可将焙烧方法分为电阻法和燃料法两大类。其中电阻法中最常用的是焦床法和铝水法。燃料法中现在最常用的燃料是液化石油气和天然气,故常称之为燃气法。焦床法常用于预焙槽,也用于自焙槽。用于自焙槽时,阳极的工作面必须磨平。
  铝水法现只用于二次启动槽。燃气法适用于所有槽型,但用于自焙槽比用于预焙槽要方便一些。直接灌电解质启动电解槽并同时开始焙烧内衬、自焙槽在焙烧阳极的同时焙烧内衬、以及采用电热元件(电阻丝/棒)焙烧内衬等方法极为少用,本文未予讨论。
  目前在西方国家中,最常用和最有竞争力的焙烧方法实际上只有焦床法和燃气法。其中焦床法中,大多使用分流器和阳极软带,前者是为了能逐步增大焙烧电流,后者是使阳极大母线(横梁)和阳极导杆间的连接具有挠性。本文主要讨论焦床法和燃气法。
  三、评价标准
  从技术角度讲,一般可从下面六个方面对焙烧方法进行评价:
  1.升温速度的可控性。平均升温速度一般不应超过20℃/小时,最大升温速度不应超过50℃/小时。在焙烧温度300-600℃范围内,升温速度应控制在10℃/小时或更小。
  2.焙烧过程中阴极表面的温度分布。显然,温度分布愈均匀愈好。一般要求其相对标准偏差小于10%。焙烧结束时阴极表面没有温度超过1000℃的“热区”。
  3.焙烧过程中的垂直温度梯度(从阴极炭块表面直到保温层中)。目前缺乏定量数据。一般要求焙烧结束时这一温度梯度应尽量接近电解槽正常生产时的温度梯度。
  4.焙烧结束时阴极表面的平均温度。理想情况是这一温度应尽可能接近电解槽正常生产时电解质的温度(950-970℃),以避免灌电解质时产生热冲击。
  5.阳极电流分布。这是用焦床法焙烧预焙槽时的一个重要考查指标。一般要求阳极电流分布的相对标准偏差小于15%,最好小于10%。
  6.阴极电流分布。这是用焦床法焙烧电解槽时的另一个重要考查指标。其要求与阳极电流分布一样,即其相对标准偏差应小于15%,最好小于10%。
  从操作和经济角度来讲,当然是以简便和成本低为好。其中简单易行仍是目前多数铝厂在选择焙烧方法时所考虑的最重要的因素之一。
  焙烧的升温曲线应主要根据填缝糊的特性来制订。这是因为填缝糊在焙烧过程中发生大的化学和物理变化(主要由粘结剂煤沥青的炭化引起),而已经过高温处理的阴极炭块和侧块只有较小的物理变化。
  影响填缝糊烧结质量的关键温度区间为200-500℃,在这一温度范围内的升温速度必须缓慢。升温速度过快,沥青的分解和挥发速度也加快,分解和挥发量增加,填缝糊的裂纹增多增大,机械强度下降。这是导致电解槽寿命短和操作困难的主要原因之一。
  由于焙烧过程的升温曲线是以阴极炭块的表面温度为准,而填缝糊的温度滞后于阴极炭块的温度,故实际焙烧过程一般从300-350℃开始才降低升温速度。应当指出的是,一般来说填缝糊的温度滞后于炭块的温度是有利的。因为这意味着填缝糊能较长时间地保持塑性,从而有利于消除焙烧过程中产生的膨胀应力。
  四、优劣比较
  一般来讲,焦床法具有简便、不需要复杂设备、不需要燃料、基本上不存在阴极炭块烧损问题、焙烧时间短和一次可以焙烧多个电解槽等优点。燃气法具有温度分布均匀、升温速度的可控性好、垂直温度梯度小、启动后不需要清除焦粒、不存在电流分布问题和对同系列生产槽的运行无影响等优点。铝水法的最大优点是简便和烟气量较小。
  但由于其有灌铝时产生大的热冲击、熔点低粘度小的铝水优先渗入内衬裂纹中以及填缝糊的焙烧缺陷无法在焙烧结束后检测到并及时加以补救等缺点,国外大多数铝厂早已不用此法焙烧新槽或大修槽内衬,而仅限于二次启动槽的焙烧。
  于焦床法是使用广泛的老方法,它拥有大量的熟练工人和技术人员,拥有多年的经验,这是它相对于燃料法的另一大优点。另外,采用细颗粒焦床时,焦粒可在电解槽启动后较短的时间里烧尽,而不需要人工清除。焦床法的最大弱点是对升温速度的控制不如燃气法好及温度分布不够均匀。采用分流器和阳极软带后,这些弱点有较大改善,但仍比不上燃气法。另外,分流器要消耗约20%的电能,增大了焙烧的成本。
  燃气法在推广过程中的第一道关卡是须经安全部门的审查批准。这在有些地区需要相当长的一段时间。虽然到目前为止,燃气焙烧尚未发生过任何安全事故。但不少铝电解厂在选择焙烧方法时,对燃气焙烧的安全仍有顾虑。
  采用液化石油气为燃料时,需要大型高压容器,这增大了安全隐患,对有些铝电解厂来说也是不便的。采用油为燃料可免除高压容器问题,但遗憾的是以油为燃料的焙烧设备,其操作和控制不如以气为燃料的焙烧设备简便。改进燃油焙烧法的试验目前仍在进行中。有天然气供应的铝电解厂,采用燃气法较为便利。
  对预焙槽来说,如何覆盖好电解槽以保温及防氧化是燃气法遇到的另一个难题。而自焙槽的覆盖则要容易得多,这也是为什幺燃气法更适合自焙槽的原因。另外,购买燃气焙烧设备和人员培训等需要时间和投资。
  尽管有上述困难,近年来采用燃气法的铝电解厂仍呈上升趋势。目前国外铝公司/铝厂中全部或部分采用燃气法的计有Alcoa/Reynolds,Elkem,Alusaf,Hydro,Alusuisse,Sor-Norge和Kubal等。
  应当指出,焙烧启动方法与电解槽炭素内衬材料是有关联的。采用燃气法时,焙烧后填缝糊的强度比采用其他焙烧方法时要大,并有可能超过阴极炭块的强度。当遇到较大的热冲击时,炭块有可能断裂而造成电解槽破损。因此,采用燃气法和抗震性较差的阴极炭块时,应适当调整填缝糊的配方,以减小其焙烧后的强度。
  五、发展动向
  近年来,铝电解槽焙烧启动方法的发展动向就是加强对升温速度的控制、提高焙烧温度分布的均匀性和实现无效应启动。目的是尽可能减小对内衬的热冲击,使电解槽能尽快转入正常生产。
  采用焦床法时,为加强对升温速度的控制,各铝公司纷纷开发分流技术,并采用阳极软带连接阳极大母线和各阳极导杆。
  例如,法铝各型电解槽都开发了相应的标准分流器。焙烧电流一般分四步以上,在不少于24小时内逐步增大到系列全电流。软带连接也是一项非常重要的技术。实践证明,它具有如下作用:改善了阳极和阴极的电流分布、减少了阴极表面产生“热点”的可能性、使阳极与焦层一直保持良好的接触和省去了反复松紧阳极夹具的操作等。
  采用燃气法时,为更好地控制升温速度和监测焙烧状况,近年来引入了计算机控制技术。通过调节燃料流量,可以按预先设定的升温曲线比较准确地控制升温速度。在监测室里可以看到各点的实际升温情况,通过调整各喷枪的流量和喷嘴的方向,可以调整各点的升温速度。
  焙烧过程中的设定升温曲线、各点的实际升温曲线和异常情况都在计算机屏幕上显示出来并记录下来,便于监控、分析和改进。而这些是焦床法难以做到的。这是因为采用焦床法时,人对焙烧功率的控制手段是有限的,即焙烧功率不能按照人的意愿而方便地随时加以调节。假设焙烧功率在一段时间内保持不变,随着温度的上升,电解槽的热损失和炭素材料的比热是增加的,因而升温速度会慢慢降低。
  焙烧过程中焦床的电阻会大幅度减小,而分流器电阻会有所增大,故焙烧电流会增大。其增大幅度主要取决于电解槽电阻(含焦层电阻)与分流器电阻的相对变化。焙烧电压和焙烧功率也会随电阻和电流的变化而变化。其具体变化与所选择的分流器材料、尺寸、焦床材料、焦层厚度、焦粒粒度、阴极炭块类型和温度等因素有关。所有这些变化都无法在焙烧过程中加以调控。关于分流器材料,一般选用钢、铝或镍铬合金。关于焦床材料,近年来一些铝电解公司/厂弃用石油焦而改用石墨。
  为提高焙烧温度分布的均匀性(即减小水平温度梯度和垂直温度梯度),除加强对升温速度的控制外,还须加强对内衬各部位温度变化的监测。为此应在阴极炭块的表层(离表面约2厘米)和阴极炭块与耐火砖之间的垫层中分别埋设不少于四支热电偶,在耐火砖层下及保温层中分别埋设不少于两支热电偶。
  焙烧开始后,应详细记录和分析各热电偶的温度变化和寿命,为及时调整焙烧过程及日后改进焙烧方法和分析内衬破损机理提供第一手资料。采用焦床法时,还必须加强对阳极电流分布和阴极电流分布的监测。
  由于阳极效应期间电解槽排出大量强温室气体CF4和C2F6和其他有毒气体,近年来西方各铝公司都想方设法减少阳极效应的次数和持续时间。实现电解槽无效应启动以减少有毒气体的排放就成为铝业界追求的目标之一。为实现无效应启动,应做到如下几点:
  1.提高焙烧温度。最终焙烧温度(炭块表面)应达到920℃或更高。
  2.降低垂直温度梯度。一般要求焙烧结束时阴极炭块底面的温度达到800℃。为达到上述两项要求,需适当延长焙烧时间。采用焦床法时,焙烧时间不应少于48小时。采用燃气法时,焙烧时间为72小时左右。
  3.启动时应避免内衬冷却。为此一般不清除焙烧时用的保温材料,并将极距降低至1-2厘米。
  4.灌电解质和通电应尽可能快。应有足够量的热电解质,且电解质中不应有铝。
  5.应非常缓慢地提高极距。
  电解槽焙烧温度提高后,电解槽运行初期的槽电压减小,槽电压的波动也减小,电解槽能较快地转入正常生产。
  六、几点建议
  1.鉴于我国铝电解槽炭素内衬材料的抗热震性较差,减小焙烧启动时的热冲击显得尤为重要。降低焙烧时的升温速度,尤其是降低焙烧温度300-600℃(对应的填缝糊温度约200-500℃)范围内的升温速度,应是我们改进焙烧启动方法的重点。
  2.设计院(所)在设计铝电解槽时,应与铝电解厂合作,同时设计出相应的分流器和阳极软带。对分流器材料的选择、分流器的布置和分流器在使用过程中的行为应有详细的记录和分析,以便改进和标准化。
  3.铝电解厂应加强对焙烧过程中的温度和电流分布等参数的监测和记录,建立电解槽焙烧启动档案,为改进焙烧方法和分析内衬破损机理提供第一手资料。
  4.有天然气供应和靠近炼油厂的铝电解厂,应积极试用燃气法。可考虑采用引进成套设备和技术与自行开发相结合的办法来发展适合我国国情的燃气焙烧法。
  5.加强对电解槽破损机理的研究。应经常对破损槽进行干式解剖,详细记录其破损部位和分析其破损原因。

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