邱传武

(广西百矿铝业有限公司， 广西 百色 533000)

0 前言

随着科学技术进步，铝电解槽容量逐步大型化，先出现了160 kA、200 kA、240 kA系列，随后出现了280 kA、320 kA、350 kA、400 kA、420 kA系列，再到当前的500 kA、600 kA、660 kA系列，电解槽大型化越来越突出。大型化在投资效益方面具有单位产能投资少，吨铝成本折旧资金少、设备维护成本低、劳力成本低等多项优势[1]。但随着电解槽容量的不断加大，大型电解槽电压的针振和摆动日益成为生产过程不稳定的重要因素[2]，电解槽运行稳定性成为大型化的瓶颈，其稳定性研究已经成为设计和生产中越来越重要的课题。

从设计角度来说，运行稳定性主要由磁场和电场决定[3]。铝液中的水平电流与垂直磁场相互作用，形成铝液流动的原动力，当垂直磁场与水平电流都比较大时，铝液流动形成的流场不稳定性加剧。从工艺控制角度来说，提高铝水平减少水平电流，控制各阳极的导电均匀性是常见的稳定措施；而控制好氧化铝浓度、过热度等，减少阳极气泡在阳极底的富积，让气泡从阳极底掌排出时更小更快，以减少气泡对铝液镜面的扰动，可以很好地控制电解槽电压波动[4]。本文就设计因素和工艺控制因素，对某电解铝企业600kA电解槽的运行稳定性进行分析，并针对影响电解槽电压稳定的环节，采取相应的措施，以突破大型槽稳定性瓶颈，做到安全平稳高效运行。

1 某电解铝企业600 kA电解槽运行稳定性分析

1.1 600 kA电解槽的基本设计情况

某电解铝企业电解槽设计电流为600 kA，阳极56组，阴极30组，阳极电流密度设计为0.816 A/cm2。在设计方面，600 kA电解槽母线配置采用槽外补偿方式，对运行稳定性的影响比较突出：

1)槽体大，长度近23 m，宽度约4.6 m，启动期间，槽壳底隆起最高达11 cm。大槽体对温度均匀性、浓度均匀性都有较大负面影响。

2)阴极采用450 mm高的GS- 5阴极(半石墨质)，与方钢的粘接方式为磷生铁浇铸，不利于减少水平电流；但阴极炭块与方钢粘接的外端采用了一定的绝缘方式，可以抑制40%的水平电流。

3)电解槽中的下料点分布不均匀。8个下料点按阳极排列下料面积比为2，4，4，4，4，4，4，2。区域下料不均，易引起氧化铝浓度差异。

4)槽内衬热场结构设计为底部保温，侧部散热。对于大型槽，这种设计易使边部与中间形成温差。

1.2 影响600 kA电解槽稳定运行的因素分析

1.2.1 磁场电场的设计对运行稳定的影响

为尽可能排除气泡对电压稳定性的影响，选取处于启动后期管理运行的电解槽进行分析。跟踪记录1台600 kA(实际575 kA)电解槽启动后30-56天的运行数据见表1，槽在出铝作业、换极作业和抬母线作业后的摆动曲线，如图1所示。

表1 某电解铝企业1台600 kA电解槽启动后30-56天的运行参数

图1 600 kA电解槽出铝、抬母线、换极作业的电压曲线

1)由表1可知，工作电压为3.951 V，电压偏离值为23 mV，分子比为2.858，槽温981.400 ℃，实际运行电流为575 kA，阳极电流密度为0.782 A/cm2，噪声长期稳定保持在13.500 mV。

2)由图1可知，电解槽电压在出铝、换极、抬母线作业后稳定性良好，基本没有受到影响，这是因为进入后期管理的电解槽，炉膛洁净度好，在高分子比、高温和低极距工艺条件下，阳极气泡对阳极湿润性好，在阳极底富积少，排出时体积小，电解槽可以长时间稳定运行，说明磷生铁浇铸阴极绝缘区抑制水平电流与电解槽的磁场设计，在运行电流为575 kA时电压稳定性好。

1.2.2 电流对运行稳定性的影响

1)稳定运行状态下，电流对运行稳定性的影响。张峰[4]等研究了铝电解工艺对阳极气泡析出行为的影响，发现气泡在阳极底掌下的覆盖面积随着电流密度的增大而减少，即随着阳极电流密度的增大，槽电压波动幅度降低。单从气泡的角度来说，提升电流对电压无不利影响，但因采用磷生铁浇铸阴极，增加电流在一定程度上增加了水平电流分量。因此，为了观察电流强度对电压稳定性的影响，跟踪记录同处于启动后30-40天的4台电解槽在不同电流条件下的运行情况，见表2。

由表2可知，电流由568.4 kA提升至580 kA，槽电压的噪声值由16.1 mV降至15 mV，稳定性无明显变化。即在高分子比条件下，处于稳定运行的电解槽，提升电流对槽电压影响不大。

表2 同期启动进度槽，不同电流下的电解槽的工艺参数

2)非稳定状态下，电流对运动稳定性的影响。处于正常期运行的电解槽，分子比下降到2.55以下，如果处于非稳态运行的电解槽，散热孔温差增大，槽电压噪声值随电流增加而明显增加(图2)，槽电压波动后长期不易恢复。此时，降低电流运行，是解决问题的根本办法。前期启动槽因架设临时汇流母线等原因，炉膛建立不好，电解槽处于非稳定状态下运行，系列电流曾短期保持600 kA运行稳定性差，后降至580 kA。

1.2.3 分子比和过热度对运行稳定性的影响

对其中某个管理正常、操作比较好的工区进行3个月的跟踪记录，运行电流为580 kA，将分子比从2.84分阶段调整到2.45，期间电解槽各工艺参数见表3。

由表3可知，当分子比保持2.45～2.65、铝水平24～26 cm、过热度大于14 ℃时，有较好的电压稳定性和较低的电压偏离值。但在分子比下降到2.45、槽温降到961 ℃后，噪声值上升到22 mV，电压偏离值上升到62 mV，槽电压的稳定性明显变差，电解槽基本脱离微机控制区间，处于无序状态。

图2 非稳定状态运行的电解槽电压波动曲线

运行参数1234567891011分子比2.8402.6802.6502.6202.5902.5302.5102.5202.5102.4902.450设定电压/V4.0513.9904.0114.0014.0004.0184.0074.0134.0314.0404.056平均电压/V4.0864.0164.0264.0154.0204.0304.0424.0584.0644.0904.118噪声/mV18.00017.00016.00017.00017.00017.00018.00020.00019.00020.00022.000电压偏离值/mV35.00027.00015.00014.00020.00022.00034.00045.00033.00050.00062.000槽温/℃975.000972.000974.000971.000972.000968.000967.000964.000964.000961.000961.000铝水平/cm24.10024.30024.20025.10024.80024.90025.20026.10026.30026.60026.200初晶点/℃967.200959.900958.400956.900955.800952.800951.800952.100951.800950.900949.200过热度/℃7.80012.10015.60014.10016.20015.20015.20011.90012.20010.10011.800

1.2.4 阳极效应干扰相邻槽对运行稳定性的影响

电解槽发生阳极效应后，在消除阳极效应过程中，电解槽各阳极电流会出现短时间不平均导致电压出现扰动，相邻槽电压扰动情况如图3所示。从图3可以看出，发生阳极效应后，对电流方向的上一台电解槽扰动稍大。

图3 发生阳极效应后对相邻槽的电压影响

综上所述，高温高分子比条件下，其运行稳定性较好；发生阳极效应后，相邻槽的电压扰动不大；在铝水平高度保持低于26 cm时，要保持更高的过热度14 ℃，方可保持稍好的噪声值，此时，分子比变化对槽电压稳定性影响明显。磁场及阴极水平电流设计基本满足生产要求，但因槽体大，生产中影响因素被放大，电解槽的抗干扰能力不强，波动后不易恢复，对炉膛规整性造成破坏。对此，以降低电流强度来应对，这也就形成了电解槽大型化的瓶颈。为增强其搞干扰能力，做到长期稳定运行，需要在过热度、铝水平等方面做出适应性调整，以应对大型化带来的不稳定性。

2 某电解铝企业600 kA电解槽运行适应性调整

2.1 控制过热度

阳极气体覆盖率的变化与槽电压的波动高度吻合，气泡的周期性行为是引起槽电压波动的主要原因之一；增加电解质对阳极湿润性和增强电解质流动性的工艺技术条件，有利于阳极气体排出稳定槽电压，这也与上述多个运行实例吻合，高分子比有利于增加电解质对阳极的湿润性和增强电解质流动性，稳定槽电压。正常期生产分子比为低分子比，要达到类似的性质，需通过保持高过热度来获得。要在低电压下实现高过热度，启动中前期需建立高而陡且规整的炉膛。

2.2 控制炉膛

600 kA电解槽稳定运行要求有更高的过热度，生产中，如果仅是提高电压来达到提高热度，能耗过高，也不利于安全。建立良好的高温规整炉膛是保持低电压下足够过热度的前提条件。高温炉膛的建立机制如下：

2.2.1 控制启动期应力

600 kA大型电解槽，槽宽度与中型槽相比相差不大，但长度增加较大，上部衍架跨度大，槽壳槽体长。生产运行中，启动期应力变化主要表现为上部结构下挠、槽底壳上隆，槽底壳隆起最高达11 cm，如衍架受热稍大，会加剧下挠幅度，并引发掉极。所以，焙烧与启动时以缓升温、避高温原则进行，减少衍架和槽底壳变形，让槽电压平稳下调，是启动中后期建立高温槽膛的前提和保障。否则，炉膛伸腿偏小且不规整，在进入正常生产后，槽电压会较高，稳定性差。

2.2.2 启动期保持高铝水平和高晶点电解质

600 kA电解槽槽体大，各部位热平稳均度和动态稳定性相对差，因此要求所建炉膛要有更高的稳固性和规整性，为正常期低分子比运行时有足够的过热度和长期稳定运行创造条件。对此，采用高铝水平和高晶点电解质建膛。炉膛按要求建立后，跟踪记录某一电解槽(4119#槽)的生产实际运行情况，运行参数见表4。

表4 4119#电解槽启动后1-3个月的运行参数

由表4可知，高温期保持更高位的铝水平启动槽；启动进入第3个月以后，在电压3.945 V、铝水平25.5 cm时，有14 ℃以上的过热度。

2.3 正常生产期保持高铝水平

进入正常生产期后，铝水平保持为28～30 cm。经计算，铝水平为28 cm，电解质水平为18 cm时，每万电流盘存铝量约930 kg(一般槽型为750～850 kg)，电解质量为217 kg。对于中小型电解质量偏少，故保持高铝水平，增加单位电流铝熔体，有利于弥补电解质少带来的热平衡差异，平衡各区域的温度，增强微机双平衡控制系统对能量与物料平衡的控制[5]。

有18台电解槽(4618#-4636#)采用高温高晶点高铝水平建膛，在后期保持高铝水平运行后，获得良好的生产指标，电流效率达到93%，具体参数见表5。

表5 高温高铝水平建膛保持高铝水平的电解槽(4618#-4636#)的运行参数

2.4 平衡电解槽中各区域的温度和氧化铝浓度

高铝水平和足够过热度可以在气泡及电解质对阳极湿润性方面，起到增强电压稳定性的作用；同时在平衡电解槽中各区域的温度和氧化铝浓度、减少水平电流、稳定槽电压等方面，也起到了根本性的作用。而要平衡槽中各区域的温度和氧化铝浓度，还应增加如下措施：

1)均匀换极。在正常生产中，换极均匀性影响铝液镜面和槽电压的稳定性[6]。大型槽电解槽长度跨度大、阳极多，如果换极采取传统方式间隔两块极，易导致电流及温度分布不均，引发槽电压波动。故定制换极表时，拉长换极位置间隔，上一次换极的位置与下一次换极的位置距离大于4块阳极，尽可能避免单位时间内集中一端换极，让换极位置均匀分布。

2)均匀下料。因流场等原因，在设计上电解槽各下料点的排布方式为两端头密中间疏。实际运行中，出铝口下料点稍有积料，烟道端下料点积料相对严重。因此，最初对2台电解槽两端头下料点采取减少下料定容器的办法进行试验，之后全部槽采用微机对相应点延长下料周期的办法，这样处理在一定程度上有利于浓度均匀和槽电压稳定。

3)均匀盖料。槽型设计为底部保温、侧部散热。其中侧部散热比例相对过大，且中间和边部距离相对增加。当槽电压偏高时，会导致中间和边部的温差增加。因此，采取减少中缝保温料的做法，一定程度上平衡了各区域的温度，增强了槽电压稳定性。

3 结论

1) 电解槽的磁场设计及磷生铁浇铸阴极绝缘区形成的水平电流，基本满足生产要求。在电流580 kA，各环节控制较好的电解槽噪声值已达18 mV，电流上调的运行基础有待提高，在减少阴极水平电流方面有待改进。

2) 大型槽大型化至稳定性变差，抗干扰性变差。在不稳定状态下，电解槽的波动幅度大，不易恢复。电解槽能否长期稳定运行，是满负荷600 kA运行的瓶颈所在。

3) 在过热度偏低、铝水平高度不够的情况下，分子比对槽电压的稳定性影响较大。

4) 高铝水平、高晶点、高温建炉膛，有利于在正常生产期获得良好的温度和均匀性浓度，并在低电压条件下获得足够过热度。在此条件下，进入正常期后把铝水平控制在28～30 cm时，稳定性增强，电流效率可达到93%。

5) 大型槽槽体大，各种现场作业与工艺定制应尽可能少干扰到电解质中的温度均匀、氧化铝浓度均匀。