浅析铝电解槽启动后期阴极压降的有效控制

浅析铝电解槽启动后期阴极压降的有效控制
田元欢
【摘要】阴极压降是反映铝电解槽炉底状况好坏的一项重要技术参数,电解槽启动后期的各项操作质量及技术参数的管理是降低阴极压降的重点.本文结合铝电解生产实践,从启动后期的主要生产管理入手,浅析阴极压降的有效控制.
【期刊名称】《金属世界》
【年(卷),期】2010(000)002
【总页数】4页(P53-55,64)
【关键词】铝电解槽;启动后期;阴极压降;控制;措施
【作者】田元欢
【作者单位】中国铝业青海分公司,青海,西宁,810108
【正文语种】中文
阴极电压降是槽电压组成的一部分，它属于无功电压损失。

炉膛犹如电解槽的“肠胃”，阴极压降便是反映电解槽“肠胃”是否健康，炉膛有无畸形，炉底沉淀多少结壳薄厚状况的健康指数。

在保持同等设定电压的条件下，炉底压降小的电解槽其有用功电压高，各项经济技术指标要比炉底压降大的电解槽优越得多。

大量生产实践证明，阴极压降的大小对电解槽正常生产期间各项经济技术指标的提高有很大的制约作用。

启动后期正是电解槽逐步形成理想规整的炉膛内型，阴极（炉底）压降大小定性的阶段，所以在电解槽启动后期不能放松对操作质量和技术参数的严格管理。

2.1 阴极压降的组成
阴极压降（又称炉底电压降）是指槽内铝液至阴极钢棒间的电压降，包括铝液压降，铝液与炭块组间压降，炭块压降，炭块与阴极钢棒间压降等五部分组成。

在实际生产中由于铝液及铝液与阴极的接触压降都很小往往忽略不计，如图1其它三部分
压降随槽龄变化的趋势[1]。

2.2 阴极压降的影响因素
电解槽阴极压降与阴极炭块自身的电阻率、阴极炭块——阴极钢棒组装质量、炉
底沉淀结壳多少有关。

炉底干净铝水与阴极炭块表面接触良好，该处压降就小。

若炉底有大量沉淀或结壳，阴极压降也会成倍增大。

在整个槽生产运行期间，阴极压降也与炉底“老化”程度有关，随着槽龄延长而增大。

炉底老化在生产操作中主要表现为：阴极炭块隆起、弯曲变形，电解质和铝水的腐蚀渗透等[1]。

2.3 阴极压降对铝电解槽生产的影响
在保持相同槽电压的情况下，阴极压降较大的电解槽必然要使极距大幅度降低，影响电流效率的提高；如果保持极距不变炉底压降较高的电解槽，势必要提高槽电压，导致吨铝电耗增加；阴极压降较大时也影响了电解槽槽寿命的延长，这与延长槽寿命降低吨铝生产成本的管理目标相违背。

2009年9月某日，笔者抽查统计了某系列电解槽阴极压降与槽龄之间的数据进行对比，见表1。

通过分析表1数据，我们可以发现：
（1）表中2000多天以上的电解槽阴极压降普遍在350 mV左右，只有极个别槽阴极压降接近400mV，说明这些电解槽在启动后期操作及技术参数管理到位，建立了“厚、硬、匀”的理想炉膛[2]，给延长槽寿命提供了有利条件。

（2）表中+93#槽龄1262天、+53#槽龄1281天，阴极压降在450 mV以上，近期由于破损Fe/Si含量较大被迫进行了停槽大修。

经调查落实+14#也出现了破损，目前虽然在正常生产但电流效率只有90%左右。

（3）表中1100～1300天槽龄的电解槽有9台，阴极压降都接近了500 mV,个
别槽甚至超过了550 mV以上。

经统计分析，阴极压降较大的电解槽电流效率很低，仅有88%～90%左右。

炉膛畸形,炉底隆起严重，电解槽总高太高，上口易空跑电解质,烧坏、短路绝缘护板的现象时有发生。

这类电解槽操作维护难度大，电
压顽固性摆动频次高，槽电压偏差值20～50mV不等，吨铝电耗比正常槽要高出100～200kWh。

启动后期是电解槽形成规整炉膛，达到理想的能量、物料、电压平衡三个平衡状态的关键阶段。

在电解槽启动后期应以阴极压降为主线，抓好电解槽其他各项管理工作，电解槽才能在启动后期建立起规整的理想炉膛[2]。

规整的炉膛是电解槽平稳
有序生产实现“低耗、节能、高效”生产的关键，也是延长槽寿命降低铝液生产成本的重要基石[3]。

下面从七个方面笔者粗浅地分析有效控制阴极压降的具体措施。

3.1 选用优质的阴极炭块
目前电解槽使用的阴极炭块主要有无定形炭块、半石墨炭块、半石墨化炭块、石墨化炭块。

不同炭块的平均石墨化指数、钠膨胀率、电阻率及热膨胀率是不同的，阴极炭块的电压降与炭块自身的电阻率有关，电阻率越大则电压降就越大。

半石墨化的沥青焦炭块具有良好的导电性和导热性，在电解生产期间体积膨胀率小，电解质的渗透量少，而且耐磨性好，在电解槽大修砌筑中应广泛使用。

3.2 启动后延迟灌铝时间
电解槽启动24小时后采取分批方式灌入槽内铝液。

其好处有三：一是高分子比的电解质进一步填充阴极内衬表面形成的裂纹等缺陷。

二是可以利用高分子比、高温的电解质对还没有完全烧结硬化的边部扎固糊进一步焙烧，并填充、堵塞人造伸腿的一些收缩缝隙，减少高温铝液渗透至内衬中给延长槽寿命埋下隐患。

三是电解槽槽温变化平缓，不至于热应力过大而造成阴极炭块的裂变[3]。

3.3 电压管理
电解槽启动灌铝完毕后，槽内衬彻体中的水分及挥发分还没有完全排出，炉底阴极炭块及炭块以下的保温耐火砖材料仍处于蓄热吸收热量期，又由于电解槽启动后期炉帮也在逐步形成，电解槽体系向外散失的热量是正常生产槽的十几倍多[4]。

在
生产管理中应提高槽设定电压，通过热量收入来避免电解槽走冷。

槽设定电压的变化调整一定要综合电解槽温度和阴极压降变化做从长计议，启动后期电解槽的电压保持可按表2要求进行设定。

切不可因为槽电压高了电耗就高，结果以牺牲建立
规整炉膛和较小阴极压降为代价，造成电解槽正常生产期间指标低下，难于维护管理的严重后果。

3.4 两水平保持
保持高电解水平和较低铝液水平，在实际生产中，可按表3要求合理保持电解质
和铝液水平。

电解槽在启动后期一定要保持足够高的电解质水平，使电解槽具有良好的热稳定性，补充因形成炉帮所造成电解质量的减少，避免生成炉底沉淀。

保持较低铝液水平可以减少电解槽的散热损失使电解槽温度不致于下降太快或过分偏低，使阴极缝、边部扎固糊进一步焦化烧结，对减少炉底沉淀起到一定的作用[5]。

电
解槽启动后的第二、三个月，随着炉帮增厚，铝水平会逐渐升高，一般保持正常18～19cm即可。

3.5 电解质分子比和温度的保持
由于启动后期电解槽内衬有选择性地吸收钠，电解质分子比容易降低，可通过定期向槽内添加曹达的方法保持电解质高分子比，以进一步建立良好的炉膛[5]。

通过
槽电压和高分子比两方面来控制电解质温度平缓下降，让炉帮形成完整，坚实稳固。

在后期管理中要预防电解槽温度或分子比下降过快的情况出现。

杜绝低温期过长（一般最好不要超过三天），设法减少炉底沉淀和结壳。

电解质温度过低的缺点是炭渣不易分离，使电解质电阻增大，压缩极距，电流效率降低。

同时槽温下降太快氧化铝溶解速度降低，炉底容易产生沉淀和发育结壳，炉膛畸形，阴极的电阻增大，
阴极过电压高，容易产生电压摆动和长期的高噪声，使电能消耗增加。

但电解槽温度也不能长期太高，否则长时间建立不起炉膛，直接影响电解槽的电流效率。

启动后期电解质分子比和温度可参照表4所列要求，视电解槽实际情况具体保持。

3.6 采用低氧化铝浓度
电解槽启动后期电流效率一般只有80%左右处于比较低的水平，切不可按正常槽那样对加工间隔和下料量掉以轻心。

工区要定期对电解槽下料器定容量进行称重，根据启动后期电解槽效率较低的特点，按需下料合理设定NB加工间隔。

并借助定期分析电解质中氧化铝浓度的办法，使氧化铝浓度保持在1.5%～2.5%的低窄氧化铝浓度范围以内，以避免槽内氧化铝浓度过饱和时，炉底较凉容易形成炉底沉淀，致使阴极压降升高。

3.7 加强操作质量
启动后期电解槽槽温、分子比逐步下降，电解质渐次收缩，铝液水平慢慢上升，是正在向正常生产阶段过渡的时期，也是电解槽炉底阴极炭块发生变化最大的时期。

要利用换阳极的有利时机，检查、测量换极处的两水平，检查炉底沉淀。

工区安排作业长在换极过程中必须用三齿耙拉一拉炉底沉淀或结壳，尤其是中缝处，如果沉淀太多，要求用漏铲捞出一些，新阳极中缝的保温料由下一班补加，以保证阳极中缝电解质已结壳，不产生大量沉淀。

严格考核启动后期电解槽保温料的添加合格率，大面整形必须从严要求，务必清出边部炉帮压铁位置，确保侧部炉帮进行必要的散热，以利于炉帮的形成。

同时要加足阳极保温料，以减少极上散热，增强炉底保温性能，减少炉底沉淀的产生。

只要炉底保持干净，沉淀不硬化，阴极压降就不会太大，就会对电解槽正常生产带来无尽便利。

3.8 树立可持续发展的后期管理思想
严格电解槽启动后期工艺技术操作规程制度，坚决摒弃电解槽规整的炉膛尚未形成
及阴极压降较不稳定的后期阶段，人为采取降低分子比、降低槽温来提高电流效率“急功近利”的做法。

电解槽管理者一定要有先建立规整的理想炉膛，有效控制阴极压降在300～350 mV较小的范围内，使电解槽易于管理，便于操作，提高电流效率，以降低电能消耗和延长槽寿命为最终管理目标。

工区长对电解槽后期管理更要有长远谋划和持续发展的管理思想。

（1）电解槽启动后期实行“四高一低”技术参数的管理，是建立理想规整的炉膛，确保阴极压降较低的关键。

（2）在铝电解槽生产过程中，要以阴极压降为主线，抓好其他各项操作质量和技术条件的管理，保持较低阴极压降和规整的炉膛，是实现电解槽“高效、节能”的重要基础。

（3）通过采取措施，该系列近期新开的电解槽150天内阴极压降均控制在350 mV以下，有两成半以上电解槽阴极压降达到了300mV左右，取得了明显的效果。

【相关文献】
[1]邱竹贤.预焙槽炼铝[M].北京：冶金工业出版社，2005
[2]冯乃祥.铝电解[M].北京：化学工业出版社，2006
[3]何允平，段继文.铝电解槽寿命的研究[M].北京：冶金工业出版社，1998
[4]田应莆.大型预焙铝电解槽生产实践[M]长沙：中南大学出版社，2003
[5]青铝人.现代大型预焙槽生产技术[M]沈阳：东北大学出版社，1995。