420kA铝电解槽炉底压降测量方法的研究及应用

420kA铝电解槽炉底压降测量方法的研究及应用
黎潮，罗杨，吕景阳
(重庆旗能电铝有限公司，重庆401420)
摘要：铝电解槽炉底压降传统测量方法中，由于角部伸腿或炉底结壳不均匀等原因，致使我们对电解槽炉底压降缺
乏准确判断。

本文结合铝电解槽生产实际，探究出一种新型炉底压降测量方法，通过现场试验验证了该方法测量的准
确性，并确定了420kA电解槽主要包括设定电压、铝水平、在产铝量的最优工艺条件，通过最优条件实验验证了以炉
底压降为控制核心进行参数匹配有利于铝电解电流效率的提升和直流电单耗的下降，并探讨了炉底压降与槽龄、电解
质体系、氧化铝质量、操作质量、炉底钢棒温度及留铝的关系及影响。

关键词：铝电解槽；炉底压降；最优工艺；电流效率
中图分类号：TF821文献标识码：B文章编号：1002-1752(2019)08-0027-05
DOI：10.13662/ki.qjs.2019.08.006
Research and application of voltage drop
measurement method for420kA aluminum pot bottom
Li Chao,Luo Yang and Lv Jingyang
(Chongqing Qineng Electricity&Aluminum Co.,Ltd.,Chongqing401420,China)
Abstract:As for the traditional measurement method for the voltage drop at the aluminum pot bottom,and due to the comer ledge or uneven bottom crust, we cannot accurately determine the voltage drop at the pot bined with the production practice of aluminum pots,this paper explored a new method to measure the voltage drop at the pot bottom,and the accuracy of which was verified through field tests.Meanwhile,the optimal process condi­tions of420kA aluminum pot were determined,which mainly include the set voltage,metal level and metal output.The optimal condition experiment proved that the parameter matching based on the pot bottom voltage drop was beneficial to the improvement of current efficiency and the reduction of DC power consumption.The interrelationship between the pot bottom voltage drop and the pot age,electrolyte system,alumina quality,operation quality, temperature of steel collector bar and retained metal were also discussed.
Key words:aluminum pot；bottom voltage drop；optimal process；current efficiency
目前，炉底压降传统测量方法一般是通过测量出铝口与B1对应钢棒之间的电压降大小来表示全槽炉底状况。

但由于角部伸腿等因素，该方法不能准确反映电解槽炉底压降的真实情况，致使电解生产管理者们对一些电解槽的生产状况会出现误判或者判断不准等情况。

本文通过对大量电解生产工艺数据进行分析，发现通过测量出铝口到出电端邻槽立柱母线之间的电压降能更准确的评估炉底压降的真实状况，将其简称为“六点测量法”。

通过应用该方法开展现场试验探究，找出最优铝电解生产工艺思路及工艺参数，对于稳定电解生产以及提高电流效率具有十分重要的意义。

1新型炉底压降测量方法
根据欧姆定律可知，由于电解槽炉底平均电阻是一个固定值，如果能测量出电解槽所有电流通过全部阴极后产生的电压降，就能准确反映炉底压降
的真实情况。

通过研究我公司420kA电解槽阴极母线中电流走向发现，电流从阴极出来后通过槽周母线最终汇集到下一台槽的六根立柱母线上，具体阴极汇集情况见表1。

表1立柱母线电流汇集情况
立柱母线阴极电流
L1B1B2B3A6A7A8A9A10
L2B4B5B6A1A2A3A4A5
L3All B7B8B9B10B11B12B13
U A12B14B15B16B17B18B19B20
15B21A13A14A20A21A22A23A24
L6A15A16A17A18A19B22B23B24
作者简介:黎潮(1986-),男，湖南岳阳人，硕士研究生，毕业于东北大学冶金化学与工艺专业,研究方向：电解铝生产技术与管理工作。

收稿日期：2019-03-28
由表1可知，测量出铝口与六根立柱母线间的 电压降，然后减去槽周压降，就可以得到准确的炉底 压降。

在各槽的焊接压降相差不大的情况下，槽周
压降等于母线压降加上焊接压降。

CVD=厶-也
(1)
式中:CVD ——炉底压降；
L ——岀铝口与六根立柱母线电压降的平均值;
V 周一一阴极钢棒到下一台槽立柱母线电压降
的平均值。

经现场实际测量计算，y 周约等于143 mV 。

2新旧炉底压降测量方法对比实验
本研究从同一电解车间随机选择11台电解槽
分别采用新、旧测量的方法以及全槽24组阴极测量
方法进行对比实验，实验结果详见表2、图1、图2。

表2三种测量炉底压降方法对比实验结果
mV
槽号B1测量值CVD 全槽平均值B1偏差CVD 偏差
1002277266266110
1005
2892762692071006
340321
332
8-11
100733532331619
71010369286
29079-41049347289295
52-6
1053
3533323213211
1056357348
32235
26105729828726434231065
3253193042115
1072365
346
338
27
8
40
o
O
O 53 22 3 4
5 6 7 8 9 10 11
电解槽/台
200 !
图1 B1测量值、全槽平均值趋势图
从以上对比实验结果数据及趋势图可以看出,B1测量值与全槽平均值的变化趋势不一致丄立柱
测量平均值与24组阴极测量平均值的变化趋势非
常吻合，且CVD 偏差要明显小于B1偏差。

结果表 明:测量L 立柱母线的数据要比测量B1处的数据
要更能真实反应全槽的炉底压降情况，新方法测量
炉底压降的准确性优于传统方法B1处测量值。

A
E 'U
邀出
1
23456789
10 11
电解槽/台
200
图2 CVD 、全槽平均值趋势图
3 新型测量方法在铝电解工艺技术中
的应用
3. 1现场试验情况分析
本试验选取同一电解车间72台正常槽和大修 槽采用新型炉底压降测量方法进行测定，分析统计
其平均值作为最佳参数参考值，并根据不同炉底压
降进行工艺条件匹配。

炉底压降分布情况，见图3。

图3 72台实验槽炉底压降分布图
如图3所示，炉底压降小于430 mV 的槽数为
10台,430 -450 mV 之间的槽数为24台,450 -470
mV 之间的槽数为18台,470 -490 mV 之间的槽数
为15台，大于490 mV 的为5台，从区间分布的情况 来看,是比较符合正态分布的规律，适用于接下来的 应用试验。

3.2炉底压降与设定电压的关系
考虑保温型槽与破损槽的电压与炉底压降的特
殊性，故选取了正常槽与二代槽连续3个月的工作电压数据进行统计分析，见图4。

图4炉底压降测量数据与工作电压的关系
结果表明：炉底压降与工作电压的上升趋势呈正比关系,但从上升幅度来分析，工作电压上升的幅度分别为2mV、0mV、3mV,3mV,与炉底压降幅度20mV未严格匹配，主要是由于电压控制还受其他诸多因素的影响，如在产铝量、分子比等。

经统计,我司正常槽和二代槽平均炉底压降为451.4mV,平均工作电压为3.970mV,按照目前的工作电压与炉底压降情况，可推理出阴极压降与最优设定电压的对应关系，如表3所示。

表3新型炉底压降测量方法下设定的工艺条件
阴极压降
mV 建议设定电压
V
建议铝水平
cm
在产铝量
t
<430 3.95±0.0130-3238-40
430-450 3.97±0.0132-3438t
450-470 3.99±0.0134-3638t
470-490 4.01±0.0136-3838t
>490>4.02>3838t
3.3炉底压降与铝水平的关系
铝水平为连续7天的统计测量数据，见图5。

33.5
33.0
32.5
32.0
31.5
31.0
30.5
<430430~450450〜470470〜490>490
炉底压降/mV
图5炉底压降测量数据与铝水平的关系结果表明：随着炉底压降的升高,相应的铝水平高度呈现先下降后上升的趋势。

从理论分析，随着炉底压降的升高或降低，相应铝水平保持应与之成正比关系，但以上数据显示，炉底压降低于430mV 的铝水平相对于430-470mV的区间铝水平要高,这是由于生产中，炉底压降越低,极距相对较大，槽的热收入较大,导致电解槽表现热趋势,这需要采取留铝方式使铝水平暂时上升，电流水平矢量减小,电流在炉帮和电解质中的发热减少，减小炉帮的热冲击，有利于炉帮的形成和稳定，同时更多垂直电流通过炉底，其发热量才会慢慢将结壳化开。

目前，从平均炉底压降450.2mV,平均铝水平31.8cm来看,可推理出阴极压降与铝水平的对应关系，如表3所O
3.4炉底压降与在产铝量的关系
通过对6个月的在产铝盘存数据统计，见图6O
<
曲
强
<
紂
炉底压降/mV
图6炉底压降测量数据与在产铝量的关系结果表明，在产铝量低的电解槽炉底压降偏高,这主要是因为在产铝量低的初期，铝水平较低，当炉底有沉淀或结壳时,水平电流较大,导致炉帮不易形成甚至熔化，垂直电流不足以维持炉底物料的动态平衡，导致炉底压降上升，后期铝水平上升,达到一定炉底压降后,形成一种能量和物料平衡；当在产铝量高于一定值，铝液中等温线上移，炉底偏冷，垂直电流的发热量不足以抵消炉底温度的下降，炉底压降反而升高；当炉底保温层受到破坏时，保温层中等温线下移，散热增大，炉底偏冷,炉底压降也会升高。

当炉底压降高于470mV后，在产铝量呈明显的一个下降趋势,说明在产铝量＞38t,炉底压降槽能保持一个良好的状态。

从而推断出，电解生产中在产铝量要保持38t左右,相应的新型测量方法炉底压降保持在450mV的平均值左右，见表3。

从以上分析来看,根据新型炉底压降测量方法设定工艺条件见表3。

3.5优化工艺条件的比对实验
在同一车间每个炉底压降区间选取2台电解槽进行工艺参数优化前后电流效率和直流电单耗比对实验，见表4。

表4工艺参数优化前后电流效率和直流电单耗对比
槽号CVD
实验前
电流效率
%
实验后
电流效率
%
实验前
直流电单耗
kWh/t-A1
实验后
直流电单耗
kWh/t-A1
1002409.292.1492.8812762.1912695.80 1005419.592.6793.5612753.5112587.60 1006464.393.0992.9112793.5912791.13 1007466.092.4092.6412874.6512841.28 1031503.291.8991.9713156.8813054.71 1049432.891.9192.7512800.6112781.07 1053475.292.5292.6012980.6312898.32 1057430.393.2792.9812749.1012739.84 1064496.392.5193.4613049.3812852.96 1072489.092.7192.9012899.4412879.12平均值92.51192.86512882.0012812.18
结果表明，根据炉底压降区域匹配工艺参数，平
均电流效率由92.511%提升至92.865%,上升0.354%,直流电单耗由12882kWh/t-Al降至12812.18kWh/t-Al,下降69.82kWh/t-Al o实验说明以炉底压降为控制核心进行参数匹配有利于电流效率的提升和直流电单耗的下降。

3.6炉底压降与槽龄的关系
本研究选择同一车间中一个工区的36台电解槽连续3年的工艺曲线作为分析依据，该区二代槽数量最少，对炉底压降变化趋势影响较小，工艺曲线见图7。

从以上炉底压降工艺曲线可以看出，新开槽初期由于阴极大量吸钠，炉底压降有一个快速上升阶段（大约上升10-20mV）；当转入正常生产期时，由于分子比下降，氧化铝沉淀和结壳的产生，以及阴极表面生成不导电的A14C3,阴极表面不断受到侵蚀,严重时出现阴极上拱或阴极表面剥层，导致阴极导电能力变弱，炉底压降再次上升（大约上升20~30 mV）;后期稳定的生产控制使炉底压降逐渐趋于稳定，呈缓慢上升趋势。

因此，电解槽随着槽龄的增加炉底压降升高，但并非直线上升,这与工艺控制、操作质量以及原材物料变化密切相关。

3.7炉底压降与电解质体系、氧化铝质量以及操作
质量的关系
从图8可以看出，在公司更换氧化铝供给方案后（从2015年7月份开始），炉底压降出现上升。

这主要是由于逐步取消了采购高品质氧化铝原料,
氧化铝熔解性变差,且氧化铝中的Li、Na、K等杂质含量增加，以及破损槽修补镁砂的使用，使电解质体系多元化,进一步降低氧化铝的熔解性,使炉底产生更多的沉淀和结壳,导致炉底压降上升;电解质体系多元化后,初晶温度下降，过热度增加，电解质水平上升，炉帮熔化（2015年10月份，各车间进入取电解质高峰期，且边部空垮多，火眼多），铝水平下滑，水平电流增大，导致炉底压降上升。

从图7可以看出,2014年我公司正处于试生产期，员工操作能力不强，流动性大，但炉底压降并未出现显著上升，相对处于一个平稳期；反而是2015年7月开始，氧化铝质量的变化，以及破损槽镁砂的使用，导致炉底压降显著上升。

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图8工艺曲线
3.8炉底压降与炉底钢棒温度的关系及炉底压降
异常点分析
从炉底压降与在产铝量的关系图9中发现，在
炉底压降随在产铝量的变化过程中，本应该炉底压 降较低的区域出现了四个异常高点其对应的槽号分
别为1062#,2006#,2035扒1070札 通过查看工艺曲 线以及钢棒温度和炉底温度普测数据发现，该四台 槽均为破损槽，其炉底钢板温度大面积高于ioor , 因炉底散热较大，使炉底结壳较多，阴极导电变差导
致炉底压降升高。

在低炉底压降有一个异常低点,
该点为新启动槽。

因此，通过炉底压降异常点分析 可作为判别破损槽的参考依据。

50
异常高点
375350
400
炉底比降
-45
40
325
-35
300
275
250
-30
r 〜-----在铝产量
i 1一异常低点
25
电解槽号
图9炉底压降与在产铝关系图
3.9留铝对炉底压降的影响
本研究选择同一车间6台槽进行了留铝实验,
其中有破损槽( 1043#、1062#、1070#)、长伸腿槽
(1003#)以及二代槽(1036#、1049#)，在留铝前后分
别进行炉底压降的测定，结果见表5。

表5留铝前后炉底压降比对结果
槽号
1003#1036#1043#1049#1062#1070#留铝前CVD/mV 338341
341354350409留铝后CVD/mV
305
326
326
328
336
382
从表5可以看出，留铝使破损槽炉底熔化，炉底 压降降低，甚至出现了 1062#破损反弹，破损反弹主 要是因为留铝导致炉底逐渐熔化，当某一点原有破
损部位显露时,该处如果没有稀沉淀填补，且周围全 部是结壳，因破损部位通过的电流密度大，引起破损 加剧。

从现场破损槽修补经验来看，确实如此，有沉
淀的地方不是破损部位,结壳多，且不均匀、部分开 始熔化的位置往往就是破损部位。

留铝同样降低一
代槽(1003#)的炉底压降,通过对现场跟踪来看,原
B24伸腿严重，甚至阳极都无法装入，目前通过留铝
配合人工处理，已恢复正常；留铝也会使二代槽炉底
压降降低，但由于二代槽炉底本身较为干净，在降低
后不久又会出现升高现象。

4 结论
(1) 对比实验表明新型测量炉底压降测量方法
的准确性优于传统测量方法；
(2) 采用新型测量炉底压降方法通过现场试验
确定了不同压降区间对应的设定电压、铝水平、在产
铝量的优化工艺条件；
(3) 以炉底压降为控制核心进行参数匹配有利
于电流效率的提升和直流电单耗的下降。

(4) 通过炉底压降异常点结合炉底钢棒温度分
析可作为判别破损槽的参考依据，通过适当的留铝 可降低炉底压降。

(责任编辑刘宝兰)。