240kA铝电解槽电热场测试与分析.pdf

2 0 1 5 年第l o 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ；f ／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 9 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．1 0 ．0 1 3 24 0k A 铝电解槽电热场测试与分析 沈冰1 ，李贤2 1 ．青海西部水电有限公司，青海民和8 1 0 8 0 0 ； 2 ．青海桥头铝电股份有限公司，西宁8 1 0 1 0 0 摘要对某公司3 台2 4 0k A 铝电解槽进行了电热场和能量平衡技术测试，评价了进电母线断面的选择、 电流分配、能量支出的合理性，为改善生产工艺技术条件提供了依据。 关键词铝电解槽；电热场；测试；能量平衡 率囝分类号T F 8 2 1 文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 { 2 0 1 5 1 0 0 0 4 9 0 5 M e a s u r e m e n ta n dA n a l y s i so fT h e r m a lE l e c t r i cF i e l df o r 2 4 0k AA l u m i n u mE l e c t r o l y t i cC e l l S H E NB i n 9 1 ，L IX i a n 2 1 ．Q i n g h a iW e s tH y d r o p o w e rC o ．L t d ，M i n h e8 1 0 8 0 0 ，Q i n g h a i ，C h i n a ； 2 ．Q i n g h a iQ i a o t o uA l u m i n u m P o w e rC o ．．L t d ，X i n i n g8 1 0 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h e r m a le l e c t r i cf i e l da n de n e r g yb a l a n c eo ft h r e e2 4 0k Aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l si no n e c o m p a n yw e r em e a s u r e d ．T h ef e a s i b i l i t yo fs e c t i o ns e l e c t i o no fe n t e r i n ge l e c t r i cb u sb a r ，e l e c t r i cc u r r e n t d i s t r i b u t i o n ，a n de n e r g y o u t p u tw e r ee v a l u a t e d t o p r o v i d e t e c h n i c a lc o n d i t i o n sf o rp r o d u c t i o n i m p r o v e m e n t ． K e yw o r d s a l u m i n u me l e c t r o l y t i cc e l l ；t h e r m a le l e c t r i cf i e l d ；m e a s u r e m e n t ；e n e r g yb a l a n c e 铝电解槽能量平衡测算对铝电解操作参数的优 化及生产过程的控制具有十分重要的作用[ 1 - 6 ] 。获 得良好的电热平衡条件对铝电解生产技术经济指标 有着重要意义[ 7 - 9 ] 。通过测试与仿真研究，能系统了 解电解槽电流的分配和不同区域能量的损失情况， 可以为确定工艺条件、制定合理的操作制度、定性分 析电解槽的工况，以及提高主要技术经济指标、技改 措施的制定等提供依据。本文选择某公司3 1 78 、 3 2 9 。及3 3 08 三台电解槽进行了电热场的测试，以 便了解实际生产中电解槽电热场的分布特征，为槽 型结构与工艺条件的评估提供依据。 1电压平衡测量 铝电解槽能量平衡测试主要依据Y S ／T 1 2 0 9 2 和S L B - 8 8 0 1 标准进行，阳极压降由导杆压降、钢爪 压降、卡具压降、爆炸焊压降、铁碳压降、炭块压降等 构成。采用电流分配系数法计算各部分压降 A U 阳极 ∑K 。z S U i 1 K 一A U 舰／∑, S U 溥歪 i l 式中，z S U 。为各部分电压测量值，K i 为电流分 配系数，咒为实际测量点数。 收稿日期2 0 1 5 一0 3 2 5 基金项目青海省重大科技专项计划项目 2 0 1 1 一G A 3 A ；青海省高新技术研究与发展计划项目 2 0 1 3 一J 一2 0 6 作者简介沈冰 1 9 7 8 一 ，男。贵州遵义入，高级工程师；通信作者李贤 1 9 8 0 一 ，男，青海民和人，工程师． 万方数据 5 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 0 期 槽底压降计算公式 △u 槽底一2 △u 槽底／以 为尽可能不对电解槽进行干扰，通过对电解槽的 电解质进行取样分析，得到其主要组成，再应用国际 较为通用的经验公式计算其电导率。在测量过程中， 测量每一台电解槽的多个点的极距，取算术平均值， 再由此极距和电导率计算电解质部分的平均压降。 为避免停电造成槽况波动，此次未测量反电动 势 极化电压 ，按经验取为1 。6 5V 。 为了准确计算母线系统的压降，分析各部分局 部压降变化情况，母线系统分几个部分进行测量，各 部分当量压降按功率法求之 A U ；／R △U 一』土7 一 l 系列 为了处理电压平衡计算，编制“铝电解槽电平衡 测试计算专用软件”进行计算，计算结果见表1 。 从表1 可看出，本次测量实际测量值和现场槽 控机显示值之间误差基本能保持在2 ％以内，电场 测量与电解槽实际情况是吻合的。3 台测试槽中， 3 2 9 。槽的电压最高，3 3 0 。最低。从3 台电解槽的电 压分布来看，3 2 98 槽的阳极压降较低，槽底压降较 高，极距未大幅度降低，该电解槽处于高电压运行， 说明该电解槽的炉底可能有沉淀存在，应该保持高 电压运行，以清除炉底沉淀；3 1 78 槽的炉底压降最 低，极距最高，电压已经达到3 ．9V 左右，应该积极 稳妥地探索更低的电压；3 3 0 8 槽的电压尽管为 3 ．8 8 1V ，但其炉底压降较高，说明较低电压是降低 极距带来的，根据现场运行情况看电解槽不太稳定， 电压容易波动，适当提高电压，以清除炉底沉淀。 表l2 4 0k A 铝电解槽电压平衡 测试与计算结果 T a b l e1T e s ta n dc a l c u l a t i o nr e s u l t so f v o l t a g e sf o r2 4 0k Ac e l l s 项目3 1 7 8 槽3 2 98 槽3 3 0 8 槽 阴极母线 母线压降／m V横梁母线 阳极软母线 卡具 阳极压降，m V 量荛薹 钢爪～炭块 反电动势／m V 电解质麟墨淼 槽底压降／m V 合计／m V 实测／m V 测量误差／％ 1 2 51 2 51 2 5 1 4 ．7 81 7 。0 31 7 ．8 0 2 5 ．9 84 3 ．3 04 3 ．0 3 1 7 ．4 02 6 ．4 41 4 ．7 9 1 8 ．2 61 6 ．6 61 6 ．6 8 1 2 ．1 41 5 ．3 97 ．4 7 3 3 0 ．2 92 3 8 ．4 63 1 1 ．4 9 16 5 016 5 016 5 0 4 ．7 04 ．4 04 ．2 5 14 2 2 ．5 214 9 6 ．8 8l3 4 0 ．1 7 3 1 2 ．5 03 7 4 ．7 53 6 0 ．8 3 39 3 3 ．5 740 0 8 ．3 138 9 0 ．7 8 39 3 740 0 23 ．8 8 l 0 ．6 8 0 ．8 21 ．5 9 2阴、阳极电流分布及斜立母线电 流分析 2 ．1 阴、阳极电流分布分配 通过测量计算结果分析，3 台电解槽阴极软带 电流分布基本均匀，但部分阴极电流偏大或偏小，电 流最大差异出现在3 2 98 槽，阴极电流最大值 79 9 3 A 与最小值 48 1 8A 相差31 7 5A 之多。3 台电 解槽阳极电流分布都不太均匀，存在部分阳极电流 偏大或偏小的现象。对3 1 7 8 槽、3 2 98 槽来说，最大 阳极电流 1 83 9 7A ／1 94 4 2A 与最小阳极电流 1 l 7 7 7A ／1 29 2 7A 分别相差66 2 0A 和65 1 5A 。 阴、阳极电流分布分配情况见表2 。 表2阴极与阳极电流分布分配的比较 T a b l e2 C o m p a r i s o no fc u r r e n td i s t r i b u t i o nb e t w e e nc a t h o d e sa n da n o d e s 3 1 71 2 6 ．4 3 2 91 2 5 ．3 3 3 01 2 3 ．8 由表2 可知，3 台电解槽A 侧的总电流均大于 B 侧的总电流，阳极电流分布也呈现同样的规律。 3 178 槽A 、B 两侧阴极电流相差8 ．6 个百分点，阳极 电流相差3 ．0 个百分点，A 侧阳极电流比阴极电流 共低2 ．8 个百分点 6 ．8k A 。3 2 9 8 槽内存在由B 到A 的水平电流 1 ．2k A ，3 3 0 8 槽内存在由B 到 A 的水平电流 I ．0k A 。3 台槽都存在由B 到A 的水平电流，说明电流分配不太合理，这主要与母线 结构、槽况等因素有关。 2 ．2 斜立母线电流分配 某公司2 4 0k A 电解槽采用大面四端进电母线 配置，各立柱母线电流分布分配实测结果见表3 。 万方数据 2 0 1 5 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ] ／y s y l ．b g r i m m ．e n 5 1 2 6 ．9 2 5 ．3 2 8 ．O 从表3 可以看出，3 台电解槽各立柱母线进电 电流分布与等进电比设计都存在有一定的偏差，每 台电解槽立柱母线均有偏大或偏小问题。3 3 09 槽 偏差最大，A 3 最大，A 1 最小，电流相差1 4 ．9k A 或 6 ．1 个百分点 ；3 1 7 ‘槽，A 2 最大，A 4 最小，电流相 差1 2 ．3k A 或5 个百分点 ；3 2 9 。槽，A 2 最大，A 4 最小，电流相差1 1 ．5k A 即 或4 ．7 个百分点 。 3热损失测量 将阴极槽壳分阴极碳块区、熔体区、耐火层与保 温层区进行电热场的布点测试，以便能全面反映槽 子实际散热情况。槽底板以工字钢梁划分测试区 域；槽罩分块测量，每块分上、中、下三个区域布点 每个区域又分为若干测量点 ；两水平、电解质与铝 液温度、极距及槽膛内形每台槽子分别测1 2 个点。 测量顺序是先测量各金属表面温度、烟气流量与温 度，然后打开槽罩，测覆盖层温度，再开测孑L 进行极 距、两水平、两温度及槽膛内形的测定。 3 ．1 电解槽表面温度分布 分别测量了3 台电解槽的槽壳温度、槽盖板温 度及槽膛内形，结果列在表4 。 表4 槽壳温度测定结果 T a b l e4 T e m p e r a t u r ed e t e r m i n a t i o nr e s u l t so fc e l ls h e l l ／o c 1 0 6 1 1 2 9 9 l i 9 1 1 l 1 3 4 表4 表明，熔体区槽壳表面温度最高，阴极炭块 区、保温层区的槽壳表面平均温度依次递减，这符合 槽壳温度分布的一般规律。3 1 78 槽、3 2 9 。槽、3 3 0 8 槽的槽底表面平均温度分别为9 7 、1 1 4 、9 9 ℃，说明 槽底保温性能尚可，但3 2 98 槽略差。从槽壳温度分 布来看，3 台电解槽槽壳局部高温大致出现在A 侧 靠出端的几块阴极区域，侧部温度相对较为合理，整 体炉帮尚可。 槽盖板温度的测定结果如表5 所示。 从表5 可见，3 台电解槽大面侧部的槽盖板温 度分布相对较为均匀，槽内A 、B 侧盖板各区域温度 的平均值基本接近。3 2 98 槽的大面温度最低为1 6 5 ℃，其他两台槽则都为1 9 3 ℃。3 台电解槽的两个 端部温度都相对大面较低，这与端部盖板开启次数 较多且改变为垂直分布有关。 表6 为炉帮厚度的测定结果。 从表6 可知，3 台电解槽炉帮形成均一般，侧部 炉帮厚度普遍比端部厚，这与现场加强端部保温的 意图一致。3 台电解槽A 侧炉帮较B 侧厚，出铝端 炉帮也都较烟道端厚。 删删㈣喘 9跎 螂喇瞒咪 0娼 万方数据 5 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ] ／y s y l ．b g r i m m ．e n 2 0 1 5 年第1 0 期 表6 炉帮厚度测定结果 T a b l e6D e t e r m i n a t i o nr e s u l t so fc e l ls l u d g et h i c k n e s s ／r a m 3 ．2 热平衡计算 根据以上测量结果，结合建议的仿真模型，通过 设定的槽壳温度、电解槽各部位温度分布和散热比 例情况。电解槽整体温度及等温线分布见图1 。从 图1 可看出，电解槽的保温效果较好，初晶温度分布 线在阴极炭块以下，绝大部分靠近阴极的下边缘，这 能有效防止渗入阴极炭块的电解质冷凝而破坏炭 块。尽管靠近大小面边部的阴极炭块温度稍低，但 9 0 0 ℃等温线都处于阴极炭块以下，故整体上阴极 结构保温较好。从内衬结构温度分布来看，内衬中 等温线分布合理，体现出侧部陡峭、底部较平滑的总 体特点，这有助于槽帮和伸腿的形成与维持；且保温 砖的温度在8 0 0 ℃以下，故不至于因高温作用而损 坏。电解槽阴极结构靠近大小面边部区域温度比其 他位置明显要低，当工艺条件变动及热平衡波动时， 应密切关注小面和角部炉帮、伸腿的形成情况。 总体而言，阴极炭块保温较好，绝大部分区域都 在9 0 0 ℃以上，靠近边部钢棒端部尚有局部区域温 度较低。 为进一步考察阴极炭块的保温情况，取最中间 的一块阴极 含钢棒和阴极缝糊 ，其温度分布情况 见图2 。 4结论 1 阴极软带电流分布不太均匀，部分阴极电流 过大或过小，各电解槽A 侧的总电流均大于B 侧。 2 3 台电解槽各立母线进电电流分布与等进电 比设计都存在有一定的偏差，每台槽均有立柱母线 偏大或偏小问题。 3 熔体区的槽壳表面温度最高，阴极碳块区、保 温层区的槽壳表面平均温度依次递减，符合槽壳温 度分布的一般规律。槽壳局部高温大致出现在A 侧靠出端的几块阴极区域，这些部位应特别注意观 察和换极时适当修补炉帮。 万方数据 2 0 1 5 年第1 0 期 有色会属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 5 3 9 47 ； l I X 2 t H } 舶H “x } ； J q x l q j j q 5 1 a 大而方向 图1 整体温度分布图 F i g ．1 C h a r tf o ro v e r a l lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 舞_ 氯 i 孑 二亏亍1 习 出H l“M l跚H lq j S 图2 阴极温度分布 F i g ．2T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nf o rc a t h o d e s 4 3 台槽的大面侧部的槽盖板温度分布相对较 为均匀，同一台槽内A 、B 侧盖板各区域温度的平均 值基本接近，但不同槽之间存在一定的差异，3 台槽 的两个端部温度都相对大面较低，这与端部盖板开 启次数较多且改变为垂直分布有关。 5 各部分散热比例较为合适，上部散热比例达 5 2 ．8 ％，通过调节上部覆盖料厚度来调节槽子保温 的可操作空间较大。槽子保温较好，总散热量比维 持热平衡所需的理论散热量小1 1 ．2k W ，稍显过热， 偏差仅为3 ．1 ％。 参考文献 [ 1 ] 刘业翔，李劫．现在铝电解E M ] ．北京冶金工业出版 社，2 0 0 8 3 1 8 3 4 5 ． [ 2 ] 邱竹贤．预焙槽炼铝[ M ] ．3 版．北京冶金工业出版 社，2 0 0 5 1 5 5 1 7 3 ． [ 3 ] 沈贤春，张爱玲，边友康，等．1 6 0k A 预焙铝电解槽物理 场测试与分析I - J ] ．轻金属，1 9 9 9 2 2 7 3 3 ． 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