帶外補償母線和傳統母線配置技術在500 kA預焙電解槽中的應用對比

宋書紅,范晉平

(1.營口忠旺鋁業有限公司,遼寧 營口 115000;2.太原理工大學 材料科學與工程學院,山西 太原 030024)

隨著國內鋁行業的快速進步,電解槽運行電流不斷增加,電解槽的穩定運行成為電解生產的關鍵。隨著國內500、600 kA大型預焙電解槽的投入生產運行,傳統母線配置磁場補償已經不能滿足進一步提高電解槽節能降耗的要求。適應我國鋁電解發展的實際需要,以沈陽院專利CN105220179A[1]為代表的帶外補償母線的新概念母線配置方案新鮮出爐,該方案的應用,大幅提高了電解槽的穩定性,為電解生產節能降耗奠定了基礎。

下面通過帶外補償母線500 kA電解槽和傳統母線配置500 kA電解槽實踐應用的對比,介紹了外補償母線配置電解槽實踐應用。

1 兩種配置方式的計算仿真比較

根據仿真模擬計算得出的帶外補償母線500 kA電解槽和傳統母線配置500 kA電解槽Bz方向磁場、鋁液流速及鋁液界面變形的模擬比較,如表1、圖1、2及圖3、4所示。

表1 500 kA電解槽帶外補償母線和傳統母線配置Bz方向磁場的比較

圖1 帶外補償母線500 kA電解槽鋁液流速

圖3 帶外補償母線500 kA電解槽鋁液界面變形

圖4 傳統母線配置500 kA電解槽鋁液界面變形

帶外補償母線配置方案是在500 kA電解槽旁采用單獨的補償母線來綜合均衡電解槽的磁場,使電解槽具有一個不受系列電流波動影響的恒定附加磁場環境。該母線優化配置目的就是進一步優化垂直磁場各方向梯度分布,使電解槽內熔體流速得到進一步降低。

從表1看,帶外補償母線電解槽Bz磁場4個象限的值比傳統母線配置電解槽更加相近,且最大值也比傳統母線配置電解槽小,與傳統母線相比,外補償母線磁場結果更優。從圖1和圖2的比較看,帶外補償母線電解槽鋁液流速明顯小于傳統母線配置電解槽,熔體流速降低幅度超過30%;從圖3和圖4的比較顯示,帶外補償母線電解槽鋁液界面變形明顯小于傳統母線配置電解槽鋁液界面變形,鋁液變形幅度降低超過30%。從分析得知,外補償母線的磁場強度和電解槽磁流體穩定性都有大幅度的提高,為電解槽的穩定運行提供了良好的基礎。

2 兩種配置方式在電解槽上應用比較

2.1 電解槽運行穩定性

基于統計分析與數據挖掘的槽況綜合分析是現代大型預焙電解槽綜合管控的重要手段?，F代大型預焙電解槽智能管控系統通過對控制過程采集到的的大量運行數據進行統計分析,可對電解槽進行相關的趨勢診斷。電解槽槽噪聲分析[2]、運行電壓穩定性及運行歷史曲線分析是電解槽運行穩定性分析的重要方法。

本文對比了槽齡和裝備水平基本相同的500 kA電解兩個系列一個區的運行統計數據和歷史曲線,其中電解一、二車間為一系列,采用傳統母線配置,電解三、四車間為二系列,采用外補償母線配置。

2.1.1 電解槽噪聲分析

電解槽的噪聲通常分為高頻噪聲(通常稱為擺動)和低頻噪聲(通常稱為針振)兩種,對比兩種不同類型電解車間電解槽的平均噪聲數據,如表2所示。

表2 電解車間噪聲統計表

傳統母線配置電解槽實際運行擺動平均在4.5 mV,帶外補償母線的電解槽在1.5 mV,傳統母線配置電解槽擺動強度比帶外補償母線的電解槽高3 mV,高大約200%,低頻噪聲擺動幅度通常由由鋁液層波動引起[3]。通過這些統計數據的對比,明顯看出帶外補償母線的電解槽鋁液波動要比傳統母線配置電解槽有大幅度的改進，為電解槽的長期穩定行提供了良好的基礎。

在開展企業經濟責任審計工作中為了找到被審計企業經濟責任的實際承擔者，一定要明確劃分各部門人員的企業經濟責任，這樣可以避免出現推卸責任的問題。在實際工作中可以從以下幾方面進行：

傳統母線配置電解槽實際運行針振平均在13.5 mV,帶外補償母線的電解槽在9.5 mV,傳統母線配置電解槽針振強度比帶外補償母線的電解槽高4 mV,約40%。

2.1.2 運行電壓分析

從它們運行電壓的穩定性方面比較看,如表3所示。

傳統母線配置電解槽實際運行平均電壓和設定目標電壓的差值較大,平均達到20.5 mV,而帶外補償母線的電解槽實際運行平均電壓和設定目標電壓的差值平均才6 mV。其原因是因為傳統母線配置的電解槽運行針振、擺動、異常電壓的強度和時間要遠遠高于帶外補償母線的電解槽,說明帶外補償母線的電解槽運行比較穩定。

2.1.3 運行歷史曲線

通過電解槽控制系統歷史運行曲線的解析更加直觀反映電解槽的運行穩定性。如圖5、6為500 kA預焙電解槽控制系統歷史運行曲線。

表3 電解槽電壓比較

圖5 傳統母線配置500 kA預焙電解槽控制系統歷史運行曲線

圖6 帶外補償母線500 kA預焙電解槽控制系統歷史運行曲線

通過對對比槽歷史曲線的解析可發現:傳統母線配置電解槽針振擺動強度較大,累積時間較長,電解槽經常通過升降陽極進行調整,陽極調整必然導致電解槽電阻發生變化,致使系統基于電阻斜率權重判斷的氧化鋁濃度控制出現紊亂,電解槽表現運行不穩定。生產現場往往表現出突發效應多、爐底沉淀多等問題,增加槽控系統判斷失誤的概率。外補償母線配置電解槽由于良好的磁流體穩定性基礎,較低的槽噪聲,為電解槽控制系統的準確判斷提供了良好的基礎。

2.2 電解槽運行工藝參數

表4所列數據為以上對比槽運行工藝參數。兩種母線配置電解槽運行過程中槽溫、兩水平及分子比基本保持一致;電解槽的日下料量帶外補償母線電解槽要高于傳統母線電解槽262 kg/(槽·日),說明帶外補償母線電解槽效率比傳統母線電解槽高,這一點從后續表6數據也予以佐證;效應控制帶外補償母線電解槽要優于傳統母線電解槽,結合下料欠過比數據看,帶外補償母線電解槽氧化鋁濃度控制基本實現低濃度敏感區的控制要求,這也從另一面體現出帶外補償母線電解槽穩定性高于傳統母線電解槽高,為氧化鋁濃度控制創造了條件,因為槽穩定是控制策略賴以成功實施的必要條件;異常電壓累積時間和原鋁質量也略有提高,說明帶外補償母線電解槽使電解槽的整體穩定性有了明顯的提高。

表4 帶外補償和傳統母線配置500 kA電解槽系列運行工藝參數對比

2.3 電解槽爐膛情況

如圖7所示為電解槽爐幫構型圖,對爐幫a、b兩處的位置尺寸予以測定就基本可以構建電解槽的爐膛內型。其中a處位置表征爐幫的最薄處,b處表征爐幫伸腿的位置。它們均可通過相應測定棒進行測量,同時在c處測量電解槽槽殼側壁典型溫度數值,從而了解電解槽的爐幫基本狀況。從跟蹤500 kA預焙電解槽傳統母線配置槽和帶外補償母線配置槽爐幫形成過程數據可以比較出兩種電解槽爐膛內型的形成變化機制。表5是500 kA電解槽不同時期測得爐幫數據情況。

圖7 爐幫構型圖

表5 500 kA預焙電解槽爐幫測定表

從表5數據可以看出:帶外補償母線的電解槽形成的爐幫比傳統母線配置電解槽厚約3～4cm,伸腿反而短,而且穩定;槽殼側壁溫度平均低10 ℃左右。從表5數據的變化趨勢看:帶外補償母線的電解槽形成的爐幫比較穩定,隨著槽齡的增加變化不大;而傳統母線配置電解槽爐幫厚度有一定的起伏,伸腿有隨槽齡加長的趨勢。表5數據說明帶外補償母線的電解槽爐膛更加規整穩定。這應該主要取決于帶外補償母線電解槽垂直磁場各方向梯度分布更加均衡,使電解槽內熔體流速得到進一步降低,同時縮小電解質和鋁液兩層流動的速度差別,減小了對爐幫的沖刷,利于電解槽爐幫的穩定形成。實踐證明,外補償母線配置的電解槽爐膛較規整和穩定,是外補償電解系列取得高效穩定生產的關鍵因素。

3 兩種配置形式的電解槽運行經濟技術指標對比

與傳統母線配置槽相比,500 kA預焙電解槽采用帶外補償母線配置后,電解槽穩定性大大提高,運行經濟技術指標也比較理想。

表6所示數據是傳統母線配置500 kA電解槽系列啟動一年后2016年全年的主要經濟指標和帶外補償母線配置500 kA電解槽系列啟動一年后2019年全年的主要經濟指標,它們內襯設計基本一致,技術條件基本相同。其中帶外補償母線配置電解槽的可比交流電耗中含獨立補償母線的耗電量。

表6 兩種配置形式的電解槽2019年主要經濟指標對比

從表6可以看出:帶外補償母線的電解槽平均電流效率達到了94.37%,可比交流電單耗達到13,034 kWh/t-Al,比傳統母線配置電解槽平均電流效率高出2.54個百分點,可比交流電單耗降低237 kWh/t-Al,經濟運行效果非常明顯。

4 結 語

實踐證明帶外補償母線的電解槽長期穩定運行,優化了電解槽磁感應強度、熔體流動速度、鋁液-電解質界面波動,與傳統母線配置電解槽相比運行更加穩定,為采用該技術的電解系列取得更好的經濟技術指標提供了堅實的基礎。