铝电解工艺及控制.doc

-铝电解生产工艺与控制指南第一局部 热平衡分析与控制在霍尔-埃鲁法中，能量是以两种方式供入的，一种是是以电能的方式供入，另一种是以碳燃烧的热能方式供入电解槽的热平衡表达式为：Q热=W电+W碳-T△S-∑(HT-H298)电解槽热平衡各影响因素的具体分析如下：1.1W电电能热收入主要与槽电压和系列电流密切相关，在电解生产过程的正常情况下我们应力争保持槽电压和电流平稳，并尽可能减少阳极效应次数和效应持续时间，以维持热收入根本稳定W电又是调节电解槽热平衡波动的最灵活，最方便的调控措施，因此生产中往往通过电流的变化来调整自然环境变化对电解槽热平衡体系的干扰，夏季适当降低局部电流，冬季适当提高局部电流以调整炉帮外温差变化对电解槽散热能力的影响，从而保证炉帮根本稳定通过保温料厚度来调节季节变化不但时间滞后而且对换极作业的浓度控制提出了更高的要求对于原材物料的预热需求那么采取短时间附加电压的方式来灵活的进展调节，这样可以提高对热平衡波动调节的针对性和及时性，个别槽的热平衡变化那么通过设定电压的变更来灵活的进展调整。

因此对于电能的调整必须坚持以适应电解槽的热平衡的需要为原那么，力求节约电流对热平衡的调整是系统的和长期的，不宜作频繁的变动，而电压对热平衡的调整那么是灵活的和及时的，在其它条件不变的情况下电压对槽温的调节力度为日均电压提高10mv/天可以提高电解质和铝液温度3℃，而过热度提高必然增加热损失，电解槽热交换系数的典型值为500～1000W*m-2K-1,因此日均电压提高10mv实际只能提高1℃的槽温，但如果其它因素造成初晶温度降低或其它热损失增加那么可能出现电压升高而槽温降低的异常现象通过设定电压来调整槽温是滞后的，而根据热平衡变化采取短时间大幅度的电压附加方式及时调整各因素对槽温的干扰更符合电解槽的热平衡波动特性1.2 W碳碳阳极的消耗也是电解槽热收入的重要来源，在950℃的电解生产环境下每公斤碳燃烧为CO2释放的热能约为7KWH，如果以240KA电解槽为例计算，每降低10kg/tAl的阳极尽耗，那么相当于降低了22mv的日均槽电压，如果碳阳极全部生成CO那么相当于降低了约7mv的日均槽电压因此我们要力争做到无炭渣生产以防止阳极和碳渣氧化而影响电解槽的热平衡，这同时也说明了捞炭渣作业对于热槽的意义。

1.3 T△ST△S项的主要影响因素是电流效率的变化，电流效率波动的主要形式表现为铝液的二次氧化，具体反响方程式为 2Al〔液〕+3CO2=AL2O3 +3CO通过计算发现在电解生产条件下每损失一公斤铝液所释放的热能为4.3KWH，如果把它换算为对电压对槽热平衡的影响，那么电流效率每降低1.0%那么相当于提高了约14.3mv的日均槽电压，而电流效率每提高1.0%那么需要增加18.5mv的热支出，效率升降造成的热收支不对称是由于分别生成了CO和CO2的缘故电解槽电流效率受各方面因素的影响，是电解生产中最活泼的变化因素，也是最难预知和调控的因素1.4∑(HT-H298)该项实质上就是热交换中的热传导局部，而热对流和热辐射那么合并为Q项容热交换的热能就是预热电解过程中的氧化铝、碳阳极以及其他原材物料需要提供的热支出，其中影响最频繁的是氧化铝加料作业，影响最剧烈的是更换阳极作业虽然自法铝1975年开发点式下料技术以来加料作业的连续性得到了很大的提高，对热平衡的干扰已经日益减弱，但过欠量加工依然或大或小地影响着电解槽的热平衡理论计算说明，按240KA电解槽计算，下料量每日减少100kg那么用于预热氧化铝的热支出将减少56KWH，假定同日效率降低0.5%那么二次反响的潜热还要增加39KWH，相当于提高15mv电压所增加的热收入。

因此我们必须力争实现氧化铝的平稳添加和完全溶解，并通过过欠量加工形式的频繁转换来减弱过欠量加料对电解槽热平衡体系的干扰目前国外优秀的控制系统的控制效果为每1～2小时完成一次过欠周期，我们也要力争可靠的实现这一目标对氧化铝浓度控制影响最大的因素是电解质过热度的变化，因为过热度的变化直接造成炉膛的变化而干扰电解槽的热平衡，因为炉帮中的氧化铝与料箱添加的氧化铝存在800℃以上的温差因此我们有必要根据下料量的变化相应的调整电解槽的目标电压，通过设置加料附加电压来及时的调整下料量变化对热平衡的干扰，以保持电解槽热平衡的相对稳定换极作业是电解生产中最重要的影响因素它不但影响体系热平衡的稳定性，还影响体系磁场和流体运动的稳定性，而流体运动的不稳定又进一步增加了热平衡控制的困难国际上先进控制系统的解决方法是大幅度地提高换极后的附加电压，既可以增加热收入以满足新阳极预热的需要，另一方面又可以提高流体运动和槽电压的稳定性国的传统做法那么只是对换极敞开液面期间的热辐射损失进展补偿，而并没有对新阳极的预热进展补偿我们通过跟踪新阳极更换后的升温速率发现，新阳极的预热并不是以24小时为周期呈直线均匀上升的，而是以曲线形式不均匀变化的，在正常情况下八小时要完成50%以上的吸热量，新阳极极距越低、导电越快、吸热速率越快，新阳极导电越慢那么吸热速率越慢，其与新阳极的电流分布是密切相关的，因为新阳极的电流分布反映了新阳极的预热程度和安装高度信息。

如果新阳极按比热残极高0.5cm的标准安装，那么在正常情况下把八小时后的阳极电流分布为全部阳极平均电流分布的50%以上，新阳极的吸热量那么要到达60%左右，因此需要在换极后的八小时进展相应的电压补偿图I法铝400KA试验槽换极后的电阻控制曲线图2法铝400KA试验槽换极后的过热度控制曲线图3铝业240KA电解槽换极后的电压控制曲线我们在240KA电解槽生产中的经历说明，长时间大幅度分阶梯式的电压补偿制度符合电解槽换极后的稳定性控制需要，其对于热平衡稳定性、流体运动和电压的稳定性以及电解质水平的控制都是适宜的，也符合理论和实践需要的对于电解槽的热平衡电压方式调整我们必须坚持以理论计算为依据，以实践检测数据为检验标准，以满足电解槽的热平衡需要为原那么而取舍为了减少补充原材料对电解槽生产过程的热平衡干扰，我们不但对添加氧化铝要严格执行“勤加工、少加料〞的控制思想，对氟化铝的添加也要执行这一管理要求，不因事小而为之同时对于生产过程中的堵料、缺料也要严格防，尽可能的减少各种意外因素对电解槽热平衡的干扰根据以上分析，扎大面和扎角部作业明显违背了电解槽的热平衡和物料平衡管理思想，除非是电解槽出现了槽壳严重发红或者漏炉事故，在正常生产条件下应该严格制止，对中心下料预焙槽而言，扎大面和扎角部作业是对生产管理思想的背叛。

1.5 换极作业后的热平衡变化分析换极作业对电解槽的热平衡会产生较大的影响，换极后的槽温变化测量数据与换极热损失的理论计算是一致的理论计算双阳极的升温吸热量相当于60～80mv的工作电压，而冷阳极减少的外表热损失约为25～30mv的工作电压，按这样分析，更换双阳极会产生40mv左右的热平衡波动，这些热量是必须的，但这个吸热过程大致需要24小时左右才能完成，但其前八小时地吸热量一般占50%以上，因此我们换极后的前八小时附加相当于20mv的日均设定电压与新阳极的吸热需根本一致的局部工艺人员认为换极后的大幅度附加电压增加了电能的消耗，但如果我们在增加换极后附加电压同时适当下降我们的设定电压，这样就既解决了电解槽换极后的稳定性问题，又解决了电耗对生产指标的制约，由于换极后新阳极不导电以及流体运动的变化，换极后的极距是电解生产过程中最小的阶段，如果换极后不进展适宜的电压补偿，不但会压缩极距，而且会由于极距降低电解质水平提高熔化炉面而影响电解槽的物料平衡控制换极后大幅度附加电压虽然有利于换极后的稳定，但对于高温槽而言那么是有害的，因为换极作业大量的热损失对于高温槽而言是一个难得的热平衡调整时机，为了解决附加电压对高温槽的影响，我们采取了根据不同槽况区别对待的分阶梯附加电压方式，即高温槽只附加一个阶梯短时间的附加电压，以适应高温槽温度调节需要，正常槽那么附加较长时间的两个阶梯的附加电压，以满足新阳极的吸热需求。

不同电解槽在换极后的温度变化是各不一样的，这是由于换极敞开电解质液面时间不同和电解质初晶温度及过热度不同的缘故敞开电解质液面肯定增加热损失，但其是次要因素，过热度不同才是温度变化的主要原因过热度高的电解质温度变化大，过热度低的电解质温度变化小，这是因为电解质凝固产生相变热的缘故据初步估算，电解质凝固150kg产生的相变热能使电解槽整个体系温度上升1℃如果仅相对于电解质和铝水而言会有3℃的变化通过对换极后的温度变化，我们可以推测和估计我们电解槽的初晶温度和过热度的合理保持围经初步分析，如果分子比保持2.30～2.35，氧化铝浓度2～3％，初晶温度应该在940左右，这与理论计算的初晶温度也根本一致如果平均过热度保持10℃左右，我们的电解温度应保持在948～955℃电解质温度高于960℃的电解槽肯定过热度高，其换极后的降温幅值也必然大为了满足氧化铝溶解和炉帮稳定我们需要保持8～10℃的平均过热度，按照适宜的铝水平条件，电解槽中心温度与边部温度会存在6～8℃的温差，这要求必须提供4℃的平均过热度，氧化铝溶解在下料点局部还会产生4～5℃温差，因此保持8℃的过热度是必须的，保持10～12℃才能稳定生产。

而我们平时测量时没有考虑边部与中心以及过欠下料的温差，所以会看到5℃左右的过热度也能稳定运行，这其实是测量和计算中的误差造成的如果不考虑槽不同位置对测量误差的影响，那么保持6～8℃的过热度是平稳生产的需要，这与国外常常报导的7℃左右的过热度数据是根本相符的1.6. Q热由于各子项在电解生产期间是频繁波动变化的，因此电解槽的热平衡必然是相对的动态平衡相对于四个子项而言Q热是随之被动的、滞后的变化的，波动初期Q热的变化值小于四个子项之和，大局部的热能由电解槽热平衡体系先储存或者释放，从而表现为槽温和炉堂的频繁波动，最终实现动态热平衡但这个动态的热平衡不一定是我们需要的理想的热平衡状态，因为我们已经把理想的热平衡状态定格为6～8℃的过热度标准，因此我们还需要对电解槽的热平衡进展调整，以实现我们高效、低耗、优质、长寿的生产目标 Q热实质上就是电解槽与大环境之间的热交换值，包括热对流和热辐射，而热传导那么归入了∑(HT-H298)Q热值的计算存在许多的变数而很复杂，既有电解槽热平衡体系变化的因素，也有大环境变化的因素，但主要受电解槽热平衡体系变化影响，主要包括炉帮的厚度变化，体系热交换系数变化，保温料厚度变化，换极作业液面敞开时间变化等等，其中体系热交换系数变化那么主要包括铝水平、电解水平、流体流速。

大环境的影响因素主要包括环境温度的变化/排烟风机的排风量变化以及供电系统的电流波动等因素，而其他设计因素一旦确定以后变化较少，根本不作考虑，但如果进展了材料设计变更那么一定要进展相应的热平衡年调整出铝作业也是电解槽热平衡波动的重要因素由于出铝后铝水平降低减弱了电解槽的散热能力，即表现为体系热交换系数的降低，从而造成槽温的上升，一般而言出铝半小时后槽温会上升6℃左右，在两小时后开场下降，在四小时后恢复到出铝前的正常温度因此国目前的出铝附加电压实质上不符合电解槽的热平衡需求，应当及时地进展改良出铝后提高电压的目的是及时地进展炉底沉淀处理，这对于边部加工的自焙槽而言是适宜的，但对于采用浓度控制的中心下料预焙槽来说那么是不合理的氟盐添加量通过影响电解质初晶温度和过热度而改变电解槽的炉帮和热平衡，电解质中的氟盐含量还通过改变铝液和电解质的界面力和溶解度而影响电流效率。