鋁電解槽焙燒啟動方法和發(fā)展動向

                                               廖賢安  張明凱

提要：

介紹并分析了鋁電解槽焙燒啟動方法和發(fā)展趨勢。方法單一落后、熱沖擊大和檢測記錄不夠是我國鋁電解焙燒啟動的主要問題。焙燒啟動的方法不當(dāng)和質(zhì)量偏低是我國鋁電解槽壽命短效率低的主要原因之一。隨著我國鋁電解廠向預(yù)焙化和大型化的方向發(fā)展，改進(jìn)焙燒啟動方法已成為我國鋁電解廠的一項緊迫課題。根據(jù)我國鋁電解工業(yè)現(xiàn)狀，提出了五點建議。

關(guān)鍵詞：鋁電解槽 焙燒啟動方法 趨勢

一. 引言

    新鋁電解槽和大修槽需經(jīng)焙燒、啟動和初期生產(chǎn)階段后，才能轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。一般將電解槽溫度從室溫升至600 °C(指陰極炭塊表面溫度，下同)以上這一過 程稱為焙燒；加入電解質(zhì)并隨后通電進(jìn)行電解這一過程稱為啟動；啟動后調(diào)整電解槽溫度和電解質(zhì)成分、建立槽幫這一階段稱為初期生產(chǎn)階段。焙燒的目的是使電解槽能平穩(wěn)地從室溫轉(zhuǎn)入高溫生產(chǎn)，避免熱沖擊對內(nèi)襯的損壞，使填縫糊得到良好的焙燒而獲得適當(dāng)?shù)膹姸?，并?qū)除內(nèi)襯中的水分。大量研究表明電解槽內(nèi)襯的缺陷絕大多數(shù)都是在焙燒啟動階段產(chǎn)生的，因而焙燒啟動對鋁電解槽的正常生產(chǎn)和電解槽壽命影響極大。近年來隨著鋁電解槽容量的不斷增大，鋁業(yè)界對焙燒啟動方法愈來愈重視。焙燒啟動方法已有較大改進(jìn)。我國鋁電解槽的平均壽命短，生產(chǎn)效率較低，焙燒啟動的方法不當(dāng)和質(zhì)量偏低乃是重要原因之一。我國鋁廠自70年代以來，幾乎全都采用鋁水焙燒法。近年來我國鋁廠對焙燒啟動方法愈來愈重視，焙燒方法向多樣化發(fā)展。已有不少預(yù)焙槽鋁廠改用焦床焙燒法(又稱焦粒法、焦層法)，平果鋁還自行開發(fā)了燃?xì)獗簾?又稱燃料法、熱法、火焰法)。這些都是可喜的變化。本文介紹并分析了近年來國外鋁電解槽焙燒啟動方法及其發(fā)展動態(tài)，并根據(jù)我國鋁電解工業(yè)現(xiàn)狀，提出了五點建議，供我國鋁電解工程技術(shù)人員和科研人員參考。

二. 焙燒方法

    按照熱量的來源，一般可將焙燒方法分為電阻法和燃料法兩大類。其中電阻法中最常用的是焦床法和鋁水法。燃料法中現(xiàn)在最常用的燃料是液化石油氣和天然氣，故常稱之為燃?xì)夥?。焦床法常用于預(yù)焙槽，也用于自焙槽。用于自焙槽時，陽極的工作面必須磨平。鋁水法現(xiàn)只用于二次啟動槽。燃?xì)夥ㄟm用于所有槽型，但用于自焙槽比用于預(yù)焙槽要方便一些。直接灌電解質(zhì)啟動電解槽并同時開始焙燒內(nèi)襯、自焙槽在焙燒陽極的同時焙燒內(nèi)襯、以及采用電熱元件(電阻絲/棒)焙燒內(nèi)襯等方法極為少用，本文未予討論。

    目前在西方國家中，最常用和最有競爭力的焙燒方法實際上只有焦床法和燃?xì)夥āＦ渲薪勾卜ㄖ?，大多使用分流器和陽極軟帶，前者是為了能逐步增大焙燒電流，后者是使陽極大母線(橫梁)和陽極導(dǎo)桿間的連接具有撓性。本文主要討論焦床法和燃?xì)夥ā?

三. 評價標(biāo)準(zhǔn)

    從技術(shù)角度講，一般可從下面六個方面對焙燒方法進(jìn)行評價：

    1. 升溫速度的可控性。平均升溫速度一般不應(yīng)超過20 °C /小時，最大升溫速度 不應(yīng)超過50 °C /小時。在焙燒溫度300-600 °C 范圍內(nèi)，升溫速度應(yīng)控制在10 °C /小時或更小。

    2. 焙燒過程中陰極表面的溫度分布。顯然，溫度分布愈均勻愈好。一般要求其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%。焙燒結(jié)束時陰極表面沒有溫度超過1000 °C的“熱區(qū)”。

    3. 焙燒過程中的垂直溫度梯度(從陰極炭塊表面直到保溫層中)。目前缺乏定量 數(shù)據(jù)。一般要求焙燒結(jié)束時這一溫度梯度應(yīng)盡量接近電解槽正常生產(chǎn)時的溫度梯度。

    4. 焙燒結(jié)束時陰極表面的平均溫度。理想情況是這一溫度應(yīng)盡可能接近電解槽正常生產(chǎn)時電解質(zhì)的溫度(950-970 °C)，以避免灌電解質(zhì)時產(chǎn)生熱沖擊。

    5. 陽極電流分布。這是用焦床法焙燒預(yù)焙槽時的一個重要考查指標(biāo)。一般要求陽極電流分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于15%，最好小于10%。

    6. 陰極電流分布。這是用焦床法焙燒電解槽時的另一個重要考查指標(biāo)。其要求與陽極電流分布一樣，即其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于15%，最好小于10%。

    從操作和經(jīng)濟角度來講，當(dāng)然是以簡便和成本低為好。其中簡單易行仍是目前多數(shù)鋁廠在選擇焙燒方法時所考慮的最重要的因素之一。

    焙燒的升溫曲線應(yīng)主要根據(jù)填縫糊的特性來制訂。這是因為填縫糊在焙燒過程中發(fā)生大的化學(xué)和物理變化(主要由粘結(jié)劑煤瀝青的炭化引起)，而已經(jīng)過高溫處理的陰極炭塊和側(cè)塊只有較小的物理變化。影響填縫糊燒結(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵溫度區(qū)間為200-500 °C，在這一溫度范圍內(nèi)的升溫速度必須緩慢。升溫速度過快，瀝青 的分解和揮發(fā)速度也加快，分解和揮發(fā)量增加，填縫糊的裂紋增多增大，機械強度下降。這是導(dǎo)致電解槽壽命短和操作困難的主要原因之一。由于焙燒過程的升溫曲線是以陰極炭塊的表面溫度為準(zhǔn)，而填縫糊的溫度滯后于陰極炭塊的溫度，故實際焙燒過程一般從300-350 °C 開始才降低升溫速度。應(yīng)當(dāng)指出的是，一般來 說填縫糊的溫度滯后于炭塊的溫度是有利的。因為這意味著填縫糊能較長時間地保持塑性，從而有利于消除焙燒過程中產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力。

四.優(yōu)劣比較

    一般來講，焦床法具有簡便、不需要復(fù)雜設(shè)備、不需要燃料、基本上不存在陰極炭塊燒損問題、焙燒時間短和一次可以焙燒多個電解槽等優(yōu)點。燃?xì)夥ň哂袦囟确植季鶆?、升溫速度的可控性好、垂直溫度梯度小、啟動后不需要清除焦粒、不存在電流分布問題和對同系列生產(chǎn)槽的運行無影響等優(yōu)點。鋁水法的最大優(yōu)點是簡便和煙氣量較小。但由于其有灌鋁時產(chǎn)生大的熱沖擊、熔點低粘度小的鋁水優(yōu)先滲入內(nèi)襯裂紋中以及填縫糊的焙燒缺陷無法在焙燒結(jié)束后檢測到并及時加以補救等缺點，國外大多數(shù)鋁廠早已不用此法焙燒新槽或大修槽內(nèi)襯，而僅限于二次啟動槽的焙燒。

    于焦床法是使用廣泛的老方法，它擁有大量的熟練工人和技術(shù)人員，擁有多年的經(jīng)驗，這是它相對于燃料法的另一大優(yōu)點。另外，采用細(xì)顆粒焦床時，焦粒可在電解槽啟動后較短的時間里燒盡，而不需要人工清除。焦床法的最大弱點是對升溫速度的控制不如燃?xì)夥ê眉皽囟确植疾粔蚓鶆颉２捎梅至髌骱完枠O軟帶后，這些弱點有較大改善，但仍比不上燃?xì)夥?。另外，分流器要消耗約20%的電能，增大了焙燒的成本。

    燃?xì)夥ㄔ谕茝V過程中的第一道關(guān)卡是須經(jīng)安全部門的審查批準(zhǔn)。這在有些地區(qū)需要相當(dāng)長的一段時間。雖然到目前為止，燃?xì)獗簾形窗l(fā)生過任何安全事故。但不少鋁電解廠在選擇焙燒方法時，對燃?xì)獗簾陌踩杂蓄檻]。采用液化石油氣為燃料時，需要大型高壓容器，這增大了安全隱患，對有些鋁電解廠來說也是不便的。采用油為燃料可免除高壓容器問題，但遺憾的是以油為燃料的焙燒設(shè)備，其操作和控制不如以氣為燃料的焙燒設(shè)備簡便。改進(jìn)燃油焙燒法的試驗?zāi)壳叭栽谶M(jìn)行中。有天然氣供應(yīng)的鋁電解廠，采用燃?xì)夥ㄝ^為便利。對預(yù)焙槽來說，如何覆蓋好電解槽以保溫及防氧化是燃?xì)夥ㄓ龅降牧硪粋€難題。而自焙槽的覆蓋則要容易得多，這也是為什幺燃?xì)夥ǜm合自焙槽的原因。另外，購買燃?xì)獗簾O(shè)備和人員培訓(xùn)等需要時間和投資。

    盡管有上述困難，近年來采用燃?xì)夥ǖ匿X電解廠仍呈上升趨勢。目前國外鋁公司/鋁廠中全部或部分采用燃?xì)夥ǖ挠嬘蠥lcoa/Reynolds, Elkem, Alusaf, Hydro, Alusuisse, Sor-Norge和Kubal等。 
  
    應(yīng)當(dāng)指出，焙燒啟動方法與電解槽炭素內(nèi)襯材料是有關(guān)聯(lián)的。采用燃?xì)夥〞r，焙燒后填縫糊的強度比采用其他焙燒方法時要大，并有可能超過陰極炭塊的強度。當(dāng)遇到較大的熱沖擊時，炭塊有可能斷裂而造成電解槽破損。因此，采用燃?xì)夥ê涂拐鹦暂^差的陰極炭塊時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整填縫糊的配方，以減小其焙燒后的強度。

五.發(fā)展動向

    近年來，鋁電解槽焙燒啟動方法的發(fā)展動向就是加強對升溫速度的控制、提高焙燒溫度分布的均勻性和實現(xiàn)無效應(yīng)啟動。目的是盡可能減小對內(nèi)襯的熱沖擊，使電解槽能盡快轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。
   
    采用焦床法時，為加強對升溫速度的控制，各鋁公司紛紛開發(fā)分流技術(shù)，并采用陽極軟帶連接陽極大母線和各陽極導(dǎo)桿。例如，法鋁各型電解槽都開發(fā)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分流器。焙燒電流一般分四步以上，在不少于24小時內(nèi)逐步增大到系列全電流。軟帶連接也是一項非常重要的技術(shù)。實踐證明，它具有如下作用：改善了陽極和陰極的電流分布、減少了陰極表面產(chǎn)生“熱點”的可能性、使陽極與焦層一直保持良好的接觸和省去了反復(fù)松緊陽極夾具的操作等。

    采用燃?xì)夥〞r，為更好地控制升溫速度和監(jiān)測焙燒狀況，近年來引入了計算機控制技術(shù)。通過調(diào)節(jié)燃料流量，可以按預(yù)先設(shè)定的升溫曲線比較準(zhǔn)確地控制升溫速度。在監(jiān)測室里可以看到各點的實際升溫情況，通過調(diào)整各噴槍的流量和噴嘴的方向，可以調(diào)整各點的升溫速度。焙燒過程中的設(shè)定升溫曲線、各點的實際升溫曲線和異常情況都在計算機屏幕上顯示出來并記錄下來，便于監(jiān)控、分析和改進(jìn)。而這些是焦床法難以做到的。這是因為采用焦床法時，人對焙燒功率的控制手段是有限的，即焙燒功率不能按照人的意愿而方便地隨時加以調(diào)節(jié)。假設(shè)焙燒功率在一段時間內(nèi)保持不變，隨著溫度的上升，電解槽的熱損失和炭素材料的比熱是增加的，因而升溫速度會慢慢降低。焙燒過程中焦床的電阻會大幅度減小，而分流器電阻會有所增大，故焙燒電流會增大。其增大幅度主要取決于電解槽電阻(含焦層電阻)與分流器電阻的相對變化。焙燒電壓和焙燒功率也會隨電阻和電流的變化而變化。其具體變化與所選擇的分流器材料、尺寸、焦床材料、焦層厚度、焦粒粒度、陰極炭塊類型和溫度等因素有關(guān)。所有這些變化都無法在焙燒過程中加以調(diào)控。關(guān)于分流器材料，一般選用鋼、鋁或鎳鉻合金。關(guān)于焦床材料，近年來一些鋁電解公司/廠棄用石油焦而改用石墨。

    為提高焙燒溫度分布的均勻性(即減小水平溫度梯度和垂直溫度梯度)，除加強對升溫速度的控制外，還須加強對內(nèi)襯各部位溫度變化的監(jiān)測。為此應(yīng)在陰極炭塊的表層(離表面約2厘米)和陰極炭塊與耐火磚之間的墊層中分別埋設(shè)不少于四支熱電偶，在耐火磚層下及保溫層中分別埋設(shè)不少于兩支熱電偶。焙燒開始后，應(yīng)詳細(xì)記錄和分析各熱電偶的溫度變化和壽命，為及時調(diào)整焙燒過程及日后改進(jìn)焙燒方法和分析內(nèi)襯破損機理提供第一手資料。采用焦床法時，還必須加強對陽極電流分布和陰極電流分布的監(jiān)測。

    由于陽極效應(yīng)期間電解槽排出大量強溫室氣體CF4和C2F6和其他有毒氣體，近年來西方各鋁公司都想方設(shè)法減少陽極效應(yīng)的次數(shù)和持續(xù)時間。實現(xiàn)電解槽無效應(yīng)啟動以減少有毒氣體的排放就成為鋁業(yè)界追求的目標(biāo)之一。為實現(xiàn)無效應(yīng)啟動，應(yīng)做到如下幾點：
   
    1.提高焙燒溫度。最終焙燒溫度(炭塊表面)應(yīng)達(dá)到920°C或更高。
   
    2.降低垂直溫度梯度。一般要求焙燒結(jié)束時陰極炭塊底面的溫度達(dá)到800  °C。為達(dá)到上述兩項要求，需適當(dāng)延長焙燒時間。采用焦床法時，焙燒時間不應(yīng)少于48小時。采用燃?xì)夥〞r，焙燒時間為72小時左右。
  
    3.啟動時應(yīng)避免內(nèi)襯冷卻。為此一般不清除焙燒時用的保溫材料，并將極距降低至1-2厘米。
   
    4.灌電解質(zhì)和通電應(yīng)盡可能快。應(yīng)有足夠量的熱電解質(zhì)，且電解質(zhì)中不應(yīng)有鋁。
   
    5.應(yīng)非常緩慢地提高極距。
   
    電解槽焙燒溫度提高后，電解槽運行初期的槽電壓減小，槽電壓的波動也減小，電解槽能較快地轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。

六.幾點建議

    1. 鑒于我國鋁電解槽炭素內(nèi)襯材料的抗熱震性較差，減小焙燒啟動時的熱沖擊顯得尤為重要。降低焙燒時的升溫速度，尤其是降低焙燒溫度300-600°C (對應(yīng)的填縫糊溫度約200-500°C)范圍內(nèi)的升溫速度，應(yīng)是我們改進(jìn)焙燒啟動方法的重點。

    2.設(shè)計院(所)在設(shè)計鋁電解槽時，應(yīng)與鋁電解廠合作，同時設(shè)計出相應(yīng)的分流器和陽極軟帶。對分流器材料的選擇、分流器的布置和分流器在使用過程中的行為應(yīng)有詳細(xì)的記錄和分析，以便改進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)化。

    3.鋁電解廠應(yīng)加強對焙燒過程中的溫度和電流分布等參數(shù)的監(jiān)測和記錄，建立電解槽焙燒啟動檔案，為改進(jìn)焙燒方法和分析內(nèi)襯破損機理提供第一手資料。
   
    4.有天然氣供應(yīng)和靠近煉油廠的鋁電解廠，應(yīng)積極試用燃?xì)夥?。可考慮采用引進(jìn)成套設(shè)備和技術(shù)與自行開發(fā)相結(jié)合的辦法來發(fā)展適合我國國情的燃?xì)獗簾ā?/P>

    5.加強對電解槽破損機理的研究。應(yīng)經(jīng)常對破損槽進(jìn)行干式解剖，詳細(xì)記錄其破損部位和分析其破損原因。

Preheating and start-up methods  and  their  development  trends  of  aluminium  electrolysis  cells

Liao  Xianan,  Zhang  Mingkai

Abstract

Preheating  and  start-up  methods  and  their  development  trends  of  aluminium  electrolysis  cells  are  described  and  analysed.  The  lack  of  multiple  and  advanced  methods,  producing  large  thermal  shock  and  lacking  sufficient  monitoring  and  recording  have  been  the  main  problems  encountered  in  the  aluminium  smelting  industry  of  our  country.  Use  of  improper  method  and  low  quality  of  preheating  and  start-up  procedures  is  one  of  the  main  reasons  responsible  for  the  short  cell  life  and  low  efficiency  of  aluminium  electrolysis  cells  in  our  country.  With  the  development  towards  prebaking  and  large  scale  of  aluminium  cells  in  our  country,  improving  the  preheating  and  start-up  method  has  become  an  urgent  task  of  the  aluminium  industry  of  our  country.  Five  proposals  have  been  put  forward  according  to  the  existing  situation  of  the  aluminium  industry  in  our  country.

Key  words:  Aluminium  electrolysis  cell,  preheating  and  start-up,  method,  trend