换极对电解槽的影响再认识.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流换极对电解槽的影响再认识.精品文档.换极对电解槽的影响再认识一. 概述二. 换极的热影响三. 换极对电流分布的影响四. 换极对电解槽的其他影响五. 如何解决?一. 概述节能是国家的重大政策方向,在十一五、十二五规划中有着不小的篇幅,电解铝作为能耗大户,在此方向上应有所作为。国内电解铝企业和科研院所做了大量工作,自2000年以来,贵阳院的三度寻优、东北大学冯乃祥的异型阴极和中铝系统的201、中南大学的低电压以及强化电流、开槽阳极等节能技术多有流行;但是这些节能技术都是基于铝电解运行过程平稳可控的状态下进行的。在铝电解实际运行过程中,由于电化学作
2、用,阳极是不断消耗的,并且要定时更换,在这个从提出旧阳极到换上新阳极直至新的电热平衡建立和稳定的整个过程中,电解槽热平衡、炉膛、电流分布等发生了重大变化,以电解槽两次换极之间的生产周期短则24小时长则48小时来看,换极的影响占这个生产周期的1/31/2,对电解槽的稳定性、生产运行、电压电耗等技术经济指标有着重大的综合负面影响。现有的上述的铝电解工业节能技术都是针对换极影响期之外的平稳可控时段来控制调整的,也就是说他们只考虑了铝电解槽50%67%的生产时期,对于换极影响下的状况是忽视无视的大家可以仔细寻视查找现在流行的节能技术中可有相关的内容?经过几十年的实践,热收入过高的阳极效应对电解的影响已
3、有结论,其负面影响远高过正面影响,现在都是想方设法地减少阳极效应,而同样是对电解槽电热平衡有重大影响的热支出过高的换极为什么就没有这么深入研究呢?是不是就没有人研究呢?也不是,还是有同志作了工作的,但大部分都是具体作业上的变动什么的,就换极对电解槽影响的规律研究没什么用。经查,国内相关的较专题的公开文献有:1.预焙槽阳极电流分布和极距的关系2.铝电解槽阳极电流分布特征及设计上的思考3.铝电解槽阳极系列电阻随工作天数的变化规律研究4.预焙阳极铝电解槽阳极电阻变化研究 5.阳极预热技术在铝电解槽生产中的应用 6.阳极更换及铝液高度对电解槽内铝液流速场的影响7.预焙槽换极作业对稳定热平衡的影响及对策
4、8.铝电解预焙阳极热块浇铸上槽试验探讨9.梁汉系列文献这些工作是单向单方面的,站在前人研究和前辈工作成果的基础上,本人试进行系统地思考定性、定量的分析。二. 换极的热影响 论述的出发点是福建南平铝业曾健所作的预焙槽换极作业对稳定热平衡的影响及对策(冶金丛刊 2007年第2期)换极之前:电解槽已处于稳定的热平衡,生产受控; 换极作业过程:旧极提出,热损失为旧极(碳素阳极、钢爪、爪梁、铝导杆)所带走的热量、空极区的散热,以及约500的落入电解质的覆盖料/渣壳料/电解质块熔解所需吸热; 换极之后:新极上槽,由于新极从温度相对很低的外界环境温度进入槽内的高温区,要从槽内吸收大量的热量,还有极上保温料、
5、钢爪、爪梁、铝导杆都需要从槽内吸热,此时电解槽原有的换极之前稳定的热平衡被打破,槽生产受到极大的破坏, 而由于新极吸热达到新的稳定的热平衡是个较长的过程,这段时间内电解生产是不可能有高效率的、各现行节能技术也不可能充分发挥作用,只有挨过这个1/31/2的非常时期,电解槽达到新的电热平衡状态下,生产才稳定高效、各现行节能技术才能充分发挥作用。曾健同志作了关于空极区辐射/对流的散热损失和新阳极本身这2部分的定量计算,很重要;这里要补足的是从整个电解槽热系统来看,换极前后,以更换的阳极为单阳极计(双阳极请照例自行分析),其热损失包括:旧极(阳极本身、钢爪、爪梁、爆炸焊片、铝导杆)带走的热量;以及落入
6、电解质的旧极表面的电解质块/覆盖料/渣壳料所熔解吸收热量;空极区辐射/对流的散热损失;加热新阳极(阳极本身、钢爪、爪梁、爆炸焊片、铝导杆);加热新阳极上的覆盖料;四项内容中都可以定下基本条件而加以计算,旧极(阳极本身、钢爪、爪梁、爆炸焊片、铝导杆)带走的热量,这里忽略质量不好计量的有落入有扒出的电解质块和覆盖料所带走的热量;阳极自身,因残极高度低,其温度上下相差仅仅100,按电解温度940,则此时阳极平均温度为890,质量约为237kg(按残极高15cm,长1500*660,并考虑阳极底掌边部为弧形以及阳极上端的碳岭、碳碗的现状,质量仅计算长方体部分,碳岭、碳碗、弧形互补不计),按比热1.5K
7、J/*kg,则含热为(1.5*237kg*890=)316395kJ,相当于88度电;钢爪,按直径14cm、高27cm、密度7.85、温度400、比热0.48KJ/*kg、一块阳极四个钢爪计,则有(3.14*【0.14/2】*【0.14/2】*0.27*1000*7.85*400*0.48*4)=52177 kJ,相当于14.5度电;爪梁,按宽7cm、长1100cm、高14cm、密度7.85、温度300、比热0.48KJ/*kg,则有(0.07*1.1*0.14*1000*7.85*300*0.48=)12186kJ,相当于3.4度电爆炸焊片,按宽16cm、长16cm、高12cm、密度7.85
8、、温度250、比热0.48KJ/*kg,则有(0.16*0.16*0.12*1000*7.85*250*0.48=)2893.75kJ,相当于0.8度电铝导杆,按长13cm、宽13cm、高2150cm、密度2.7、温度120、比热0.88KJ/*kg,则有(0.13*0.13*2.15*1000*2.7*100*0.88=)8633.2kJ,相当于2.4度电合计为(88+14.5+3.4+0.8+2.4=)109.1度电这里略去落入电解质的旧极表面的电解质块/覆盖料/渣壳料所熔解吸收热量,因为不好计量,大部分可以说是未熔解而在炉底形成了软沉淀;空极区辐射/对流的散热损失曾健文中已有,不在叙述,
9、这里只取热损失数值47100 kJ,相当于13.1度电;加热新阳极(阳极本身、钢爪、爪梁、爆炸焊片、铝导杆);阳极自身,至稳定的热平衡时,下部温度为电解温度940,上部温度为400,则此时阳极平均温度为670,质量为1.5*0.66*0.5*1000*1.6=792kg(质量仅计算长方体部分,碳岭、碳碗互补不计),则吸热为(792kg*670*1.5=)795960kJ,相当于221.1度电;钢爪,以温度300计,按上述计算,则有39133 kJ,相当于10.9度电;爪梁,以温度200计,按上述计算,则有34785kJ,相当于9.7度电;爆炸焊片,以温度150计,按上述计算,则有1736.25
10、 kJ,相当于0.48度电;铝导杆,以温度70计,按上述计算,则有5036 kJ,相当于1.4度电;合计为(221.1+10.9+9.7+0.48+1.4=)243.58度电加热新阳极上的覆盖料;覆盖料,以质量120kg、温度240、比热0.205kcal/kg*(按组成不同比热也不同,这里按全氧化铝计),则有(120kg*240*0.205kcal/kg*4.18kJ/kcal=)24678.72kJ,相当于6.86度电。热损失总计为1340713.92kJ,相当于372.64度电,与一次常规效应差不多,不同之处为一个是热损失一个是热收入,相同之处是两者都增加了电耗。为什么新极换上后达到新的
11、热平衡要如许长的时间?其一是新极从外到内的传热和平衡需要时间;其二是从阳极本身到钢爪直至铝导杆整个部分的传热及与环境的热交换平衡过程需要时间;其三在新极表面冷凝和熔化电解质有个过程;其四是电解槽内产生电热在一段时期内是一定的;其五是由于槽内新极附近的阳极和电解质这个局部区域中所含热量和产生的电热不能在短时间内满足前述三条所要求的大量热需求,不足以迅速提高新极温度。也就是说,在相对不短的时间内,上槽后的新极在其附近形成了一个冷区,而这段时间内由于电解槽所产生的热量虽然不少,但由于槽自身的散热和区域传热限制,热量不能迅速满足新极的热需求,所以这是一个相对长的达到新的热平衡的时间。典型的计算:以16
12、0kA电解槽,24块阳极,工作电压4.15V,无效应时,从槽内来说,热量主要来源于电解质、阳极自身电阻热,以极距压降1.33V、阳极自身压降0.35V,则一个槽昼夜产生热量(1.68*160*24=)6451.2度电,分配到新极周围邻近的热影响大的3块阳极上就有6451.2*3/24=806.4度电,这个区域每小时有33.6度电生产的热量,但这些电热不可能全部给新极,3块阳极极和该区域内的电解质为维持电解也要吸收热量,我们就把70%的大部分电热让给新极吸收吧,也就是23.52度电热如算上远了些的肩部的2块极,以及槽内波动不大的高温熔体的传热,我们也可以在23.52度电热基础上多算上50%,就按
13、35度电热计;前面我们计算过新极达到新的电热平衡前需要吸收的热量为(+=)901584kJ,相当于250.44度电热,如此需要约7小时时间所产生的电热来满足需求。可以看出,这个供热量与热需求相差不大,还是比较吻合实际的,这也可以解释达到新的热平衡时间较长的原因。出铝端 A侧 烟道端出铝端B侧黑色为换极位置,蓝色为受主要影响的邻近的3块阳极,绿色为受次要影响的邻近的2块阳极这六块阳极形成的小区域就是冷区(图中曲线内的范围),电解质温度要低于换极前的电解温度至少15,并渐次影响其他区域的电解质温度,离此的远端-烟道端也有下降约5的影响。双阳极更换时临近阳极为4块、肩部阳极为2块,大家请自行计算相关
14、数据。三. 换极对电流分布的影响在换极前后,电流分布发生了很大变化,从前述文献可知,这是以下列基础进行分析的:对于电解槽系列,各电解槽之间是串联关系;对于电解槽上的阳极,从两条水平大母线而来的电流在经过各个阳极时,其间是并联关系;按电路并联关系,在电压相同的各支路上,因为U=I * R,所以支路电阻越小,支路电流就越大,电流与电阻两者是反比关系;对于单个阳极来说,其支路电压同于电解槽槽工作电压,其支路电压组成为【阴极压降 + 支路上的极距间电解质压降 + 阳极自身压降 + 钢爪与阳极之间的铁碳接触压降 + 钢爪压降 + 爪梁压降 + 焊接片压降 + 焊接片位置到水平母线之间的铝导杆压降 + 卡
15、具压降】,其中阳极自身压降和铁碳接触压降占据阳极分系统压降的80%以上,其他部分因是导电能力极好的金属材料可忽略,现有的常用的电流分布是通过等距离压降法来测量各个阳极支路上的压降值来得到的数据,因为涉及到等距离压降法(温度带来的导体电阻率变化、回路影响等,详见梁汉的研究文献)的缺陷,这些压降值只能作概略性的统计学上的参考,不能展开做细致的数据分析; 要进行定量数据分析,只有在各个阳极支路上全部套上电流测量装置进行实时数据采集和分析,这方面的工作已有梁汉的研究文献和所研发的专用工具做基础。 这个工作留待有心人。典型的电流分布可参见中南刘老、李劼著的现代铝电解第309页的图19-3。从图中可以看出
16、,A侧4605.5kA和B侧4026.5kA对应的阳极位置支路电流很低,也即这里的支路电阻相对很大;而A侧8521.7kA、8513.8kA和B侧8134.4kA对应的阳极位置支路电流很高,也即这里的支路电阻相对非常小;在各个阳极之间电路是并联关系,而单个支路上各组成部分之间是串联关系,在单个支路中阳极分系统的各组成中由于阳极自身参与电化学反应而有消耗,其他组成却没有消耗!显然这时阳极自身电阻(阳极消耗后的高度)的变化,就是导致支路电流变化的关键性因素,这一点对于分析很重要。则可推论出:换极之前,旧极高度最低、支路电流最高;此时整个电解槽阳极的电流分布较稳定;换极之后,新极高度最高,支路电流最
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