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美国铝业公司(Alcoa)预焙阳极电解槽技术

中大设计院2019/09/09 14:53:44

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铝道网】本文介绍美国铝业公司(以下文中简称‘Alcoa’)大型预焙阳极电解槽设计历史、设计特点和现状;描述了P-155、P-225和A-697。在60年代生产的P-155和P-225designs为当时美国的成本优化了资本回报率。重新设计的P-155,指定的A-697调整这一*佳成本的70年代。P-225的重新设计正在进行中。

本文的目的是让您了解Alcoa在过去20年左右的时间里开发大型霍尔预焙电解槽的历史、使用的技术和取得的成果(图1,第二代电解槽)。早期预焙阳极从1935年大约10 kA到1950年代发展到100kA,几乎所有的发展都是在反复试验的基础上通过扩大以前电解槽的物理尺寸。在Alcoa工厂中,大多数电解槽都是集中工作的,并排布置在电解车间中。随着这些电解槽的尺寸和电流输入的增加,电磁效应和热平衡影响的改变是显著的。但是,研究这些问题靠已有的技术已经无法适应。随着电解槽电流接近100kA,由于进一步研究热和磁效应的重要性,促使测量和分析技术得到发展。

在20世纪50年代,Alcoa的电解槽开发主要集中在田纳西州一个名为B系列的冶炼开发实验室,尺寸的原型电解槽在各种操作技术和电力投入下进行操作、研究和评估。在这个实验室里,收集了大量有关热损耗、电压损耗和磁效应的数据,并利用这些数据进行了*原始的人工分析,技术中心开发了测量热流设备。Alcoa开发了永 久和便携式版本热流变送器,已在以前的文献中报道[1]。通过对热损失和电磁作用导致致金属和电解质流动的研究,已经证明了几种类型的相互作用,其中一些工作已在R.F.robl1978年的一篇论文中描述[2]。解决磁场问题的一个关键因素是建立能够全面描述电解槽特性的模型。这就是非常精 确的1/16全尺寸模型,包括适当的磁性和非磁性元件。利用这些模型,可以快速、低成本地评估母线配置和屏蔽位置变化的影响。以这种方法收集的数据可以通过对全尺寸电解槽进行测量来验证。然后,所获得的经验数据被输入到后来开发的算机程序中,

目前在电解槽的设计和操作分析中使用了几种计算机模型,其中包括一维热平衡模型和三维有限元热流模型。*近又使用了一个一维动态模型来预测相对运行和不同的电力输入及电解槽运行条件下的经济性。这对于优化电解槽性能非常有用。

由于Alcoa的电力基础成本相对较低,20世纪60年代的大部分开发工作集中在高生产率电解槽和低资本投资。对于其他地区的生产商来说,这一推动力是巨大的,因为在这些地区,电力供应和成本造成了巨大压力,迫使降低电流密度以降低电力消耗。在此期间,Alcoa的基本方法导致电解槽设计增加了电流,阳极电流密度一般在0.80 A/cm2以上,*高可达0.90 A/cm2。在电流超过150kA的电解槽上进行了两种基本方案的研究。

Alcoa设计的第 一个方案今天称为P-155,该槽*初设计的阴极保温是按照工作电流额定在155 kA。更重要的是阴极母线系统,将实现一个均衡的电流分布和稳定的磁模式。要达到预期的效果,需要阴极母线系统来达到适当的电流流型。在这个原型槽上还增加了一个由美国铝业设备开发部门开发的自动气动氧化铝加料器。通过计算机控制,实现了电量输入的自动调节。该电解槽配备了双容积排风系统,以促进在阳极更换和出铝时一些罩板需要拆卸的情况下,更好地捕捉烟雾。图2显示了这个电解槽的概况。

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图1第二代霍尔电解槽

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图2巴丁铝厂P-155系列

这种电解槽被认为是相当成功的,第 一个商业化项目是在澳大利亚的PointHenry(1963)和北卡罗来纳州的Badin(1964)铝厂建设的。

*初,这些装置在原型电流155 kA的情况下运行。提高产量和劳动生产率的压力促使我们的研究机构对阴极隔热和电解质化学成分进行了进一步的研究,通过这些努力达到了170kA。这一设计的能力如表1所示。

从性能数据可以看出,能耗指标虽然很好,但不如在较新的低电流密度设计的能耗低。卓越的生产力和较低的吨铝投资仍然使这一槽型在许多方面的颇具吸引力。如今已有7条这样的生产线在运营,3条正在建设中。

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表1 Alcoa P-155电解槽设计与运行参数

开发的第二种电解槽方案被称为Alcoa P-225电解槽设计。该电解槽具有自动化程度高、生产效率高、能耗合理等特点。这个槽型也是在我们的B系列中开发出来的,名义运行电流225kA。设计了一个相当复杂的阴极母线系统,以控制在这种高电流情况下遇到的潜在严重的磁影响。与传统电解槽的第二个显著区别是16对由计算机控制的阳极行程可进行独立调整。如果您曾经操作过预焙阳极电解槽,并且经常遇到由于过载而导致阳极脱落的问题(我们称这种故障为burnoffs),那么可以利用这种监测和控制阳极电流的能力更好地控制阳极。这一改进需要在B系列经过14年的努力、和三代电解槽的设计完成。成功的实施需要当今速度非常快的计算机的发展来处理大量的数据并进行输出结果。我们从经验中了解到,许多操作人员一直怀疑的是——控制数据不足的阳极会加剧不稳定性,会加速金属流动,使电解槽电压控制更加困难。使用6台Mod Camp II计算机(3台控制-3台备用)在我们马塞纳新的大型铝电解系列上,我们能够将230kA槽的磁场处理得跟170kA槽一样好,这一成就在世界上任何地方都是无法比拟的。

这种程度的控制有必要吗?我相信是必要的,尽管我承认Alcoa还没有解决这个问题。因为我们没有在这个电流级别上运行单块控制的电解槽。因为在今天的大阳极和高峰电流的情况下,由于阳极设置、出铝和冷电解质的添加所造成的电流分布不可避免的使干扰增大了很多。例如,当一个阳极对被重新放置在P-225上时,必须重新分配15,000安培的电流。这些瞬态效应会使一些生产厂使用的深金属熔池-炉帮设置方法在这些电流的下无法维持。也许,当我告诉你在马塞纳每天每台电解槽要对40对阳极动作的时候,你会得到一些关于这个问题的提示。

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图3马赛纳工厂的P-225系列

其他特点还包括带有双容积通风的紧密密封的槽罩系统、自动氧化铝给料机、将氧化铝输送到电解槽的气力输送系统。显然,阳极母线梁的提升被取消了,电解槽的概述如图四所示。从表2中的数据可以看出,该电解槽的性能一直很好。

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表2 Alcoa P-225电解槽设计与运行参数

设计的这种电解槽的效率与P-155相当,但所需要的单位劳动力在所有Alcoa电解槽设计中是*低的。值得请注意的是,马塞纳的这一数据是在较高的电流密度下取得的。

Alcoa这种电解槽1969年在田纳西州工厂首次投入商业使用。今天,有个系列使用了这种电解槽,运行电流超过了230kA。*大的生产线位于马塞纳(纽约),年产量超过13万吨。

20世纪70年代初,随着美国电力成本的不断上升,Alcoa内部开始关注设计开发低能耗的霍尔电解槽,世界上其他长期接触高成本电力的生产商已经转向低电流密度电解槽的设计。Alcoa开发投入*大的电解槽现在被命名为A-697。从图4可以看出,这种电解槽与P-155的设计相似,但是更大。

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图4巴丁铝厂的ALCOA697

这种电解槽的开发并不是在实验室中完成的,而是在巴丁(北卡罗莱纳)的工厂中完成的。这种与过去完全不同的做法,使得在三台原有的P-155电解槽的空间内只安装了两台原型电解槽。为在给评估这些原型提供灵活性,安装了一个额外整流系统,可将运行电流提高到200kA。

对以往设计的重大改进包括一个新设计的带密闭装置的槽罩系统,以确保*大限度捕集烟气。此外,该槽电解槽配有自动氧化铝加料和气动氧化铝输送系统。

原型槽于1977年5月投入使用,并持续运行。在初始安装是用取得的成功,部分要归功于用于确定阴极母线尺寸、衬砌隔热和磁模拟的计算机模型。预测的金属高度在10-12cm深度情况下具有一定的稳定性,并通过在电解槽的测量得到验证。铝液流动速度小于0.1米/秒,铝液面隆起正负6毫米。

1978年,一家铝生产商决定在美国的一家工厂设计安装Alcoa697电解槽。对当时Alcoa697原型槽的运行情况进行了分析,以选择*优的系列电流和所需的电耗。*终决定选择180kA电流操作,以平衡产量和取得良好的能耗。表3是这些电解槽在不同功率输入水平下的结果。

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表3 Alcoa697电解槽设计与运行参数

在与客户讨论Alcoa 697电解槽的设计时,进行了一些改进和操作更改,以评估它们对电解槽体操作和效率的影响。这些评价产生了一个显著的变化。在低电流密度运行中遇到了明显的问题是炉帮问题,换角部阳极也遇到了一些问题。为了解决这一问题,对端部内衬保温材料进行了重新研究和修正,以提供一个更可行的伸腿形状。今年2月,其中一个原型槽被拆掉,并安装了修改后的陶瓷内衬。到目前为止,改进后的内衬已经取得了良好的效果,达到了预期的炉帮形状。

一个类似的低电流密度操作的是刚刚重新完成设计的P-225槽。这是有史以来*大的Alcoa电解槽,现在在马塞纳现有的P-225电解槽生产线上有两台原型槽。初步的结果表明,一个成功的新电解槽设计可与Alcoa697媲美,但运行电流超过230kA。

Alcoa在开发安装在运营工厂的新电解槽设计方面的经验被认为是成功的。今天先进的设计技术和计算机模型的使用,已经使相当准确的预测电解槽设计和运行结果成为可能。因此,在*初的B系列开发中实验室使用的更古老、更费力的方法已经被用于Alcoa697电解槽设计和目前正在进行的其他类似开发手段所取代。

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