400 kA系列铝电解槽区域氧化铝浓度时空分布研究.DOC

1、400 kA 系列铝电解槽区域氧化铝浓度时空分布研究曹阿林，郭林，李靖靖（郑州工程技术学院 化工食品学院，郑州 450044）摘要：以 400 kA 系列铝电解槽为试验槽研究了大型预焙铝电解槽区域氧化铝浓度分布情况。结果表明，铝电解槽不同区域的氧化铝浓度在不同的时间点均发生较大的波动，越靠近两端头位置处的氧化铝浓度的波动性越大；氧化铝浓度呈现先减少后增加的趋势，在靠近两端头位置氧化铝浓度出现最大值，在槽中间位置氧化铝浓度出现最小值；进电侧和出电侧对称分布位置上的氧化铝浓度分布曲线具有相似性，出电侧氧化铝浓度总体高于进电侧氧化铝浓度；氧化铝浓度保持在 1.00%2.00%之间的时间分布比例大，实

2、现了区域低氧化铝浓度控制。关键词：铝电解槽；氧化铝浓度；时空分布；浓度控制中图分类号：TF821 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2018）06-0000-00Spatial-temporal Distribution of Alumina Concentration in Typical Areas of 400 kA Aluminum Reduction CellCAO A-lin, GUO Lin, LI Jing-jing(Chemical Engineering and Food Institute, Zhengzhou Institute of Technology,

3、 Zhengzhou 450044, China)Abstract：Alumina concentration distribution in typical areas of 400 kA aluminum reduction cell was studied. The results show that alumina concentrations have big fluctuation at different time points in different areas of aluminum reduction cell, and the closer to the end pos

4、ition, the denser the alumina concentrations is. Alumina concentrations show a trend of reduction first and increase the later, the maximum value appears near the two end position, and the minimum value appears in the middle of cell. Alumina concentrations have the similarity distribution curve of s

5、ymmetric position in input side and output side, and alumina concentration in output side is higher than that of symmetric position in input side. Alumina concentration can maintain a large proportion between 1.00%2.00%, and control of low alumina concentration is realized.Key words：aluminum reducti

6、on cell; alumina concentration; spatial-temporal distribution; concentration control在电解铝生产中，铝电解质熔体中氧化铝浓度分布的变化直接影响电解槽工作状态和经济技术指标。一方面，如果氧化铝不能及时溶解或局部氧化铝浓度过高而产生局部沉淀，对电解过程的电流分布会产生严重影响，从而增加电解能耗、降低电流效率；另外，如果局部氧化铝浓度过低则会产生阳极效应，电解槽的热平衡受到破坏，槽温急剧上升，炉帮和炉膛发生变化，甚至导致铝电解槽无法正常运行 1-3。现代大型预焙阳极铝电解生产过程中，氧化铝一般按一定的时间间隔，以点式

7、下料方式加入铝电解质熔体中，氧化铝的溶解、扩散与输运过程十分复杂，是一个流动、传热传质及化学反应同时进行的过程。随着电解槽向大型化、集约化发展，实现氧化铝浓度的精确最佳控制是实现铝电解高效平稳运行生产的基础。因此，分析研究氧化铝在大型预焙铝电解槽不同区域、不同时间内的浓度分布情况，阐明其分布影响机理，是实现氧化铝浓度精确最佳控制的基础。现代大型预焙铝电解槽氧化铝控制系统通过跟踪氧化铝浓度变化过程中槽电阻的变化来确定氧化铝浓度的变化，采用欠量下料和过量下料周期交替作业，以维持氧化铝浓度在最佳点波动。目前，允许的氧化铝浓度变化范围在 1.00%左右，目标控制范围一般为 1.50%2.50%。由于控

8、制系统无法保证欠量下料与过量下料状态切换时的氧化铝浓度能够正好处于目标控制范围的端点值附近，氧化铝浓度控制过程中一般不按照 1.00%的变化范围来推算欠量或过量状态的持续时间。因此，为不可预见的浓度变化留有足够的余地，理论上应该按照氧化铝浓度的变化范围不大于 1%来考虑，才可能保证氧化铝浓度在绝大部分时间内处于目标控制范围 4-6。本文选取某企业 400 kA 铝电解系列中具有代表性的 M 槽（非端头槽、非破损槽、非异常槽）为试验槽研究区域氧化铝浓度分布，其相关工艺技术参数如下：系列电流 402 kA、阳极数量 48 块、阳极尺寸 170 cm66 cm63.5 cm、炉膛尺寸 1 760 c

9、m414 cm55 cm、槽龄 650 d、工作电压 3.98 V、电解质水平 19 cm、铝水平26 cm、分子比（ CR）2.36、电解质温度 957 。收稿日期：2018-02-07基金项目：河南省科技攻关计划项目（162102210325）doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018 .06.007作者简介：曹阿林（1977-） ，男，河南柘城人，高级工程师.通过对试验槽不同时间节点下、典型区域氧化铝取样分析，研究氧化铝在大型预焙铝电解槽不同区域、不同时间内的浓度分布规律。本文分别选取进电侧（A 侧） A04、A08、A16、A20 阳极处、出电侧（B 侧）B04

10、、B08、B16、B20 阳极处及出铝端（TE） 、烟道端（DE ）共计 10 个点为采样点（如图 1 所示） ，10 个采样点每间隔 10 min 同时取样 1 次，连续取样 48 次，所取试样均采用 X 射线荧光光谱法测定其氧化铝浓度，阐明 400 kA 系列大型预焙铝电解槽区域氧化铝浓度的分布规律。试验槽在测试取样期间除进行中间点式下料外，无发生出铝、换极等其他操作，亦无发生阳极效应等其他状况。图 1 400 kA 系列试验铝电解槽氧化铝浓度采样点分布图Fig.1 Sampling sites of alumina concentration in 400 kA aluminum red

11、uction cell1 区域氧化铝浓度的空间分布规律1.1 A、B 侧氧化铝浓度分布规律图 2、图 3 分别为试验槽进电侧（A 侧）和出电侧（B 侧）氧化铝浓度分布示意图。从图 2、图 3 可知，进电侧（A 侧）和出电侧（B 侧）不同区域的氧化铝浓度在不同的时间点均发生较大的波动，氧化铝浓度稳定性较差，其中进电侧（A 侧） A04、A20 和出电侧（B 侧） B04、B20 四个区域位置的氧化铝浓度在不同时间点的波动最大，稳定性最差，即越靠近出铝端（TE）和烟道端（DE）两端头位置处的氧化铝浓度的波动性越大，氧化铝浓度稳定性越差，造成铝电解槽内氧化铝浓度空间分布不均匀；进电侧（A 侧）和出电

12、侧（B 侧）氧化铝浓度均从出铝端（TE）到烟道端（DE）出现先减少后增加的趋势，在进电侧（A 侧）A04、A20 和出电侧（B 侧）B04、B20 阳极处氧化铝浓度出现最大值，而在铝电解槽中间位置的 A12 和 B12 阳极处氧化铝浓度出现最小值，整体呈现对称性分布。0501015020250303504045001.01.52.02.53.03.5氧化铝浓度/% A048 120501015020250303504045001.01.52.02.53.03.5 氧化铝浓度/% A126 0图 2 进电侧（A 侧）氧化铝浓度分布图Fig.2 Alumina concentration dist

13、ribution of input side (A side)0501015020250303504045001.01.52.02.53.03.5氧化铝浓度/% B048 120501015020250303504045001.1.52.02.53.03.54.0氧化铝浓度/% B126 0图 3 出电侧（B 侧）氧化铝浓度分布图Fig.3 Alumina concentration distribution of output side (B side)进电侧（A 侧）和出电侧（B 侧）越靠近出铝端（TE）和烟道端（DE）两端头位置处的氧化铝浓度的波动性越大，氧化铝浓度稳定性越差，主要是因为

14、在横向排布的大型预焙铝电解槽在靠近出铝端（TE）和烟道端（DE ）两端头位置，在同样磁场条件下，单位铝电解质所经受的流动阻力大，流动性差，氧化铝浓度分布不均匀，稳定性差 7-9。进电侧（A 侧）和出电侧（B 侧）氧化铝浓度均从出铝端（TE）到烟道端（DE）出现先减少后增加的趋势，在靠近出铝端（TE）和烟道端（DE）两端头位置处氧化铝浓度出现最大值，在 A12 和 B12 阳极处氧化铝浓度出现最小值，整体呈现对称性分布，主要是因为横向排布的大型预焙铝电解槽在靠近出铝端（TE）和烟道端（DE ）两端头位置，通风效果好，操作干扰大，散热量大，铝电解温度较低（表 1 所示） ，氧化铝溶解度速度低，氧化

15、铝的电化学反应速度慢，在同等下料量情况下，造成熔体内氧化铝浓度偏高。此外，电解温度低，电解质黏度增大，未反应的氧化铝沉降速度降低，滞留在电解质熔体内的氧化铝量增大，亦造成熔体内氧化铝浓度偏高。而在铝电解槽中间位置处，通风效果差，操作干扰少，散热量小，电解温度高，氧化铝溶解速度快，电化学反应速度快，电解质黏度低，未反应的氧化铝沉降速度快，熔体内氧化铝浓度低。因此，需加强铝电解槽端头位置的保温，减少操作干扰，减少散热，提高两端头位置的电解温度，提升氧化铝的溶解速度和电化学反应速度，降低局部氧化铝浓度，确保区域氧化铝浓度分布的整体均匀性和稳定性，提高其经济技术指标。表 1 试验铝电解槽熔体区槽壳温度

16、分布Table 1 Temperature distribution of shell in melt zone of aluminum cell /部位 04 08 12 16 20 AVG TE DE进电侧（A 侧） 321 342 391 350 323 345出电侧（B 侧） 273 313 369 325 284 313 236 2781.2 A、B 侧对称位置上氧化铝浓度分布规律图 4 为进、出电两侧（A、B 侧）对称阳极位置上氧化铝浓度分布曲线图。从图 4 可知，进电侧（A 侧）和出电侧（B 侧）对称分布位置上的氧化铝浓度分布曲线具有相似性，出电侧（B 侧）氧化铝浓度总体高于进电

17、侧（A 侧）氧化铝浓度，主要是由电解温度和电流分布不均造成的。由表 1 可知，试验铝电解槽进电侧（A侧）熔体区槽壳温度明显高于出电侧（B 侧）熔体区槽壳温度，电解温度高，氧化铝溶解速度快，电化学反应速度快，熔体内氧化铝浓度低。由表 2 亦可知，试验铝电解槽进电侧（A 侧）的阳极电流量、阴极电流量均大于出电侧（B 侧）的阳极电流量、阴极电流量，其偏流量达到了 42 693 A。电流量大，焦耳热大，电解温度高，氧化铝溶解速度快，电化学反应速度快，熔体内氧化铝浓度低，最终呈现出电侧（B 侧）氧化铝浓度总体高于进电侧（A 侧）对称位置上的氧化铝浓度。0501015020250303504045001.

18、01.52.02.53.03.54.0氧化铝浓度/% A04B0501015020250303504045001.01.52.02.53.03.5氧化铝浓度/% A08B050101502025030350404500.81.0.21.4.61.82.0.2.4.6氧化铝浓度/%A12B0501015020250303504045001.01.52.02.53.03.5 氧化铝浓度/% A16B图 4 进、出电侧（A、B 侧）对称位置 上氧化铝浓度分布图Fig.4 Alumina concentration distribution of symmetric position in input

19、 side and output side表 2 试验铝电解槽电流分布Table 2 Current distribution of 400 kA aluminum reduction cell /A部位 阳极电流量 阴极电流量 偏流量进电侧（A 侧） 200 514 243 207出电侧（B 侧） 199 486 156 793 42 6932 区域氧化铝浓度时间分布规律由进电侧（A 侧） 、出电侧（ B 侧）及出铝端（TE）和烟道端（DE）处氧化铝浓度的时间分布图（图 5）可知，氧化铝浓度保持在 1.00%1.50% 之间的时间比例较大， A12 阳极处和 B20 阳极处分布时间均达到了

20、70%以上，在 A16 阳极处和 B12 阳极处分布时间均达到了 65%以上；进电侧（A 侧） 、出电侧（B 侧）及出铝端（TE ）和烟道端（DE ）处氧化铝浓度保持在 1.50%2.00%之间的时间比例亦较大，在 A20 阳极处分布时间达到了 40%左右，在 B04 阳极处和 B08 阳极处亦达到 30%以上。因此，进电侧（A 侧） 、出电侧（B 侧）及出铝端（TE）和烟道端（DE ）处氧化铝浓度保持在 1.00%2.00%之间的时间分布比例大，在 A12 阳极处和A20 阳极处的时间分布达到 90%以上，其他采样区域氧化铝浓度保持在 1.00%2.00%之间的时间分布均保持在 80%左右，

21、实现了区域低氧化铝浓度控制，可有效提高电流效率，减少炉底沉淀，降低槽电压，降低电耗。但铝电解槽在低氧化铝浓度下运行，需提高控制精度，实行精细化操作，减少阳极效应的发生。TEA04A08A12A16A2001020304050607080时间分布比/% 1.0% 1.50%5 2 2.0% 3.0%3 5B04B08B12B16B20DE01020304050607080 1.0% 1.50% 1.50% 22 .50% .50% 33 .50%时间分布比/%图 5 区域氧化铝浓度的时间分布图Fig.5 Temporal distribution of alumina concentration

22、3 结论1）进电侧（A 侧）和出电侧（ B 侧）不同区域的氧化铝浓度在不同的时间点均发生较大的波动，氧化铝浓度稳定性较差；越靠近出铝端（TE）和烟道端（DE）两端头位置处的氧化铝浓度的波动性越大，氧化铝浓度稳定性越差。2）进电侧（A 侧）和出电侧（ B 侧）氧化铝浓度均从出铝端（TE）到烟道端（DE）出现先减少后增加的趋势，在靠近出铝端（TE）和烟道端（DE）两端头位置处氧化铝浓度出现最大值，在 A12 和 B12 阳极处氧化铝浓度出现最小值，整体呈现对称性分布。3）进电侧（A 侧）和出电侧（ B 侧）对称分布的位置上的氧化铝浓度分布曲线具有相似性，出电侧（B侧）氧化铝浓度总体高于进电侧（A

23、侧）氧化铝浓度。4）进电侧（A 侧） 、出电侧（ B 侧）及出铝端（TE）和烟道端（DE）处氧化铝浓度保持在 1.00%2.00%之间的时间分布比例大，实现了区域低氧化铝浓度控制。参考文献1 刘业翔，李劼. 现代铝电解M. 北京：冶金工业出版社， 2008：388-392.2 詹水清，李茂，周孑民，等. 铝电解槽熔体内氧化铝浓度分布的数值模拟J. 中国有色金属学报，2014，24（10）：2658-2667 .3 朱邦成. 500 kA 大型预焙电解槽氧化铝浓度控制探索J. 低碳技术，2017，7（2）：53-55.4 文义博，成庚. 500 kA 大型铝电解槽生产技术管理与病事槽处理 M.

24、北京：冶金工业出版社，2017：1-22.5 JAYSON TESSIER，GARY P TARCY，ELIEZER BATISTA，et al. Towards on-line monitoring of alumina properties at a pot levelJ. Light Metals，2012：633-638.6 曹阿林，曹斌. 铝电解槽氧化铝浓度控制过程分析J. 有色金属（冶炼部分） ，2013（8）：17-21.7 江南，邱泽晶，张翮辉，等. 500 kA 级铝电槽内氧化铝浓度场的数值模拟J. 中国有色金属学报，2015，25（3）：799-805.8 王民， 李贺松，文超，等. 420 kA 铝电解槽物理场测试分析J. 金属材料与冶金工程，2015,25（10）：48-55.9 丁培林. 铝电解下料过程中氧化铝浓度分布及电解质温度场的数值模拟分析D. 武汉：华中科技大学，2016.