提高铝电解电流效率的生产实践研究

提高铝电解电流效率的生产实践研究

李晨

包头铝业有限公司 内蒙古包头市 014000

 摘要：随着铝工业的不断发展，我国对于铝电解技术的操控有了更高的要求。铝工业的快速扩张升级，需利用各项技术严格控制铝电解电流总工序、极距、磁场设计等多方位的因素提高电解电流的效率，从而降低能耗，节约生产成本。但是铝电解涉及的工艺技术繁多复杂，如果能找出影响电流效率的关键工艺参数并进行优化，将会进一步实现生产效益的最大化，。电流效率的高低将会对电解槽产量还有运行的成本造成直接的影响。目前世界电解铝工业科技含量提升、智能化程度提高，低耗、高产、优质和低污染成为电解铝生产技术经济指标的发展目标和方向，电解铝新技术探索不断进行。基于此，文章就提高铝电解电流效率的生产实践进行了研究。

关键词：电解槽；电流效率；原因分析；应对措施

1铝电解工业发展概况

铝冶金的发展过程大概可分为三个阶段，最初是化学法炼铝阶段，1825年丹麦人(Oersted)用钾汞齐还原无水氯化铝，得到一种灰色的金属粉末，在研磨时呈现金属光泽，但当时未能加以鉴定。1827年德国人韦勒(F.Wohler)先用钾汞齐，后来用钾还原氯化铝制得金属铝。1854年法国人戴维尔(H.S.DeVille)用钠还原NaCl-A1C1的络合物制取金属铝，并在法国进行小规模生产，随后罗西和别凯托夫分别用钠和镁还原冰晶石炼铝成功，用此方法建厂炼铝，应用化学法炼出的金属铝总共约200吨。

1886年美国霍尔(Hall)和法国埃鲁特(Heroult)不约而同地提出了利用冰晶石一氧化铝熔盐电解法炼铝的专利，开创了电解法炼铝的新阶段，最初是采用小型预焙电解槽，20世纪初出现了小型侧部导电的自焙阳极电解槽，电解槽的容量(电流强度)也逐渐由最初的2kA发展到50kA甚至更高。

20世纪50年代以后，大型预焙阳极电解槽的出现，使电解炼铝技术迈向了向大型化、现代化发展的新阶段，法国500kA电流强度电解槽已成功应用于工业化生产。电解槽的设计、安装、操作控制都建立在现代技术的基础上。电解炼铝的技术经济指标和环境保护水平全然改观，一百多年来，电解炼铝虽然仍旧是之立在霍尔一埃鲁特冰晶石一氧化铝熔盐电解的基础上，但是无论是理论上还是工艺及控制上都取得了长足的发展。

现代铝电解工业的特点是，大型预焙电解槽逐渐取代自焙槽，向高效能、大容量方向发展。国际上先进的电解槽普遍采用电场、热场、磁场、流场乃至应力场数学模型进行设计和优化，以求获得自然形成的炉帮结壳和伸腿，稳定的铝液/电解质界面和更长的槽寿命。国际上电解生产工艺普遍采用低分子比、低氧化铝浓度、低电解温度、低阳极效应系数和高槽电压，即“四低一高”工艺制度，以获得高电流效率和低直流电耗。为了保证电解槽在这样的工艺技术条件下稳定可靠地高效运行，大型铝电解厂都采用了先进的计算机自动控制系统，严格控制和管理电解槽的各项工艺技术参数和正常生产操作工序。计算机自动控制系统的发展水平己成为现代铝电解技术发展水平的重要标志之一  [1]。

2电流效率的影响因素及分析

2.1电解温度、过热度分析

电解槽的过热度、电解温度均可对电流效率产生严重影响，铝在电解质中的溶解度及溶解后的铝溶液的扩散速度均受温度影响，低温可以降低扩散到阳极氧化区的速度，减少电流效率的损失。当电解槽运行稳定时，尽可能的维持较低的电解温度，一般可以获得最好的电流效率，有研究表明：电解时每降低10℃，将提高电流效率达1%～5%。电解质的初晶温度决定了电解温度的大小，并且要确保电解过程能够顺利进行，电解质初晶温度与电解温度差值即为过热度，一般至少为5℃，否则就会导致电解质粘度和密度增大，电解质浓缩、氧化铝溶解度降低、导电率下降。这时会使电解槽内产生大量沉淀、炉底电压降增加。有可能会混淆铝液和电解质熔体相，加剧铝的溶解氧化损失，使电流效率急剧下降。因此，向电解槽内添加适量氟化铝、氟化镁，改善电解质的组成，均可降低电解质的初晶温度，进而维持电解槽在低温状态运行。

2.2电解质成分对电流效率的影响

（1）氧化铝浓度对电流效率的影响。氧化铝浓度过高，悬浮的Al2O3颗粒增多，这不仅影响电解质导电率，而且容易形成炉底沉淀，影响电流效率。氧化铝浓度过低，不仅电解质中反应的Al3+浓度减少，而且易造成阳极效应，加大铝的溶解和氧化损失，降低电流效率。目前，国内外中心大型预焙槽生产，大多把氧化铝浓度选择在1.5%～3.5%。其最大的优点是氧化铝溶解快，电解质中无悬浮的Al2O3颗粒，熔体粘度小，导电好，不易形成炉底沉淀，炉底压降小，槽电阻稳定。另外，在此控制范围内，槽电阻曲线斜率较大，有利于实现计算机自适应控制。这些有利于精确控制氧化铝下料，长期保持生产稳定，提高电流效率和降低电耗。

（2）电解质分子比对电流效率的关系。随着电解质分子比的降低，熔体的初晶温度下降，铝液与电解质界面张力增大，铝液镜面收缩，降低了铝的溶解度，同时分子比的降低，电解质温度降低，降低了Na+的活动度和放电的可能性。另外，分子比的降低，也降低了熔体中Na+含量，减少了Na+放电机会，这都有利于电流效率的提高。我国大型中心下料预焙槽分子比大多控制于2.3～2.6，电流效率比较理想。但是，对于复杂电解质体系，也就是高LiF、高KF电解质体系，由于初晶温度过低，氧化铝溶解困难，常采用提高分子比的方法，改善氧化铝溶解状况。对于这种电解质体系，分子比长保持在2.65～2.85。

（3）添加剂对电流效率的影响。添加剂对电流效率的影响其实是对电解过程的综合影响。添加ALF3可使铝电解温度降低，增大了电解质和铝液密度差，减小了电解质粘度，有利于炭渣分离和反应气体逸出，有利于提高电流效率。实践证明，添加10%ALF3可使电解质初晶温度下降20℃。添加5%左右CaF2和MgF2都能減少铝的损失，促进熔体中炭渣的分离，降低电解质电阻，提高电流效率，河南永登铝业有限公司阳城分公司240kA电解槽生产，电解质中添加剂10%ALF3和4%CaF2、MgF2，取得了理想效果。

2.3极距

在一定的电解质组分下，电解槽工作电压的高低可以通过极距的高低来定性确定，虽然在一定的极距范围内，电解槽电流效率和极距成正比，但当极距超过一定值（大约7cm）后，因极距增加而产生的焦耳热量将明显增加，电解温度提升，粘度也明显变小，加快了对流循环，促使铝的二次返溶增大，故电流效率几乎不再提高，电流效率随极距的增加变化不显著。

经研究发现，极距的小幅变化就会引起槽电压较大变化，例如在大型预焙槽上，每缩短极距0.01m，大约可以降低电压达0.30～0.33V，电压降几乎占整个槽电压的1/3，低极距的节能潜力巨大，其他工艺技术条件（如：炉膛内形规整、两极状况良好、电解质水平和铝水平合理匹配）处于较为理想状态时，铝电解槽保持适当的低极距可以有效提高电流效率。极距过大，导致增高槽电压、增加电耗，增加热量，槽子转热而诱导病槽出现等，造成铝液波动。

3提高电流效率的措施

3.1降低阳极效应系数

（1）严格执行壳头包、打捞炭渣和大堆料检查制度，及时消除壳头包，保证氧化铝供料的畅通，以降低由于物料的卡堵而造成的阳极效应系数升高；

（2）规范换极作业，操作前必须扒干净残极上的浮料，减少物料的无序进入；

（3）坚持电解槽日评判制度，开展好电解槽横班对标活动；

（4）加强供料管理，净化车间每班深入现场进行检查，及时了解供料及烟气净化情况，防止堵料或下料器故障发生的效应；

（5）电解计算机站对异常槽进行电解槽下料异常通报，提醒电解工及时处理异常情况。

3.2先天管理是提高电流效率的基础

抓好电解槽焙烧与启动环节，特别是起动后期管理，高度关注这一时期的槽电压、槽温、分子比、效应系数、电解质水平和铝水平等工艺参数，使电解槽扎糊良好焦化，使电解质形成坚固、规整、稳定的阴极槽膛，这是电解槽高效生产的必备条件，也是节能降耗的前提。所以，电解槽预热、启动和后期管理，必需高度重视，精心对待，为提高电流效率打下良好、坚实的基础。

3.3科学管理生产技术参数是提高电流效率的重要途径

上述论证表明，生产技术参数是电解槽热场平衡和物料平衡的基础，是保证电解槽稳定高效运行的重要条件。具有良好技术条件的槽子，自平衡能力强，抗病能力强，电流效率高；反之，电流效率较低。生产中要根据生产实际情况，科学合理选定电流、电压、电解质温度、分子比、铝水平和电解质水平等重要技术参数，并科学搭配组合，长期稳定保持，使电解槽始终运行在最佳工作状态，才能确保生产稳定高效。否则，电解槽始终运行在波动之中，很难取得较高的电流效率 [2]。

3.4精细化操作、提高作业质量是提高电流效率的关键

电解生产中包括换阳极、出铝、封保温料和打火眼儿等多项操作，这些作业质量直接影响着电流效率。换极质量关系着阳极电流分布、氧化铝浓度高低和槽电压摆动等，出铝偏差的大小关系着槽热平衡，效应熄灭的方法和时间关系着槽子的稳定性，保温料的厚薄关系着槽子的热稳定和炉膛形状，这些众多的操作都直接决定着电解槽能否稳定高效生产。生产中，必须制定科学合理精细的操作规程，并确保落到实处，方可取得较高的电流效率。生产中的精细化管理要做到以下几点，一是人、机结合。尽量自动控制，减少纯手动、取消阳移、定时下料、人工控料等非常规操作；杜绝无故手动升降阳极或手动下料，出铝、换极、广播提示等。二是炭渣打捞。加强炭渣打捞力度（4次/槽·班），确保电解质洁净以提高导电性，并防止阳极长包。三是巡视到位。火眼畅通，卡堵处理到位。

结语

综上所述，电解槽电流效率的高低不仅受诸多因素影响，同时各工艺技术参数之间又会彼此相互影响，只有维持槽电压在适宜合理的范围之内，同时研究出如何促使各因素之间互相配合和适应，并保持长期稳定运行，才能真正实现电解槽的低耗高效，延长电解槽的使用寿命，进而为公司创造更多的价值。

 参考文献：

  [1]王俊青，张延利，陈辉.浅谈我国大中型铝电解槽热损失分布特点[J].轻金属.2016(12)：30

  [2]李少雄，赵洪生，李生元，郭廷军，侯景星，张广平.135kA预焙阳极电解槽延长槽寿命的生产实践[J].轻金属.2016(03)：25