華桂林，曾凡炯，李 俊，邵 勇，李來寶

(中煤集團江蘇大屯鋁業(yè)有限公司，江蘇徐州 221611)

1 前言

鋁電解槽物理場的綜合測試對鋁電解槽結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)的優(yōu)化及生產(chǎn)過程的控制具有十分重要的意義。通過測試能系統(tǒng)地了解電解槽的各區(qū)域能量損失、槽內(nèi)磁感應(yīng)強度的分布及流速分布，可以對鋁電解槽的工藝技術(shù)條件合理性以及運行工況進(jìn)行定量分析和科學(xué)評價，為提高鋁電解主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、采取有針對性的技改措施提供科學(xué)依據(jù)。江蘇大屯鋁業(yè)公司根據(jù)230 kA系列電解槽物理場測試結(jié)果，進(jìn)行了工藝技術(shù)條件的優(yōu)化，實現(xiàn)了最佳操作路線，電解槽技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)逐步提高，在2010年，電流效率達(dá)到了93%，噸鋁直流電耗降低了396 kW·h，并且生產(chǎn)電解槽的平均槽齡達(dá)到了1800 d(原設(shè)計1500 d)，無一臺破損停槽，綜合效益十分顯著。

2 物理場測試綜合分析

2．1 關(guān)于槽內(nèi)磁場

隨著現(xiàn)代大型鋁電解槽工作電流的增大，其載流母線和熔體電流產(chǎn)生的磁場對其生產(chǎn)和穩(wěn)定運行的影響愈顯突出。由于磁場與熔體電流相互作用所產(chǎn)生的電磁力使槽內(nèi)熔體循環(huán)加速，導(dǎo)致鋁液面產(chǎn)生隆起、偏斜和波動，甚至可能導(dǎo)致鋁電解槽不能正常生產(chǎn)。實踐證明，電解槽磁場的穩(wěn)定性是獲得良好生產(chǎn)指標(biāo)的根本保證。

2．1．1 測試數(shù)據(jù)

四臺槽的磁感應(yīng)強度分量對比情況及實測數(shù)據(jù)分別列于表1和圖1～圖3中。

表1 四槽磁場實測值對比Table 1 The comparison of the magnetic field data measured in the four pots

續(xù)表

圖1 四槽水平方向磁感應(yīng)強度(Bx)分布比較Fig．1 Distribution comparison of the horizontal magnetic flux density(Bx)measured in the four pots

圖2 四槽A側(cè)水平方向磁感應(yīng)強度(By)分布比較Fig．2 Distribution comparison of the horizontal magnetic flux density on A side(By)measured in the four pots

2．1．2 磁場分析與討論

根據(jù)上述測量結(jié)果，對江蘇大屯鋁業(yè)有限公司230 kA系列鋁電解槽的磁場分布狀況分析如下:

1)四臺槽的x方向水平磁場基本上形成一個順時針的渦，x方向的磁場沿長軸兩側(cè)呈對稱分布態(tài)勢，沿短軸兩側(cè)也呈對稱分布態(tài)勢，四臺槽A側(cè)、B側(cè)的Bx復(fù)現(xiàn)性均較好，而A側(cè)磁感應(yīng)強度稍大于B側(cè);y方向磁感應(yīng)強度沿短軸兩側(cè)基本呈反對稱分布態(tài)勢，且沿大面呈波浪狀起伏;z方向的磁場沿長軸和短軸兩側(cè)均呈反對稱分布態(tài)勢，且沿長軸有波浪狀起伏，而四臺槽大小基本相同，變化規(guī)律也基本一致。

圖3 四槽A側(cè)垂直方向磁感應(yīng)強度(Bz)分布比較Fig．3 Distribution comparison of the vertical magnetic flux density on A side(Bz)measured in the four pots

2．1．3 幾種相近電解槽磁場比較

鋁液層內(nèi)的磁場分布是導(dǎo)致鋁液運動從而影響槽子熱平衡狀態(tài)和能耗的重要原因。為便于比較和評價，表2列出幾種四點進(jìn)電大型槽內(nèi)的磁場測定結(jié)果。

表2 幾種相近槽型的實測磁場特征值比較Table 2 The comparison of the characteristic data of the magnetic field measured in several similar types of pots

2．2 電壓平衡

2．2．1 電壓平衡測算結(jié)果

為了處理電壓平衡計算中大量測試數(shù)據(jù)和相關(guān)計算工作，統(tǒng)計了被測槽各部分壓降計算結(jié)果，匯總結(jié)果見表3。由表3可以看出，各項測量值之和與直接測得的平均槽電壓值基本達(dá)到平衡，最大誤差為62．96 mV(最大相對誤差為1．51%)，其在測量誤差允許范圍(±2%)之內(nèi)，表明測算結(jié)果是可信的。

表3 電壓平衡測算結(jié)果匯總Table 3 The results collection of the voltage balance calculation

2．2．2 陰極電流分布分析

各陰極電流的計算結(jié)果繪制成電流分布圖，如圖4所示(僅以426#槽為例)。陰極軟帶電流分布分配見表4，各槽陰極電流分布及分配有以下幾個特征:

1)四臺槽中326#和140#陰極的A側(cè)電流總和都大于B側(cè)，即電流向A側(cè)傾斜;426#和231#陰極的A側(cè)電流總和都小于B側(cè)。四臺槽中，兩側(cè)軟帶電流偏斜最大的為426#槽，其A側(cè)總電流占48．96%，B側(cè)總電流占51．04%;140#槽其次，兩側(cè)電流相差1．68%，共 3．92 kA;326#槽兩側(cè)的電流相差1．50%，共3．48 kA;231#槽兩側(cè)的電流相差最小，但也相差1．46%，共3．40 kA。

2)四臺槽A、B側(cè)端頭陰極軟帶的電流都偏小，這是導(dǎo)致角部伸腿肥大的原因之一。造成上述現(xiàn)象主要是由于陰極母線和陰極軟帶的配置(組數(shù)、長度)不同以及槽底各部的結(jié)殼和沉淀狀況等的差異綜合影響所致。

圖4 426#槽陰極電流分布圖Fig．4 The distribution of the cathode electricity in 426#pot

表4 陰極與陽極電流分配比較Table 4 The comparison between anode and cathode electricity distribution

2．2．3 陽極電流分布

同理，由各槽測量結(jié)果繪制成的陽極電流分布如圖5所示(以426#為例)。陽極電流分布參差不齊主要是由于陽極換極導(dǎo)致陽極高度與鋁液表面高度不均勻所引起的極距不均勻這一原因所致。由測量計算出的陽極電流分布情況來看，四臺槽A、B兩側(cè)的陽極電流分布較為均勻，但也存在個別陽極電流偏大或偏小的現(xiàn)象。

陰極和陽極電流分配測算結(jié)果見表4，可以看出:426#槽A、B兩側(cè)陽極電流相差3．48個百分點，陰極電流相差2．08個百分點，即槽內(nèi)存在由B側(cè)到A側(cè)的水平電流;同理，326#槽內(nèi)存在由B側(cè)到A側(cè)的水平電流，231#槽內(nèi)存在由A側(cè)到B側(cè)的水平電流，140#槽內(nèi)存在由A側(cè)到B側(cè)的水平電流。

總的來說，A、B兩側(cè)電流的分配尚欠合理，其原因應(yīng)與母線結(jié)構(gòu)、換極周期、槽況(主要是伸腿長度)等因素有關(guān)。

圖5 426#槽陽極電流分布圖Fig．5 The distribution of the anode electricity in 426#pot

2．2．4 斜立母線電流分配

江蘇大屯鋁業(yè)公司230 kA電解槽采用大面一側(cè)四點進(jìn)電母線配置，根據(jù)實測結(jié)果分析各立柱母線進(jìn)電電流的分配關(guān)系。由于對陽極母線各節(jié)點壓降及斜立母線壓降均做了細(xì)致的測量，因此，采用這些測量數(shù)據(jù)和各陽極導(dǎo)桿電流以及母線其他部分的測量數(shù)據(jù)，即可對斜立母線的電流分配進(jìn)行分析。計算結(jié)果見表5。

表5 大面斜立母線進(jìn)電電流及比例Table 5 The entry electricity and its proportion of the tilted aluminium bus-bar

由表 5 可以看出，426#、326#、231#、140#四臺槽的最小立柱電流與最大立柱電流比例分別相差0．54%、1．98%、1．44%、1．49%，說明四臺槽各立柱母線的電流分布基本均勻。其中426#槽的立柱電流偏差最小，僅為1．27 kA，而326#槽的立柱電流偏差達(dá)到了1．98%，為4．61 kA?？偠灾?，各臺槽的立柱母線電流比例差別不大，基本實現(xiàn)了等進(jìn)電比設(shè)計。

電能輸入是電解槽的原動力，分析電解槽的電壓構(gòu)成是否合理是電解節(jié)能的重要舉措。為便于比較，現(xiàn)列出幾種代表槽的電壓平衡情況(見表6)。由表6可見，和其他生產(chǎn)廠家的相近槽型相比，江蘇大屯鋁業(yè)有限公司230 kA四點進(jìn)電鋁電解槽的陽極壓降基本相當(dāng)，只是電解質(zhì)壓降和母線壓降都較低，但陰極壓降偏高?？傮w上，居同類槽型的中上水平。

表6 幾種相近槽型槽電壓構(gòu)成比較Table 6 The comparison of the cell voltage constitution in several similar types of cells

2．3 關(guān)于能量平衡

能量平衡測試點布置要求合理、全面，能較好地反映槽子實際散熱情況。為此，將陰極槽殼分3個區(qū)域布點測試，即熔體區(qū)(一帶)、陰極碳塊區(qū)(二帶)、耐火層與保溫層區(qū)(三帶)。槽底板以工字鋼梁劃分測試帶，槽罩分塊測量，每塊分上、中、下3個區(qū)域布點測試，其中每帶(區(qū)域)又分為若干個測量點。對于電解質(zhì)與鋁液溫度、兩水平、極距及槽膛內(nèi)形等參數(shù)，則選擇相應(yīng)位置分別測量若干數(shù)據(jù)用于分析。

2．3．1 槽殼溫度

表7給出了426#臺槽的槽殼平均溫度和最高溫度(僅以426#槽為例)。從表7中可以看出，除個別區(qū)域以外，槽殼表面溫度側(cè)部熔體區(qū)最高，其次是陰極碳塊區(qū)、保溫層區(qū)，槽底則最低。其他三臺槽的測量結(jié)果表明數(shù)據(jù)符合槽殼溫度分布的一般規(guī)律。

表7 426#槽表面溫度統(tǒng)計Table 7 The statistic of surface temperature in 426#pot℃

2．3．2 總熱損失計算結(jié)果及其分析

總熱損失是指除鋁電解反應(yīng)能耗以外的能量支出。根據(jù)計算結(jié)果，可整理得到各槽的總熱損失分布(見表8)。同時，電解槽熱平衡狀況是影響電流效率、綜合能耗、槽工況及壽命的重要因素，在表8中列出兩種有代表性的槽熱平衡狀況以便對比。

表8 幾種槽型能量平衡狀況對比Table 8 The comparison of energy balance among different types of cells

四臺槽的總熱損失折合電壓分別為2．2501、2．1094、2．4148 V 和 2．3566 V，四臺槽子散熱損失基本相當(dāng)。四臺槽的上部熱損失分別為1．6119、1．3492、1．5824 V 和 1．6789 V，分別占總熱損失的 71．64%、63．96%、65．53% 和 71．24%。下部熱損失折合電壓分別為 0．6382、0．7602、0．8323 V和0．6777 V，分別占總熱損失的28．36%、36．04%、34．47%和 28．76%。

四臺槽的上部熱損失都大于陰極熱損失，熱量主要通過煙氣帶走(基本占50%以上)。其中426#槽及140#槽的上部熱損失高于另外兩臺槽，主要原因是它們的煙氣溫度高，帶走的熱量更多。另外，從表8來看，陰極區(qū)+保溫區(qū)+槽底+陰極棒頭的熱損失折合電壓依次為 0．3348、0．3291、0．5737 V和0．3531 V。為了更直觀地比較電解槽的熱損失狀況，以426#電解槽為例特制訂熱損失分布圖(見圖6)，從中可以清楚地看出，各槽總熱損失主要由煙氣熱損失、熔體區(qū)與陰極區(qū)的槽殼散熱損失組成，這三項熱損失約占總熱損失的75%。在這三項中，煙氣的熱損失所占比例最大。

圖6 426#槽熱損失分布Fig．6 The distribution of heat loss in 426#pot

2．4 鋁液流速

2．4．1 測點布置與測量數(shù)據(jù)

426#槽、326#槽、231#槽和 140#槽鋁液流動的測點布置分別見圖7和圖8(以426#槽和326#槽為例)。兩大面和兩小面的測點也就是磁場測定的測點距陽極10 cm左右，其中的21、22、23和24測點即為4個下料點。每一測點測兩次，圖中不同箭頭標(biāo)記是表示采用不同組鐵棒，箭頭長短按流速大小成比例標(biāo)出。

圖7 426#槽測點布置及測點處鋁液流動方向Fig．7 The measuring location and direction of the aluminium flowing around the location of 426#pot

2．4．2 結(jié)果分析

1)根據(jù)圖7和圖8所示的各測點處鋁液流動方向和鋁液流速，可得出230 kA系列的426#槽、326#槽、231#槽和140#槽四臺槽的鋁液流動圖像基本相同，大致呈兩個縱向旋渦運動。

圖8 326#槽測點布置及測點處鋁液流動方向Fig．8 The measuring location and direction of the aluminium flowing around the location of 326#pot

2)表9為幾種相近槽型鋁液流速測定的結(jié)果對比，從中可以看出，426#槽、326#槽、231#槽和140#槽的鋁液平均流速分別為 12．8、13．19、12．33 cm/s和 13．53 cm/s，最大流速分別為 19．6、20．08、17．16、19．45 cm/s，總的來說，230 kA 系列四臺槽的鋁液流速相差不大。其中140#槽的鋁液平均流速較大，它的最大流速也較大，該槽在測定時，整槽平均鋁水平為21．26 cm，在四臺槽中最低。再加上該槽的平均沉淀厚度較小，為0．57 cm，4個下料點沉淀較少，沉淀厚度基本都是0 cm，插入純鐵棒沒有被稀糊狀沉淀包裹，使其熔蝕情況較理想，故測出的鋁液流速較大。231#槽的鋁液平均流速最小，它的最大流速也最小，該槽在測定時，整槽平均鋁水平為26．84 cm，在四臺槽中最高，這是造成流速過小的原因，說明高鋁水平對槽穩(wěn)定性的提高具有很大的幫助。實際操作中應(yīng)力求減小鋁液流速。為便于分析，表9列出幾種結(jié)構(gòu)相近槽的鋁液流速對比情況(測量單位均為中南大學(xué))。

3 物理場測試結(jié)果分析

3．1 電流強化方面

1)在現(xiàn)有槽型上適當(dāng)強化電流運行可以提高原鋁產(chǎn)量，如再配合適當(dāng)降低槽電壓運行，則可以降低噸鋁電耗，因此目前國內(nèi)多數(shù)鋁廠都在采用這種方法來實現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)的節(jié)能。通過對此次物理場的綜合測試分析，江蘇大屯鋁業(yè)公司230 kA槽電流強化5%，即240 kA比較適宜，系陽極電流密度由0．726 A/cm2增加到0．762 A/cm2，電流強化5%后的陽極電流密度并不算過高。

2)電流強化5%運行，由于槽內(nèi)磁場強度大致增大5%，必然導(dǎo)致鋁液流速的增大，其增大幅度可能達(dá)到5%，將達(dá)到同類槽的較大值，因此應(yīng)采取措施降低鋁液流速。

表9 幾種相近槽型鋁液流速測定結(jié)果對比Table 9 The comparison of the velocity of the aluminium flowing measured among several similar types of cells cm/s

3)電流強化5%運行，則各部分歐姆電壓均會增大5%左右，如極距和電解質(zhì)成分不做調(diào)整，則理論槽電壓將增大124 mV，主要可通過適當(dāng)下降極距并輔以增加電解質(zhì)導(dǎo)電性等措施來實現(xiàn)。

3．2 降低槽電壓方面

1)江蘇大屯鋁業(yè)公司230 kA槽目前槽電壓平均在4．18 V左右運行，如果在設(shè)計電流230 kA下進(jìn)一步下降極距以降低槽電壓，可能使電解槽進(jìn)入冷行程。因此在槽電壓降低的同時，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)強化電流，以提供足夠的輸入能量。

2)槽電壓從230 kA時的4．18 V降至240 kA時的4．10 V以下，這要求降低極距4～5 mm，即要求平均極距降至43 mm左右。極距的下降幅度雖有保障，但此時會增大電解槽的針振擺動，并增大發(fā)生陽極效應(yīng)的頻率，因此需要精心維護(hù)槽況。

3)槽電壓的下降還可以結(jié)合電解質(zhì)成分的優(yōu)化來進(jìn)行?？筛鶕?jù)鋁電解理論依據(jù)具體情況對電解質(zhì)成分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

由于低極距、低槽電壓運行會加大極間擾動從而導(dǎo)致二次反應(yīng)增強，因而降低電流效率，故應(yīng)在槽電壓、電流強化、電流效率和電解槽壽命等方面進(jìn)行綜合考查，以求真正實現(xiàn)電解槽的節(jié)能生產(chǎn)。

4 技術(shù)條件優(yōu)化生產(chǎn)實踐

4．1 電解質(zhì)成分的選擇優(yōu)化

在電解質(zhì)中，主要含有 Al2O3、AlF3、MgF2、CaF2、LiF等添加劑，其中CaF2含量為5．5%，LiF含量為1%，MgF2含量為0．5%，且含量比較穩(wěn)定。因此在電解質(zhì)中可變量為Al2O3和AlF3，選擇合適的Al2O3、AlF3含量，可確定電解質(zhì)成分的控制范圍。

4．1．1 Al2O3濃度

在現(xiàn)代的預(yù)焙電解槽上，Al2O3含量控制為2% ～4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，其原因見圖9。在2% ～4%Al2O3含量時，槽電阻隨Al2O3含量的增加而降低。在Al2O3含量大約為4%時，槽電阻達(dá)到最低點，而在Al2O3含量大于4%時，槽電阻隨Al2O3含量的增加而增加。當(dāng)Al2O3含量在1．5%以下時，有可能產(chǎn)生陽極效應(yīng)的危險。另外，從圖9可知，Al2O3含量降低1%，電解質(zhì)初晶溫度約升高5℃［1］。工業(yè)槽的實踐證明，勤加工、少下料是良好的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以，現(xiàn)代工業(yè)電解槽通常采用Al2O3含量為1．5% ～3．5%的低區(qū)要求。

圖9 電解質(zhì)初晶溫度和槽電阻相對于Al2O3含量的關(guān)系Fig．9 The relationship between the alumina quantity and the primary crystal temperature of the electrolyte，and the cell voltage

針對大屯鋁業(yè)公司230 kA系列預(yù)焙電解槽Al2O3溶解效果不理想，爐底沉淀較多的特點，決定選擇Al2O3含量控制范圍為1．5% ～2．5%，主要控制思路是:采用Al2O3含量較低一側(cè)的電阻曲線為含量的代用值，將1．5% ～2．5%的范圍為控制目標(biāo)，使用過量加料、正常加料、欠量加料不斷轉(zhuǎn)換刺激電阻的方法，保持含量處于持續(xù)合理的波動中，決定Al2O3含量的幾個參數(shù)變化情況見表10。

表10 230 kA系列預(yù)焙電解槽Al2O3含量控制參數(shù)的變化Table 10 The change of alumina quantity controls parameter of 230 kA pre-baked pots

其次對欠量、過量、正常周期的下料間隔之間關(guān)系進(jìn)行重新設(shè)定，即:欠量間隔=正常間隔×(1+0．2);過量間隔=正常間隔×(1－0．24);經(jīng)過調(diào)整后使得Al2O3含量為1．5% ～2．5%的控制率達(dá)到75%，且解槽爐膛較好，電解槽穩(wěn)定性普遍提高。爐低好、沉淀少、針擺少，槽齡1800 d爐底壓降普遍為380～410 mV。

4．1．2 分子比和過量的AlF3含量的優(yōu)化

分子比對電流效率的影響主要通過對電解溫度的作用來實現(xiàn)。在選擇確定230 kA電解槽電解質(zhì)分子比的過程中，必須要重視其對初晶溫度的影響結(jié)果。首先要確定電解質(zhì)溶液中Al2O3、CaF2、LiF、MgF2的含量。因此，現(xiàn)場取得了大量電解質(zhì)試樣，經(jīng)化驗確定該電解質(zhì)成分主要為CaF2:5．5%，LiF:1%，MgF2:0．5%，Al2O3:2．0%左右。由文獻(xiàn)［2］給出的電解質(zhì)初晶溫度關(guān)系式并根據(jù)分子比與過量AlF3之間的關(guān)系，可以計算出與分子比對應(yīng)的電解質(zhì)初晶溫度與過量AlF3具體數(shù)值，并作出關(guān)系圖，如圖10所示。

圖10 230 kA電解槽分子比與電解質(zhì)初晶溫度、過量AlF3關(guān)系圖Fig．10 The relationship between the molecular proportion of the 230 kA pots and the primary crystal temperature of electrolyte，and excessive alumina

從圖10可以看出，隨著分子比的降低，電解質(zhì)初晶溫度明顯降低，并且在分子比較小(低于2．1)時，曲線的斜率也比較大。這說明在分子比較小時，電解槽的熱平衡也不容易穩(wěn)定控制，電解溫度的穩(wěn)定性控制難度也增大。因此，對于粉狀氧化鋁作為主要原料的電解質(zhì)來說，為了便于電解溫度的穩(wěn)定控制，分子比不應(yīng)選擇在過低處，應(yīng)選擇為2．25～2．35(見圖10 方框 B)。

另外圖10中亦根據(jù)對應(yīng)關(guān)系選擇出了合適的過量AlF3含量(9．16% ～10．82%)，見方框 A 內(nèi)選擇的過量AlF3曲線范圍。但在電解質(zhì)中一般含有微量的金屬氧化物，并且含有約為0．01%的Al，因此可大約降低電解質(zhì)的初晶溫度5℃［3］，因此圖10中分子比為2．25時對應(yīng)的初晶溫度942．8℃與2．35時對應(yīng)的初晶溫度952．1℃均應(yīng)再減去5℃，可知分子比為2．25～2．35時對應(yīng)的初晶溫度區(qū)間為937．8～947．1℃。圖10中方框A對應(yīng)的溫度區(qū)間即為此電解質(zhì)體系的真實初晶溫度區(qū)間，此時電解質(zhì)初晶溫度應(yīng)為937．8～947．1℃。

4．2 電解質(zhì)溫度和過熱度選擇優(yōu)化

所謂過熱度即電解質(zhì)溫度與電解質(zhì)初晶溫度之差。最佳的電解質(zhì)過熱度必須由生產(chǎn)實踐加以確定。最佳過熱度的大小應(yīng)與電解質(zhì)的分子比、電壓及鋁水平高低、電解槽的操作(換極、出鋁等)有關(guān)。目前國內(nèi)外大型預(yù)焙陽極電解槽的過熱度一般為8～12℃［4］。因此，在該公司的230 kA電解槽上，電解質(zhì)過熱度選擇為8～12℃，其電解質(zhì)成分、電解質(zhì)初晶溫度、電解質(zhì)溫度及過熱度見表11。

表11 230 kA電解槽的優(yōu)化選擇后的電解質(zhì)成分Table 11 The composition of the electrolyte after optimized for the 230 kA pots

4．3 電解槽爐幫優(yōu)化

電解槽的爐幫是由液體電解質(zhì)析出的高分子比冰晶石和剛玉α－Al2O3所組成的固體結(jié)殼，均勻分布在電解槽內(nèi)壁上。保持規(guī)整的爐幫內(nèi)形，有如下優(yōu)點:a．能調(diào)節(jié)電解質(zhì)溫度，使電解溫度保持在所要求的范圍之內(nèi);b．保護(hù)側(cè)部碳塊及槽底邊縫，蓋住其裂縫，使電解質(zhì)不能直接進(jìn)入結(jié)合薄弱的側(cè)部和槽底部，有助于延長槽壽命;c．爐幫結(jié)殼的存在可縮小鋁液鏡面，增大陰極電流密度，有利于提高電流效率。大屯鋁業(yè)公司在生產(chǎn)實踐中采取了如下技術(shù)措施:

1)電解質(zhì)溫度過熱度和分子比。在向電解槽中過量或降量添加AlF3時，由于降低或增加了電解質(zhì)分子比或初晶溫度，過熱度會有一定程度的增加或降低，電解槽的爐幫會相應(yīng)的熔化或加厚。所以保持穩(wěn)定的電解質(zhì)成分，對于穩(wěn)定電解槽爐幫有重要意義。在實際生產(chǎn)中，按照表11給出電解質(zhì)分子比范圍控制槽分子比，同時電解質(zhì)過熱度控制在8～12℃。

2)強化電流降低電解槽工作電壓。槽電壓是電解槽維持正常生產(chǎn)的最低電壓，在電流恒定的情況下，槽電壓是調(diào)節(jié)電解槽能量平衡的主要手段之一。例如，強化電流后由于輸入的能量增加，必然提高電解質(zhì)溫度，過熱度也相應(yīng)增加，因此會熔化爐幫。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)所測定的電解槽電壓平衡，并結(jié)合陽極保溫料厚度，制訂了降低設(shè)定電壓控制策略。根據(jù)所設(shè)定電壓進(jìn)行電解槽能量平衡控制，除了電解槽出現(xiàn)異常情況，設(shè)定電壓一般不作調(diào)整。電解槽的平均電壓控制為4．05～4．10 V。

3)電解質(zhì)水平與鋁水平。正常生產(chǎn)期間，保持過高或過低的電解質(zhì)水平和鋁水平均將影響已經(jīng)規(guī)整的爐幫，因此電解質(zhì)水平一般控制為18～20 cm。適當(dāng)厚度的鋁水平可使?fàn)t底溫度趨于均勻，從而保證爐底不因劇冷或劇熱致使電解槽發(fā)生破損，也可削弱磁場中的水平電流，不至于使鋁液波動劇烈，從而破壞已有的爐幫。對于230 kA電解槽，在強化電流后，為了增加熔體區(qū)的散熱量，以及使電解槽的側(cè)部溫度均勻，電解槽內(nèi)的鋁量一般為15～17 t，鋁水平為26～28 cm，此時不僅形成規(guī)整的爐膛和較小的鋁液鏡面，且槽爐幫較厚，陽極和陰極的電流分布也較好。

5 效果總結(jié)

在生產(chǎn)管理中，大屯鋁業(yè)公司及時根據(jù)電解槽物理場測試結(jié)果采取了上述優(yōu)化措施(優(yōu)化前后對比見表12)，因此電解槽運行更加平穩(wěn)高效，各項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)逐年提高(見表13)，其中單槽日產(chǎn)原鋁由原來的1．724 t/(槽·d)增加到1．735 t/(槽·d)左右，全年增加原鋁產(chǎn)量 714．6 t，按照每噸鋁1．6萬元計算全年增加經(jīng)濟效益1143．47萬元;采取優(yōu)化措施后噸鋁直流電耗降低396 kW·h，按照10．2萬t產(chǎn)量(電價0．5元計算)計算，全年可節(jié)約2019．6萬元，經(jīng)濟效益顯著。

表12 230 kA電解槽優(yōu)化前后主要技術(shù)條件對比Table 12 The comparison of the main technical conditions between the optimized 230 kA pots and the original ones

表13 230 kA電解槽主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)Table 13 The main technical and economic indexes of the 230 kA pots

6 結(jié)語

就江蘇大屯鋁業(yè)230 kA鋁電解槽而言，針對電解槽物理場的測試結(jié)果，采取了以下調(diào)整優(yōu)化內(nèi)容:a．通過適當(dāng)降低Al2O3含量，并維持適宜槽溫和過熱度保持電解槽爐底潔凈;b．加強側(cè)下部保溫和增大覆蓋層厚度使得上下部熱損失比例調(diào)整到合適值;c．通過優(yōu)化電解質(zhì)成分，降低電解質(zhì)壓降和陰極壓降;d．通過提高鋁水平以降低鋁液流速，調(diào)整A、B兩側(cè)極距以減少水平電流，維持規(guī)整的爐膛內(nèi)形。優(yōu)化后的結(jié)果說明了對電解槽物理場測試的重要性和科學(xué)性，但筆者認(rèn)為對電解槽物理場的測試研究以及強化電流、降低電壓等節(jié)能減排手段是一項長期且復(fù)雜的技術(shù)工作，需要在實踐中不斷摸索和總結(jié)，才能在電解槽的管理上實現(xiàn)新突破。

［1］Utigaid A．Why“best”pots operate at 955 ℃ and 970℃［J］．Light Metal，1999(7):319 －326．

［2］邱竹賢．焙槽煉鋁［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2005．

［3］馮乃祥．鋁電解［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［4］馮乃祥，彭建平．再談我國鋁電解技術(shù)與國際先進(jìn)水平的差別兼論鋁電解生產(chǎn)中的新技術(shù)［C］//中國有色金屬學(xué)會輕金屬學(xué)術(shù)委員會2004年年會暨學(xué)術(shù)交流會論文集．河南焦作，2004:12－15．