劉昆鵬 韓健文 王興云等

摘 要：目前世界電解鋁工業(yè)科技含量提升、智能化程度提高，低耗、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和低污染成為電解鋁生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的發(fā)展目標(biāo)和方向，電解鋁新技術(shù)探索不斷進(jìn)行。文章就如何提高鋁電解槽的電流效率和節(jié)省電能做了詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞：電流效率；電解溫度和過熱度；鋁水平；電解質(zhì)水平；極距；添加劑

中圖分類號：TF351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）03-0179-02

計算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)學(xué)科的高速發(fā)展成果被廣泛應(yīng)用于鋁電解技術(shù)，促使以熔鹽電解法煉鋁為主導(dǎo)技術(shù)的鋁電解工業(yè)不斷得到創(chuàng)新發(fā)展，針對鋁電解槽的物理場仿真和優(yōu)化技術(shù)逐步精確，開發(fā)大容量槽、低電壓技術(shù)是當(dāng)今鋁電解工業(yè)的發(fā)展趨勢。盡管如此，其電能效率依然低于50%，理論上仍有很大的發(fā)展提升空間。美國早在2003年就將11 000 kWh/t-Al定為今后20年原鋁直流電單耗目標(biāo)值。而我國在2009年初將這一目標(biāo)值定為12 500 kWh/t-Al，而2009年我國實(shí)際值高達(dá)13 118 kWh/t-Al，提升壓力巨大。降低電解槽電耗的一個重要研究課題方向就是改善鋁電流效率，電流效率和槽電壓能夠直接影響噸鋁直流電耗，噸鋁直流電耗數(shù)值高低標(biāo)志著電解槽是否運(yùn)行良好，產(chǎn)能是否高效，電解槽的直流電耗可用下式進(jìn)行計算：

W=2.98×■

式中：

W為噸鋁直流電耗，kWh/t-Al；

V為平均電壓，V；

α為電流效率，%。

上式表明降低鋁電解生產(chǎn)能耗可以通過提高電流效率或降低電解槽平均電壓等方法實(shí)現(xiàn)，假設(shè)在槽電壓相同情況下，若V=4.40 V，α=88%，當(dāng)電流效率提高1%，則噸鋁電能消耗將增加171.25 kwh/T。由于目前傳統(tǒng)電解槽保溫設(shè)計限制，電解槽電壓不能無限降低，其值會影響電解槽熱平衡，所以制約了低電壓生產(chǎn)，因此最簡單高效的節(jié)能途徑是提高電解槽的電流效率。研究表明，影響鋁電解槽的電流效率高低有多方面因素，主要從以下幾方面進(jìn)行論述。

1 電流效率的概念

鋁電解槽在某特定時間內(nèi)，某特定電流強(qiáng)度下進(jìn)行鋁電解時的電流效率：

？濁=■×100%

其中，

P實(shí)際為實(shí)際鋁產(chǎn)量；

P理論為理論鋁產(chǎn)量。

在實(shí)際電解鋁生產(chǎn)過程中，槽內(nèi)部的陰極析出金屬鋁和由于各種原因所導(dǎo)致鋁損失掉一部分是時刻同時發(fā)生，實(shí)際上產(chǎn)出的鋁量總會低于理論量，故電流效率總是低于100%。通過淘汰老舊技術(shù)、引進(jìn)新技術(shù)，可減小鋁的額外損失，能夠有效提升電解的電流效率。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，有多種因素會影響鋁電解槽電流效率，如氧化鋁濃度、溫度、電解質(zhì)水平、極距、陰極電流密度、爐底壓降、電解焙燒等，下文做重點(diǎn)針對性分析。

2 電流效率的影響因素及分析

2.1 電解溫度、過熱度分析

電解槽的過熱度、電解溫度均可對電流效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響，鋁在電解質(zhì)中的溶解度及溶解后的鋁溶液的擴(kuò)散速度均受溫度影響，低溫可以降低擴(kuò)散到陽極氧化區(qū)的速度，減少電流效率的損失。根據(jù)費(fèi)克第一擴(kuò)散定律：

q=KA（V0-V1）/δ

式中：

K為擴(kuò)散系數(shù)，cm/s；

q為單位時間的擴(kuò)散流量，g/s；

A為擴(kuò)散面積，cm；

V1為擴(kuò)散層外部電解質(zhì)中鋁的濃度，V1=0；

V0為鋁界面上電解質(zhì)中鋁的濃度，g/cm2。

由公式分析可知，當(dāng)時，

①將會減小鋁在電解槽中的溶解度，亦即V減小。

②會增大熔體的粘度，減小電解質(zhì)的循環(huán)速度，導(dǎo)致擴(kuò)散層的厚度δ變大。

③擴(kuò)散系數(shù)K也減小。因此，降低電解槽中的電解溫度后，q值減小，意味著減弱了鋁的二次反應(yīng)，減小了鋁的損失，提升了電流效率。

當(dāng)電解槽運(yùn)行穩(wěn)定時，盡可能的維持較低的電解溫度，一般可以獲得最好的電流效率，有研究表明：電解時每降低10 ℃，將提高電流效率達(dá)1%～5%。電解質(zhì)的初晶溫度決定了電解溫度的大小，并且要確保電解過程能夠順利進(jìn)行，電解質(zhì)初晶溫度與電解溫度差值即為過熱度，一般至少為5 ℃，否則就會導(dǎo)致電解質(zhì)粘度和密度增大，電解質(zhì)濃縮、氧化鋁溶解度降低、導(dǎo)電率下降。這時會使電解槽內(nèi)產(chǎn)生大量沉淀、槽底電壓降增加。有可能會混淆鋁液和電解質(zhì)熔體相，加劇鋁的溶解氧化損失，使電流效率急劇下降。因此，向電解槽內(nèi)添加適量氟化銼、氟化鎂，改善電解質(zhì)的組成，均可降低電解質(zhì)的初晶溫度，進(jìn)而維持電解槽在低溫狀態(tài)運(yùn)行。

2.2 極 距

極距是指陰、陽兩極之間的距離，具體講就是鋁電解槽中鋁液界面到陽極底掌的垂直距離，是鋁電解槽工藝技術(shù)參數(shù)之一，在一定的電解質(zhì)組分下，電解槽工作電壓的高低可以通過極距的高低來定性確定，雖然在一定的極距范圍內(nèi)，電解槽電流效率和極距成正比，但當(dāng)極距超過一定值（大約7 cm）后，因極距增加而產(chǎn)生的焦耳熱量將明顯增加，電解溫度提升，粘度也明顯變小，加快了對流循環(huán)，促使鋁的二次返溶增大，故電流效率幾乎不再提高，電流效率隨極距的增加變化不顯著。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，極距的小幅變化就會引起槽電壓較大變化，例如在大型預(yù)焙槽上，每縮短極距0.01 m，大約可以降低電壓達(dá)0.30～0.33 V，電壓降幾乎占整個槽電壓的1/3，低極距的節(jié)能潛力巨大，其他工藝技術(shù)條件（如：槽膛內(nèi)形規(guī)整、兩極狀況良好、電解質(zhì)水平和鋁水平合理匹配）處于較為理想狀態(tài)時，鋁電解槽保持適當(dāng)?shù)牡蜆O距可以有效提高電流效率。極距過大，導(dǎo)致增高槽電壓、增加電耗，增加熱量，槽子轉(zhuǎn)熱而誘導(dǎo)病槽出現(xiàn)等，造成鋁液波動；極距過小會引起局部短路，嚴(yán)重地拉低了電流效率。當(dāng)前鋁電解用極距一般為4.2～4.5 cm。

綜上所述，提高電流效率的主要研究方向是發(fā)現(xiàn)既能保持電解槽穩(wěn)定性又可降低壓降的最佳極距。

2.3 鋁水平、電解質(zhì)水平分析

電解槽中盛裝有鋁液和電解質(zhì)等成分，因各自成分具有不同的密度而導(dǎo)致出現(xiàn)溶液分層現(xiàn)象，各液層的厚度代表了其相應(yīng)的水平。合理的鋁液高度是電解槽獲得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)必不可少的技術(shù)條件，工作中電解質(zhì)水平經(jīng)常維持在20～25 cm，大型預(yù)溶槽的鋁水平一般維持在18～20 cm。電解槽穩(wěn)定性和散熱性也受鋁水平的影響，鋁水平會減小熱損失，降低增強(qiáng)鋁液的波動，提高槽內(nèi)水平電流分量，電解槽的穩(wěn)定性易被破壞，但爐底沉淀不易生成，因此保持鋁水平的合理穩(wěn)定是非常必要的。維持一定的鋁水平、電解質(zhì)水平的作用是：

①形成了一層良好的散熱通道，利用此散熱通道，多余熱量會被快速傳到陽極四周，從而均衡了槽內(nèi)各處的溫度。

②陰極炭塊上不會因此放電析出鋁離子，阻止了大量的碳化鋁的產(chǎn)生，減小了爐底壓降。

③適當(dāng)厚度的鋁液層相當(dāng)于一層緩沖層和保溫層作用，可保證爐底溫度不因驟熱驟冷而致早期破損。

④磁場作用可被適當(dāng)厚度的鋁液層大量削弱。

⑤Na+直接在炭塊上放電析出會破壞炭塊，鋁水平、電解質(zhì)水平阻止了Na+放電，保護(hù)了爐底炭塊。

⑥維持一定量的鋁液水平，磁場中的水平電流被減弱，減弱了鋁液循環(huán)頻率，使鋁液不劇烈滾動。

⑦爐底上的高低不平，鋁液層可填充填平，有利于均勻爐底電流分布。

⑧鋁液的高度會影響伸腿的高度。因此，根據(jù)電解槽槽齡和電解工藝的技術(shù)條件保持電解槽內(nèi)合理的鋁液高度可有效提升電流效率，促進(jìn)生產(chǎn)。

2.4 添加劑分析

電解質(zhì)的構(gòu)成決定電解質(zhì)的物化性質(zhì)，因此通過改變電解質(zhì)成分調(diào)節(jié)電流效率，進(jìn)而提高電解槽的產(chǎn)出效率，這也是國內(nèi)外一直在進(jìn)行的重要研究課題。有選擇性地向電解槽內(nèi)添加能優(yōu)化電解質(zhì)性質(zhì)的各類添加劑是改善電解質(zhì)成份的最重要方法。使用添加劑的主要目的是降低電解溫度、抑制鋁的溶解。添加劑可對電解過程同時產(chǎn)生多種影響，從而影響電流效率。針對添加劑MgF2、CaF2的研究發(fā)現(xiàn)，二者均能增強(qiáng)電解質(zhì)在炭素電極上的界面張力，從而提高電流效率，但前者比后者能降低更多的電解質(zhì)熔點(diǎn)，減少鋁在電解槽中的溶解損失。研究發(fā)現(xiàn)，3～5%為合適的添加劑比例，超出這個比例范圍均會對電解不利。到目前為止，氟化鋰（或碳酸鋰）、氟化鎂等是電解鋁工業(yè)中公認(rèn)的有效加劑。

添加劑的效果對比：添加鋰、鎂鹽復(fù)合劑的效果>單一添加碳酸鋰或單一添加氟化鎂>單一添加化鎂。導(dǎo)致上述效果差異的原因是：

①對于單一氟化鎂或碳酸鋰添加劑來說，它們都能提高鋁液界面與電解質(zhì)的界面張力、降低電解質(zhì)初晶點(diǎn)，但碳酸鋰能減小電解質(zhì)密度的特性抑制了電解質(zhì)中鋁液的擴(kuò)散速度，所以，添加單一碳酸鋰的效果比添加單一氟化鎂好。

②當(dāng)二者結(jié)合形成碳酸鋰與氟鎂復(fù)合劑時，單一氟化鎂時增大電解質(zhì)密度的不利影響被碳酸鋰所具備的減小電解質(zhì)密度的優(yōu)點(diǎn)所抑制，同時，氟化鎂能夠加速γ—Al2O3向α—Al2O3轉(zhuǎn)變，這個礦化作用促使生成的側(cè)爐幫趨于穩(wěn)定，并且電解質(zhì)對炭素材料的濕潤性被氟化鎂所抑制的性質(zhì)，能促進(jìn)電解質(zhì)與炭渣分離。因此，添加碳酸鋰與氟化鎂復(fù)合劑的綜合作用就是電流效率得到較大提高。

2.5 爐幫分析

電解槽在規(guī)整的爐膛中才能夠穩(wěn)定運(yùn)行，所以合理的爐幫設(shè)計也是提高電流效率的一個有效措施。邊部具有一定厚度的陡直結(jié)殼而不延伸到陽極底下是適宜的爐膛內(nèi)形，促進(jìn)在陰極電流密度大得陽極底掌正投影下方的區(qū)域內(nèi)聚集鋁液，所以電流效率高。在電解生產(chǎn)管理過程中建立良好的啟動后期管理制度，制造高分子比爐幫；經(jīng)常檢修電解槽設(shè)備，減少異常故障的發(fā)生，保持生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)等是建立良好的爐幫的必要條件。

3 結(jié) 語

綜上所述，電解槽電流效率的高低不僅受諸多因素影響，同時各工藝技術(shù)參數(shù)之間又會彼此相互影響，只有維持槽電壓在適宜合理的范圍之內(nèi)，同時研究出如何促使各因素之間互相配合和適應(yīng)，并保持長期穩(wěn)定運(yùn)行，才能真正實(shí)現(xiàn)電解槽的低耗高效，延長電解槽的使用壽命，進(jìn)而為公司創(chuàng)造更多的價值。

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