黃 翼

（焦作萬方鋁業(yè)股份有限公司，河南 焦作 454000）

1 電解生產概述

現代電解鋁生產普遍采用冰晶石－氧化鋁熔鹽電解法，氧化鋁在直流電作用下，與碳陽極發(fā)生氧化－還原反應，生產出鋁液。氧化鋁雜質在進入電解質體系后發(fā)生化學反應，不僅浪費電能，而且其微量元素會進一步對鋁液質量和電解質性質產生影響。

1.1 氧化鋁雜質種類

氧化鋁雜質，主要包括Fe2O3、SiO2、Na2O、Li2O、K2O、CaO2、MgO、水分等。目前，國家有色金屬行業(yè)標準在對冶金級氧化鋁進行質量分級中，對Fe2O3、SiO2、Na2O、水分等雜質含量有明確規(guī)定，但是對其他元素并沒有具體的范圍指導，具體如表1。

表1 氧化鋁國家有色金屬行業(yè)標準（YS/T274-1998）

1.2 雜質元素在電解生產中的分布規(guī)律

雜質隨著氧化鋁進入到電解質內，伴隨著電解反應，電位負于鋁的元素，如Na2O、K2O、MgO、CaO2、Li2O等，會分解冰晶石，自身則轉化為氟化物的形態(tài)，在電解質中富集；而電位正于鋁的元素，如Fe2O3、SiO2等，被鋁還原為單質，從而進入到鋁液之中，降低鋁液質量品位。

通過對某鋁廠近二十年大型預焙槽實際生產數據的統(tǒng)計分析，大部分雜質元素的分布規(guī)律均符合上述機理，即Fe、Si等元素絕大部分隨鋁液帶出，而鉀、鈣、鈉、鋰、鎂等微量元素則大部分富集在電解槽內，僅有一部分隨鋁液帶出。

2 雜質元素對電解生產的影響

根據氧化鋁質量行業(yè)標準，將雜質分為兩個部分，一是有明確規(guī)定的受控雜質，如硅、鐵、鈉等，另一部分為沒有明確規(guī)定的不受控雜質，往往受氧化鋁生產工藝影響較小，受鋁土礦產地的影響很大，如鉀、鈣、鋰、鎂等，在使用我國北方鋁土礦生產的氧化鋁中往往雜質鋰含量較高，而進口鋁土礦生產的氧化鋁中雜質鋰含量幾乎為沒有。

鋁電解行業(yè)內對受控雜質的研究分析較多，在此只作簡單論述，本文重點對不受控雜質微量元素對鋁電解生產的影響進行分析。

2.1 硅、鐵、鈉等受控雜質對電解生產的影響及對策

1）鐵、硅元素的電位正于鋁，因此會在陰極上析出，從而使原鋁質量降低，同時影響電流效率；

2）鈉元素在電解質中會與氟化鋁結合形成新的冰晶石，從而消耗氟化鹽[1]，因此Na2O雜質越多，需要消耗的氟化鋁也越多，如此才能保持分子比（NaF/AlF3摩爾比）在工藝受控范圍內。該雜質不僅增加生產成本，還增加了槽內液體電解質總量，造成物料富余；

3）灼減是指氧化鋁進入電解槽之后所要釋放的水量[2]，水分將電解質中造成氟化物水解，產生氟化氫，灼減越高水解的氟化物越多；

4）氧化鋁生產企業(yè)對受控雜質有較為嚴格的工藝管理和質量管控，相應影響一般在受控范圍內，電解鋁企業(yè)可重點做好進廠氧化鋁質量抽檢和把關，加強與氧化鋁企業(yè)溝通，確保其受控雜質處于相對較低水平，減少對鋁液質量和成本的不利影響。

2.2 鈣、鉀、鋰、鎂等不受控雜質對電解生產的影響及對策

（1）對電解初晶溫度的影響。初晶溫度也被叫做溶度[3]，在鋁電解生產中，電解溫度等于電解質的初晶溫度與過熱度之和。正常生產條件下，過熱度相對穩(wěn)定，初晶溫度往往決定著電解溫度的高低，其變化也帶來槽況變化，從而影響到其主要技術經濟指標。

鈣、鉀、鋰、鎂等雜質隨著氧化鋁進入電解槽后，以氟化物形態(tài)富集，降低電解質的初晶溫度，電解溫度也會相應下降，其中鋰鹽變化對初晶溫度影響最顯著，每升高1%，約降低初晶溫度8℃[4]。

在某企業(yè)近10年實際生產中發(fā)現，電解溫度隨著電解質中LiF變化而發(fā)生劇烈變化。在LiF含量在2%-3%時，電解溫度保持在940℃左右，而隨著LiF升高至7.48%時，電解溫度降至910℃以下，被迫調整生產工藝模型，上調分子比來提升電解質溫度，但是效果不理想。過低的溫度嚴重影響了槽子的熱平衡和爐膛保持，給企業(yè)帶來較大經濟損失。

表2 某電解企業(yè)近10年來電解溫度與微量元素對應表

2）對導電率的影響。極間電解質壓降約占全槽電壓的40%，因此電解質電阻大小對鋁電解生產非常重要。電解質導電率越大，電阻越小，相應的極間壓降也越小，電解槽電能消耗也會得到降低。研究表明，在氧化鋁雜質中，鋰鹽能顯著增大電解質的電導率，其余的雜質則會降低電解質電導率。氟化鹽對電解質電導率影響見圖1。

圖1 若干微量元素對冰晶石熔體電導率的影響

在某企業(yè)300KA電解系列實際生產中發(fā)現，穩(wěn)定生產條件下，在LiF保持在3%左右時，電解槽極距極距能保持在4cm以上，從而為進一步降低電壓和電耗提供了支撐。

表3 某300KA電解系列電解槽極距與鋰鹽含量對比表

3）對電解槽爐膛的影響。雜質微量元素LiF、MgF2、CaF4、KF等的增加均會降低電解質中氧化鋁的溶解性，從而容易引起爐底沉淀的增加，影響電解槽穩(wěn)定性。在某企業(yè)實際生產中，當因微量元素過高引起電解槽溫度過低時，氧化鋁的溶解性大大降低，從而在爐底產生大量沉淀，甚至結殼，造成伸腿肥大，爐膛畸形，使爐底壓降升高，鋁液中水平電流增大，造成電解槽電壓擺明顯增多。

在電解槽啟動初期，適量的MgF2和CaF2起到礦化作用，加速α-Al2O3生成，在側壁上形成致密的電和熱的不良導體，有助于形成穩(wěn)定規(guī)整的爐幫伸腿，有利于增強電解槽保溫能力。

4）對電效的影響。一般來說，適量鋰鹽能夠提高電解槽電流效率，其機理是在正常槽況下，每降低電解溫度10℃，大約可提高電流效率1.3%。在實際生產中，某企業(yè)電解質中LiF含量保持2%-4%期間，長期取得較好經濟指標。隨著持續(xù)使用本土礦氧化鋁，LiF快速上升至7%以上，電解槽溫度急劇下降，槽穩(wěn)定性受到較大沖擊，系列電流效率下降近1.5%，電壓上升近100mv。因此在實際生產中，當鋰鹽控制在一定范圍時，對電流效率有正面影響，超過范圍后，對電流效率有顯著負面影響。隨后，該企業(yè)積極調整氧化鋁產地結構，隨著進口礦氧化鋁的進入，電解質中LiF逐步回歸至3%左右，電解槽溫度回歸至940℃，槽況穩(wěn)定性和主要經濟指標得以恢復。

5）企業(yè)對策。在鋁行業(yè)上下游產業(yè)鏈中，電解鋁企業(yè)相對氧化鋁生產企業(yè)長期處于弱勢地位，從氧化鋁企業(yè)自身來說，一方面受制于鋁土礦產地的原因，對不受控雜質的控制手段相對有限；另一方面在行業(yè)標準中并沒有對不受控雜質的硬性要求，基于成本控制，沒有動力去改善不受控雜質含量。

因此電解鋁企業(yè)可以采取以下對策：一是在氧化鋁采購中，除綜合考慮價格、運輸、供貨穩(wěn)定性、對鋁合金成分影響等之外，還應考慮企業(yè)自身槽況的實際情況，減少工藝條件波動，避免因不受控雜質引起的經濟指標波動；二是主動思考適合自身槽型槽況的工藝條件組合，合理匹配氧化鋁來源，例如適量的高鋰氧化鋁，可以降低電解溫度、改善電解質壓降，反而帶來可觀的經濟效益。

3 結論

本文通過結合生產實踐，對氧化鋁雜質對鋁電解生產的影響進行量化對比，提出相應對策，得出如下結論：

1）過量的氧化鋁雜質不僅會降低鋁液質量，而且會對電解槽平穩(wěn)生產產生較大影響。

2）電解鋁企業(yè)應主動加強氧化鋁質量管理，當雜質富集對生產造成影響時，應及時采取有效措施，確保電解槽高效、穩(wěn)定運行。

3）隨著鋁電解發(fā)展，氧化鋁質量行業(yè)標準對其中雜質種類和含量的定義，已經不能滿足要求，建議電解鋁企業(yè)積極建立氧化鋁質量企業(yè)標準，嚴格控制原料質量。