張永明

（山西兆豐鋁電電解鋁分公司，山西 陽泉 045200）

目前，在國內(nèi)大量的鋁電解生產(chǎn)中，由于受工藝條件、人工操作質(zhì)量以及原輔材料質(zhì)量等各種因素的影響，電解質(zhì)成分復(fù)雜多樣，不同成分之間濃度比例不易控制，特別是難以將氧化鋁濃度控制在最佳狀態(tài)，導(dǎo)致電解質(zhì)流動性、導(dǎo)電性以及溶解氧化鋁的性能較差，嚴(yán)重影響了電流效率的提高及各單耗的降低，也在很大程度上制約了鋁電解生產(chǎn)的進一步發(fā)展[1]。

1 槽控機控制氧化鋁濃度的基本原理

由于目前還沒有能滿足控制需要的Al2O3濃度傳感器，因此采用準(zhǔn)連續(xù)（或稱半連續(xù)）下料制度的新型控制技術(shù)仍是以槽電阻作為主要控制參數(shù)。由于氧化鋁與槽電阻之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，而且槽電阻隨濃度變化較為敏感（特別是低氧化鋁濃度時），槽電阻的變化不僅反映了極距的變動，同時也包含著Al2O3濃度的變化。Al2O3濃度與槽電阻之間的關(guān)系規(guī)律如圖1所示。

圖1 槽電阻、斜率與Al2O3 濃度的關(guān)系

現(xiàn)在采用的自適應(yīng)加料控制就是采用氧化鋁濃度較低一側(cè)的槽電阻曲線作為濃度的設(shè)定值，以轉(zhuǎn)換的方法保持濃度處于持續(xù)、合理的波動之中，利用槽電阻上升或下降變化速率（常稱為斜率）來判斷濃度范圍[2]。為了保證濃度估計的精度，人為制造了濃度波動，將加料過程分為正常加料、欠量加料、過量加料三個周期，通過三個加料周期的切換，使輸入量有了足夠大的變化，從而保證槽控機充分識別槽電阻變化速率，同時可決定電解槽過量或欠量轉(zhuǎn)換。

2 氧化鋁濃度的主要影響因素

2.1 工藝技術(shù)條件

影響氧化鋁濃度的主要因素之一就是電解槽工藝技術(shù)條件，其中最重要的是電解質(zhì)分子比和電解質(zhì)溫度。

氧化鋁的溶解性能與電解質(zhì)分子比成正比關(guān)系，電解質(zhì)分子比越高，初晶溫度越高，氧化鋁溶解性能越好。Al2O3溶解度與電解質(zhì)分子比之間關(guān)系的一般規(guī)律如圖2 所示。

圖2 電解質(zhì)分子比與Al2O3 溶解度之間的關(guān)系

氧化鋁溶解性能與電解質(zhì)溫度也成正比關(guān)系，電解質(zhì)溫度越高，氧化鋁溶解性越好，氧化鋁濃度越方便把控，但同時也會加劇鋁的二次反應(yīng)，加大鋁的溶解損失，對電流效率產(chǎn)生一定的影響。據(jù)有關(guān)文獻試驗論證，電解質(zhì)溫度每降低10 ℃，電流效率可提高1%～1.5%。

國內(nèi)很多電解鋁廠均采用低溫、低過熱度技術(shù)條件組織生產(chǎn)，但對槽況把控、操作質(zhì)量等要求更高，低溫、低過熱度會使氧化鋁溶解性能變差，火眼卡堵加劇，從而導(dǎo)致爐底產(chǎn)生大量沉淀。若過熱度調(diào)整、把控不到位，技術(shù)條件調(diào)整不及時，長期保持較低的過熱度會導(dǎo)致電解槽走向“冷行程”，形成爐底結(jié)殼、伸腿變大，嚴(yán)重情況下會出現(xiàn)新?lián)Q極放不下、陽極不消耗、頂壞大母線等事故。爐底形成結(jié)殼會使?fàn)t底壓降升高、電流空耗，爐底壓降上升容易，處理起來卻十分困難。在處理爐底沉淀和伸腿過大過程中，需調(diào)整技術(shù)條件，在加大爐底溫度的同時，電解質(zhì)過熱度肯定會加大，因此化爐底的同時也化了爐幫，在處理爐底過程中還會存在電壓下甩以及電壓大幅度擺動的情況，容易發(fā)生滾鋁事故，同時會沖擊爐幫而致使發(fā)生側(cè)部漏爐事故。所以爐底溫度的控制是冷熱交替的循環(huán)過程。

2.2 槽控系統(tǒng)設(shè)計上的缺陷

電解鋁行業(yè)發(fā)展相當(dāng)快，槽控系統(tǒng)也一直在更新?lián)Q代，我單位300 kA 電解生產(chǎn)系列設(shè)計投產(chǎn)到現(xiàn)在已有15 年之久，故當(dāng)時設(shè)計的槽控系統(tǒng)在當(dāng)今來看已比較落后，設(shè)計上存在的一些缺陷對氧化鋁濃度也帶來一定的影響。

1）氧化鋁濃度“過量”與“欠量”轉(zhuǎn)換過程中，“過量”時間太長導(dǎo)致了高氧化鋁濃度時間段較長，原設(shè)計“過量”時間為固定值2 h，隨著過量時間加長，氧化鋁下料越密集，氧化鋁濃度越大，特別是電解槽“過量”最后0.5 h 內(nèi)，取樣化驗w（Al2O3）基本都在3%以上，數(shù)值高時4%也比較常見，高氧化鋁濃度給電解生產(chǎn)帶來一定的影響。后來公司聯(lián)系設(shè)計院，對系統(tǒng)程序進行了修改，將“過量”時間由2 h 改為1.5 h，氧化鋁濃度有所緩解，但高氧化鋁濃度時間段仍比較長，若再修改需對系統(tǒng)進行升級才行。

2）因系統(tǒng)不能實現(xiàn)單點下料而對氧化鋁濃度產(chǎn)生影響。若存在某一下料點，火眼周邊浮料很多，此時僅需正常打殼即可，周邊的氧化鋁需一段時間才能被很好消耗，但若不能實現(xiàn)單點控制下料，這樣就會造成氧化鋁堆積，火眼卡堵，增加電解工勞動強度。同時，若電解工操作不當(dāng)，也會造成堆積在火眼周邊的氧化鋁全部進到電解質(zhì)中，造成爐底大量沉淀。此外，換極后單點不需供給過多氧化鋁時，也不能單點控制NB 間隔，正常下料會造成氧化鋁過量，從而造成爐底沉淀等。

3）槽上部“魚肚”設(shè)計不合理導(dǎo)致中縫積料嚴(yán)重，同時對氧化鋁濃度帶來一定影響。由于電解槽設(shè)計上存在一些缺陷，導(dǎo)致氧化鋁在槽上部“魚肚”部位存在積存，隨著時間的推移，積存量加大，影響凈化系統(tǒng)吸煙效果，使得積存量更大，如此惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致中縫氧化鋁積存過厚。而中縫氧化鋁過厚又會帶來兩大問題，一是打殼時槽上部“魚肚”積存的料漏到中縫以及電解槽內(nèi)，造成氧化鋁濃度的加大；二是凈化吸煙效果變差，使得本該吸走的粉末氧化鋁積存。凈化吸煙效果變差造成又會電解槽內(nèi)熱加大，加上氧化鋁積存、中縫積料過厚，影響了電解槽散熱，進一步加大了電解槽內(nèi)熱，而內(nèi)熱大對槽溫、過熱度的加大以及電流效率的影響顯而易見，同時對氧化鋁的單耗產(chǎn)生影響，以及使殼面塊造成積存。

2.3 操作質(zhì)量

在日常操作中，在進行火眼處理、手動下料、NB間隔變更等操作時，如操作不當(dāng)均會影響氧化鋁濃度，如電解工遇堵料時處理火眼，未將多余的氧化鋁扒干凈就直接處理火眼，會導(dǎo)致大量的氧化鋁入槽，導(dǎo)致氧化鋁濃度升高，更嚴(yán)重時，若過多的氧化鋁溶解不及時還會造成大量沉淀，若技術(shù)條件不匹配則將形成結(jié)殼。

在電解生產(chǎn)中，通過曲線可簡單、直接明了地判斷過熱度是否合適的方法為：在槽控曲線濃度轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)欠量轉(zhuǎn)化為過量的5～8 min 內(nèi)，槽控曲線由上升趨勢轉(zhuǎn)換為下降趨勢最為適宜，此時說明電解質(zhì)過熱度與氧化鋁濃度匹配最佳。時間過長或過短說明電解質(zhì)過熱度過小/過大，氧化鋁溶解不及時/溶解過快對電解槽濃度均會帶來影響，造成電解質(zhì)成分的改變，同時對電流效率造成影響，嚴(yán)重時會造成爐底沉淀增加、爐底壓降升高、爐膛畸形等。

2.4 氧化鋁料狀

氧化鋁料狀與氧化鋁質(zhì)量有一定區(qū)別。氧化鋁質(zhì)量主要包括灼堿和粒度等，而氧化鋁料狀主要講粒度、流動性和溶解度。氧化鋁的料狀既與氧化鋁質(zhì)量有關(guān)，又與凈化供料、載氟量有關(guān)，料狀不好的氧化鋁進入電解質(zhì)后，因氧化鋁濕潤性不好、不易溶解，懸浮顆粒狀態(tài)較多，易造成氧化鋁濃度過大。

3 氧化鋁濃度對電解質(zhì)導(dǎo)電率和初晶溫度的影響

3.1 對電解質(zhì)導(dǎo)電率的影響

在電解生產(chǎn)中，電解質(zhì)導(dǎo)電率隨氧化鋁濃度的增加而降低，在加料之后，電解質(zhì)里氧化鋁濃度加大，使電解質(zhì)導(dǎo)電率減小，之后隨著電解過程的進行，氧化鋁濃度逐漸降低，導(dǎo)電率隨之升高。

為了適應(yīng)低溫、低分子比時氧化鋁飽和溶解度低的情況，氧化鋁濃度工作區(qū)應(yīng)盡可能控制在較低的范圍內(nèi)，這樣既可減少爐底沉淀產(chǎn)生，又可獲得較高的電流效率。實踐證明，w（Al2O3）控制在1.5%～2.5%是最佳狀態(tài)，既可保證較高的電流效率，又可防止突發(fā)效應(yīng)發(fā)生。

3.2 對電解質(zhì)初晶溫度的影響

正冰晶石熔體的初晶溫度為1 010 ℃，但在其中添加氧化鋁，讓其溶解成六氟鋁酸鈉和氧化鋁均勻熔體后，其初晶溫度隨著氧化鋁含量增多而降低。六氟鋁酸鈉-氧化鋁為簡單二元共晶系，共晶點在w（Al2O3）=11%處，共晶溫度為962.5 ℃。也就是說，當(dāng)體系中w（Al2O3）達到11%的時候，正冰晶石的初晶溫度達到962.5 ℃的最低點。由此可見，氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)對冰晶石熔體（電解質(zhì)）的初晶溫度的影響很大，平均w（Al2O3）增加1%，電解質(zhì)的初晶溫度下降4.3 ℃左右。

4 改善氧化鋁濃度、減少爐底沉淀的建議與方法

在電解生產(chǎn)中，由于設(shè)計上存在一定的不足或缺陷，或是生產(chǎn)中為了完成一定的指標(biāo)任務(wù)，都會對電解生產(chǎn)和氧化鋁濃度控制帶來一定影響。

槽控系統(tǒng)濃度轉(zhuǎn)換過程中，程序控制的“過量”時間過長，導(dǎo)致電解質(zhì)體系中氧化鋁濃度偏大。原設(shè)計中過欠量轉(zhuǎn)換中的“過量”時間是2 h，導(dǎo)致電解質(zhì)體系中的氧化鋁濃度過大的時間段較長，經(jīng)研究決定將“過量”時間改定為1.5 h，濃度控制有所緩和，但仍存在偏大現(xiàn)象。若再改動需對設(shè)計院制定的程序進行升級改動，目前公司正考慮“程序升級”項目，計劃將“過量”時間控制在1 h，縮小過欠量轉(zhuǎn)換頻率，從而有效解決氧化鋁濃度過高帶來的不良影響。

300 kA 電解系列生產(chǎn)中，設(shè)計上存在氧化鋁濃度的不均衡問題。300 kA 電解槽分布著5 個下料點，分別為“1、3、5 點”和“2、4 點”兩個序列、交叉打殼下料。下料點的不均衡造成氧化鋁濃度的不均衡，加上磁場影響，以及角部極關(guān)系，導(dǎo)致1、3、5 點爐底沉淀明顯較多，特別是第3 點出電端（B5 陽極處）和煙道端角部易長、伸腿偏大，嚴(yán)重情況下還存在新?lián)Q極放不下、陽極運行過程中頂彎大母線現(xiàn)象。因此建議采用“單點下料”方式供料，以有效解決爐底長、伸腿大等問題。

獨點加料對氧化鋁濃度的影響。由于電解槽煙斗設(shè)計上的缺陷，中縫漏料現(xiàn)象嚴(yán)重，造成殼面塊一定量的積存，為了保證殼面塊“零積存”，決定實施磨粉人工上槽回吃措施[3]。具體方法是在靠出鋁端第一下料點，由人工添料至料箱進行回吃，由于殼面塊中含有30%電解質(zhì)成分，序列、交叉打殼下料會造成局部氧化鋁濃度偏低及缺料狀態(tài)，從而造成槽控機誤判，導(dǎo)致NB 間隔縮短、下料量加大，電解槽整體w（Al2O3）偏大。因此不建議采用此方式進行殼面塊回吃，若要回吃的話，建議混合氧化鋁中所有下料點一并打料回吃。

換極后正常NB 間隔對換極區(qū)域氧化鋁濃度及爐底的影響。換極時由于殼面上的氧化鋁入槽，加上新極不導(dǎo)電、不消耗氧化鋁，換極后正常NB 間隔在很大程度上加大了換極區(qū)域氧化鋁濃度，特別是爐底沉淀的增加，對爐膛造成影響。

為了測試換極后換極點區(qū)域?qū)ρ趸X的實際需求量，對換極后換極點區(qū)域進行了單點停料試驗，換極后-換極點停料試驗詳情如表1 所示。

表1 換極后換極點停料時間記錄與槽控曲線運行情況

從試驗結(jié)果來看，單點停料試驗效果相當(dāng)理想，試驗總槽數(shù)20 臺，單點停料時間總計1 137 min，平均56.85 min，理論計算平均停料約為64 kg 氧化鋁，即在目前槽況系統(tǒng)下，每換一組新極，槽控系統(tǒng)對換極點多下料64 kg，造成的爐底沉淀至少在64×2=128 kg以上（50%是電解質(zhì)成分），因氧化鋁溶解過程中有熱量的損失，使得原本換極造成的熱量損失進一步加劇。若將下料系統(tǒng)升級為單點下料，這一系列問題便可很好解決，單點下料將根據(jù)實際需求隨時調(diào)整下料量，直到新?lián)Q陽極正常導(dǎo)電，節(jié)省的非必要下料量遠大于64 kg 氧化鋁。

5 結(jié)論

1）將w（Al2O3）控制在1.5%～2.5%，以此作為控制目標(biāo)是取得較高電流效率的保證。

2）使用過量和欠量加料不斷轉(zhuǎn)換的方法，可保持氧化鋁濃度的波動處于合理的范圍之中。

3）為獲得較理想的經(jīng)濟指標(biāo)，必須使電解槽處于合理的物料平衡與熱量平衡狀態(tài)下，并平穩(wěn)運行，同時減小鋁的二次反應(yīng)。由于氧化鋁的添加是引起物料平衡變化的主要影響因素，因此需將氧化鋁濃度控制在一個狹窄的范圍內(nèi)，才能有效避免爐底沉淀的產(chǎn)生。