提高鋁電解電流效率的生產實踐研究

劉炎森 王宏偉 劉極鋒

摘 要：隨著國內外電解鋁產能的劇增和我國節能減排政策的實施，如何提高電流效率，降低電耗，降低成本，提高產品市場競爭力，已成為電解廠的首要任務。本文借助鋁工業研究對電流效率降低的內部機理進行剖析，全面分析影響電流效率的因素，結合生產實際突出論證科學擺布生產技術條件對提高電流效率的重要性，并歸納總結出提高電流效率的方法和途徑。

關鍵詞：鋁電解；電流效率；技術條件；科學管理

中圖分類號：TF821 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）03-0131-03

Abstract： With the increase of electrolytic aluminum production capacity at home and abroad and the implementation of energy conservation and emission reduction policy in China， how to improve the current efficiency， reduce power consumption， reduce the cost， improve the market competitiveness of the products， has become the primary task of the electrolysis plant. This paper analyzed the internal mechanism of aluminum industry to reduce the current efficiency， comprehensive analyzed the factors affecting the current efficiency， proved the importance of technical conditions of scientific production of mercy to improve the current efficiency combined with the actual production， also summarized the methods and ways of improving the current efficiency.

Keywords： aluminum electrolysis；current efficiency；technical condition；scientific management

電解技術參數對電流效率影響很大，尤其是電解質溫度、電解質成分、極距、電流密度以及鋁水平和電解質水平等[1]。生產中，科學擺布技術條件對提高電流效率至關重要。

1 電解工藝參數對電流效率的影響

1.1 電解質溫度與電流效率的關系

隨著電解質溫度的升高，鋁液在電解質中的溶解度增大，電解質粘度隨之變小，循環加快，鋁的擴散速度和氧化速度加快，擴散系數增大，二次氧化加劇損失增多，Na+放電加劇，Al3+的不完全放電加劇，易形成Al4C3等，這都將降低電流效率。溫度降低，電流效率明顯提高。生產實踐證明，電解質溫度每下降10℃，電流效率可提高1.5%左右。

電解質溫度并非越低越好，其確定要以電解質初晶溫度為基準，大型預焙電解槽電解質溫度要高于初晶溫度10～15℃，生產溫度的確定要依據生產具體條件及工人的技術程度。

電解溫度等于電解質初晶溫度加過熱度，降低初晶溫度和過熱度都能提高電流效率。近幾年來，我國鋁電解生產廣泛采用低溫低電壓技術，取得了良好的效果。但是，生產中如果工人操作水平不高，氧化鋁溶解不好，易形成不規整的爐膛，爐底結殼增厚，爐底壓降增大等不利狀況，這反而會引起電壓波動，造成電流效率降低和電耗升高。

1.2 電解質成分對電流效率的影響

1.2.1 氧化鋁濃度對電流效率的影響。氧化鋁濃度過高，懸浮的Al2O3顆粒增多，這不僅影響電解質導電度，而且容易形成爐底沉淀，影響電流效率。氧化鋁濃度過低，不僅電解質中反應的Al3+濃度減少，而且易造成陽極效應，加大鋁的溶解和氧化損失，降低電流效率[2]。

目前，國內外中心大型預焙槽生產，大多把氧化鋁濃度選擇在1.5%～3.5%。其最大的優點是氧化鋁溶解快，電解質中無懸浮的Al2O3顆粒，熔體粘度小，導電好，不易形成爐底沉淀，爐底壓降小，槽電阻穩定。另外，在此控制范圍內，槽電阻曲線斜率較大，有利于實現計算機自適應控制。這些有利于精確控制氧化鋁下料，長期保持生產穩定，提高電流效率和降低電耗。

1.2.2 電解質分子比對電流效率的關系。隨著電解質分子比的降低，熔體的初晶溫度下降，鋁液與電解質界面張力增大，鋁液鏡面收縮，降低了鋁的溶解度，同時分子比的降低，電解質溫度降低，降低了Na+的活動度和放電的可能性。另外，分子比的降低，也降低了熔體中Na+含量，減少了Na+放電機會，這都有利于電流效率的提高。

我國大型中心下料預焙槽分子比大多控制于2.3～2.6，電流效率比較理想。但是，對于復雜電解質體系，也就是高LiF、高KF電解質體系，由于初晶溫度過低，氧化鋁溶解困難，常采用提高分子比的方法，改善氧化鋁溶解狀況。對于這種電解質體系，分子比長保持在2.65～2.85。

1.2.3 添加劑對電流效率的影響。添加劑對電流效率的影響其實是對電解過程的綜合影響。添加ALF3可使鋁電解溫度降低，增大了電解質和鋁液密度差，減小了電解質粘度，有利于碳渣分離和反應氣體逸出，有利于提高電流效率。實踐證明，添加10% ALF3可使電解質初晶溫度下降20℃。

添加5%左右CaF2和MgF2都能減少鋁的損失，促進熔體中碳渣的分離，降低電解質電阻，提高電流效率，河南永登鋁業有限公司陽城分公司240kA電解槽生產，電解質中添加劑10% ALF3和4% CaF2、MgF2，取得了理想效果。

LiF盡管能增加鋁的損失，但是一定含量的LiF能大幅度降低電解質的初晶溫度和熔體密度，還能增加電解質導電性，總體有利于提高電流效率和降低電耗。因LiF價格昂貴，生產中很少添加。我國北方地區的鋁土礦含有一定的鋰鹽，致使氧化鋁原料中含有一定的氧化鋰，長期使用這種氧化鋁原料，電解質中LiF含量會逐步富集升高，河南永登鋁業有限公司陽城分公司240kA電解槽連續生產7a后，LiF含量已達到6%～7%。由于LiF含量過高，導致初晶溫度只有900℃左右，嚴重影響到了爐幫的形成和氧化鋁的溶解，反而降低了電流效率。目前，公司通過置換槽中電解質和更換氧化鋁原料等手段，降低電介質中的LiF含量。

河南永登鋁業有限公司陽城分公司240kA大型中心下料預焙槽，電解質中添加10% ALF3和4% CaF2、MgF2，取得了理想效果。

1.3 極距對電流效率的影響

根據費克第一定律可知：極距小時，鋁溶解擴散到氧化區的距離縮短，鋁的二次氧化加劇；極距增大時，熔體對流作用減弱，擴散區加厚，鋁不易被氧化損失，電流效率提高。但電壓的升高，提高了電解質溫度，對流加快，攪拌增加，鋁的熔解度增大。為此，當提高極距時，效率開始有明顯提高，當極距高到一定值時，電流效率幾乎沒有變化，反而造成電耗增加，甚至出現熱槽。保持適當極距，對提高生產十分重要。河南永登鋁業有限公司陽城分公司240kA電解槽，設計陽極32組，平均極距保持在4.0～4.5cm，平均電流效率91%～92%。

1.4 電流密度對電流效率的影響

陽極電流密度和陰極電流密度對電流效率的影響是不相同的，陽極設計小，電流密度大，易引起陽極過熱，電解質溫度升高且攪拌加強，造成鋁二次氧化損失增加。反之，當陽極面積大，電流密度減小時，陽極單位面積排氣量小，排出速度減弱，攪拌作用減弱，鋁損失減少，電流效率提高。

陰極電流密度增大時，相當于縮小了鋁液與電解質的接觸面，鋁的擴散損失減少。另外，陰極電流密度增大減弱了鋁離子的不完全放電，電流效率提高。反之，電流效率降低。但是，陰極電流密度增大到一定值時，Na+將參與放電，電流效率反而會有所降低。

總之，在一定的范圍內，電流效率隨著陽極電流密度的增加而降低，隨著陰極電流密度的增加而提高。在生產實踐中，要特別注意建立規整的爐膛，保持適當厚的爐幫厚度，盡可能縮小鋁液鏡面，使其在陽極底掌的正投影下，防止側部漏電，實現提高電流效率的目的。

1.5 鋁水平和電解質水平對電流效率的影響

鋁水平是調節電解槽熱平衡的重要因素，電解槽熱場是否平衡具體反映在爐膛形狀和爐底潔凈程度上，總的趨勢是鋁水平的提高有利于提高電流效率。因為，鋁水平提高，槽溫降低，易形成規整爐膛，鋁液鏡面縮小，減少了鋁損失。同時，鋁水平能夠有效地控制水平電流密度，減少磁場的影響，促使鋁液穩定。這些都有利于提高電流效率。但是，鋁水平過高，槽子容易進入冷行程，造成爐膛伸腿肥大，槽幫上口空，甚至形成病槽，反而降低電流效率，甚至無法正常生產。

電解質有電解槽血液之美稱，其主要作用是溶解Al2O3、導電和穩定電解質溫度等。提高電解質水平，能夠促進Al2O3的溶解，減少爐底沉淀和降低爐底壓降，電解槽熱穩定性好，有利于提高電流效率。電解質過深，不僅造成碳塊利用率低、碳耗增加，造成洗鋼爪，影響原鋁質量，而且引起陽極側部跑電增多，引起槽水平電流加大，電解質排氣不暢，鋁液波動加劇，鋁損失增多，易引起電壓擺動，電流效率降低；電解質過淺，熱穩定降低，易出現病槽，更有害于電流效率。

河南永登鋁業有限公司陽城分公司240kA電解槽鋁水平保持在26～28cm，電解質水平保持在18～20cm，生產中取得了理想的電流效率。

1.6 辯證地看待電解參數與電流效率的關系

電解工藝參數對電流效率的影響是一個復雜的過程，單獨改變某一個工藝參數對提高電流效率而言，既有積極的一面，也存在著一定的負作用。在生產實踐中，必須用辯證的、普遍聯系的眼光，綜合考慮各種工藝參數的作用，進行全面的分析研究，探索科學合理參數組合方案，使電解槽盡量運行在最佳狀態，才能取得較好的電流效率和較低的電耗指標。

2 提高電流效率的途徑

2.1 先天管理是提高電流效率的基礎

抓好電解槽焙燒與啟動環節，特別是起動后期管理，高度關注這一時期的槽電壓、槽溫、分子比、效應系數、電解質水平和鋁水平等工藝參數，使電解槽扎糊良好焦化，使電解質形成堅固、規整、穩定的陰極槽膛，這是電解槽高效生產的必備條件，也是節能降耗的前提。所以，電解槽預熱、啟動和后期管理，必需高度重視，精心對待，為提高電流效率打下良好、堅實的基礎。

2.2 科學管理生產技術參數是提高電流效率的重要途徑

上述論證表明，生產技術參數是電解槽熱場平衡和物料平衡的基礎，是保證電解槽穩定高效運行的重要條件。具有良好技術條件的槽子，自平衡能力強，抗病能力強，電流效率高；反之，電流效率較低。生產中要根據生產實際情況，科學合理選定電流、電壓、電解質溫度、分子比、鋁水平和電解質水平等重要技術參數，并科學搭配組合，長期穩定保持，使電解槽始終運行在最佳工作狀態，才能確保生產穩定高效。否則，電解槽始終運行在波動之中，很難取得較高的電流效率。

2.3 精細化操作、提高作業質量是提高電流效率的關鍵

電解生產中包括換陽極、出鋁、封保溫料和打火眼兒等多項操作，這些作業質量直接影響著電流效率。換極質量關系著陽極電流分布、氧化鋁濃度高低和槽電壓擺動等，出鋁偏差的大小關系著槽熱平衡，效應熄滅的方法和時間關系著槽子的穩定性，保溫料的厚薄關系著槽子的熱穩定和爐膛形狀，這些眾多的操作都直接決定著電解槽能否穩定高效生產。生產中，必須制定科學合理精細的操作規程，并確保落到實處，方可取得較高的電流效率。生產中的精細化管理要做到以下幾點，一是人、機結合。盡量自動控制，減少純手動、取消陽移、定時下料、人工控料等非常規操作；杜絕無故手動升降陽極或手動下料，出鋁、換極、廣播提示等。二是炭渣打撈。加強炭渣打撈力度（4次/槽·班），確保電解質潔凈以提高導電性，并防止陽極長包。三是巡視到位。火眼暢通，卡堵處理到位。四是現打殼錘頭沾錘頭現象較多，在打殼錘頭未減短之前，要及時巡查并處理（2次/班），確保下料正常。五是提高換極操作質量，減少換極后的針擺或長欠量。六是新極返尺高度一律定為2cm，每天檢查新極16h的電流分布。七是槽蓋板密封。八是關于調極。勤測、多分析、少調極，確保陽極底掌水平。當針振連續2h不小于15mV時，必須安排測全槽電流分布，對電流分布異常極，及時調整以降低針振，小于15mV時一律不準調極。

2.4 提高計算機控制精度對提高電流效率至關重要

預培槽的管理追求“穩”，只有科學管理計算機控制系統，提高控制精度，科學設定電流、電壓、AE間隔、NB間隔等參數，加強維護保養，確保其安全可靠運行，才能確保電解生產的物料和熱均平衡，取得理想的電流效率。

日常生產管理中，要及時對計算機監控曲線盡性分析，從中發現生產中存在的問題，做到防患于未然。監控曲線完好的標準是槽電壓可控，NB過欠比2.0～2.5，針振幅度1～10mV，累斜80%在0以上，曲線平滑連續。

2.5 加強電解槽系列的絕緣管理，減少電流空耗損失

電解槽槽罩不絕緣、槽間蓋板不絕緣、電解槽對地不絕緣，造成多點接地等現象都能使電流旁路，造成電流空耗損失電能，降低電流效率。

2.6 減少黑電壓，增加有效工作電壓

母線各壓接面間的壓降及爐底壓降都是無效電壓。生產中要盡量減少爐底壓降、卡具壓降、立柱母線壓接面壓降、鐵碳壓降。生產中要采取有效措施，把節約的電壓轉移到極距電壓上，適當提高極距，能有效提高電流效率，減少電耗。

2.7 加強科研試驗，積極引進新技術，大膽創新

近幾年來，我國電解鋁技術得到了長足發展，特別是提高電流效率和降低電耗方面的技術。鋁電解生產要及時采用新技術、新工藝，才能取得理想的電流效率和經濟效益。如近幾年發展起來的陽極碳塊開溝技術、側部異型復合塊技術、降低鐵炭壓降新技術、高效陽極技術、陽極預熱技術及新型穩流節能鋁電解槽技術等，這些技術在使用中都取得了明顯效果。在生產管理中，要積極引進新技術，大膽創新，用科學的方法取得較好的電流效率。

通過對影響鋁電解生產電流效率因素的全面分析和生產實踐驗證，選定科學合理生產技術參數組合和加強生產精細化管理，是提高電流效率的重要途徑；科學管理，精心操作，加強計算機控制技術、電解系列絕緣和系列電壓管理，以及加強新技術的推廣應用是提高電流效率的有效途徑。

參考文獻：

[1]梁學民，張松江.現代鋁電解生產技術與管理[M].長沙：中南大學出版社，2011.

[2]劉業翔，李劼.現代鋁電解[M].北京：冶金工業出版社，2008.