加銅盤存法測算鋁電解槽電流效率工藝研究

焦慶國，汪艷芳，李昌林，包生重，侯光輝

（中國鋁業鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041）

自從埃耳-霍魯電解法產生以來，電流效率一直是衡量鋁電槽生產的一個重要指標，電流效率高低可以很好的體現各項技術經濟指標，衡量生產管理優劣，反映產能和電耗等。但由于鋁電解槽內有一定量鋁液當作陰極，當期出鋁效率并非電解槽真實電流效率，如不能測算真實電流效率而只考慮出鋁效率，則會造成無計劃的非進度出鋁，嚴重時破壞電解槽的熱平衡，影響電解槽穩定性。

測算電流效率的方法主要有三種：盤存法、回歸法和氣體分析法。盤存法適用于測算長期電流效率，回歸法用于測算短期內電流效率，氣體分析法適用于測算瞬時電流效率[1]。本文主要對盤存法特別是加銅盤存法進行研究分析，從選槽標準、加銅量、計算公式和第二次盤存時間等方面找出影響盤存結果因素，優化加銅盤存法工藝操作，為企業測算電流效率提供參考。

1 盤存法介紹

盤存法測算電流效率是通過一定時期內鋁電解槽在產鋁變化與出鋁電流效率進行校正計算所得。該方法又分為兩種：簡易盤存法和中間元素稀釋盤存法。

（1）簡易盤存法

通過測量鋁電解槽內爐幫厚度、伸腿高度以及多點鋁水平等物理尺寸進行簡單幾何計算出槽內在產鋁量。其優點是工藝簡單，易操作，且不對原鋁質量造成影響。缺點是計算誤差大，勞動量大，對電解槽熱平衡有一定影響。

（2）中間元素稀釋盤存法

在電解槽內加入一定量中間元素，使其均勻熔于原鋁液中，通過分析其在鋁液內前后濃度差來測算槽內在產鋁量。通常采用的中間元素有銅、銀、鋅和硅等金屬。該方法的優點是測算準確性強，勞動量小，缺點是對原鋁質量有一定的影響[2]。

由于銀價格較貴，其性價比差；原鋁液自身硅含量較高，且槽內影響硅元素因素較多，計算精確度差；鋅的熔點較低，具有一定的揮發性，也可排除。因此，目前盤存采用以銅元素為主。

2 加銅盤存法工藝優化

文獻[3][4]對加銅盤存在產鋁方法的基本操作和注意要點作了較為詳細描述，其主要操作為：在樣本槽出鋁后進行本底銅取樣，然后分別在出鋁端和煙道端加入稱量好的銅，等待銅全部熔化并均勻擴散到整個槽內時再次取樣分析，最后通過計算公式計算出該槽的在產鋁量。為了更加準確的確定槽內在產鋁量，為測算電流效率做好準備，本文作者根據近年來加銅盤存的工藝實踐，對該方法提出了進一步優化方向。

2.1 選槽標準

為準確評估測算系列電解槽電流效率，在選擇加銅盤存槽時應選擇槽況穩定，出鋁效率平穩，槽齡適中、鋁水平高度具有代表性電解槽進行。同時，由于銅元素對原鋁質量有一定影響，選取電解槽數量應控制在5%--10%之間。

2.2 加銅量確定

根據重熔鋁錠化學成分標準（見表1），重熔鋁錠Al99.70b的含銅量不得大于0.01%，現系列生產中電解槽內原鋁中銅含量普遍在0.002%～0.004%，原則上加銅量不得超過合格重熔鋁錠標準，但由于其濃度差只有3--5倍，通過實踐驗證，盤存結果準確率較低。

在實際生產中，由于選槽比例較小為10%左右，在重熔鋁錠的熔配過程中可以有效稀釋。因此為使分析數據效果放大，建議將濃度差加大到10倍以上，以確保單槽盤存的準確度。以500kA電解槽為例，其槽內在產鋁量約為35噸左右，本底銅含量以0.003%計算，將濃度擴大10倍以上為0.03%，其加銅量應在10.5千克左右。

表1 重熔鋁錠Al99.70b化學成分標準

2.3 計算公式優化

根據盤存元素稀釋法原理，可以推導出公式（1），在考慮稀釋元素加入量時，可以推導出公式（2）。兩者計算結果均為出鋁前槽內在產鋁量，通過結果驗證，兩者結果差約為加入稀釋元素重量，誤差約1‰。此兩公式均未考慮兩次取樣時間段內原鋁實時產出的增加量，為了更加準確盤存槽內在產鋁量，作者將實時產出增加量代入公式（2）中，可以推導出公式（3），公式（3）計算結果為出鋁后在產鋁量。通過結果驗證，公式（2）減掉相同出鋁量后與公式（3）的結果誤差約1%。因此，建議采用公式（3）作為在產鋁計算依據。

式中：M1—槽內在產鋁量，kg；Q—加入銅的重量,kg；C0—盤存前銅含量，%；

C1—盤存結束銅含量，%；I—盤存期電流強度，A；t—兩次取樣時間間隔，h；

η—電流效率（%）；兩次取樣時間內平均電流效率，由于此數是未知的，可以以系列年平均值計算；因為在核實電流效率時，該值兩者相同，不影響最后計算結果。

2.4 取樣時間與次數確定

目前大部分企業取樣以加銅后24小時一次樣分析為主，這樣的操作一旦有誤，則會造成整個測算工作失敗。根據文獻[3]可知，銅在鋁液中4小時后其熔化和濃度擴散就已完成。因此，第二次出鋁前追加取樣次數不會影響分析數據，建議將取樣次數分為3次，時間分別為加銅后8小時，16小時和24小時，然后取三次分析結果的平均值，以確保整個測量工作的準確性。表2為某企業500kA2068#三次取樣分析加銅盤存數據表。

表2 某企業500kA2068#槽加銅盤存數據表

2.5 測算單位高度鋁水量

由于采用加銅盤存法槽臺數比例較小，因此需要通過對盤存槽的鋁水平與在產鋁量的對應關系測算出全系列電解槽在產鋁量。從表2可以看出，加銅盤存槽在加銅前對鋁水平高度進行了測量，當測算出該槽在產鋁量時，則可測算出系列該槽型單位高度鋁水量。以表2數據為例，該槽單位高度鋁水量為：34321÷26.75=1283(kg/cm)。因此，可以通過測量其他未參與加銅盤存槽的鋁水平估算在產鋁量。

2.6 第二次盤存時間確定

由于增加了加銅量，銅元素在電解槽內濃度衰減周期增長。圖1為某電解槽30天內的濃度變化圖，從圖中可知，一個月后其銅濃度仍在0.02%以上，如果此時進行第二次加銅盤存，其濃度差較小，影響分析精度。以此推算，該槽約在80天左右才可衰減到0.01%以下，因此建議第二次加銅盤存時間以90天為宜。

圖1 某槽30天內銅濃度衰減圖

3 測算電流效率

盤存法測算電流效率原理是相對簡單的，但測量精度要求很高。因此，必須嚴密控制操作步驟，做好過程記錄，做到專人負責，保證數據準確無誤。主要工作有：做準兩次加銅盤存在產鋁量；記錄兩次盤存期內電解槽實際出鋁量。

根據兩次加銅盤存量變化值和期間實際出鋁量，測算出該槽真實電流效率，具體計算見公式（4）。

公式（4）：

η=[∑m+(M2-M1)]＊103/0.3356×24×It×100%

式中：η—電流效率（%）；∑m—盤存期間累計出鋁量，kg；

M2—第二次加銅盤存在產鋁量,kg；M1—第一次加銅盤存在產鋁量,kg；

I—盤存期系列電流強度，A；t—兩次盤存時間間隔，天。

4 結語

加銅盤存法是準確測算鋁電解槽真實電流效率的有效方法之一，本文通過確立選槽標準、提高加銅量、增加取樣次數，完善計算公式和推遲第二次盤存時間等措施，對加銅盤存法工藝進行了全面的優化，為測算一定時期內電解槽真實電流效率提供依據，幫助技術人員按照產多少出多少的原則控制出鋁指示量，保持鋁水平的相對穩定，為電解槽長期平穩高效生產打下良好基礎。