基于數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜鋁電解質(zhì)體系工藝優(yōu)化研究

曹國強

（中國鋁業(yè)股份有限公司連城分公司，甘肅 永登 730335）

在我國的復(fù)雜鋁電解質(zhì)體系工藝中，通常使用氧化鋁作為原料，但氧化鋁中存在大量的氧化鋰，在氧化鋁融鹽鋁電解中，往往會導(dǎo)致氧化鋁在下沉過程中出現(xiàn)將氧化鋰一并帶入進去電解質(zhì)體系的情況，并且與其發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氟化鋰的生成[1]。在我國的復(fù)雜鋁電解質(zhì)體系工藝中，由于我國多是鋁鋰共生礦，因此高鋰鹽氧化鋁是占據(jù)我國主要的復(fù)雜鋁電解質(zhì)體系工藝的主要原料，氧化鋁的平均氧化鋰含量達到了0.3%，使得氧化鋁原材料中的鋰鹽濃度不能穩(wěn)定控制，造成鋁電解質(zhì)體系非常復(fù)雜的情況。因此，本文基于數(shù)據(jù)分析，提出了復(fù)雜鋁電解質(zhì)體系工藝的優(yōu)化，通過分析國內(nèi)不同鋁電解企業(yè)的電解體系情況以及其生產(chǎn)工藝的參數(shù)控制以及技術(shù)指標等完成對復(fù)雜鋁電解質(zhì)體系工藝的優(yōu)化[1]。

1 對于鋁電解質(zhì)體系以及工藝參數(shù)和生產(chǎn)指標技術(shù)的數(shù)據(jù)分析

1.1 鋁電解質(zhì)體系分析

我國的鋁電解體系共分為三個片區(qū)，分別為中部片區(qū)、西北片區(qū)以及西南片區(qū)，這三個片區(qū)中共存在11個鋁電解生產(chǎn)系列電解質(zhì)體系復(fù)雜的情況，對于氟化鋰的含量具有明顯的區(qū)域特征。中部片區(qū)的氟化鋰含量最高，平均氟化鋰濃度達到了6%，最高濃度達到了9%，遠遠超過了最佳濃度，這也使得鋁電解質(zhì)的工藝調(diào)整控制與生產(chǎn)運行方面造成了極大的困難，西北片區(qū)相比于中部片區(qū)情況會較好一些，但也達到了平均濃度5%，但是西南片區(qū)則達到了最佳濃度，在1.5%左右。

表1 三個片區(qū)11個電解生產(chǎn)中氟化鋰含量對比

1.2 工藝參數(shù)

在對鋁電解質(zhì)體系分析中的11個存在電解質(zhì)體系復(fù)雜情況的鋁電解生產(chǎn)系列中，對槽電壓、電解質(zhì)溫度、各槽電流效率、氟化鋰、氟化鎂、分子比、氧化鋁濃度等工藝參數(shù)提供理論數(shù)據(jù)，如下表所示。

表2 11個電解質(zhì)體系工藝參數(shù)

鋁電解槽電壓從低到高為80KA～400KA，測定體系中電解質(zhì)溫度需要控制在920℃～930℃之間，電流效率在90%～91%，氟化鋰、氟化鎂含量控制在1%～4%，電解質(zhì)分子在4%以內(nèi)，氧化鋁濃度控制在1.5%～2.5%之間，在以上工藝參數(shù)范圍內(nèi)鋁電解生產(chǎn)效果較好。

1.3 復(fù)雜鋁電解質(zhì)體系對生產(chǎn)的影響

復(fù)雜鋁電解質(zhì)生產(chǎn)過程中添加鋰鹽，確保電解生產(chǎn)降低能耗，鋰鹽富集作用使鋁電解質(zhì)體系中形成的氟化鋰速度大幅度提高，由上文可知氟化鋰最佳濃度控制在1.5%～2%，氟化鋰濃度過高導(dǎo)致了電解質(zhì)的初始晶體溫度降低，進而導(dǎo)致溶解氧化鋁的能力下降，在對高鋰鹽氧化鋁長期使用時，由于存在富集作用，使得鋁電解質(zhì)體系中的氟化鋰濃度極度提高，濃度高達4%，電解質(zhì)出晶溫度對鋁電解過程中氟化鋰濃度影響如下圖所示，由于在氟化鋰濃度過高時會出現(xiàn)初始晶體溫度降低的情況，因此，為防止初始晶體溫度降低而導(dǎo)致得氧化鋁無法溶解，進而造成電解槽爐底堆積大量沉淀，使得生產(chǎn)技術(shù)工藝難度大幅度增加，影響了電解槽得運行穩(wěn)定性。鋁電解過程中常出現(xiàn)鋁二次氧化反應(yīng)，這一過程較為復(fù)雜，會引起電槽發(fā)生漏電、局部短路，造成一部分電流效率的損失，因此，為了避免電解槽運行不穩(wěn)定所導(dǎo)致的電流效率降低和電能損耗過大，嚴格控制鋁電解過程中二次氧化反應(yīng)出現(xiàn)。

圖1 電解質(zhì)出晶溫度對鋁電解過程中氟化鋰濃度影響

2 優(yōu)化工藝參數(shù)的確定

突出基于數(shù)據(jù)分析，但此處缺數(shù)據(jù)支持通過對于三個片區(qū)的1個鋁電解系列進行分析，發(fā)現(xiàn)其中通過鋁電解體系對于其工藝參數(shù)控制以及生產(chǎn)技術(shù)方案的分析，可得出，對于鋁電解質(zhì)體系的控制工藝，總體水平差距不大，但氧化鋁消耗量較大，氧化鋁反應(yīng)消耗速率可以由以下公式表示：

按照92%計算，為系列電流，得到氧化鋁反應(yīng)消耗速率為3.93kg/min

為了實現(xiàn)本文所提出的高效低能的目標，綜合所有因素，最后決定采用鋁電解質(zhì)的工藝方式參數(shù)作為在正常實際生產(chǎn)中的參考指數(shù)指標，由表2可得出，對于鋁電解質(zhì)體系的氟化鋰含量的控制程度，可控制在最佳濃度之間，且可以取得理想的生產(chǎn)技術(shù)指標。但若氟化鋰的含量過高或過低，則不能很好的優(yōu)化工藝參數(shù)，但在特定情況下，還是可以取得理想的生產(chǎn)指標的。

3 工藝優(yōu)化方式

對于復(fù)雜鋁電解質(zhì)中低鋰鹽鋁電解質(zhì)體系的工藝優(yōu)化

低鋰鹽鋁電解質(zhì)體系的工藝中，主要目的是增強其導(dǎo)電性能與電流的使用效率，以此降低對于電解質(zhì)能源的損耗，達成理想得生產(chǎn)技術(shù)指標，并通過在實際生產(chǎn)中的經(jīng)驗，可以使用添加鋰鹽的方式來提高氟化鋰在鋁電解質(zhì)體系中的含量，使之滿足其濃度處于最適濃度區(qū)間內(nèi)，使用高鋰鹽含量電解質(zhì)體系，電解生產(chǎn)槽溫度降低，氧化鋁溶解達到可控制濃度，如下表所示。

表3 添加不同濃度鋰鹽對氟化鋰、氧化鋁濃度影響

本文提出采用置換方法，將一定比例的低鋰鹽氧化鋁加入高鋰鹽鋁電解質(zhì)體系生產(chǎn)系列，以此可以有效的緩解氟化鋰所導(dǎo)致的富集作用，但隨著鋁電解槽使用時間越來越長，氟化鋰所累積的濃度會越來越高，調(diào)控氟化鋰濃度。

本文對于三個片區(qū)的11個鋁電解質(zhì)體系進行了控制工藝參數(shù)與生產(chǎn)技術(shù)指標的數(shù)據(jù)分析，得出了控制氟化鋰濃度的最佳方式，并且對于如何控制氟化鋰濃度給予了方法，以直流電能損耗增加并且其他參數(shù)不變的情況下，綜合各種因素，實現(xiàn)了鋁電解加工高效能低能耗的目標，對其的控制參數(shù)可以作為在實際生產(chǎn)中的高鋰鹽鋁電解體系的重要參考指標。

4 結(jié)論

根據(jù)以上研究，本文得出如下結(jié)論。

（1）對于本文研究的復(fù)雜鋁電解質(zhì)體系工藝來說，氟化鋰的含量對于鋁電解的工藝選擇以及生產(chǎn)技術(shù)的選擇都是重要的影響因素之一，只有將氟化鋰的濃度控制在最佳濃度區(qū)間，才可以使得生產(chǎn)效果提升并且降低電能的損耗，因此，氟化鋰的濃度參數(shù)時在實際生產(chǎn)中最為重要的指標參數(shù)。

（2）在對復(fù)雜鋁電解質(zhì)生產(chǎn)工藝改進中，本文提出了添加鋰鹽方法來調(diào)節(jié)氟化鋰在鋁電解質(zhì)體系中的含量。在對于高鋰鹽濃度的鋁電解質(zhì)體系中，本文提出了將置換思想運用于其中，將一定量的低鋰鹽濃度的鋁電解質(zhì)加入其中，使得氟化鋰濃度得以降低，達到了控制氟化鋰濃度的目的，實現(xiàn)高效能低耗能的目標。