鋁電解工藝參數對金屬設備電流效率的影響

張素芬

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

現代鋁電解工藝追求的技術目標之一就是盡量減少電能損耗，有關這方面的努力除了需要優化電解槽設計、加大電解槽容量以外[1]，研究范疇已經擴大到應該怎樣優化技術條件以及選擇合適的工藝參數等方面。鋁電解的相關從業人員都了解，影響鋁直流電能損耗的因素主要有兩個，即電流效率與平均電壓。而對極距、電解質成份、槽膛內形等技術參數進行優化對提高金屬設備電流效率以及降低平均電壓均有著不容小覷的作用。

1 低極距對電流效率的影響

鋁電解槽堅持低極距的主要功用，國內外有關著作專門作過集中討論，按照某鄉鋁廠80kA和100kA側插自焙槽的實踐經驗認為，在其他技術參數比較理想的基礎下，鋁電解槽堅持較低的極距對提高金屬設備的電流效率和降低平均電壓有一定程度的作用。可是保持低極距需要以兩極發揮良好、槽膛內形完整、鋁水平與電解質水平適宜調配為前提條件[2]。在工業鋁電解槽中，強大的電磁力導致鋁液在電解質一鋁液臨界面發生震蕩，鋁液震蕩的危害之一就是導致大量鋁發生迅速溶解、氧化過度，這就是鋁電解槽不得不始終堅持較低極距運轉的主要原因。

以往的認知認為側插自焙槽的極距絕對不可以小于5Cm，近年來國內外有關電鋁工廠和科研機構借助實驗研究以及工業實驗等途徑已經得出不同看法，普遍認為鋁發生再氧化反應的地點主要是位于陽極下面2——5cm處。當極距小于3.5cm的時候[3]，電流效率就會迅速下降，究其原因是由于陽極氣泡的散出使電解質一鋁液界面震蕩幅度加大，而極距在3.5——5.0cm范圍內電流效率不會發生明顯改變。國內一部分廠家曾經報道80kA側插槽保持較低極距運營(3.89era)，電流效率的平均值大概是90.34，而在此之前電解槽極距一般控制在4.03cm時，電流效率普遍在78——88之間晃動。由此可知，保持一定程度的低極距對提高電流效率是具有一定作用的。

2 氧化鋁濃度對電流效率的影響

氧化鋁濃度高低不僅影響到電流效率的好壞，同時也是鋁電解反應是否可以在低分子比等新工藝環境下安全運行的關鍵因素。氧化鋁濃度在5%以下時，濃度越低電流效率就越高[4]。而通常來說氧化鋁濃度控制在1.6%——3.3%之間時，既可以大幅提高電流效率，又可以有效控制鋁的陽極效應。截至到現在為止，國外電解槽一般傾向于在低氧化鋁濃度(1．6%——2%)的條件下進行電解鋁反應，其優勢是：氧化鋁可以迅速發生熔解，熔體中不會出現懸浮的氧化鋁固體顆粒，對熔體的導電度、粘稠度以及防止在槽底產生氧化鋁沉淀物均有著極好的作用，有助于安全生產，提高電流效率。

3 鋁水平和電解質對電流效率的影響

電解槽中是存在鋁液和電解質等成分的，由于各自成分密度的不一樣而導致發生溶液分層狀況，各個液層的厚度表示其對應的水平。配置科學的鋁液高度是電解槽取得較高技術經濟指標不可或缺的關鍵要素，工作狀態中電解質水平一般需要維持在24——30 cm，大型預溶槽的鋁液水平則需要維持在20——25 cm。關于鋁水平和電解質優化前后的變化見下表。

表1 鋁水平和電解質優化前后對比

電解槽的穩定性和散熱性也受到鋁液水平的影響，鋁液水平在一定程度上會降低熱損失，加強鋁液波動，提高槽內電流分量水平，電解槽的穩定性非常容易遭到破壞，可卻不會產生爐底沉淀物，所以保持鋁液水平的科學配置以及穩定是極其有必要的[5]。維持鋁液和電解質一定水平的主要功用是：其一，形成了一層較好的散熱通道，通過散熱通道，剩余熱量會迅速外傳至陽極周圍，從而大大平衡了電解槽內每一處的溫度。其二，陰極炭塊上不會持續性放電外析鋁離子，阻止了碳化鋁的出現，降低了爐壓。其三，合理厚度的鋁液層相當于起到緩沖和保溫的雙重保護作用，能夠確保爐底溫度不會由于驟熱或驟冷而出現早期毀壞。其四，磁場作用能夠被一定厚度的鋁液層所削弱。其五，鈉離子直接作用在炭塊上會因放電而被大量析出。其六，鋁水平、電解質能夠維持一定量的鋁液水平，磁場內的電流會大幅度削減，大大減低了鋁液的循環頻率，從而使鋁液不會發生劇烈震蕩。其七，爐底水平界面的凹凸不平，鋁液層能夠起到填充填平的作用，有助于均勻爐底電流分布。最后，鋁液的高度會在一定程度上影響到伸腿的具體高度。所以，根據電解槽的使用時間以及電解工藝的技術水平確保電解槽內鋁液高度的科學合理能夠有效提高電流效率，推動安全生產。

4 理想楷膛內形的影響

建立和保持理想的楷膛內形能夠有效提高電流效率。在鋁電解的實際生產過程中，建立和保持完整合理的槽膛內形是確保電解槽運行安全、穩定的重要基礎。實踐證明，槽膛內形對于陽極鋁液的電流劃分、電流效率、電解質的震蕩、鋁液面的起伏以及陽極壽命等均會產生較大的影響。槽膛內形有以下幾種可能的形狀見下圖。

圖1 槽膛內形可能出現的幾種形狀

決定槽膛內形的主要因素，一是陽極結構的設計，二是實際生產過程中的具體操作參數。在陽極結構設計初步確定后，建立和保持較為理想的槽膛內形就只能依賴于技術條件的合理實施以及操作參數的科學選取了。

5 結束語

本文對鋁電解工藝參數對金屬設備電流效率的影響進行分析，依托鋁電解工藝的技術流程和相關問題，根據電流效率的一系列的屬性，研究工藝參數對其影響。希望本文的研究能夠為金屬設備電流效率的提高提供理論依據。