改善鋁電解高鋰高鉀復雜電解質體系的實踐探究

段 波

（陜西有色榆林新材料集團有限公司，陜西榆林 719000）

作為冰晶石溶解鋁電解的常見原材料，氧化鋁的產地差異往往會導致生產過程中工藝上的差別，其帶來的經濟效益也存在較大的不同。一般來說，根據產地將高鋰高鉀氧化鋁以及低鋰低鉀氧化鋁作為主要區分方式，其中高鋰高鉀氧化鋁主要出產于山西、河南等地區，這些區域的鋁土礦存在雜質較多的問題，所以這里出產的氧化鋁產品也會存在這些情況。在實際生產中，長期使用高鋰高鉀氧化鋁，會導致電解質體系當中具有較高濃度的氟化鉀以及氟化鋰，從而影響到生產工藝的穩定性。其中，氟化鋰會降低電解質的電阻，從而實現低電壓生產有利條件，對于降低初晶的溫度也具有一定的幫助。但是鋰含量過高，可能也會引起初晶溫度較低的問題，氧化鋁溶解度會相應的下降，進而導致氧化鋁沉淀問題，會阻礙生產的進程。為了進一步分析改善氧化鋁高鋰高鉀復雜電解體系的策略，現就實際的生產工況條件介紹如下。

1 生產工況概述

本次研究選取河南某公司的生產工藝作為研究對象，該地區一直沿用傳統的生產操作模式，在該模式當中包括低溫、低分子比、低過熱度等特征，通過電解過程高電效、低電耗以及低排放，能夠追求更高水平的電解過程，提升系統的平穩性以及電解槽的壽命問題，從而保障整體的穩定性。在實際生產過程中，對工作電壓進行調整后，可以保持電流效率90%以上的成績，該生產過程相對穩定。但是在運行一段時間后，出現了電解槽爐底壓降異常變動的問題，為了及時查找相關問題的發生原因，對電解質的濃度以及初晶問題進行綜合分析后發現，該公司電解質的氧化鋁濃度為3%，而氟化鋰、氟化鉀的含量均達到了6%以及2.3%以上，此時的初晶溫度為885℃。根據相關研究結論來看，在氟化鋰的含量超過4%時，就會影響到氧化鋁電解體系的穩定性，顯然該電解質成分已經可以納入高鋰高鉀電解質體系的范疇。

2 鋁電解高鋰高鉀復雜電解質體系的發生原因

鋁電解高鋰高鉀體系的發生原因是復雜多樣的，但是根據相關數據進行分析，其核心影響因素可以歸納如下幾個方面。

2.1 原材料因素

隨著國內鋁土礦使用總量的持續增加，高品位的鋁土礦原材料越來越難以獲取。目前，國內氧化鋁主要以粉末狀、中間態為主，這樣的原材料本身就存在有溶解度較低的問題，所以對于電解質的溶解度具有很高的要求。如果使用高鋰高鉀氧化鋁，那么在電解過程中就會出現氧化鋰以及氧化鉀聚集的問題，隨后通過綜合反應后形成氟化鋰、氟化鉀，氟化鋰與氟化鉀進入到電解質當中且難以去除，久而久之就會影響到氧化鋁的整體溶解度，帶來槽底沉淀等問題。

2.2 電解槽因素

電解槽的使用年限也是一個影響電解質體系的重要因素。隨著使用年限的增加，大部分的爐底都會陸續出現破損與隆起問題，此時槽底的結殼厚度會顯著增加，如果采取較高電流密度參與生產，勢必會導致電解槽的磁場穩定性受到破壞。根據實際的測試數據來看，受到磁場與其他操作因素影響后，出口的鋁水平差異較高，很容易出現整體工藝不穩定性的問題。

2.3 工藝因素

在氧化鋁參與生產過程中，工藝也是一個重要的影響因素。電流密度是一個重要工藝參數，在高鋰高鉀的電解質體系當中容易出現初晶溫度較低的情況，此時電解槽的爐幫形成難度會增加，如果遭遇較高的電流密度，會出現電壓不調整導致電解槽有效距離壓縮的問題，隨之影響到電流效率與整體穩定性。除此之外，較高的電流密度也會影響電解槽的熱穩定性，導致內部的散熱量增加，進一步影響整體使用性能，同樣也會對槽幫形成構成新的威脅。過熱控制主要針對電解槽初晶溫度不高的問題，通過保持合適的過熱度能夠有效提升槽溫控制水平，較低的生產穩定性也會影響到生產工藝的過程穩定性。過熱度控制要考慮到電解槽本體的情況，避免受到磁場與操作的不良影響，盡可能提升電解槽的整體穩定性。

3 改善鋁電解高鋰高鉀復雜電解質體系的實踐策略

改善高鋰高鉀復雜電解質體系需要考慮到工藝實現流程以及相關機制問題，現分別就改善高鋰高鉀復雜電解質體系的實踐策略進行分析。

3.1 針對槽控機實施系統升級

經過長期的運行使用后，槽控機容易出現設備老化、系統故障頻發問題，控制的精度也會相應的變差，部分控制參數更會影響生產技術需求。為了進一步提升電解槽的控制精度，需要實施技術改造。通過電解槽控制系統在線升級的模式，能夠解決智能模糊控制機制，從而進一步實現氧化鋁濃度的精準控制。通過合理調整濃度范圍，提升了槽控機的使用穩定性，最終也取得了良好的系統升級效果。實施濃度調整時要注意方式方法，既要突出過去傳統設備的使用操作流程，提升經濟效益，也需要兼顧基本的系統特征，做好低濃度范圍內的濃度操作控制工作，從而獲得良好的控制條件，提升系統升級的價值。

3.2 進一步優化電解工藝流程

電解工藝流程的設計需要考慮到散熱、排向等問題，在改造前該項目存在爐幫不宜形成的情況。針對該現狀添加電解質體系中的工藝優化部分，在原技術基礎上添加兩低兩高工藝路線的方式予以解決，分別包括降低電流密度與氧化鋁含量，提升鋁水平以及分子比，從而有效降低高鋰高鉀復雜電解質體系的復雜程度。

3.3 減輕電流密度與過熱影響

根據工藝優化的方案要求，做好系列電流的調整，使得陽極電流密度進一步下調，此時電流降低后電解槽的熱量也會相應降低，在電壓不變的情況下經濟性明顯增加。

3.4 完善低氧化鋁控制機制

低氧化鋁濃度的合理控制也可以解決高鋰高鉀復雜電解質體系中溶解度較低的問題。實際上，只有通過氧化鋁濃度合理控制，減輕沉淀的生產量，才能夠確保電解槽科學、平穩的運行。經過技術升級改造后，總結出相應的參數設定值，通過技術調整，對氧化鋁的濃度進行了合理的調整，電解槽的摸排水平有明顯提升，電解槽的爐底壓降也相應得到了控制。

3.5 采用電解質置換機制

為了進一步改善電解質當中各種成分的比例關系，可以采取購置電解質的方法來解決高鋰高鉀復雜電解質體系問題。通過在外地購置低鉀低鋰電解質模塊的方式能夠及時解決電解車間破損問題，通過將面殼塊添加后再進行液態電解質的補充，成功實現了逐步稀釋與合理控制的目標。經過技術改造，半年時間內將高鋰高鉀復雜電解質體系當中的鋰鹽含量控制在5%以內。

3.6 進一步改善分子比

在技術改造前，初晶溫度保持在890℃，如果持續進行過熱生產，電解溫度也僅能夠達到905℃，容易出現大量的槽底沉淀，難以處理。在爐底壓降升高控制方面，可以采取分子比調整的方式予以解決。將分子比從過去的2.5提升到2.7后，可以明顯地感受到電解質初晶溫度提升，根據測試實際提升初晶溫度20℃，效果突出。

3.7 進一步推動爐幫的形成

結合現階段鋁水平現狀與改造的要求，為了更好地適應爐幫形成的必要條件，必須將鋁水平從26cm 以下提升到27～29cm，以滿足鋁水平調節的要求，促進電解槽的側部熱量揮發，逐步形成穩定的爐幫，這對于提升系統的穩定性具有不可替代的作用。除此之外，不斷提升鋁水平也有助于降低鋁水波動的影響，降低波動幅度，同時也可以提升電解系統的穩定性。在形成穩定的系統后，可以通過形成槽幫的方式進一步改善電解槽的內部平衡環境，對于規整度較小的槽膛結構而言，更能夠進一步解決電流效率問題，提升氧化鋁的溶解水平與溶解量，此時電解質的水平也會得到提升，整體提升到21cm 以上，效果同樣顯著。

4 改善鋁電解高鋰高鉀復雜電解質體系的實踐效果評價

為了驗證高鋰高鉀復雜電解質體系改善后的整體效果，需要對改造后的設備進行電解質重新取樣分析，經過分析對比后發現，氟化鉀的含量降低了50%左右，氟化鋰下降35%左右，已經達到了4.8%的理想狀態。除此之外，對電解質的初晶溫度進行分析，目前已經提升到900℃以上的水平，經過技術改造，本項目電解槽的穩定性大幅增強，槽況也有了新的變化。在系列電流下調KA 后，電流密度也有了新的變化，進而減輕電解槽的干擾影響，滿足成分改善的系統要求。經過技術改造，電解槽氧化鋁溶解性明顯增強，爐底壓降相比于調整前有所下降，在保持電壓不變條件下電流效率增加，取得了良好的經濟生產效益，圖1為電解質成分變化圖。

圖1 電解質成分變化示意圖

5 結束語

綜上所述，針對高鋰高鉀W 復雜電解質體系采取必要的改善措施，不但有助于提升工藝穩定性，同時也可以適應未來鋁土礦低劣化的實際環境條件，進而提升企業的生產競爭力。目前，應對高鋰高鉀復雜電解質體系采取的措施依然多為臨時性處理措施，并不能夠從根本上解決電解質成分不合理的問題，所以，從長遠角度來看，依然需要繼續加強原材料的改善研究工作，通過前期預處理等方式來解決高鋰高鉀復雜電解質體系的各種發生因素，從而進一步穩定電解質內部鉀元素、鋰元素含量，為實現生產過程的節能降耗創造條件。