復雜電解質體系下鋁電解工藝控制技術研究

蘇義鵬

（黃河鑫業有限公司，青海 西寧 811600）

近年來，我國的鋁電解工業發展迅速，如今我國已經成為鋁電解生產大國。但是由于目前我國的鋁電解工業結構存在一些不合理的地方，因此造成鋁電解生產供不應求，同時一些企業還對鋁電解生產原料進行控制，由此造成鋁電解企業的電解鋁生產面臨巨大的限制和挑戰。為解決這個問題，鋁電解單位要采取具體措施，對鋁電解工藝進行優化升級，保證鋁電解生產工作的順利、高效進行。

1 鋁電解工藝發展現狀

20 世紀70 年代末，160KA 中間小料預焙槽技術被應用進來后，我國的鋁電解技術就呈快速發展的趨勢。此后，我國一直將鋁電解槽熱電磁力特性以及磁流體數學模型作為研究重點，并對鋁電解工藝、鋁電解材料等方面進行了深入的研究。20 世紀90 年代，我國開始應用大型鋁電解槽開發工程，并以280KA、320KA 特大型電解槽技術為基礎，推動了鋁電解工藝水平的進一步提升。但是目前我國的鋁電解工藝依舊存在一些問題，鋁電解工藝有待提升。第一，我國的大型鋁電解槽開發深度還不夠，導致我國的鋁電解水平和國外一些發達國家存在差距。產生這個問題的主要原因是我國的鋁電解工藝運行環境惡劣，電解槽負荷大，存在一定的安全隱患。例如，大部分鋁電解槽運行的時候會產生很大的用電負荷，且這些負荷集中在同一個生產系列上，當電解槽出現運行問題的時候容易給電網和電廠帶來巨大的負面影響。與此同時，外國的鋁電解工藝還存在一個明顯的問題，就是鋁電解槽使用壽命較短，電解槽破損的情況時有發生。造成這種問題的原因是鋁電解槽的設計質量、材料質量以及操作水平等不高。另外，我國的電解槽質量控制技術缺乏，無法掌握電解槽破損與故障機理，因此進行鋁電解生產的時候，鋁電解槽時常發生故障問題。第二，缺乏先進的鋁電解生產技術。目前我國的大型預焙鋁電解槽的應用時間并不長，且缺乏鋁電解槽使用經驗，在預焙啟動使用的過程中，電流分布不均勻的問題比較明顯。與此同時，鋁電解槽物理極容易出現波動的問題，因此無法維持電解槽的熱平衡，造成安全事故頻發，給企業帶來巨大的損失。

2 鋁電解工藝概述

金屬鋁的化學性質非常活潑，因此自然界中很少存在純金屬元素形態的鋁。由于鋁具有良好的導電性和抗腐蝕性，且特別容易和其他金屬進行反應形成鋁合金，因此鋁被廣泛應用于電力行業、交通行業、機械制造行業以及航空航天行業中，在社會發展中的作用巨大。最開始的時候，人們主要使用氧化還原反應制作金屬鋁，使用該方法制作出來的金屬鋁純度并不高，且制作效率較低。隨著科學技術的不斷發展，后來人們開始使用電解法制取金屬鋁，并取得了較好的效果。

2.1 鋁電解工藝流程

鋁電解的過程主要發生在電解槽內部，電解鋁生產企業主要使用氧化鋁熔體作為主要的電解質，鋁電解槽兩極的組成材料為碳素材料。對電解槽進行通電處理后，電流會從電解槽的陽極流入電解槽內部，穿過電解槽內部的電解質后從電解槽陰極流出。經過通電處理后，晶體化的氧化鋁會被電解熔化，同時在電流的作用下氧化鋁會發生化學反應，鋁液會從電解槽的陰極析出。隨著電解過程的不斷持續，越來越多的鋁液會被析出，達到一定程度后即可使用真空抬起包將鋁液收集起來。收集起來的鋁液會被送到企業的鑄造車間，經過加工、澆筑后，即可生成鋁錠[1]。

2.2 鋁電解工藝參數

鋁電解工藝中涉及到的參數有四個，分別是電流強度、槽電壓、電解溫度與陽極反應系數。不同強度直流電流作用下的鋁電解效率和質量不一樣，直流電流強度越大，電解槽的高產性與低耗性越明顯，同時每一個鋁電解槽都有固定的額定電流與額定產量。槽電壓是指電解槽陰陽兩極之間的電壓降，槽電壓會隨著生產條件、生產進度的不同而發生改變，將槽電壓控制在一定的范圍內能夠提高鋁電解效率。電解質的溫度為電解溫度，正常環境中的金屬鋁熔點為660℃。在實際的鋁電解生產過程中，將電解質溫度控制在90℃到950℃之間能夠保證鋁電解效率。當電解質中的氧化鋁含量不足時，就會產生陽極效應系數，此時電解槽內部會產生大量的熱量，有利于控制鋁電解槽內部的沉淀量。

2.3 鋁電解生產過程

鋁電解的過程分為焙燒期和正常生產期。第一，在鋁電解槽投入使用之前，需對電解槽焙燒一段時間，如果不對電解槽進行焙燒，將無法保證電解槽內部內襯和物料達到要求溫度，因此無法正常進行鋁電解生產。第二，對鋁電解槽進行焙燒后，即可進行正常鋁電解生產。在鋁電解的正常生產過程中，要將鋁電解槽電壓控制在一定范圍內，保證電解槽陽極、陰極以及周邊電解質均處于良好的狀態，這樣能夠確保炭渣的完全分離，最終能夠在電解槽內壁提取出處于凝固狀態的電解質。

3 復雜電解質體系對鋁電解的影響

3.1 釩含量對鋁電解的影響

經過試驗可知，釩的含量越大，氧化鋁的下料量也會有一定的增加。當釩的含量達到0.000214%的時候，電解槽中的氧化鋁下料量能夠達到3kg 左右，約17kg 左右的金屬鋁。因此，為提升鋁電解生產效率，可適當增加釩的下料量。

3.2 鋰和鉀對鋁電解的影響

在復雜電解質體系下，隨著鉀鹽的增加，電解質與鋁液之間的界面張力會逐漸減小，氧化鋁在電解質中的溶解度就會隨著增加。與此同時，電解質中LiF 以及KF 等化合物的濃度越大，電解質初晶溫度會越低。當電解質初晶溫度低于90℃的時候，將無法控制電解質的過熱度，從而不能保證鋁電解生產效率。因此，為保證鋁電解生產效率，需要將電解質中LiF 的濃度控制在5%以內，將KF 的濃度控制在2%以內。

4 復雜電解質體系下鋁電解工藝的優化控制措施

4.1 優化選擇低溫電解工藝

低溫電解是鋁電解中的一種，要想在復雜電解質下實現鋁的低溫電解，需要從兩個方面進行把控。一方面，通過降低電解質的過熱度和初晶溫度，能夠提高鋁電解生產效率。另一方面，通過維持鋁電解槽的熱平衡，能夠有效提高鋁電解生產效率。在實際的鋁電解過程中，電解鋁的電解溫度和電解槽電阻以及極距之間并沒有明確的關系，僅僅將電解鋁的電解溫度控制在一定的范圍并不能有效提升鋁電解生產效率，也不能維持電解槽的最佳熱平衡狀態。針對這種情況，可將智能模糊控制技術應用進來，有效提升鋁電解生產效率。應用智能模糊控制技術能夠自行修正電解槽電阻，使鋁電解槽能夠達到良好的熱平衡狀態。使用智能模糊控制技術后，方便了工作人員對電解槽溫度的控制，從而有效提升了鋁電解效率。如果控制不好鋁電解槽的溫度，將出現冷循環問題和熱循環問題。造成冷循環問題的原因是電解槽溫度低于正常水平，此時電流效率增加，但是由于電解槽兩極電壓不變，因此導致電解槽溫度下降的情況，最終出現冷循環問題。熱循環問題是由于電解槽溫度高于正常溫度造成的，造成這個問題的原因和冷循環相反，但是最終結果都一樣，都會造成電解槽異常。為避免這兩種情況的發生，工作人員可從降低電解質過熱度和電解質初晶溫度兩個方面入手，有效提升鋁電解生產效率。

4.2 優化選擇陽極效應系數

陽極效應系數與鋁電解效率之間存在直接關系，在實際情況中，電解槽陽極炭塊質量、氧化鋁特性是影響陽極效應系數選取的主要因素。當電解槽陽極炭塊質量較高的時候，為保證鋁電解效率，需要適當降低電解槽陽極效應系數。如果電解槽陽極炭塊質量較低，可適當提升電解槽陽極效應系數提高鋁電解效率。與此同時，在鋁電解過程中，陽極效應對鋁電解效率的影響非常大，例如陽極效應發生后，鋁電解槽溫度一般會升高20 攝氏度左右，且這種情況會連續持續兩個小時。當陽極效應達到作用點后，鋁電解槽中的電壓會從4 伏特提升到30 伏特左右，經過計算可知，發生一個陽極效應會增加200kWh 左右的電能消耗。因此為降低陽極反應造成的電能損耗，同時提高鋁電解生產效率，可使用控制系統將電解槽陽極效應系數控制在合理的范圍內。

4.3 優化選擇氧化鋁的濃度

為提升鋁電解生產效率，需要將氧化鋁的濃度控制在合理的范圍內。經實踐可知，當氧化鋁濃度低于4%的時候，隨著氧化鋁濃度的逐漸降低，電解槽中的電流效率會逐漸增加，從而能夠有效提升鋁電解效率。將氧化鋁濃度控制在1.5%到3.5%之間，鋁電解效率最高，因此可將氧化鋁濃度控制在這個范圍內，有效提升鋁電解效率。傳統鋁電解生產過程中，工作人員主要采用人工設定時間范圍內進行定時定量下料的生產方式，這種方法具有一個很明顯的缺點，就是下料時間和下料量不好控制，容易出現下料量多、下料時間不準確的情況，因此無法保證鋁電解效率。隨著科學技術的不斷發展，鋁電解生產企業已經能夠將模糊控制技術應用到實際的鋁電解生產過程中，并取得了良好的成效，給企業帶來了巨大的經濟效益。使用智能模糊控制技術能夠有效控制下料時間和下料量，同時還能將氧化鋁的濃度控制在1.5%到3.5%之間，大大提高了鋁電解效率。因此，為提升鋁電解效率，最大化企業經濟效益，企業需要將智能控制技術應用進來，有效實現對鋁電解氧化鋁濃度的控制和對下料量、下料時間的控制[2]。

4.4 優化升級鋁電解槽結構

通過優化鋁電解槽的結構，也能有效提升鋁電解效率。鋁電解槽陽極斷面和流過電解槽的電流密度有關，電流密度的高低直接影響鋁電解成本。因此，為降低鋁電解成本，提高鋁電解效率，要避免使用具有較高電流密度的陽極作為電解槽陽極。一般情況下，應當將電解槽陽極電流密度控制在0.75A/cm 到0.78A/cm 之間。與此同時，可在鋁電解槽內部鋪設一層耐火性好的顆粒性材料，材料厚度最好控制在2mm 以內，能夠有效達到防護電解槽的效果。另外，可選擇石墨化炭塊作為電解槽陰極，有效提升鋁電解槽的性能，提高鋁電解槽效率。

4.5 優化選擇鋁電解原材料

為提升鋁電解效率，可通過優化選擇電解原材料來實現。首先，電解原材料可為氧化鋁，對氧化鋁進行電解之前，需要充分了解氧化鋁中存在的雜質，對氧化鋁的性能進行掌握，使用具體的方法提高氧化鋁的物理性能，提升鋁電解效率。其次，選擇的氧化鋁形狀要介于砂狀和粉狀之間，這樣能夠有效提升鋁電解效率。最后，要合理控制氧化鋁中各元素的含量，例如氧化鋁中氧化硅的含量不能超過0.05%，氧化鐵的含量不能超過0.02%等。

5 結論

總而言之，鋁電解工藝在社會發展的過程中扮演著極其重要的作用，針對當前我國鋁電解工藝存在的一些問題，相關鋁電解企業要積極采取有針對性的措施，對鋁電解工藝進行改進和升級，有效提升鋁電解生產效率和生產質量，滿足社會對電解鋁的大量使用需求，提高鋁電解企業的經濟效益，同時推動社會經濟水平的快速提升。