電解鋁生產工藝的優化分析

馮 冰

（鄭州輕冶科技股份有限公司，河南 鄭州 450000）

自20世紀50年代起，我國鋁工藝不斷發展，時至今日，已經形成一個較為完備的產業鏈，向經濟社會發展的各個領域持續輸送鋁材。當前，我國鋁產量已經躍居世界首位，但從生產技術上看，我國的電解鋁生產工藝仍然處于相對落后的狀態，不僅需要消耗大量能源，而且還造成了較為嚴重的環境污染，因此，實踐之中，需要實施針對性優化策略，力求提高電解鋁生產的節能環保水平。

1 我國電解鋁生產活動發展現狀分析

能耗過高是我國電解鋁行業在發展過程中普遍存在的問題，在規模較小且缺乏資金的企業身上，這一問題尤為突出，生產一噸鋁通常需要消耗大量電能[1]。與此同時，部分企業在優化技術的過程中遭遇了明顯的瓶頸，難以在降低能耗的同時保障產品質量達到相關標準的要求。部分企業在實踐中提出通過強化電流的方法來有效解決電壓不足的問題，但由于整流系統性能無法滿足相應要求，因此難以取得理想的效果。實際上，由于電壓下降會導致電流效率同步下降，因此必須處理好兩者之間的關系，重視使兩者達到平衡，但平衡狀態的實現需要通過復雜的數字建模來輔助完成，因此難度較高。此外，還有部分企業嘗試通過加強管理來優化生產流程，取得了一定的成效，但并未實現根本性突破。由于當前我國電解鋁企業較少在技術和工藝研發上投入資金，因此從整體上看，并未對能耗實現有效優化。

2 電解鋁生產實踐中存在的主要問題

2.1 安全風險較高

電解鋁生產需要持續不斷地大量供應電能，電解槽運行功率較高且能耗較大。實踐之中，通常無法長期保持供電的持續性，難免會出現供電波動狀況，當電解槽這一大功率設備出現波動現象時，整個供電網的安全性都會受到顯著的負面影響[2]。由于電解槽屬于一類帶電設備，因此其在運行過程中必須與地面保持絕緣，不能接地或發生“零點漂移”，否則將導致安全風險增大，員工的人身安全受到威脅。生產實踐之中，員工在操作鐵質工具時，極易與電解槽接觸，導致打火現象的出現。此外，在應用電解槽時，電解質作業的環境溫度在超過900攝氏度以上時，容易導致燙傷事故。

2.2 電流效率較低

市場經濟下，近年來鋁產品價格呈現出持續走低的態勢，在這一背景下，考慮到電價因素，出于節省經濟成本的目的，許多鋁電解企業在生產過程中通常選用低電壓工藝，由于電解槽設計不合理、爐膛不規整、技術不匹配及所使用的原材料質量差、操作質量差等因素，電解槽整體效率降低，隨著其使用年限的增長，爐底狀態會逐漸惡化，陰極嚴重磨損且石墨抗沖蝕能力下降，安全風險進一步增強，不利于生產活動的開展。

2.3 生產成本問題

由于電解鋁生產活動需要消耗電能，因此大部分企業通常會選擇通過自建電廠的方式來確保電能供應。與此同時，電解鋁企業通常選擇在電價較低的區域建[3]。此外，還有部分企業通過挖掘本地煤礦優勢，來打造生產鏈。然而，當前在實踐之中，影響成本的因素仍然較多，由于工藝未能實現優化，因而難以有效地控制生產成本。

3 電解鋁生產工藝的實踐優化策略

電解鋁生產是一項能耗較高的活動，對其生產工藝進行優化時，應將重點放在“節能”上，通過節能來達到降低企業生產成本和減少環境污染的目的[4]。在鋁電解的過程之中，電解槽的直流電消耗及其他環節中輔助設備的電能消耗，是導致此項生產活動消耗電能的主要因素，其中，直流電消耗占據整體電能消耗的95%以上，也因此成為優化的核心與重點。依據當前的電解鋁生產原理，直流電的消耗量，直接受到觸電槽平均電流和效率的影響：平均電流越大，則耗電量越大，反之，平均電流越小，直流耗電越小，此外，電流效率越高，則直流耗電越小。因此，可以通過減小平均電壓和提高電流效率來有效達到降低能耗的目的，這也成為優化電解鋁生產工藝的主要思路。具體而言，可以采取以下幾項策略。

3.1 降低平均電壓

降低平均電壓，即控制工作電壓、使得效應分攤電壓與母線電壓盡量處于較低水平[5]。由于工作電壓實際上并非某一單一電壓，而是由設備各個模塊的供電電路共同組成的、擁有多個各不相同電壓等級的多級電壓體系，因此，實踐之中，可以通過采取逐級分析和逐級優化的策略，有效達到降低工作電壓的目的，從而在整體上對于總電壓進行高效控制。在降低分攤效應電壓時，首先需要減小效應持續時間，其次，增加效應間隔并削弱效應系數的影響。由于電解槽結構設計與母線電壓之間存在著較為密切的關系，因此，可以將設計因素作為突破口，重視降低各個接觸面的電壓，加大對于立柱母線、停槽短路口、卡具等關鍵部位的關注，在確保接觸面處于潔凈狀態的前提下，對于停槽短路口的電壓進行控制（通常需要使其處于10mV以下），并定期通過測量確保電壓處于合理范圍。當前，已經形成了多種能夠對平均電壓進行有效控制的理論與方法，這些方法的主要思路均為從電解的各個環節入手調整電壓，其中，調整目標主要包括陰陽極電壓、電解質電壓、效應分攤電壓、極化電壓及母線電壓。通過控制這些環節的電壓，能夠大幅降低平均電壓，進而達到減少能耗的目的[6]。

3.2 提高電流效率

提升電流效率的方式主要有調整通用參數、把控質量及提升工藝等手段，控制人造伸腿尺寸、應用正交試驗對于電解工藝參數進行優化、使用具有良好性能的氧化鋁及陽極材料進行生產，同樣是提高電流效率的重要手段[7]。實踐之中，可以通過智能控制電解槽的溫度，對于多項影響因素進行組合研究，利用單因素法排查影響電解槽溫度的關鍵因素，并對于關鍵因素進行重點控制，確保分子比與過熱度處在合理范圍之內，若槽溫過高，則可以將分子比控制在下限附近，反之，若槽溫過低，則應注意使分子比保持在上限附近。此外，需要根據電解槽冷熱行程的整體變化趨勢，對于氟鹽的添加量進行確定，從而保持分子比的穩定性，使其始終處于一個合理的范圍之中，避免出現過于頻繁的波動或是異常波動。除技術手段之外，管理手段同樣是提高電流效率的重要路徑，通過推動電解鋁生產活動朝著標準化和規范化生產、提高整體管理水平，企業能夠有效降低人為主觀因素對于電流效率的負面影響，達到提高生產效率的目的。

3.3 降低輔助電耗

除電解槽之外，在電解鋁的生產過程之中，還需要使用諸多同樣消耗電能的輔助設備，在對生產工藝進行優化時，也需要考慮這些輔助設備的電能消耗，通過降低其能耗，來進一步改善整體節能效果。輔助設備的電能消耗主要來源于陽極組裝及鑄造、電解動力變、供料凈化等工藝，其中，對于供料凈化環節進行優化時，主要應考慮調整運行方式、控制相關參數，以此增強其穩定性；對于陽極組裝環節進行優化時，則主要需考慮爐的頻率這一影響因素，通常情況下，使用中頻爐可以取得較好的節能效果，因此，應盡可能地在生產過程中使用中頻爐；對于電解動力變及空壓機進行優化時，應著力調整其運行方式，結合其實際運行環境、設備溫度來進行動態化管控調整，從而確保設備始終處于最佳運行狀態。

3.4 構建自動化管控模式

當前，電解鋁生產過程之中，通常需要將數以百計的電解槽進行串聯，構建一個生產系列，并在此基礎上進行生產。在強大的直流電流作用下，電解槽內會急劇發生一系列復雜的反應，包括物理反應、化學反應、電化學反應等，并在這一體系內形成彼此之間具有密切關聯且可變的磁場、電廠、熔體流動場及溫度場等物理場[8]。由于電解槽內的高溫熔體具有較強的腐蝕性，且無法對于其溫度、濃度及極距等關鍵參數進行在線檢測（實際上，只有電解槽電壓和系列電流能夠得到在線檢測），因此，要想獲得足夠理想且經濟的指標，就需要在實踐中對于熱平衡和極距、物料平衡、電解槽狀況及輔助決策等參數進行有效控制。自動化技術是提高控制水平的重要關鍵，在計算機和信息網絡技術的支持下，企業能夠有效提高控制參數的能力，從而達到降低能源消耗、防范環境污染問題出現、節省人力資源的目的，與此同時，實現生產效率的提升。在此方面，企業應重視不斷提升自身信息化與自動化水平，與此同時，增強員工的信息化意識，提高其實踐能力，重視借助信息化手段實現對于關鍵參數的動態化監控，并及時發現其中存在的安全風險問題，增強電解鋁生產的安全性，提高員工的人身安全水平。

4 結語

總之，為推動我國鋁行業實現進一步發展，切實解決當前電解鋁生產活動中存在的安全風險高、電流效率低及經濟成本高等一系列問題，實踐之中，應重視落實好降低平均電壓、提升電流效率、降低輔助能耗及構建自動化管控模式等一系列策略，達到節能環保的目的，并有效降低經濟成本，實現經濟效益與社會效益的有機結合。