電解鋁生產工藝的優化研究

趙 成

（陜西美鑫產業投資有限公司，陜西 銅川 727000）

20世紀50年代以來，我國鋁生產工藝迅速發展，如今已構建了一條較為完善的產業鏈，為我國經濟社會建設提供了有力的鋁材支持。新時期，我國鋁產量已躍居全球前列，但我國電解鋁生產工藝仍處在相對落后的水平，電解鋁生產不僅會產生極大的能源消耗，還會對生態環境造成一定程度的破壞。因此，推進對電解鋁生產工藝的優化研究，對降低電解鋁生產能耗、提升電解鋁生產環保水平有著十分積極的意義。近年來，雖然我國相關企業不斷提高對電解鋁生產工藝優化研究的重視程度，但在實踐中仍面臨諸多問題，不僅要考慮如何降低生產能耗，還要考慮生產電壓的穩定性，以免對電解槽熱吸收、產品質量等造成不利影響[1]。因此，技術人員需要對各項因素進行綜合分析，有針對性地解決實際操作中遇到的各類問題，達到理想的優化效果。

1 電解鋁行業現狀

電解鋁產業廣泛分布于我國內蒙古、新疆、云南、山東等地區，在各地區電力成本差異因素的影響下，近年來，以上地區憑借自身的電力成本優勢，電解鋁產能占比不斷提升，而之前的電解鋁大省河南的電解鋁產能逐步由國內首位下降至第四位。受成本、資源等一系列因素的影響，電解鋁行業大多分布在西部資源相對豐富的地區，占比約63.1%。現階段，我國電解鋁產業用電來源主要為火電，占比超過80.0%，通過火電生產1.0 t電解鋁對應產生的二氧化碳在11.2 t左右，由此可見，長期通過火電生產電解鋁，會對生態環境造成較為嚴重的破壞。

電解鋁行業作為一個高耗能行業，電力消耗尤為突出，這也是電解鋁生產中成本消耗最大的一環。隨著國際能源價格不斷提高，一些能源緊缺地區的電解鋁產業逐步退出電解鋁生產舞臺。面對市場競爭日趨白熱化的電解鋁行業，廣大企業希望通過優化電解鋁生產工藝達到降低生產成本的目的。其中，部分企業的生產工藝優化效果并不顯著，難以在控制能耗的同時確保產品質量達到要求；一些企業則在電解鋁生產實踐中提出通過強化電流應對電壓不足的問題，然而，由于整流系統性能難以達到相關要求，優化效果不盡如人意。從根本上而言，因為電壓與電流效率呈正相關，所以必須構建電壓與電流的協調關系，這就要依托復雜的數字建模才能實現，難度較大。此外，還有一些企業試圖通過加大管理力度推進對電解鋁生產流程的優化整合，達到了一定的效果，但尚未實現根本性突破。總體而言，因為如今我國電解鋁生產企業在生產技術、生產工藝研發上投入的資金仍有限，所以電解鋁生產能耗優化效果仍不夠明顯。

2 電解鋁的原理

2.1 電解鋁的原材料

電解鋁生產用到的原材料主要包括以下3種：（1）原料，即氧化鋁，其熔點、沸點分別為2 050、3 000 ℃，具有極佳的流動性，可溶于水晶石熔體，不溶于水；（2）熔劑，即氧化鹽，主要包括氟化鋁、氟化鎂、氟化鈉、氟化鈣、水晶石等；（3）陽極材料，也就是預焙炭塊。

2.2 電解鋁的生產原理

如今的電解鋁生產實踐仍廣泛應用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法來制鋁，用到的生產設備主要為鋁電解槽，化學反應公式可概述為：

在電解鋁生產實踐中，電解槽要長期處在溫度偏高，電流、磁場、腐蝕性都較強的生產環境中。在電解槽中，溶劑為處在熔融狀態下的冰晶石，溶質為氧化鋁，陰陽極為碳素材料。將電解槽與直流電連接后，將溫度調控在合理范圍內，在此過程中，電解槽中會發生電化學反應，并在陰極上形成鋁液，在陽極上形成二氧化碳、一氧化碳等污染性氣體，經由一系列處理，最終澆筑獲得鋁錠[2]。在此期間，連接直流電一方面是為了借助直流電的熱能，使水晶石轉化成熔融狀態，同時處在恒定的電解電流下；另一方面是為了促進電化學反應的發生。

需要注意的是，在電解鋁生產實踐中，液體電解質是促成電解過程順利開展的一大前提。液體電解質即冰晶石—氧化鋁均勻熔融體，冰晶石在其中的占比約為85.0%。冰晶石中包含的氟化鈉與氟化鋁物質的量之比被稱作分子比。在電解鋁生產實踐中，電解質分子比應調控在合理范圍內。另外，從理論層面而言，在電解鋁生產實踐中，冰晶石不會被消耗，但實際上，因為冰晶石中的氟化鋁會被電解液中的水分分解或者產生一定的揮發，同時氟化鈉受電解槽吸收、機械損耗等因素的影響，也會產生相應的損耗。

2.3 電解槽的結構

電解鋁生產中的電解槽主要由陽極炭塊組、碳陰極、側壁、槽殼以及導電母線等構成。（1）陽極炭塊組，包括陽極炭塊、鋼爪、鋁導桿等部分，其中，鋁導桿最重要，其對陽極母線可發揮有效的固定作用。在電解槽中，陽極電流密度與電流呈負相關。為了使電解槽中生產出更多的鋁，需要以相對低的電耗開展生產。（2）碳陰極。在電解鋁生產實踐中，陰極作為一種容器，主要由陰極導電棒、碳素內襯、邊部炭塊及底部炭塊等構成，主要用于盛放熔融狀態下的電解液[3]。需要注意的是，應于底部炭塊下設置耐火材料。另外，碳陰極還可用于電流傳導。（3）側壁。作為陽極電解槽中的重要組成部分，側壁的構成材料與炭塊一致。在生產實踐中，側壁要具備可靠的絕緣性、導熱性，以此發揮保護層的作用。（4）槽殼以及導電母線。在電解鋁生產實踐中，電解槽的槽殼與導電母線呈串聯關系，連接直流電后，電流從導電母線傳輸至槽殼。

3 電解鋁生產存在的技術不足

3.1 技術水平有待提升

當前，我國獨立開展的電解鋁生產技術研究仍處在發展階段，不論是相關技術條件還是實踐經驗，均較為缺乏，在研究探索中遇到了諸多難題，加之相關科研人員對特大型鋁電解槽技術的研究還有待深入，導致電解鋁生產技術在電解鋁生產領域的應用效果仍不盡如人意，電解鋁生產流程、產品的相關指標還難以達到行業國際標準。

3.2 工藝設備技術落后

如今，電解鋁生產企業對新型工藝設備和技術的應用效果還有待提升，尤其是在一些電解鋁生產的核心環節，對相關陰極破損原理、規律等掌握不足，難以有效延長電解槽的使用周期，導致電解槽難以遵照特定使用年限正常生產，設備損壞率過高。此外，在焙燒過程中，多見電流分布不均勻現象，會產生極大的能量消耗，導致運行期間電解槽物理場受到不穩定影響，無法有效調控熱平衡，再加上電解槽電阻有著高度的敏感性，極易受到外部因素的影響，電解槽出現的慣性及陽極效應難以得到有效調控。所以，一旦出現不穩定因素，便會對電解鋁生產的有序開展造成不利影響。

3.3 電流效率不足

隨著我國市場經濟發展不斷深入，近年來，鋁產品價格呈現出不斷下降的趨勢。在此情形下，出于對電能使用成本的考慮，越來越多電解鋁生產企業在生產實踐中廣泛采用低電壓工藝，受電解槽設計不合理、技術不完善、操作水平不足等一系列因素的影響，電解槽整體效率難以得到保證，特別是隨著電解槽使用時間的延長，爐底狀態不斷惡化，陰極大幅磨損，石墨抗沖蝕能力減弱，導致安全風險不斷加大，不利于電解鋁生產的有序開展。

4 電解鋁生產工藝的優化

4.1 開展自動化生產管理

如今，電解鋁生產實踐主要將大量電解槽串聯在一起，以建立一個生產系列，并基于此開展生產工作。受直流電流影響，電解槽中會迅速形成各種反應，包括電化學反應、化學反應以及物理反應等，并在這些生產體系中產生相互聯系且富于變化的電場、磁場、溫度場、熔體流動場等物理場。由于電解槽中的高溫熔體有著突出的腐蝕性，同時難以對其濃度、溫度等相關指標開展實時檢測，為了及時獲取有價值的數據，需要在生產實踐中對電解槽狀況、熱平衡、物料平衡等指標開展有效調控。在此過程中，自動化技術可提供有力支持。換言之，在如今的信息時代背景下，企業可利用先進的網絡信息技術有效提升指標調控能力，達到節約人力成本、節能減排、減少生態污染等目的[4]。基于此，企業需要不斷推進自身的信息化、自動化建設，通過強化員工的信息化意識，培養員工的實踐操作能力，有效發揮信息化技術在重要指標調控中的自動化作用，并及時發現生產中潛在的安全風險，保障電解鋁生產的安全有序開展。

4.2 提高電壓電流效率

首先，平均電壓優化。平均電壓優化也就是對工作電壓進行調控，讓母線電壓、分攤電壓保持在相對偏低的電壓水平。因為電解鋁生產中的整體工作電壓并非單一電壓，而是由大量不同電壓體系構成，所以應借助多級優化形式對其開展降壓優化。第一步應調節效應時間，同時通過加大效應間隔，有效減小效應系數作用。同時，電解槽結構會受到電壓中母線電壓的影響，因此，可從接觸面壓降切入，在確保立柱母線、卡具等部分接觸面有效清潔的基礎上，將電壓調控至10 mV內。此外，在平均電壓優化過程中，鑒于整體生產操作受到分子比低的影響，應選擇低分子比操作。結合電解鋁生產實際，第一步消除電解槽中的2.90分子比，確保電解槽穩定后，將分子比有序調至2.85、2.80，有效提升電解鋁生產實踐中的電流使用效率，減少電能消耗。

其次，電流效率優化。這一優化過程要從指標調節切入，依托溫槽智能調節，讓分子比與過熱度處在相對合理的區間。當溫度偏高時，應將分子比調至下限值水平，相反則應保持在上限值水平。結合電解槽冷熱行程轉變規律，調節氟鹽添加量，將分子比控制在合理區間。現階段，通過優化電解工藝參數等相關技術，可將電解鋁生產實踐中的過熱度維持在相對偏低的數值。同時，陽極材料、氧化鋁等均可對電流效率產生一定影響。此外，在傳統生產實踐中，隨著電流效率的升高，鋁溶解損耗率會不斷增加，進而降低電流效率。鑒于此，可從陽極強化切入，調節釘棒角度，將其控制在18～19 cm，調節外露尺寸，減少陽極壓降，達到提升電流效率的目的[5]。

4.3 應用新型結構槽技術

相較于傳統的結構槽，新型結構槽不論是在施工材料還是在結構設計等方面，都表現出明顯的不同。在施工材料方面，新型結構槽選取TiB2/C可濕潤陰極，電解槽側邊、底部選取具備良好保溫性能的材質。在結構設計方面，在整體電解槽中構建一個鋁液導流網絡，出鋁端構建特定的蓄鋁池用于匯集鋁液，上部結構與傳統結構槽基本相同。在此基礎上，在焙燒期間，依托可靠的焦粒焙燒技術，保證爐膛中的溫度有序合理升高、電流分布有效均勻，使焙燒溫度滿足啟動要求。在啟動過程中，引入濕法無效應啟動手段，下料1 h后，測得蓄鋁池出現鋁液，表明陰極表面濕潤性達標，導流成功。在啟動過程中結合結構槽特征，注入相應的鋁液，確保在凸臺上方6～8 cm。在后續生產管理中，在相應時間內分不同階段對電壓進行合理控制，同時開展好工藝參數調節工作，建立可靠的保溫型爐膛。最后還應確保能量平衡，在保溫的基礎上，有效控制熱支出、熱收入。一方面，可通過調節覆蓋層成分、厚度或增強側部保溫等，達到減少熱支出的目的；另一方面，可通過提升電流強度，達到增加熱收入的目的[6]。

5 結語

為了推動我國電解鋁行業的可持續健康發展，應有效解決當前電解鋁生產實踐中存在的技術水平偏低、工藝設備技術落后、電流效率不足等問題。在實踐中，從開展自動化生產管理、提升電壓電流效率、應用新型結構槽技術等方面著手，可以切實推進對電解鋁生產工藝的優化，創造更可觀的經濟效益、社會效益。