氧化鋁濃度控制在鋁電解生產中的應用實踐

張永明

（山西兆豐鋁電電解鋁分公司，山西 陽泉 045200）

目前，在國內大量的鋁電解生產中，由于受工藝條件、人工操作質量以及原輔材料質量等各種因素的影響，電解質成分復雜多樣，不同成分之間濃度比例不易控制，特別是難以將氧化鋁濃度控制在最佳狀態，導致電解質流動性、導電性以及溶解氧化鋁的性能較差，嚴重影響了電流效率的提高及各單耗的降低，也在很大程度上制約了鋁電解生產的進一步發展[1]。

1 槽控機控制氧化鋁濃度的基本原理

由于目前還沒有能滿足控制需要的Al2O3濃度傳感器，因此采用準連續（或稱半連續）下料制度的新型控制技術仍是以槽電阻作為主要控制參數。由于氧化鋁與槽電阻之間有一定的對應關系，而且槽電阻隨濃度變化較為敏感（特別是低氧化鋁濃度時），槽電阻的變化不僅反映了極距的變動，同時也包含著Al2O3濃度的變化。Al2O3濃度與槽電阻之間的關系規律如圖1所示。

圖1 槽電阻、斜率與Al2O3 濃度的關系

現在采用的自適應加料控制就是采用氧化鋁濃度較低一側的槽電阻曲線作為濃度的設定值，以轉換的方法保持濃度處于持續、合理的波動之中，利用槽電阻上升或下降變化速率（常稱為斜率）來判斷濃度范圍[2]。為了保證濃度估計的精度，人為制造了濃度波動，將加料過程分為正常加料、欠量加料、過量加料三個周期，通過三個加料周期的切換，使輸入量有了足夠大的變化，從而保證槽控機充分識別槽電阻變化速率，同時可決定電解槽過量或欠量轉換。

2 氧化鋁濃度的主要影響因素

2.1 工藝技術條件

影響氧化鋁濃度的主要因素之一就是電解槽工藝技術條件，其中最重要的是電解質分子比和電解質溫度。

氧化鋁的溶解性能與電解質分子比成正比關系，電解質分子比越高，初晶溫度越高，氧化鋁溶解性能越好。Al2O3溶解度與電解質分子比之間關系的一般規律如圖2 所示。

圖2 電解質分子比與Al2O3 溶解度之間的關系

氧化鋁溶解性能與電解質溫度也成正比關系，電解質溫度越高，氧化鋁溶解性越好，氧化鋁濃度越方便把控，但同時也會加劇鋁的二次反應，加大鋁的溶解損失，對電流效率產生一定的影響。據有關文獻試驗論證，電解質溫度每降低10 ℃，電流效率可提高1%～1.5%。

國內很多電解鋁廠均采用低溫、低過熱度技術條件組織生產，但對槽況把控、操作質量等要求更高，低溫、低過熱度會使氧化鋁溶解性能變差，火眼卡堵加劇，從而導致爐底產生大量沉淀。若過熱度調整、把控不到位，技術條件調整不及時，長期保持較低的過熱度會導致電解槽走向“冷行程”，形成爐底結殼、伸腿變大，嚴重情況下會出現新換極放不下、陽極不消耗、頂壞大母線等事故。爐底形成結殼會使爐底壓降升高、電流空耗，爐底壓降上升容易，處理起來卻十分困難。在處理爐底沉淀和伸腿過大過程中，需調整技術條件，在加大爐底溫度的同時，電解質過熱度肯定會加大，因此化爐底的同時也化了爐幫，在處理爐底過程中還會存在電壓下甩以及電壓大幅度擺動的情況，容易發生滾鋁事故，同時會沖擊爐幫而致使發生側部漏爐事故。所以爐底溫度的控制是冷熱交替的循環過程。

2.2 槽控系統設計上的缺陷

電解鋁行業發展相當快，槽控系統也一直在更新換代，我單位300 kA 電解生產系列設計投產到現在已有15 年之久，故當時設計的槽控系統在當今來看已比較落后，設計上存在的一些缺陷對氧化鋁濃度也帶來一定的影響。

1）氧化鋁濃度“過量”與“欠量”轉換過程中，“過量”時間太長導致了高氧化鋁濃度時間段較長，原設計“過量”時間為固定值2 h，隨著過量時間加長，氧化鋁下料越密集，氧化鋁濃度越大，特別是電解槽“過量”最后0.5 h 內，取樣化驗w（Al2O3）基本都在3%以上，數值高時4%也比較常見，高氧化鋁濃度給電解生產帶來一定的影響。后來公司聯系設計院，對系統程序進行了修改，將“過量”時間由2 h 改為1.5 h，氧化鋁濃度有所緩解，但高氧化鋁濃度時間段仍比較長，若再修改需對系統進行升級才行。

2）因系統不能實現單點下料而對氧化鋁濃度產生影響。若存在某一下料點，火眼周邊浮料很多，此時僅需正常打殼即可，周邊的氧化鋁需一段時間才能被很好消耗，但若不能實現單點控制下料，這樣就會造成氧化鋁堆積，火眼卡堵，增加電解工勞動強度。同時，若電解工操作不當，也會造成堆積在火眼周邊的氧化鋁全部進到電解質中，造成爐底大量沉淀。此外，換極后單點不需供給過多氧化鋁時，也不能單點控制NB 間隔，正常下料會造成氧化鋁過量，從而造成爐底沉淀等。

3）槽上部“魚肚”設計不合理導致中縫積料嚴重，同時對氧化鋁濃度帶來一定影響。由于電解槽設計上存在一些缺陷，導致氧化鋁在槽上部“魚肚”部位存在積存，隨著時間的推移，積存量加大，影響凈化系統吸煙效果，使得積存量更大，如此惡性循環，最終導致中縫氧化鋁積存過厚。而中縫氧化鋁過厚又會帶來兩大問題，一是打殼時槽上部“魚肚”積存的料漏到中縫以及電解槽內，造成氧化鋁濃度的加大；二是凈化吸煙效果變差，使得本該吸走的粉末氧化鋁積存。凈化吸煙效果變差造成又會電解槽內熱加大，加上氧化鋁積存、中縫積料過厚，影響了電解槽散熱，進一步加大了電解槽內熱，而內熱大對槽溫、過熱度的加大以及電流效率的影響顯而易見，同時對氧化鋁的單耗產生影響，以及使殼面塊造成積存。

2.3 操作質量

在日常操作中，在進行火眼處理、手動下料、NB間隔變更等操作時，如操作不當均會影響氧化鋁濃度，如電解工遇堵料時處理火眼，未將多余的氧化鋁扒干凈就直接處理火眼，會導致大量的氧化鋁入槽，導致氧化鋁濃度升高，更嚴重時，若過多的氧化鋁溶解不及時還會造成大量沉淀，若技術條件不匹配則將形成結殼。

在電解生產中，通過曲線可簡單、直接明了地判斷過熱度是否合適的方法為：在槽控曲線濃度轉換過程中，當欠量轉化為過量的5～8 min 內，槽控曲線由上升趨勢轉換為下降趨勢最為適宜，此時說明電解質過熱度與氧化鋁濃度匹配最佳。時間過長或過短說明電解質過熱度過小/過大，氧化鋁溶解不及時/溶解過快對電解槽濃度均會帶來影響，造成電解質成分的改變，同時對電流效率造成影響，嚴重時會造成爐底沉淀增加、爐底壓降升高、爐膛畸形等。

2.4 氧化鋁料狀

氧化鋁料狀與氧化鋁質量有一定區別。氧化鋁質量主要包括灼堿和粒度等，而氧化鋁料狀主要講粒度、流動性和溶解度。氧化鋁的料狀既與氧化鋁質量有關，又與凈化供料、載氟量有關，料狀不好的氧化鋁進入電解質后，因氧化鋁濕潤性不好、不易溶解，懸浮顆粒狀態較多，易造成氧化鋁濃度過大。

3 氧化鋁濃度對電解質導電率和初晶溫度的影響

3.1 對電解質導電率的影響

在電解生產中，電解質導電率隨氧化鋁濃度的增加而降低，在加料之后，電解質里氧化鋁濃度加大，使電解質導電率減小，之后隨著電解過程的進行，氧化鋁濃度逐漸降低，導電率隨之升高。

為了適應低溫、低分子比時氧化鋁飽和溶解度低的情況，氧化鋁濃度工作區應盡可能控制在較低的范圍內，這樣既可減少爐底沉淀產生，又可獲得較高的電流效率。實踐證明，w（Al2O3）控制在1.5%～2.5%是最佳狀態，既可保證較高的電流效率，又可防止突發效應發生。

3.2 對電解質初晶溫度的影響

正冰晶石熔體的初晶溫度為1 010 ℃，但在其中添加氧化鋁，讓其溶解成六氟鋁酸鈉和氧化鋁均勻熔體后，其初晶溫度隨著氧化鋁含量增多而降低。六氟鋁酸鈉-氧化鋁為簡單二元共晶系，共晶點在w（Al2O3）=11%處，共晶溫度為962.5 ℃。也就是說，當體系中w（Al2O3）達到11%的時候，正冰晶石的初晶溫度達到962.5 ℃的最低點。由此可見，氧化鋁質量分數對冰晶石熔體（電解質）的初晶溫度的影響很大，平均w（Al2O3）增加1%，電解質的初晶溫度下降4.3 ℃左右。

4 改善氧化鋁濃度、減少爐底沉淀的建議與方法

在電解生產中，由于設計上存在一定的不足或缺陷，或是生產中為了完成一定的指標任務，都會對電解生產和氧化鋁濃度控制帶來一定影響。

槽控系統濃度轉換過程中，程序控制的“過量”時間過長，導致電解質體系中氧化鋁濃度偏大。原設計中過欠量轉換中的“過量”時間是2 h，導致電解質體系中的氧化鋁濃度過大的時間段較長，經研究決定將“過量”時間改定為1.5 h，濃度控制有所緩和，但仍存在偏大現象。若再改動需對設計院制定的程序進行升級改動，目前公司正考慮“程序升級”項目，計劃將“過量”時間控制在1 h，縮小過欠量轉換頻率，從而有效解決氧化鋁濃度過高帶來的不良影響。

300 kA 電解系列生產中，設計上存在氧化鋁濃度的不均衡問題。300 kA 電解槽分布著5 個下料點，分別為“1、3、5 點”和“2、4 點”兩個序列、交叉打殼下料。下料點的不均衡造成氧化鋁濃度的不均衡，加上磁場影響，以及角部極關系，導致1、3、5 點爐底沉淀明顯較多，特別是第3 點出電端（B5 陽極處）和煙道端角部易長、伸腿偏大，嚴重情況下還存在新換極放不下、陽極運行過程中頂彎大母線現象。因此建議采用“單點下料”方式供料，以有效解決爐底長、伸腿大等問題。

獨點加料對氧化鋁濃度的影響。由于電解槽煙斗設計上的缺陷，中縫漏料現象嚴重，造成殼面塊一定量的積存，為了保證殼面塊“零積存”，決定實施磨粉人工上槽回吃措施[3]。具體方法是在靠出鋁端第一下料點，由人工添料至料箱進行回吃，由于殼面塊中含有30%電解質成分，序列、交叉打殼下料會造成局部氧化鋁濃度偏低及缺料狀態，從而造成槽控機誤判，導致NB 間隔縮短、下料量加大，電解槽整體w（Al2O3）偏大。因此不建議采用此方式進行殼面塊回吃，若要回吃的話，建議混合氧化鋁中所有下料點一并打料回吃。

換極后正常NB 間隔對換極區域氧化鋁濃度及爐底的影響。換極時由于殼面上的氧化鋁入槽，加上新極不導電、不消耗氧化鋁，換極后正常NB 間隔在很大程度上加大了換極區域氧化鋁濃度，特別是爐底沉淀的增加，對爐膛造成影響。

為了測試換極后換極點區域對氧化鋁的實際需求量，對換極后換極點區域進行了單點停料試驗，換極后-換極點停料試驗詳情如表1 所示。

表1 換極后換極點停料時間記錄與槽控曲線運行情況

從試驗結果來看，單點停料試驗效果相當理想，試驗總槽數20 臺，單點停料時間總計1 137 min，平均56.85 min，理論計算平均停料約為64 kg 氧化鋁，即在目前槽況系統下，每換一組新極，槽控系統對換極點多下料64 kg，造成的爐底沉淀至少在64×2=128 kg以上（50%是電解質成分），因氧化鋁溶解過程中有熱量的損失，使得原本換極造成的熱量損失進一步加劇。若將下料系統升級為單點下料，這一系列問題便可很好解決，單點下料將根據實際需求隨時調整下料量，直到新換陽極正常導電，節省的非必要下料量遠大于64 kg 氧化鋁。

5 結論

1）將w（Al2O3）控制在1.5%～2.5%，以此作為控制目標是取得較高電流效率的保證。

2）使用過量和欠量加料不斷轉換的方法，可保持氧化鋁濃度的波動處于合理的范圍之中。

3）為獲得較理想的經濟指標，必須使電解槽處于合理的物料平衡與熱量平衡狀態下，并平穩運行，同時減小鋁的二次反應。由于氧化鋁的添加是引起物料平衡變化的主要影響因素，因此需將氧化鋁濃度控制在一個狹窄的范圍內，才能有效避免爐底沉淀的產生。