鋁電解槽低電壓下技術(shù)條件的探索

董越

摘 要：介紹鋁電解槽電壓降低后容易引起極距的降低，而極距降低后容易引起電流效率的降低，指出在低電壓下應(yīng)通過優(yōu)化電解質(zhì)成分、降低鐵碳壓降、降低爐底壓降保持較高的極距；同時在極距相對穩(wěn)定后，電流效率的提高應(yīng)以保持低過熱度為突破口，而鋁水平、分子比、氧化鋁濃度三項(xiàng)技術(shù)參數(shù)對電解槽過熱度影響最大，合理分子比的確定、合理鋁水平的確定、提高氧化鋁濃度的合格率是保持低過熱度的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：低電壓 低極距 低過熱度 鋁水平 分子比 氧化鋁濃度

中圖分類號：TF821 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）006-066-02

1 降低槽電壓容易造成低極距

近年來，我公司一直致力于降低槽電壓的工作，二分廠240KA系列平均電壓由4.141v下降至4.009v，下降了132 mv，但由此引發(fā)了一個新的問題，降低電解槽工作電壓后，電解槽的極距也或多或少的減小，而極距的減小容易導(dǎo)致電流效率的降低。如何調(diào)整電解槽的技術(shù)條件，在較低的工作電壓下仍能保持較高的電流效率是我們迫切需要解決的問題。

2 極距的定義及對電流效率的影響

極距指電解槽中鋁液與陽極之間的距離，既不易過高也不易過低，一般在4～6cm之間，鋁電解時所有的電化學(xué)反應(yīng)都在此區(qū)域發(fā)生，極距的高低將直接關(guān)系到電流效率的高低。極距小時，溶解鋁擴(kuò)散到氧化區(qū)的距離短，有時陽極氣體直接將鋁液面上的鋁氧化。極距增大后，熔體對流攪拌作用減弱，擴(kuò)散層厚度增大，鋁損失減少，因此效率將明顯提高。但當(dāng)極距超過一定程度后，電解溫度將明顯提高，電解質(zhì)黏度也明顯減小，使對流循環(huán)加快，鋁溶解度增大，又會導(dǎo)致電流效率的降低，同時過高的極距也會使槽電壓升高，電耗增大。所以合理極距的確定直接關(guān)系到鋁電解槽電流效率的高低。

3 在低電壓下如何保持較高的極距

3.1 槽電壓的組成

槽電壓是指電解槽能維持正常工作的最低電壓，由電解槽的陽極壓降、陰極壓降、槽周母線壓降、分解與極化壓降、電解質(zhì)壓降（極距之間）以及效應(yīng)分?jǐn)傠妷航M成。

3.2 保持較高的極距方法

在低電壓下，應(yīng)通過降低陽極壓降、陰極壓降、槽周母線壓降、電解質(zhì)壓降來保持較高的極距。

3.2.1 降低陽極壓降

陽極壓降由以下幾部分組成：

（1）炭陽極自身壓降。主要與炭陽極高度、質(zhì)量有關(guān)。炭陽極高度越高，炭陽極壓降越高；據(jù)測算陽極高度每增加1cm，陽極壓降升高約3.8mv，但陽極高度增高后會降低陽極單耗，需要綜合考慮。炭陽極中雜質(zhì)含量越高炭陽極壓降越高。

（2）鋁導(dǎo)桿與陽極鋼爪的焊接壓降。主要與焊接質(zhì)量有關(guān)。

（3）鋼爪自身的壓降。鋼爪直徑越大，相應(yīng)的壓降越低。

（4）鋼爪與碳陽極之間的壓降（簡稱鐵碳壓降）。主要與磷生鐵成分有關(guān)，目前我公司鐵碳壓降高于其它廠家30mv以上，主要原因是磷生鐵成分中硫含量在0.06%左右，而其它廠家一般在0.02%以下，如何脫硫、降低鐵碳壓降是我們今年攻關(guān)的重點(diǎn)。

3.2.2 降低電解質(zhì)壓降

電解質(zhì)中各組分（氧化鋁濃度、添加劑含量）的變化都會影響到電解質(zhì)自身壓降的改變。各組分與電壓的關(guān)系如下：

lnX=1.9105+0.162CR-0.01738Al2O3%-0.003955CaF2%

-0.009227MgF2%+0.02155LiF%-1745.7T-1

式中：X為電解質(zhì)的導(dǎo)電率；CR為分子比；T為絕對溫度。

通過上述公式可知，電解質(zhì)的導(dǎo)電率與分子比、氟化鋰的濃度成正比，而與電解質(zhì)溫度、氧化鋁濃度及其它添加劑的濃度成反比。

通過計(jì)算，得出如下結(jié)論：分子比（0.1） LiF濃度（1%）、Al2O3濃度（1%）、溫度（10℃）、MgF2濃度（1%）、CaF濃度（1%）、對導(dǎo)電度影響依次減弱。

所以，在低電壓下只有保持較高的電導(dǎo)率，才能有較低的電解質(zhì)壓降，應(yīng)采取較高分子比、較低氧化鋁濃度、低MgF2濃度和低CaF濃度來保持較低的電解質(zhì)壓降。

3.3 降低槽周母線壓降

主要是降低短路口壓降和增大鋁合金槽罩的絕緣。

3.4 降低陰極壓降

陰極壓降由以下幾部分組成：

3.4.1 陰極炭塊本身的電阻引起的壓降

主要隨以下因素變化：（1）陰極炭塊的壓降會隨著溫度的升高而降低。（2）石墨化程度越高，陰極壓降越低。（3）陰極炭塊的壓降會隨著槽齡的增加而逐步降低

3.4.2 陰極鋼棒的電壓降

陰極鋼棒的電壓降取決于只陰極鋼棒的幾何尺寸和溫度。陰極鋼棒的電壓降隨槽齡的增加而逐步升高。

3.4.3 陰極鋼棒與陰極炭塊之間的接觸壓降

在筑爐時一定要將陰極鋼棒清洗干凈，用搗糊將鋼棒與炭塊緊密地聯(lián)結(jié)成一體；陰極鋼棒與陰極炭塊之間的接觸壓降隨槽齡的增加而逐步升高。

4 在極距相對穩(wěn)定后，應(yīng)通過保持較低的過熱度來提高電流效率

4.1 過熱度的控制理論

電解質(zhì)過熱度 T=T-T0 （T為電解質(zhì)溫度；T0為電解質(zhì)初晶溫度）

由上式可以看出，電解質(zhì)過熱度的大小取決于電解質(zhì)溫度和電解質(zhì)初晶溫度的變化。任何導(dǎo)致電解質(zhì)溫度和電解質(zhì)初晶溫度變化的因素都會引起過熱度發(fā)生變化。

4.2 影響電解質(zhì)溫度變化的因素

（1）槽工作電壓。如果升高電解槽工作電壓，則能量輸入加大，會導(dǎo)致電解槽溫度升高，反之，如果降低電解槽工作電壓，則能量輸入減少，會導(dǎo)致電解槽溫度升降低。

（2）鋁水平。電解槽的爐膛底部須積存一定數(shù)量的鋁液（亦稱在產(chǎn)鋁），其作用：1）保護(hù)碳陰極，防止鋁直接在陰極表面析出而腐蝕陰極；2）傳導(dǎo)陽極中心熱量，使電解槽各處溫度均勻。升高鋁水平，在產(chǎn)鋁量加大，電解槽的散熱量增大，會導(dǎo)致電解槽溫度降低；降低鋁水平，電解槽的散熱量減少，會導(dǎo)致電解槽溫度升高。

（3）保溫料厚度。陽極上保溫料是維持電解槽熱平衡的一個重要因素，增大陽極上保溫料厚度會減小電解槽的散熱量，導(dǎo)致電解槽溫度升高，反之減薄保溫料厚度會導(dǎo)致電解槽的溫度降低。

（4）分子比。分子比是指電解質(zhì)中氟化鈉與氟化鋁的分子數(shù)之比，通過添加氟化鋁降低分子比可以降低電解質(zhì)溫度。

4.3 影響電解質(zhì)初晶溫度變化的因素

（1）分子比。分子比升高，電解質(zhì)的初晶溫度升高，分子比降低，電解質(zhì)的初晶溫度降低。

（2）氧化鋁濃度。氧化鋁濃度是指電解質(zhì)中氧化鋁的百分含量，氧化鋁濃度越高，電解質(zhì)初晶溫度越低。

（3）電解質(zhì)種添加劑的種類和含量。添加劑的種類主要有氟化鈣、氟化鎂、氟化鋰，添加劑含量越高電解質(zhì)初晶溫度越低，添加劑的種類不同對電解質(zhì)初晶溫度的影響也不同。

4.4 技術(shù)關(guān)鍵

要保持低過熱度，應(yīng)該保持較高的初晶溫度和較低的電解質(zhì)溫度。

（1）合理分子比的確定。要保持較高的初晶溫度需保持較高的分子比，而保持較低的電解質(zhì)溫度又需要保持較低的分子比，所以太高和太低都不合適，目前分子比基本保持在2.5～2.55。

（2）合理鋁水平的確定。由于電壓降低了132mv，電解槽的熱收入較降電壓前有明顯減少，在降電壓過程中很容易出現(xiàn)電解質(zhì)收縮、電解質(zhì)水平偏低的現(xiàn)象，所以鋁水平較降電壓降低了2-4 cm，目前鋁水平大多保持在23～25cm。

（3）提高氧化鋁濃度的合格率。合理氧化鋁濃度應(yīng)控制在1.5～3%之間，但由于受氣缸漏料、換極、火眼不暢通、人為因素干擾槽控系統(tǒng)等因素的影響，經(jīng)常偏離正常范圍，要加強(qiáng)對設(shè)備的維護(hù)，提高換極等工序的操作質(zhì)量，并對濃度異常的電解槽進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)整，提高氧化鋁濃度的合格率。

5 結(jié)語

（1）在低電壓下，應(yīng)通過降低陽極壓降、陰極壓降、槽周母線壓降、電解質(zhì)壓降來保持較高的的極距。

（2）在極距相對穩(wěn)定后，應(yīng)通過保持較低的過熱度來提高電流效率。

（3）通過合理調(diào)整技術(shù)條件，我公司240KA系列在平均電壓降低132 mv的情況下，電流效率基本維持在91%左右，僅較降電壓前降低0.5%，噸鋁直流電耗也從改造前的13442kwh/t-Al降低至13128kwh/t-Al，取得了明顯的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)：

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