基于數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜鋁電解質(zhì)體系工藝優(yōu)化研究

曹阿林，李春煥，孫敬會(huì)

（1.百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000； 2.百色學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 百色 533000）

在現(xiàn)行冰晶石—氧化鋁熔鹽鋁電解工藝中，作為原料的氧化鋁中均會(huì)含有一定的氧化鋰，氧化鋰隨氧化鋁通過下料進(jìn)入電解質(zhì)體系，與冰晶石反應(yīng)生成氟化鋰。由于我國一水硬鋁石型鋁土礦中鋁、鋰共生礦比重較大，生產(chǎn)的高鋰鹽氧化鋁占到了我國氧化鋁生產(chǎn)總量的60%以上，部分高鋰鹽氧化鋁中氧化鋰含量可以達(dá)到0.10%以上[1-3]。由于氧化鋁原料中的鋰鹽含量的差異性，造成國內(nèi)鋁電解質(zhì)體系較為復(fù)雜。

為了解國內(nèi)不同鋁電解企業(yè)的電解體系狀況及其工藝控制參數(shù)、生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，本文調(diào)研了我國中部、西南、西北三個(gè)典型鋁電解生產(chǎn)片區(qū)11個(gè)生產(chǎn)企業(yè)的11個(gè)生產(chǎn)系列，槽容量涵蓋180kA～500kA系列鋁電解槽，分析研究了其近6個(gè)月的鋁電解體系、工藝控制參數(shù)及生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

1 鋁電解質(zhì)體系、工藝參數(shù)及其生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)分析

1.1 鋁電解質(zhì)體系

圖1 鋁電解質(zhì)體系不同成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）

由圖1可知，調(diào)研的三個(gè)片區(qū)11個(gè)鋁電解生產(chǎn)系列中，電解質(zhì)體系較復(fù)雜，其中氟化鋰的平均含量具有明顯的區(qū)域分布特征，中部片區(qū)生產(chǎn)系列中氟化鋰含量最高，ML2系列的氟化鋰平均濃度達(dá)到了5.60%，個(gè)別單體鋁電解槽氟化鋰濃度甚至達(dá)到8%以上，遠(yuǎn)高于1.5%～3.5%的最佳理論濃度，給工藝調(diào)控和生產(chǎn)運(yùn)行帶來了極大的困難；西北片區(qū)企業(yè)次之，平均氟化鋁濃度在4%左右；西南片區(qū)企業(yè)最低，平均氟化鋰含量在1.50%左右，在最佳氟化鋰?yán)碚摑舛瓤刂品秶畠?nèi)。氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂等添加劑含量并無明顯區(qū)域分布特征；大部分的生產(chǎn)系列氧化鋁的含量平均控制2.50%左右，亦無明顯的區(qū)域分布特征。

1.2 工藝參數(shù)

由圖2可知，所調(diào)研11個(gè)生產(chǎn)系列中，電解質(zhì)水平無明顯差異，平均保持在17cm左右；鋁水平除SW4企業(yè)外，其他企業(yè)亦無明顯差異，平均保持在27cm左右；電解溫度有一定的波動(dòng)性，對比圖1中的鋁電解質(zhì)體系中平均氟化鋰含量，二者有一定的匹配性，平均氟化鋰含量高，鋁電解溫度低，如電解溫度最低的ML1、ML2和NW4系列，其平均氟化鋰含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他生產(chǎn)系列鋁電解質(zhì)體系中平均氟化鋰的含量；平均電壓除SW4和NW4系列控制在3.85V左右，調(diào)研的其他生產(chǎn)系列均控制在4.00V左右。

圖3 平均電壓和電流效率對直流電耗的影響關(guān)系

1.3 生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

鋁電解過程中追求高效低耗，即高電流效率，低電解能耗。鋁電解能電耗一般可用直流電耗、鋁液交流電耗和鋁錠交流電耗表示，其中直流電耗可由式（1）計(jì)算出：

式中：W：直流電耗（kW.h） V：平均電壓（v）η：電流效率（%）

由式（1）可知，理論上只有在電壓越低、電流效率越高的情況下，才能真正實(shí)現(xiàn)高效低耗。但在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，一般情況下運(yùn)行電壓控制的越低，鋁的二次反應(yīng)越高，電流效率越低，反而會(huì)使電耗增加。由圖3可以看出，電流效率與平均電壓具有較好的對應(yīng)關(guān)系，平均電壓越高，電流效率越高；平均電壓越低，電流效率亦越低。在調(diào)研的11個(gè)生產(chǎn)系列中，SW2、SW3和NW3系列的平均電壓控制的并不低，但獲得了較高的電流效率，直流電耗也不高，最終實(shí)現(xiàn)了高效低耗；而SW4系列的平均電壓控制的最低，但其電流效率亦是最低，最終反而導(dǎo)致直流電耗偏高，既未實(shí)現(xiàn)高效，也未實(shí)現(xiàn)低耗。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況控制合理的電解電壓，才可獲得理想的效率和能耗。

2 最佳鋁電解質(zhì)體系與工藝參數(shù)的確定

經(jīng)對所調(diào)研的三個(gè)不同片區(qū)的11個(gè)鋁電解系列的鋁電解質(zhì)體系、工藝參數(shù)和生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的分析，SW2、SW3和NW3系列最終實(shí)現(xiàn)了高效低耗，其具體生產(chǎn)指標(biāo)、鋁電解質(zhì)體系和控制工藝參數(shù)如表1、2和3所示。

從上述數(shù)據(jù)中可知，SW2和SW3兩系列的鋁電解質(zhì)體系和控制工藝條件外，其他參數(shù)差別不大；NW3系列與SW2和SW3兩系列相比，除氟化鉀和氧化鋁相對比重略有差別之外，氟化鋰含量的相對比重有較大差別；三個(gè)系列的電解質(zhì)體系中氟化鋰的含量基本都在1.5%～3.5%的最佳理論濃度之內(nèi)，均取得了理想的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)。綜合各種因素，僅就以實(shí)現(xiàn)了高效低耗為目的，筆者認(rèn)為SW2系列為最佳，其對應(yīng)的鋁電解質(zhì)體系及其工藝參數(shù)可以作為實(shí)際生產(chǎn)中參考的重要指標(biāo)。

從上述分析可知，鋁電解質(zhì)體系中氟化鋰的含量對鋁電解工藝控制條件和生產(chǎn)技術(shù)影響比重較大，對于電解質(zhì)體系中氟化鋰的含量在最佳理論濃度之內(nèi)的鋁電解生產(chǎn)系列可以參考上述各項(xiàng)工藝控制參數(shù)，亦可取得理想的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)。但對于氟化鋰的含量低于或高于最佳理論濃度的鋁電解體系，尚需要研究分析如何更好的優(yōu)化工藝參數(shù)，在特定條件下取得理想的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)。

3 低鋰鹽鋁電解質(zhì)體系的工藝參數(shù)優(yōu)化

對于低鋰鹽鋁電解質(zhì)體系，為提高其導(dǎo)電性能、降低初晶溫度、提高電流效率、降低電解能耗，取得理想的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過添加金屬鋰鹽的方法提高鋁電解質(zhì)體系中氟化鋰的含量，達(dá)到最佳濃度控制范圍，亦可通過使用一定比例的高鋰鹽氧化鋁來增加電解質(zhì)體系中氟化鋰的含量。在鋁電解過程中，氟化鋰的分解電壓遠(yuǎn)高于相同條件下氧化鋁的分解電壓，在正產(chǎn)生產(chǎn)工藝條件下，一般不會(huì)發(fā)生氟化鋰的分解作用，致使其在鋁電解質(zhì)體系中造成富集作用，增大其含量，達(dá)到最佳濃度控制范圍[4]。

表1 SW2、SW3和NW3系列生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

表2 SW2、SW3和NW3系列鋁電解質(zhì)體系

表3 SW2、SW3和NW3系列控制工藝參數(shù)

圖4 高鋰鹽鋁電解質(zhì)體系不同成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）

4 高鋰鹽鋁電解質(zhì)體系的工藝參數(shù)優(yōu)化

因長期使用高鋰鹽氧化鋁的生產(chǎn)系列，由于鋰鹽在鋁電解質(zhì)體系中的富集作用，造成鋁電解質(zhì)體系中氟化鋰濃度大幅提高，部分電解系列已達(dá)9%～10%。過高的氟化鋰含量導(dǎo)致電解質(zhì)初晶溫度過低，氧化鋁溶解能力下降，電解槽爐底沉淀增多，工藝技術(shù)條件控制難度大，鋁電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性差，直接影響電流效率和電解能耗等指標(biāo)[5-7]。眾多高鋰鹽鋁電解質(zhì)體系生產(chǎn)系列主要采用置換使用一定比例的低鋰鹽氧化鋁，減緩氟化鋰的富集作用。但隨著鋁電解槽槽齡的逐漸增大，氟化鋰濃度亦會(huì)逐漸增大。在無法很好的調(diào)控氟化鋰濃度的情況下，如何實(shí)現(xiàn)高鋰鹽鋁電解體系下相對的高效低耗生產(chǎn)，是個(gè)亟待解決的問題。

本文對所調(diào)研氟化鋰含量大于4.50%的部分鋁電解槽中的鋁電解質(zhì)體系、控制工藝參數(shù)和生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的近6個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。由圖4、5和6可知，鋁電解質(zhì)體系中氟化鋁平均濃度達(dá)到5.50%左右，遠(yuǎn)高于最佳理論濃度，平均電解溫度和平均電流效率明顯偏低，最終導(dǎo)致其平均直流電耗明顯偏高。

從上述分析可知，HL8、HL9和HL11鋁電解槽最終實(shí)現(xiàn)了高鋰鹽鋁電解體系下相對的高效低耗，其具體生產(chǎn)指標(biāo)、鋁電解質(zhì)體系和控制工藝參數(shù)如表4、5和6所示。

從表4、5和6可知，HL8、HL9和HL11鋁電解槽中氟化鋰濃度逐漸增大，直流電耗亦呈現(xiàn)增大趨勢，而其他參數(shù)則差別不大。綜合各種因素，僅就以實(shí)現(xiàn)了相對高效低耗為目的，筆者認(rèn)為HL8鋁電解槽為最佳，其對應(yīng)的控制參數(shù)可以作為實(shí)際生產(chǎn)中高鋰鹽鋁電解體系可參考的重要指標(biāo)。

圖5 高鋰鹽鋁電解體系的控制工藝參數(shù)

圖6 高鋰鹽鋁電解體系平均電壓和電流效率對直流電耗的影響關(guān)系

表4 HL8、HL9和HL11槽生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

表5 HL8、HL9和HL11槽鋁電解質(zhì)體系

表6 HL8、HL9和HL11槽控制工藝參數(shù)

5 結(jié)語

（1）調(diào)研的三個(gè)片區(qū)11個(gè)鋁電解生產(chǎn)系列中，電解質(zhì)體系較復(fù)雜，其中氟化鋰的平均含量具有明顯的區(qū)域分布特征。

（2）鋁電解質(zhì)體系中氟化鋰的含量對鋁電解工藝控制條件和生產(chǎn)技術(shù)影響比重較大，對于電解質(zhì)體系中氟化鋰的含量在最佳理論濃度之內(nèi)的鋁電解生產(chǎn)系列易取得較好的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，其鋁電解質(zhì)體系及控制參數(shù)可以作為實(shí)際生產(chǎn)中參考的重要指標(biāo)。

（3）對于低鋰鹽濃度鋁電解質(zhì)體系，在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過添加金屬鋰鹽的方法提高鋁電解質(zhì)體系中氟化鋰的含量，或通過使用一定比例的高鋰鹽氧化鋁來增加電解質(zhì)體系中氟化鋰的含量，達(dá)到最佳濃度控制范圍。

（4）對于高鋰鹽濃度鋁電解質(zhì)體系，可采用置換使用一定比例的低鋰鹽氧化鋁，減緩氟化鋰的富集作用；在無法很好的調(diào)控氟化鋁濃度的情況下，可優(yōu)化其控制參數(shù)，亦可實(shí)現(xiàn)高鋰鹽鋁電解體系下相對的高效低耗。

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