利用電解槽生產(chǎn)高純度鋁的可行性分析及措施

劉 應(yīng)

（貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081）

1 國內(nèi)電解鋁產(chǎn)品質(zhì)量現(xiàn)狀

國內(nèi)電解所用的原料為氧化鋁，電解質(zhì)為冰晶石，采用碳素陽極[1]，產(chǎn)出的原鋁質(zhì)量通常按鋁中雜質(zhì)含量來評定，一般有二十多種，最主要的是Si、Fe、Cu[2]。由于各鋁企使用原料產(chǎn)地不盡相同，相應(yīng)的鋁錠產(chǎn)品質(zhì)量也有不同的差異，呈現(xiàn)出原料質(zhì)量優(yōu)良、管理水平先進(jìn)、槽齡較短的鋁企質(zhì)量較好，反之較差。通過對多家鋁企產(chǎn)品質(zhì)量的對比發(fā)現(xiàn)，原鋁質(zhì)量差異主要表現(xiàn)在Fe、Si兩種元素的含量上，特別是鐵元素的含量。以貴州投產(chǎn)不到半年、槽況穩(wěn)定、工藝技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良的某廠和西北生產(chǎn)10年以上內(nèi)襯有破損，槽結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重且穩(wěn)定性較差的某鋁企作比較，其原鋁中Fe、Si的含量情況如下：

通過圖1、圖2和表1中的數(shù)據(jù)可以看出，其原鋁均符合市場對2N7的質(zhì)量要求，但槽齡較短的原鋁品質(zhì)較穩(wěn)定，F(xiàn)e含量較長時間維持在800ppm以內(nèi)，硅含量則低至300ppm，屬于優(yōu)質(zhì)原鋁，說明對槽齡短，槽況及原材料良好的電解系列，無需采用特殊措施，原鋁便可達(dá)到A199.85b牌號標(biāo)準(zhǔn)，而以西北鋁企為代表的槽型，則只能達(dá)到2N7產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)目前國內(nèi)市場情況，Al99.80在普鋁的基礎(chǔ)上將增加80元/t的附加值,Al99.85則為200元/t，這對企業(yè)來說將是一筆可觀的經(jīng)濟效益，且較好的產(chǎn)品更能得到下游鋁合金市場的青睞，對企業(yè)建立穩(wěn)定的銷售渠道大有益處。針對這一現(xiàn)象，本文將從微量元素的來源進(jìn)行分析，并就兩個鋁企的原材料及產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算論證，結(jié)合部分鋁企嘗試生產(chǎn)更高純度的原鋁方法及措施進(jìn)行分析，提出切實可行的措施，供廣大鋁企生產(chǎn)管理者借鑒參考。

圖1 原鋁鐵含量圖

圖2 原鋁硅含量圖

表1 重熔用鋁錠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T1196-2017)

2 原鋁中的鐵、硅來源及各部分貢獻(xiàn)情況

2.1 鐵、硅元素的來源

電解過程鐵、硅的來源大致相似，均包含以下幾個方面：原料帶入、內(nèi)襯材料滲入、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕、其中工藝操作帶入，包括幾個方面：

（1）鐵質(zhì)工具帶入；

（2）槽況異常帶入；

（3）陽極鋼爪腐蝕混入；

（4）覆蓋料循環(huán)使用帶入。

2.2 電解過程Fe、Si元素的分布規(guī)律

電解過程帶入的微量元素進(jìn)入電解槽后，轉(zhuǎn)化為氟化物，隨著電解反應(yīng)的進(jìn)行，電位正于鋁的元素的氧化物雜質(zhì)將被還原為單質(zhì)進(jìn)入鋁內(nèi)，因此，SiO2和Fe2O3將被還原成為鋁液產(chǎn)品中的雜質(zhì)，通過對實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，F(xiàn)e、Si元素的分布規(guī)律完全符合上述機理，絕大部分均隨鋁液帶出，最終在鋁錠中以單質(zhì)的形式存在。

2.2 原鋁中Fe、Si元素來源計算

以圖1和圖2中的原鋁成分指標(biāo)為基準(zhǔn)，對應(yīng)同時期使用的氧化鋁品質(zhì)及原輔材料消耗情況如下表：

表2 同時期使用的氧化鋁品質(zhì)（平均）

表3 噸鋁原輔材料消耗量（平均）

表4 原鋁中Fe、Si元素各部分貢獻(xiàn)數(shù)值

其中冰晶石、氟化鋁、氟化鈣的化學(xué)成分分別參照GB/T4292-2017、 GB/T4291-2017和 GB/T27804-2001標(biāo)準(zhǔn)計算，陽極炭塊按一級品執(zhí)行，原鋁中的Fe、Si含量按穩(wěn)定狀態(tài)下一個月的數(shù)值取平均，計算得出如下結(jié)果：

從上述四個圖的數(shù)值來看，氟化鈣、氟化鋁、冰晶石帶入的Fe、Si元素非常有限，在總的體量中的影響可以忽略，氧化鋁和炭塊帶入的量相當(dāng)，占據(jù)很大一部分，其它（含內(nèi)襯材料滲入、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕、工藝操作等）帶入的量則占據(jù)較大部分，尤其是Fe的含量，即使是新投產(chǎn)的電解槽，也達(dá)到了50%以上；槽齡較大的原鋁質(zhì)量中來自其它部分的Fe、Si含量則更高，F(xiàn)e相差12%以上，Si的含量相差17%，這與槽齡老化、槽結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重等因素有關(guān)。

3 生產(chǎn)高純度鋁的可行性分析及具體措施

眾所周知，電解槽主要用于生產(chǎn)普鋁，其工藝裝備及粗放式的管理模式制約了原鋁的純度，想穩(wěn)定生產(chǎn)3N及以上的精鋁，國內(nèi)外目前大規(guī)模生產(chǎn)的工藝主要是三層液和偏析法[3]。如前所述，貴州鋁企的原鋁質(zhì)量能一定時間內(nèi)維持在Al99.85以上，如采取特殊工藝措施，進(jìn)一步降低其原鋁中的Fe、Si含量，力求達(dá)到3N級產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，便可獲得800元/t的經(jīng)濟效益。

通過與表5對比，其原鋁品質(zhì)僅有Fe含量高于3N鋁180ppm，其它微量元素均低于上述標(biāo)準(zhǔn)，電解生產(chǎn)普鋁時一般采用的陽極為一級品，如需降低原鋁中的Fe含量，可采用高級陽極生產(chǎn)，其Fe含量約為300ppm，相比于一級陽極的450ppm減少了150ppm，換算成噸鋁中的Fe含量，可降低約60ppm ，氧化鋁方面，目前國內(nèi)氧化鋁中的Fe2O3含量可做到60ppm以下，與本次計算的120ppm相比，換算成噸鋁中的Fe含量，可降低約80ppm。因此，原料部分采用優(yōu)質(zhì)氧化鋁及高級陽極，理論上可使原鋁中的Fe含量降低140ppm左右。

表5 重熔用精鋁錠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(YST 665-2018)

工藝操作帶入的Fe含量占到了總數(shù)的50%以上，其中又以鋼爪腐蝕混入及覆蓋料循環(huán)使用帶入量為最大，據(jù)不完全統(tǒng)計，該部分占到所有因數(shù)中的60%，因此可采用對陽極鋼爪進(jìn)行防氧化噴涂措施，用新鮮氧化鋁代替渣殼粉，不再循環(huán)使用覆蓋料；針對打撈炭渣環(huán)節(jié)，亦可通過對陽極進(jìn)行增加涂層，減少打撈量；使用不銹鋼工具等。通過采用以上措施，將原鋁中的Fe含量進(jìn)一步降低50ppm以上是完全能實現(xiàn)的。近年來，廣西平果鋁業(yè)、湖南創(chuàng)元鋁業(yè)等都采用類似的生產(chǎn)工藝，短時間內(nèi)在部分電解槽上生產(chǎn)出3N原鋁，證明無論是從理論還是實際都是可行的。

圖3 貴州鋁企原鋁中鐵元素各部分貢獻(xiàn)圖

圖4 西北鋁企原鋁鐵元素各部分貢獻(xiàn)圖

圖5 貴州鋁企原鋁中硅元素各部分貢獻(xiàn)圖

圖6 西北鋁企原鋁中硅元素各部分貢獻(xiàn)圖

4 結(jié)論

本文通過介紹目前國內(nèi)原鋁的品質(zhì)情況，分析Fe、Si元素的來源及含量，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算論證在電解槽上生產(chǎn)高純度原鋁的可行性，主要結(jié)論如下：

（1）原鋁中的Fe、Si含量因原材料的差異、槽齡的變化以及生產(chǎn)管理水平的差異而不同。

（2）Fe、Si的來源主要包括原輔材料、內(nèi)襯材料、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕及工藝操作，其中鋼結(jié)構(gòu)腐蝕及工藝操作占據(jù)50%以上，通過使用優(yōu)質(zhì)原料及采用特殊措施進(jìn)行科學(xué)生產(chǎn)管理，是電解槽生產(chǎn)出高純度鋁的重要保障！

（3）利用槽齡短，槽況穩(wěn)定的電解槽生產(chǎn)3N鋁理論上是完全可行的，但長期穩(wěn)定生產(chǎn)則對原材料品質(zhì)、工藝操作要求極高，需要精細(xì)化管理方能實現(xiàn)，只能針對少數(shù)鋁水槽（新投產(chǎn)或大修槽）進(jìn)行嘗試探索。建議電解槽工藝指標(biāo)先進(jìn)且具有豐富生產(chǎn)經(jīng)驗的企業(yè)，從生產(chǎn)操作和原料把控環(huán)節(jié)上予以精準(zhǔn)管理，力爭實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)Al99.90、Al99.85、Al99.80的產(chǎn)能目標(biāo)。