330KA 鋁電解槽生產(chǎn)過(guò)程中電流效率的提升研究

羅偉林

（來(lái)賓銀海鋁業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 來(lái)賓 546100）

電流效率可以綜合的反映出鋁電解的生產(chǎn)過(guò)程各項(xiàng)指標(biāo)，體現(xiàn)出生產(chǎn)過(guò)程的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也體現(xiàn)了電解槽的產(chǎn)能與電量的消耗。本文將結(jié)合來(lái)賓銀海鋁330KA系列電解槽提升電流效率的實(shí)踐進(jìn)行分析；本廠電解一系列由貴陽(yáng)院設(shè)計(jì)，共計(jì)280臺(tái)槽，共分為8個(gè)工區(qū)，單槽采用雙陽(yáng)極生產(chǎn)，共計(jì)20組/槽。

1 鋁電解生產(chǎn)現(xiàn)狀

當(dāng)前，鋁電解產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩，直接造成產(chǎn)需失衡，價(jià)格下跌，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)電解鋁企業(yè)盈利狀況明顯惡化。作為建設(shè)周期短，進(jìn)入門(mén)檻低，高退出壁壘的行業(yè)，在未來(lái)的一端時(shí)間內(nèi)，中國(guó)鋁電解產(chǎn)能過(guò)剩的困局依舊得不到緩解，因此各大企業(yè)紛紛開(kāi)始研究?jī)?nèi)部脫困之策，而提升電流效率是最快的捷徑之一。

影響鋁電解電流效率的主要因素有：化學(xué)損失、物理?yè)p失與機(jī)械損失等，即鋁的溶解與再氧化過(guò)程的電流損失；鋁離子與其余高價(jià)離子不完全放電造成的電流空耗；鈉離子放電造成電流損失；機(jī)械設(shè)備利用率低造成的損失等，這些因素由于電解溫度有直接關(guān)系，因此電流效率的影響因素更加復(fù)雜。

通過(guò)對(duì)提升鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中電流的效率的研究，本廠電流效率提升1.5%，大幅降低企業(yè)能耗，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文將結(jié)合工藝、生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)計(jì)與人員等方面進(jìn)行分析，以供探討[1]。

2 提升鋁電解生產(chǎn)過(guò)程電流效率的指導(dǎo)思想

（1）電解槽的設(shè)計(jì)方面。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)作為鋁電解生產(chǎn)過(guò)程的起始環(huán)節(jié)，往往決定了后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的電流效率。在電解槽陰極結(jié)構(gòu)與母線排布上，應(yīng)對(duì)力場(chǎng)、熱場(chǎng)與磁場(chǎng)因素進(jìn)行仔細(xì)分析，借助計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行科學(xué)的模擬，避免經(jīng)驗(yàn)化的過(guò)度干擾，綜合三方面的影響，進(jìn)行陰極結(jié)構(gòu)與母線布局的優(yōu)化。熱工設(shè)計(jì)中對(duì)內(nèi)襯材料的選擇，應(yīng)對(duì)保溫性能進(jìn)行驗(yàn)證，減少電解質(zhì)凝結(jié)導(dǎo)致絕緣層的出現(xiàn)。磁場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)導(dǎo)電體與母線進(jìn)行優(yōu)化，降低磁場(chǎng)對(duì)鋁電解液的影響，減少電解液的波動(dòng)范圍。在設(shè)計(jì)方面，本廠采用貴陽(yáng)研究院設(shè)計(jì)的阻流塊技術(shù)異形槽，同時(shí)利用雙陽(yáng)級(jí)組結(jié)構(gòu)，增加陽(yáng)極電流的平衡性，有效增加電解極距，降低電壓需求。在陽(yáng)極設(shè)計(jì)方面，采用磷生鐵連接結(jié)構(gòu)，便于與陽(yáng)極結(jié)合，增加陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在母線電流密度的設(shè)計(jì)上，在適當(dāng)考慮投資的前提下增加母線截面，降低電流密度，進(jìn)而降低母線上電能的消耗。在陰極電流密度上，可以通過(guò)增加陰極電流密度達(dá)到提升電流效率的目的。

（2）電解槽的施工與維護(hù)。選擇合適的電解槽材料可以保證力場(chǎng)設(shè)計(jì)與熱工設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，常見(jiàn)的電解槽材料有耐火磚、耐火顆粒、硅酸鈣保溫磚與碳氮化硅磚等，他們可以保證側(cè)部與槽底的散熱要求。本廠選用節(jié)能性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通碳?jí)K的半石墨材質(zhì)的碳?jí)K。在電解槽的砌筑方面，應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)施工規(guī)范，增加工序間的配合，對(duì)陰極棒孔與耐火顆粒等重要環(huán)節(jié)進(jìn)行仔細(xì)檢查；側(cè)部碳?jí)K的施工中應(yīng)涂抹碳膠，減少與槽殼之間的間隙，使兩者緊密配合；扎糊的施工中應(yīng)保證施工效果，避免熔體滲入到內(nèi)襯位置，降低電流效率，增加耗電量；陽(yáng)極棒孔處的施工中應(yīng)采用耐火顆粒進(jìn)行填充，阻擋熔體向槽底的滲漏。母線安裝過(guò)程中焊接點(diǎn)應(yīng)仔細(xì)檢查，避免焊接不良造成能耗的增加，避免焊縫夾渣與焊點(diǎn)疏松等情況的出現(xiàn)。母線系統(tǒng)的壓接面應(yīng)平整光滑，采用酒精洗凈后進(jìn)行充分壓實(shí)，一旦出現(xiàn)灼傷應(yīng)磨平處理。本廠在筑爐過(guò)程中采用了阻流塊槽，側(cè)部為氮化硅材料，可以有效的避免槽側(cè)電流短路等情況[2-4]。

（3）生產(chǎn)過(guò)程中影響電流效率的因素。電流損失與溶解損失是導(dǎo)致電流效率下降的主要因素，電流的損失主要表現(xiàn)為陰極、陽(yáng)極局部短路，槽殼處導(dǎo)電體的漏電，電解質(zhì)中電流流向槽體碳素材料導(dǎo)致的漏電等，這些情況下電流的損失直接造成電流效率的下降。鋁的溶解損失在電流效率降低中的比例高達(dá)10%～20%，主要原因來(lái)自溫度升高造成的電解質(zhì)溶解度的增加，鋁液鏡面增加導(dǎo)致鋁與電解質(zhì)接觸面增加，鋁液與電解質(zhì)循環(huán)加快造成的溶解鋁的擴(kuò)散，它們都加速了鋁的損失。要提升鋁的利用率，就需要降低鋁的溶解度，本廠在實(shí)踐中通過(guò)增加添加劑ALF3降低電解質(zhì)初晶溫度，進(jìn)而降低鋁的擴(kuò)散；另外采取A級(jí)碳素陽(yáng)極，使得碳渣率大大減少，不僅減輕職工勞動(dòng)強(qiáng)度，且極大增加了有效極距。

此外，本廠注在氧化鋁濃度的控制。在采用了沈陽(yáng)鑫博槽控機(jī)后，以往氧化鋁濃度過(guò)高的現(xiàn)場(chǎng)得到有效控制，使過(guò)欠比比由1.85提升到2.0～2.15以上水平，氧化鋁濃度的正?？刂?，使得電流效率在生產(chǎn)過(guò)程中提升近1%。

（4）工藝流程的管理。除了要保證陽(yáng)極、陰極、原材料、備件與檢修等外部條件，還要對(duì)工藝流程的合理性與科學(xué)性進(jìn)行嚴(yán)格的控制，制定詳細(xì)的考核體系，使技術(shù)與操作得到妥善控制。在生產(chǎn)過(guò)程中，本廠通過(guò)增加開(kāi)槽的數(shù)量，降低公共母線上電壓的分?jǐn)偅瑴p少頻繁停槽造成的壓降，始終保持275臺(tái)槽以上在線運(yùn)行；對(duì)鋁渣與殘鋁進(jìn)行回收，降低鋁的投入量；降低漏電現(xiàn)象的發(fā)生，穩(wěn)定電壓，使電壓均勻分配到各個(gè)電解槽上。

在施工管理上，加強(qiáng)對(duì)電解槽的管理，避免內(nèi)襯施工中出現(xiàn)隱患，保證電解槽的壽命與電流效率；槽的形狀應(yīng)整齊規(guī)整，保證技術(shù)與操作上具有良好的基礎(chǔ)，滿足物料平衡與熱平衡等指標(biāo)要求；降低熱量散失，利用氧化鋁等保溫材料進(jìn)行陽(yáng)極施工質(zhì)量的保證，避免較高散熱電壓造成鋁水平的過(guò)高；降低電解質(zhì)初晶溫度與電解質(zhì)的過(guò)熱度，保證溫度的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)的低溫性。

在管控模式上，本廠采用集中管控方式，提升了管理的專(zhuān)業(yè)化、精細(xì)化與專(zhuān)人化水平。集中管理模式形成之后，工藝組負(fù)責(zé)電解系列的全部工藝技術(shù)管理，具體通過(guò)建立各類(lèi)技術(shù)臺(tái)賬，對(duì)每一項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真的分析比對(duì)，及時(shí)準(zhǔn)確判斷電解槽的運(yùn)行趨勢(shì)，保障電解槽的安全平穩(wěn)高效運(yùn)行，有效提升電流效率。

3 鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中電流效率提升的工藝控制

（1）合適的電解溫度。電解質(zhì)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)引起金屬鋁損失的增加，降低電流效率，同時(shí)還可能導(dǎo)致槽膛的熔化，使物料與電能的消耗增加；電解質(zhì)溫度過(guò)低會(huì)造成電解質(zhì)密度的增加，粘度提升，鋁液與電解質(zhì)難以分離，陽(yáng)極氣體排除受阻，同時(shí)還會(huì)造成電解質(zhì)溶解鋁能力的下降，造成槽底沉淀的增加。因此合理控制電解溫度，保證電解槽處于正常狀態(tài)，可以提升電流效率，降低能源消耗。當(dāng)前在電解質(zhì)溫度的降低上主要采用降低過(guò)熱度與降低初晶溫度，實(shí)質(zhì)上都離不開(kāi)對(duì)電解質(zhì)成分的改變。單純的降低電解質(zhì)初晶溫度提升電流效率的效果有限，而且前面也分析了溫度的降低還不利于各種電解操作，因此降低電解質(zhì)初晶溫度的研究受到制約，主要研究方向變?yōu)榻档碗娊赓|(zhì)的過(guò)熱度。電解質(zhì)的溫度選擇上應(yīng)做到穩(wěn)定，對(duì)低溫進(jìn)行有效的保持，才能保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性，穩(wěn)定的生產(chǎn)會(huì)減少電解溫度的波動(dòng)，造成過(guò)熱度的降低。目前，本廠電解溫度常年保持在950℃～955℃。

（2）合適的分子化。電解質(zhì)的分子化程度決定了初晶溫度，降低分子化在一定程度上可以提升電流效率。電解質(zhì)的分子比小于2.4時(shí)就被稱作低分子比狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)證明分子比降低時(shí)會(huì)降低鋁的溶解度。堿性電解質(zhì)中降低分子比可以提升鋁與氟化鈉的反應(yīng)，導(dǎo)致鋁損失的增加，同時(shí)增加鈉離子放電的概率，導(dǎo)致電流效率的下降。酸性電解質(zhì)中氟化鋁可以提升鋁液與電解質(zhì)的表面張力，使鋁與電解質(zhì)分離，降低鋁的損失。因此保持弱酸性與低分子比可以在一定程度上提升電流效率。本廠將分子比控制在2.48～2.52之間，過(guò)熱度保持在8℃～12℃。

（3）合適的鋁量。鋁具有較好的導(dǎo)熱性，提升鋁水平可以大大提升陽(yáng)極熱量的散失，使電解槽溫度保持在正常水平，同時(shí)還可以收縮鋁液鏡面，提高陰極電流電流進(jìn)而提升電流效率。鋁水平的增加可以降低陽(yáng)極電流密度，避免熱量的過(guò)度集中，適當(dāng)?shù)慕档弯X水平可以避免熱量的損失，保護(hù)電解槽的熱穩(wěn)定性。本廠為保證充足的在產(chǎn)鋁量，將鋁水平保持在25cm左右，此外加裝電子精準(zhǔn)出鋁系統(tǒng)，有效保證了出鋁精度的準(zhǔn)確，確保在產(chǎn)鋁的充足。

（4）保持良好的基礎(chǔ)工作。在基礎(chǔ)工作方面，本廠重點(diǎn)就換極合格率、鋁鋁壓降合格率、電壓擺合格率以及爐面基礎(chǔ)工作保持等作為重點(diǎn)抓手，采用“公司、車(chē)間、工區(qū)以及班組”四級(jí)聯(lián)動(dòng)的模式對(duì)基礎(chǔ)工作進(jìn)行聯(lián)動(dòng)檢查，獎(jiǎng)懲，有效保證了基礎(chǔ)工作的穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

鋁電解生產(chǎn)作為鋁的主要生產(chǎn)方法，對(duì)電能的消耗極大，要促進(jìn)鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中電流效率的利用率，就需要結(jié)合鋁電解的特點(diǎn)，進(jìn)行工藝、技術(shù)與管理等環(huán)節(jié)的優(yōu)化。