復雜電解質(zhì)體系下鋁電解工藝控制技術

陳少華

摘 ?要：近年來，我國鋁電解產(chǎn)業(yè)從提升工業(yè)產(chǎn)量、引進先進生產(chǎn)理念到創(chuàng)新技術發(fā)展方面，都取得了令人矚目的成績，在一定程度上推動了金屬鋁制造業(yè)的快速發(fā)展。但同時必須承認的是，當前我國鋁電解工藝控制技術與國際上一些發(fā)達國家仍存在較大的差距，因此相關技術人員應該充分重視對鋁電解工藝控制技術的研究，使鋁電解技術能夠進一步滿足社會的需要?；诖?，文章就此展開了細致的研究，首先對鋁電解生產(chǎn)工藝的流程、參數(shù)和過程進行了描述，接著分析了在復雜電解質(zhì)體系中能夠?qū)﹄娊獠蹜们闆r造成影響的指標，最后結合實際情況總結了在復雜電解質(zhì)體系下，鋁電解生產(chǎn)工藝的選擇與優(yōu)化。

關鍵詞：復雜電解質(zhì);鋁電解;工藝控制技術;研究

中圖分類號：TF821 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：2095-2945（2019）35-0104-02

Abstract： In recent years， China's aluminum electrolysis industry from the promotion of industrial output， the introduction of advanced production concepts to the development of innovative technology， have made remarkable achievements， to a certain extent， promoted the rapid development of metal and aluminum manufacturing industry. But at the same time， it must be admitted that there is still a big gap between the current control technology of aluminum electrolysis process in China and some developed countries in the world， so the relevant technicians should pay full attention to the research on the control technology of aluminum electrolysis process. So that the aluminum electrolysis technology can further meet the needs of the society. Based on this， this paper makes a detailed study on this， first describes the process， parameters and process of aluminum electrolysis process， and then analyzes the indexes that can affect the application of electrolytic cell in complex electrolyte system. Finally， combined with the actual situation， the selection and optimization of aluminum electrolysis production process under complex electrolyte system are summarized.

Keywords： complex electrolyte; aluminum electrolysis; process control technology; research

1 鋁電解生產(chǎn)概述

地殼中含有大量的鋁，含量僅次于氧和硅，位居第三，是地殼中含量最高的金屬元素。但是由于金屬鋁的化學性質(zhì)十分活波，因此在自然界中很少存在純金屬元素狀態(tài)的鋁。眾所周知，鋁具有良好的導電性和抗腐蝕性，且極易同其他金屬元素形成鋁合金，因此被廣泛應用于交通、電力、建筑、機械包裝和航空航天行業(yè)中，被人們稱為“萬能金屬”。最初階段，人們采用化學還原的方法制取金屬鋁，例如利用鈉鉀化合物進行還原提取，直至1886年，來自美國和法國的霍爾和埃魯發(fā)明了氧化鋁融鹽電解法，自此之后，運用電解技術制造金屬鋁的方法一直延續(xù)至今。

1.1 鋁電解生產(chǎn)工藝流程

電解鋁的實質(zhì)生產(chǎn)過程主要是在電解槽內(nèi)部完成的，其中氧化鋁熔體為主要的電解質(zhì)，兩極主要由炭素材料組成，當對電解槽進行通電處理后，電流由電解槽陽極導入，在槽體內(nèi)經(jīng)過電解質(zhì)層，最后流向電解槽陰極并最終流出電解槽，在這種直流電的作用下，原本為晶體狀的氧化鋁能夠在電流作用下融化，另外，電解質(zhì)在電流作用下發(fā)生電化學反應，鋁離子從電解槽的陰極上獲得電子析出后得到鋁液。隨著電解槽不斷的運行，液態(tài)鋁的含量會不斷變大，等鋁液積攢到一定程度后可以使用真空抬包將其從電解槽中吸出，送往鑄造車間，再經(jīng)過一系列后續(xù)加工、澆鑄，生成鋁錠。對于這一過程，我們可以用一張流程圖更加直觀的展現(xiàn)出來：鋁電解生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。

1.2 鋁電解生產(chǎn)工藝參數(shù)

（1）電流強度：為了鋁電解行業(yè)能夠更好的持續(xù)性發(fā)展，就需要探索并制造能夠采用強大直流電進行電解的電解槽，這樣才能保證電解槽具有高產(chǎn)性和低耗性，因此每個鋁電解槽都具有自身的額定電流及額定產(chǎn)量。（2）槽電壓：槽電壓指的是電解槽陽極與陰極之間的電壓降，槽電壓值主要包括電解槽的極化電壓值以及導體之間的電壓降值。當電解槽正常工作運行時，槽電壓并不是穩(wěn)定不變的，而是隨著生產(chǎn)條件、進度的不同不斷發(fā)生變化，因此為了鋁電解過程的穩(wěn)定性，相關人員需要將槽電壓控制在一定范圍內(nèi)。（3）電解溫度：在鋁電解過程中，電解質(zhì)的溫度被稱為電解溫度，在正常環(huán)境中，金屬鋁的熔點為660℃，電解溫度只要高于鋁的熔點100℃到150℃，就能夠獲得液態(tài)狀態(tài)的鋁，生產(chǎn)實踐中，對于鋁電解反應來說，電解溫度一般控制在900℃至950℃之間。（4）陽極效應系數(shù)：如果在鋁電解反應過程中，電解質(zhì)中氧化鋁的含量不足，就會發(fā)生陽極效應。發(fā)生陽極效應時，電解槽內(nèi)部會產(chǎn)生大量熱量，其中氧化鋁的溶解主要從陽極效應中獲取熱量，因此陽極效應有利于控制、降低電解槽內(nèi)部的沉淀量。但從另一個角度來說，發(fā)生陽極效應時，電解槽內(nèi)部的電壓會變大，這樣就無形浪費了許多的電能，另外，陽極效應發(fā)生時電解槽內(nèi)部溫度明顯提升，在高溫作用下，電解槽的穩(wěn)定性勢必降低。對于陽極效應帶來的利弊進行分析，我們應該在經(jīng)過認真權衡后，對陽極效應系數(shù)進行一個科學性的制定和規(guī)劃。

1.3 鋁電解生產(chǎn)過程

（1）焙燒期：電解槽在投入鋁電解生產(chǎn)前要進行一段時間焙燒，這樣電解槽內(nèi)部的內(nèi)襯和物料就能夠達到要求溫度進行電解。（2）正常生產(chǎn)期：電解槽經(jīng)過焙燒后即可啟動進行正常生產(chǎn)，總結起來，正常生產(chǎn)中的電解槽具有以下特點：電解槽的電壓和穩(wěn)定都保持在一定范圍內(nèi);電解槽的陽極以及周邊的電解質(zhì)都保持良好狀態(tài)，炭渣能夠完全被分離。電解槽中鋁液與其他電解質(zhì)分層明顯。最后在電解槽側壁上能夠發(fā)現(xiàn)并提取凝固的電解質(zhì)。

2 復雜電解質(zhì)體系對電解槽主要指標的影響

2.1 釩含量對鋁電解生產(chǎn)的影響

為了觀察比較出釩的含量對鋁電解產(chǎn)生的影響，我們可以將不同的電解槽按照釩含量的不同進行排序，并將這些電解槽中加入氧化鋁的數(shù)量進行記錄分析，結果可知電解槽中釩的含量增加，氧化鋁的下料量也會增加，如果釩含量平均上升0.00214%，氧化鋁下料就會增加32kg，合鋁約為17kg。

2.2 鋰、鉀對鋁電解過程的影響

在復雜電解質(zhì)中，電解質(zhì)與鋁液之間的界面張力會隨著電解質(zhì)中鉀鹽的增加而減小，進而能夠增加氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解度。另外，隨著電解質(zhì)中LiF、KF等化合物濃度的增加，電解質(zhì)的初晶溫度會逐漸下降，如果電解質(zhì)的初晶溫度低于900度，其過熱度將難以控制，因此從過往的生產(chǎn)經(jīng)驗來說，電解質(zhì)中LiF的濃度應控制在5%以內(nèi)，KF的濃度應控制在3%以內(nèi)。

3 復雜電解質(zhì)體系下鋁電解生產(chǎn)工藝的選擇與優(yōu)化

3.1 低溫電解工藝的選擇與優(yōu)化

復雜電解質(zhì)體系下，如果想要實現(xiàn)低溫電解，一方面應該降低電解質(zhì)的過熱度以及初晶溫度，另一方面還應該讓電解槽維持在一定的熱平衡狀態(tài)。通過實踐分析我們知道電解鋁電解溫度與槽電阻和極距并沒有確定的對應關系，因此如果僅僅將槽電阻控制在一定范圍內(nèi)并不能維持一個最佳的熱平衡狀態(tài)，在這種情況下，采用智能模糊控制技術能夠根據(jù)電解槽的具體情況，對電解槽的電阻進行自動修正，使電解槽達到良好的平衡狀態(tài)。智能模糊控制技術的出現(xiàn)很好的控制了電解槽的電解溫度，為提高電流效率提供了基礎和保障。

經(jīng)過不斷的分析，可以總結出，如果電解槽的溫度控制不好可能會出現(xiàn)以下兩種異常情況：第一，冷循環(huán)過程。即電解槽的溫度低于正常水平，這種情況下，電流的電流效率增加，但是電解槽兩端的電壓不變，又會進一步導致電解溫度下降，最終結果就是電解溫度越來越低，造成電解槽異常。第二，熱循環(huán)過程。顧名思義，就是電解溫度不斷升高，電流效率不斷下降，這種情況現(xiàn)象與冷循環(huán)過程相反，但是結果卻相同，即最終也會導致電解槽異常。為了降低電解溫度，主要可以從降低電解質(zhì)的過熱度和降低電解質(zhì)的初晶溫度入手。

3.2 氧化鋁濃度的選擇與優(yōu)化

鋁電解過程中，氧化鋁濃度的適宜程度對電解槽運行的穩(wěn)定性有重要的影響，根據(jù)一些理論和實踐研究可知，電解質(zhì)中氧化鋁的濃度如果低4%，那么隨著其濃度的進一步降低，電流效率就會逐漸提升，現(xiàn)階段我國鋁電解企業(yè)多數(shù)將氧化鋁的濃度控制在1.5%至3.5%之間。在傳統(tǒng)鋁電解生產(chǎn)中，在進行下料時多采用在人工設定的時間范圍內(nèi)定時定量的下料，這種方法的缺點就是下料時間和下料數(shù)量不好掌握，無法很好的控制電解槽內(nèi)的氧化鋁濃度。隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，智能模糊控制技術應用在下料系統(tǒng)中，在該技術多等級下料速率調(diào)節(jié)環(huán)境中，能夠使氧化鋁的濃度很好的控制在1.5%-3.5%之間，在提升電流效率的同時又有效控制了反應過程中的陽極效應。

3.3 陽極效應系數(shù)的選擇與優(yōu)化

在電解過程中，陽極效應系數(shù)與氧化鋁受控制情況有直接的關系。在穩(wěn)定環(huán)境中，陽極炭塊質(zhì)量與氧化鋁物料特性是決定陽極效應系數(shù)選取的主要因素，如果陽極炭塊的質(zhì)量較高，可以適當?shù)慕档完枠O效應系數(shù)，相反如果陽極炭塊的指令較低，那么就應該提升陽極效應系數(shù)。眾所周知，在電解過程中，陽極效應有極大的影響性，舉最直觀的例子，陽極效應發(fā)生后，電解槽內(nèi)電解溫度一般會上升20度左右，這種情況通常會持續(xù)兩個小時，在陽極效應作用點，電解槽電壓從4V提升到近30V，粗略計算一個效應會增加200kWh的電耗，因此我們應該通過控制系統(tǒng)，將電解槽的陽極效應降系數(shù)下降到恰當范圍內(nèi)。

4 結束語

在市場經(jīng)濟時代，電解鋁行業(yè)也面臨著巨大的競爭和挑戰(zhàn)，因此控制鋁電解工藝控制技術，提高企業(yè)生產(chǎn)效率同時降低企業(yè)生產(chǎn)成本，是鋁電解企業(yè)管理人員亟待研究的課題，對我國鋁電解企業(yè)有一定的現(xiàn)實意義。

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