復(fù)雜電解質(zhì)體系下鋁電解工藝控制技術(shù)研究

蘇義鵬

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 811600）

近年來(lái)，我國(guó)的鋁電解工業(yè)發(fā)展迅速，如今我國(guó)已經(jīng)成為鋁電解生產(chǎn)大國(guó)。但是由于目前我國(guó)的鋁電解工業(yè)結(jié)構(gòu)存在一些不合理的地方，因此造成鋁電解生產(chǎn)供不應(yīng)求，同時(shí)一些企業(yè)還對(duì)鋁電解生產(chǎn)原料進(jìn)行控制，由此造成鋁電解企業(yè)的電解鋁生產(chǎn)面臨巨大的限制和挑戰(zhàn)。為解決這個(gè)問(wèn)題，鋁電解單位要采取具體措施，對(duì)鋁電解工藝進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，保證鋁電解生產(chǎn)工作的順利、高效進(jìn)行。

1 鋁電解工藝發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)70 年代末，160KA 中間小料預(yù)焙槽技術(shù)被應(yīng)用進(jìn)來(lái)后，我國(guó)的鋁電解技術(shù)就呈快速發(fā)展的趨勢(shì)。此后，我國(guó)一直將鋁電解槽熱電磁力特性以及磁流體數(shù)學(xué)模型作為研究重點(diǎn)，并對(duì)鋁電解工藝、鋁電解材料等方面進(jìn)行了深入的研究。20 世紀(jì)90 年代，我國(guó)開始應(yīng)用大型鋁電解槽開發(fā)工程，并以280KA、320KA 特大型電解槽技術(shù)為基礎(chǔ)，推動(dòng)了鋁電解工藝水平的進(jìn)一步提升。但是目前我國(guó)的鋁電解工藝依舊存在一些問(wèn)題，鋁電解工藝有待提升。第一，我國(guó)的大型鋁電解槽開發(fā)深度還不夠，導(dǎo)致我國(guó)的鋁電解水平和國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家存在差距。產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題的主要原因是我國(guó)的鋁電解工藝運(yùn)行環(huán)境惡劣，電解槽負(fù)荷大，存在一定的安全隱患。例如，大部分鋁電解槽運(yùn)行的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的用電負(fù)荷，且這些負(fù)荷集中在同一個(gè)生產(chǎn)系列上，當(dāng)電解槽出現(xiàn)運(yùn)行問(wèn)題的時(shí)候容易給電網(wǎng)和電廠帶來(lái)巨大的負(fù)面影響。與此同時(shí)，外國(guó)的鋁電解工藝還存在一個(gè)明顯的問(wèn)題，就是鋁電解槽使用壽命較短，電解槽破損的情況時(shí)有發(fā)生。造成這種問(wèn)題的原因是鋁電解槽的設(shè)計(jì)質(zhì)量、材料質(zhì)量以及操作水平等不高。另外，我國(guó)的電解槽質(zhì)量控制技術(shù)缺乏，無(wú)法掌握電解槽破損與故障機(jī)理，因此進(jìn)行鋁電解生產(chǎn)的時(shí)候，鋁電解槽時(shí)常發(fā)生故障問(wèn)題。第二，缺乏先進(jìn)的鋁電解生產(chǎn)技術(shù)。目前我國(guó)的大型預(yù)焙鋁電解槽的應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng)，且缺乏鋁電解槽使用經(jīng)驗(yàn)，在預(yù)焙?jiǎn)?dòng)使用的過(guò)程中，電流分布不均勻的問(wèn)題比較明顯。與此同時(shí)，鋁電解槽物理極容易出現(xiàn)波動(dòng)的問(wèn)題，因此無(wú)法維持電解槽的熱平衡，造成安全事故頻發(fā)，給企業(yè)帶來(lái)巨大的損失。

2 鋁電解工藝概述

金屬鋁的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，因此自然界中很少存在純金屬元素形態(tài)的鋁。由于鋁具有良好的導(dǎo)電性和抗腐蝕性，且特別容易和其他金屬進(jìn)行反應(yīng)形成鋁合金，因此鋁被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)、交通行業(yè)、機(jī)械制造行業(yè)以及航空航天行業(yè)中，在社會(huì)發(fā)展中的作用巨大。最開始的時(shí)候，人們主要使用氧化還原反應(yīng)制作金屬鋁，使用該方法制作出來(lái)的金屬鋁純度并不高，且制作效率較低。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，后來(lái)人們開始使用電解法制取金屬鋁，并取得了較好的效果。

2.1 鋁電解工藝流程

鋁電解的過(guò)程主要發(fā)生在電解槽內(nèi)部，電解鋁生產(chǎn)企業(yè)主要使用氧化鋁熔體作為主要的電解質(zhì)，鋁電解槽兩極的組成材料為碳素材料。對(duì)電解槽進(jìn)行通電處理后，電流會(huì)從電解槽的陽(yáng)極流入電解槽內(nèi)部，穿過(guò)電解槽內(nèi)部的電解質(zhì)后從電解槽陰極流出。經(jīng)過(guò)通電處理后，晶體化的氧化鋁會(huì)被電解熔化，同時(shí)在電流的作用下氧化鋁會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鋁液會(huì)從電解槽的陰極析出。隨著電解過(guò)程的不斷持續(xù)，越來(lái)越多的鋁液會(huì)被析出，達(dá)到一定程度后即可使用真空抬起包將鋁液收集起來(lái)。收集起來(lái)的鋁液會(huì)被送到企業(yè)的鑄造車間，經(jīng)過(guò)加工、澆筑后，即可生成鋁錠[1]。

2.2 鋁電解工藝參數(shù)

鋁電解工藝中涉及到的參數(shù)有四個(gè)，分別是電流強(qiáng)度、槽電壓、電解溫度與陽(yáng)極反應(yīng)系數(shù)。不同強(qiáng)度直流電流作用下的鋁電解效率和質(zhì)量不一樣，直流電流強(qiáng)度越大，電解槽的高產(chǎn)性與低耗性越明顯，同時(shí)每一個(gè)鋁電解槽都有固定的額定電流與額定產(chǎn)量。槽電壓是指電解槽陰陽(yáng)兩極之間的電壓降，槽電壓會(huì)隨著生產(chǎn)條件、生產(chǎn)進(jìn)度的不同而發(fā)生改變，將槽電壓控制在一定的范圍內(nèi)能夠提高鋁電解效率。電解質(zhì)的溫度為電解溫度，正常環(huán)境中的金屬鋁熔點(diǎn)為660℃。在實(shí)際的鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，將電解質(zhì)溫度控制在90℃到950℃之間能夠保證鋁電解效率。當(dāng)電解質(zhì)中的氧化鋁含量不足時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)，此時(shí)電解槽內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，有利于控制鋁電解槽內(nèi)部的沉淀量。

2.3 鋁電解生產(chǎn)過(guò)程

鋁電解的過(guò)程分為焙燒期和正常生產(chǎn)期。第一，在鋁電解槽投入使用之前，需對(duì)電解槽焙燒一段時(shí)間，如果不對(duì)電解槽進(jìn)行焙燒，將無(wú)法保證電解槽內(nèi)部?jī)?nèi)襯和物料達(dá)到要求溫度，因此無(wú)法正常進(jìn)行鋁電解生產(chǎn)。第二，對(duì)鋁電解槽進(jìn)行焙燒后，即可進(jìn)行正常鋁電解生產(chǎn)。在鋁電解的正常生產(chǎn)過(guò)程中，要將鋁電解槽電壓控制在一定范圍內(nèi)，保證電解槽陽(yáng)極、陰極以及周邊電解質(zhì)均處于良好的狀態(tài)，這樣能夠確保炭渣的完全分離，最終能夠在電解槽內(nèi)壁提取出處于凝固狀態(tài)的電解質(zhì)。

3 復(fù)雜電解質(zhì)體系對(duì)鋁電解的影響

3.1 釩含量對(duì)鋁電解的影響

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可知，釩的含量越大，氧化鋁的下料量也會(huì)有一定的增加。當(dāng)釩的含量達(dá)到0.000214%的時(shí)候，電解槽中的氧化鋁下料量能夠達(dá)到3kg 左右，約17kg 左右的金屬鋁。因此，為提升鋁電解生產(chǎn)效率，可適當(dāng)增加釩的下料量。

3.2 鋰和鉀對(duì)鋁電解的影響

在復(fù)雜電解質(zhì)體系下，隨著鉀鹽的增加，電解質(zhì)與鋁液之間的界面張力會(huì)逐漸減小，氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解度就會(huì)隨著增加。與此同時(shí)，電解質(zhì)中LiF 以及KF 等化合物的濃度越大，電解質(zhì)初晶溫度會(huì)越低。當(dāng)電解質(zhì)初晶溫度低于90℃的時(shí)候，將無(wú)法控制電解質(zhì)的過(guò)熱度，從而不能保證鋁電解生產(chǎn)效率。因此，為保證鋁電解生產(chǎn)效率，需要將電解質(zhì)中LiF 的濃度控制在5%以內(nèi)，將KF 的濃度控制在2%以內(nèi)。

4 復(fù)雜電解質(zhì)體系下鋁電解工藝的優(yōu)化控制措施

4.1 優(yōu)化選擇低溫電解工藝

低溫電解是鋁電解中的一種，要想在復(fù)雜電解質(zhì)下實(shí)現(xiàn)鋁的低溫電解，需要從兩個(gè)方面進(jìn)行把控。一方面，通過(guò)降低電解質(zhì)的過(guò)熱度和初晶溫度，能夠提高鋁電解生產(chǎn)效率。另一方面，通過(guò)維持鋁電解槽的熱平衡，能夠有效提高鋁電解生產(chǎn)效率。在實(shí)際的鋁電解過(guò)程中，電解鋁的電解溫度和電解槽電阻以及極距之間并沒(méi)有明確的關(guān)系，僅僅將電解鋁的電解溫度控制在一定的范圍并不能有效提升鋁電解生產(chǎn)效率，也不能維持電解槽的最佳熱平衡狀態(tài)。針對(duì)這種情況，可將智能模糊控制技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來(lái)，有效提升鋁電解生產(chǎn)效率。應(yīng)用智能模糊控制技術(shù)能夠自行修正電解槽電阻，使鋁電解槽能夠達(dá)到良好的熱平衡狀態(tài)。使用智能模糊控制技術(shù)后，方便了工作人員對(duì)電解槽溫度的控制，從而有效提升了鋁電解效率。如果控制不好鋁電解槽的溫度，將出現(xiàn)冷循環(huán)問(wèn)題和熱循環(huán)問(wèn)題。造成冷循環(huán)問(wèn)題的原因是電解槽溫度低于正常水平，此時(shí)電流效率增加，但是由于電解槽兩極電壓不變，因此導(dǎo)致電解槽溫度下降的情況，最終出現(xiàn)冷循環(huán)問(wèn)題。熱循環(huán)問(wèn)題是由于電解槽溫度高于正常溫度造成的，造成這個(gè)問(wèn)題的原因和冷循環(huán)相反，但是最終結(jié)果都一樣，都會(huì)造成電解槽異常。為避免這兩種情況的發(fā)生，工作人員可從降低電解質(zhì)過(guò)熱度和電解質(zhì)初晶溫度兩個(gè)方面入手，有效提升鋁電解生產(chǎn)效率。

4.2 優(yōu)化選擇陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)

陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)與鋁電解效率之間存在直接關(guān)系，在實(shí)際情況中，電解槽陽(yáng)極炭塊質(zhì)量、氧化鋁特性是影響陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)選取的主要因素。當(dāng)電解槽陽(yáng)極炭塊質(zhì)量較高的時(shí)候，為保證鋁電解效率，需要適當(dāng)降低電解槽陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)。如果電解槽陽(yáng)極炭塊質(zhì)量較低，可適當(dāng)提升電解槽陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)提高鋁電解效率。與此同時(shí)，在鋁電解過(guò)程中，陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)鋁電解效率的影響非常大，例如陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生后，鋁電解槽溫度一般會(huì)升高20 攝氏度左右，且這種情況會(huì)連續(xù)持續(xù)兩個(gè)小時(shí)。當(dāng)陽(yáng)極效應(yīng)達(dá)到作用點(diǎn)后，鋁電解槽中的電壓會(huì)從4 伏特提升到30 伏特左右，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，發(fā)生一個(gè)陽(yáng)極效應(yīng)會(huì)增加200kWh 左右的電能消耗。因此為降低陽(yáng)極反應(yīng)造成的電能損耗，同時(shí)提高鋁電解生產(chǎn)效率，可使用控制系統(tǒng)將電解槽陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)控制在合理的范圍內(nèi)。

4.3 優(yōu)化選擇氧化鋁的濃度

為提升鋁電解生產(chǎn)效率，需要將氧化鋁的濃度控制在合理的范圍內(nèi)。經(jīng)實(shí)踐可知，當(dāng)氧化鋁濃度低于4%的時(shí)候，隨著氧化鋁濃度的逐漸降低，電解槽中的電流效率會(huì)逐漸增加，從而能夠有效提升鋁電解效率。將氧化鋁濃度控制在1.5%到3.5%之間，鋁電解效率最高，因此可將氧化鋁濃度控制在這個(gè)范圍內(nèi)，有效提升鋁電解效率。傳統(tǒng)鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，工作人員主要采用人工設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行定時(shí)定量下料的生產(chǎn)方式，這種方法具有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，就是下料時(shí)間和下料量不好控制，容易出現(xiàn)下料量多、下料時(shí)間不準(zhǔn)確的情況，因此無(wú)法保證鋁電解效率。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁電解生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)能夠?qū)⒛：刂萍夹g(shù)應(yīng)用到實(shí)際的鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，并取得了良好的成效，給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。使用智能模糊控制技術(shù)能夠有效控制下料時(shí)間和下料量，同時(shí)還能將氧化鋁的濃度控制在1.5%到3.5%之間，大大提高了鋁電解效率。因此，為提升鋁電解效率，最大化企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，企業(yè)需要將智能控制技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來(lái)，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁電解氧化鋁濃度的控制和對(duì)下料量、下料時(shí)間的控制[2]。

4.4 優(yōu)化升級(jí)鋁電解槽結(jié)構(gòu)

通過(guò)優(yōu)化鋁電解槽的結(jié)構(gòu)，也能有效提升鋁電解效率。鋁電解槽陽(yáng)極斷面和流過(guò)電解槽的電流密度有關(guān)，電流密度的高低直接影響鋁電解成本。因此，為降低鋁電解成本，提高鋁電解效率，要避免使用具有較高電流密度的陽(yáng)極作為電解槽陽(yáng)極。一般情況下，應(yīng)當(dāng)將電解槽陽(yáng)極電流密度控制在0.75A/cm 到0.78A/cm 之間。與此同時(shí)，可在鋁電解槽內(nèi)部鋪設(shè)一層耐火性好的顆粒性材料，材料厚度最好控制在2mm 以內(nèi)，能夠有效達(dá)到防護(hù)電解槽的效果。另外，可選擇石墨化炭塊作為電解槽陰極，有效提升鋁電解槽的性能，提高鋁電解槽效率。

4.5 優(yōu)化選擇鋁電解原材料

為提升鋁電解效率，可通過(guò)優(yōu)化選擇電解原材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，電解原材料可為氧化鋁，對(duì)氧化鋁進(jìn)行電解之前，需要充分了解氧化鋁中存在的雜質(zhì)，對(duì)氧化鋁的性能進(jìn)行掌握，使用具體的方法提高氧化鋁的物理性能，提升鋁電解效率。其次，選擇的氧化鋁形狀要介于砂狀和粉狀之間，這樣能夠有效提升鋁電解效率。最后，要合理控制氧化鋁中各元素的含量，例如氧化鋁中氧化硅的含量不能超過(guò)0.05%，氧化鐵的含量不能超過(guò)0.02%等。

5 結(jié)論

總而言之，鋁電解工藝在社會(huì)發(fā)展的過(guò)程中扮演著極其重要的作用，針對(duì)當(dāng)前我國(guó)鋁電解工藝存在的一些問(wèn)題，相關(guān)鋁電解企業(yè)要積極采取有針對(duì)性的措施，對(duì)鋁電解工藝進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)，有效提升鋁電解生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，滿足社會(huì)對(duì)電解鋁的大量使用需求，提高鋁電解企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的快速提升。