電解鋁生產(chǎn)工藝的優(yōu)化分析

馮 冰

（鄭州輕冶科技股份有限公司，河南 鄭州 450000）

自20世紀(jì)50年代起，我國鋁工藝不斷發(fā)展，時(shí)至今日，已經(jīng)形成一個(gè)較為完備的產(chǎn)業(yè)鏈，向經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域持續(xù)輸送鋁材。當(dāng)前，我國鋁產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界首位，但從生產(chǎn)技術(shù)上看，我國的電解鋁生產(chǎn)工藝仍然處于相對(duì)落后的狀態(tài)，不僅需要消耗大量能源，而且還造成了較為嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此，實(shí)踐之中，需要實(shí)施針對(duì)性優(yōu)化策略，力求提高電解鋁生產(chǎn)的節(jié)能環(huán)保水平。

1 我國電解鋁生產(chǎn)活動(dòng)發(fā)展現(xiàn)狀分析

能耗過高是我國電解鋁行業(yè)在發(fā)展過程中普遍存在的問題，在規(guī)模較小且缺乏資金的企業(yè)身上，這一問題尤為突出，生產(chǎn)一噸鋁通常需要消耗大量電能[1]。與此同時(shí)，部分企業(yè)在優(yōu)化技術(shù)的過程中遭遇了明顯的瓶頸，難以在降低能耗的同時(shí)保障產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。部分企業(yè)在實(shí)踐中提出通過強(qiáng)化電流的方法來有效解決電壓不足的問題，但由于整流系統(tǒng)性能無法滿足相應(yīng)要求，因此難以取得理想的效果。實(shí)際上，由于電壓下降會(huì)導(dǎo)致電流效率同步下降，因此必須處理好兩者之間的關(guān)系，重視使兩者達(dá)到平衡，但平衡狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)需要通過復(fù)雜的數(shù)字建模來輔助完成，因此難度較高。此外，還有部分企業(yè)嘗試通過加強(qiáng)管理來優(yōu)化生產(chǎn)流程，取得了一定的成效，但并未實(shí)現(xiàn)根本性突破。由于當(dāng)前我國電解鋁企業(yè)較少在技術(shù)和工藝研發(fā)上投入資金，因此從整體上看，并未對(duì)能耗實(shí)現(xiàn)有效優(yōu)化。

2 電解鋁生產(chǎn)實(shí)踐中存在的主要問題

2.1 安全風(fēng)險(xiǎn)較高

電解鋁生產(chǎn)需要持續(xù)不斷地大量供應(yīng)電能，電解槽運(yùn)行功率較高且能耗較大。實(shí)踐之中，通常無法長(zhǎng)期保持供電的持續(xù)性，難免會(huì)出現(xiàn)供電波動(dòng)狀況，當(dāng)電解槽這一大功率設(shè)備出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，整個(gè)供電網(wǎng)的安全性都會(huì)受到顯著的負(fù)面影響[2]。由于電解槽屬于一類帶電設(shè)備，因此其在運(yùn)行過程中必須與地面保持絕緣，不能接地或發(fā)生“零點(diǎn)漂移”，否則將導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)增大，員工的人身安全受到威脅。生產(chǎn)實(shí)踐之中，員工在操作鐵質(zhì)工具時(shí)，極易與電解槽接觸，導(dǎo)致打火現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外，在應(yīng)用電解槽時(shí)，電解質(zhì)作業(yè)的環(huán)境溫度在超過900攝氏度以上時(shí)，容易導(dǎo)致燙傷事故。

2.2 電流效率較低

市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下，近年來鋁產(chǎn)品價(jià)格呈現(xiàn)出持續(xù)走低的態(tài)勢(shì)，在這一背景下，考慮到電價(jià)因素，出于節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本的目的，許多鋁電解企業(yè)在生產(chǎn)過程中通常選用低電壓工藝，由于電解槽設(shè)計(jì)不合理、爐膛不規(guī)整、技術(shù)不匹配及所使用的原材料質(zhì)量差、操作質(zhì)量差等因素，電解槽整體效率降低，隨著其使用年限的增長(zhǎng)，爐底狀態(tài)會(huì)逐漸惡化，陰極嚴(yán)重磨損且石墨抗沖蝕能力下降，安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增強(qiáng)，不利于生產(chǎn)活動(dòng)的開展。

2.3 生產(chǎn)成本問題

由于電解鋁生產(chǎn)活動(dòng)需要消耗電能，因此大部分企業(yè)通常會(huì)選擇通過自建電廠的方式來確保電能供應(yīng)。與此同時(shí)，電解鋁企業(yè)通常選擇在電價(jià)較低的區(qū)域建[3]。此外，還有部分企業(yè)通過挖掘本地煤礦優(yōu)勢(shì)，來打造生產(chǎn)鏈。然而，當(dāng)前在實(shí)踐之中，影響成本的因素仍然較多，由于工藝未能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，因而難以有效地控制生產(chǎn)成本。

3 電解鋁生產(chǎn)工藝的實(shí)踐優(yōu)化策略

電解鋁生產(chǎn)是一項(xiàng)能耗較高的活動(dòng)，對(duì)其生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)將重點(diǎn)放在“節(jié)能”上，通過節(jié)能來達(dá)到降低企業(yè)生產(chǎn)成本和減少環(huán)境污染的目的[4]。在鋁電解的過程之中，電解槽的直流電消耗及其他環(huán)節(jié)中輔助設(shè)備的電能消耗，是導(dǎo)致此項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)消耗電能的主要因素，其中，直流電消耗占據(jù)整體電能消耗的95%以上，也因此成為優(yōu)化的核心與重點(diǎn)。依據(jù)當(dāng)前的電解鋁生產(chǎn)原理，直流電的消耗量，直接受到觸電槽平均電流和效率的影響：平均電流越大，則耗電量越大，反之，平均電流越小，直流耗電越小，此外，電流效率越高，則直流耗電越小。因此，可以通過減小平均電壓和提高電流效率來有效達(dá)到降低能耗的目的，這也成為優(yōu)化電解鋁生產(chǎn)工藝的主要思路。具體而言，可以采取以下幾項(xiàng)策略。

3.1 降低平均電壓

降低平均電壓，即控制工作電壓、使得效應(yīng)分?jǐn)傠妷号c母線電壓盡量處于較低水平[5]。由于工作電壓實(shí)際上并非某一單一電壓，而是由設(shè)備各個(gè)模塊的供電電路共同組成的、擁有多個(gè)各不相同電壓等級(jí)的多級(jí)電壓體系，因此，實(shí)踐之中，可以通過采取逐級(jí)分析和逐級(jí)優(yōu)化的策略，有效達(dá)到降低工作電壓的目的，從而在整體上對(duì)于總電壓進(jìn)行高效控制。在降低分?jǐn)傂?yīng)電壓時(shí)，首先需要減小效應(yīng)持續(xù)時(shí)間，其次，增加效應(yīng)間隔并削弱效應(yīng)系數(shù)的影響。由于電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與母線電壓之間存在著較為密切的關(guān)系，因此，可以將設(shè)計(jì)因素作為突破口，重視降低各個(gè)接觸面的電壓，加大對(duì)于立柱母線、停槽短路口、卡具等關(guān)鍵部位的關(guān)注，在確保接觸面處于潔凈狀態(tài)的前提下，對(duì)于停槽短路口的電壓進(jìn)行控制（通常需要使其處于10mV以下），并定期通過測(cè)量確保電壓處于合理范圍。當(dāng)前，已經(jīng)形成了多種能夠?qū)ζ骄妷哼M(jìn)行有效控制的理論與方法，這些方法的主要思路均為從電解的各個(gè)環(huán)節(jié)入手調(diào)整電壓，其中，調(diào)整目標(biāo)主要包括陰陽極電壓、電解質(zhì)電壓、效應(yīng)分?jǐn)傠妷骸O化電壓及母線電壓。通過控制這些環(huán)節(jié)的電壓，能夠大幅降低平均電壓，進(jìn)而達(dá)到減少能耗的目的[6]。

3.2 提高電流效率

提升電流效率的方式主要有調(diào)整通用參數(shù)、把控質(zhì)量及提升工藝等手段，控制人造伸腿尺寸、應(yīng)用正交試驗(yàn)對(duì)于電解工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、使用具有良好性能的氧化鋁及陽極材料進(jìn)行生產(chǎn)，同樣是提高電流效率的重要手段[7]。實(shí)踐之中，可以通過智能控制電解槽的溫度，對(duì)于多項(xiàng)影響因素進(jìn)行組合研究，利用單因素法排查影響電解槽溫度的關(guān)鍵因素，并對(duì)于關(guān)鍵因素進(jìn)行重點(diǎn)控制，確保分子比與過熱度處在合理范圍之內(nèi)，若槽溫過高，則可以將分子比控制在下限附近，反之，若槽溫過低，則應(yīng)注意使分子比保持在上限附近。此外，需要根據(jù)電解槽冷熱行程的整體變化趨勢(shì)，對(duì)于氟鹽的添加量進(jìn)行確定，從而保持分子比的穩(wěn)定性，使其始終處于一個(gè)合理的范圍之中，避免出現(xiàn)過于頻繁的波動(dòng)或是異常波動(dòng)。除技術(shù)手段之外，管理手段同樣是提高電流效率的重要路徑，通過推動(dòng)電解鋁生產(chǎn)活動(dòng)朝著標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化生產(chǎn)、提高整體管理水平，企業(yè)能夠有效降低人為主觀因素對(duì)于電流效率的負(fù)面影響，達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

3.3 降低輔助電耗

除電解槽之外，在電解鋁的生產(chǎn)過程之中，還需要使用諸多同樣消耗電能的輔助設(shè)備，在對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，也需要考慮這些輔助設(shè)備的電能消耗，通過降低其能耗，來進(jìn)一步改善整體節(jié)能效果。輔助設(shè)備的電能消耗主要來源于陽極組裝及鑄造、電解動(dòng)力變、供料凈化等工藝，其中，對(duì)于供料凈化環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，主要應(yīng)考慮調(diào)整運(yùn)行方式、控制相關(guān)參數(shù)，以此增強(qiáng)其穩(wěn)定性；對(duì)于陽極組裝環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，則主要需考慮爐的頻率這一影響因素，通常情況下，使用中頻爐可以取得較好的節(jié)能效果，因此，應(yīng)盡可能地在生產(chǎn)過程中使用中頻爐；對(duì)于電解動(dòng)力變及空壓機(jī)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)著力調(diào)整其運(yùn)行方式，結(jié)合其實(shí)際運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備溫度來進(jìn)行動(dòng)態(tài)化管控調(diào)整，從而確保設(shè)備始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

3.4 構(gòu)建自動(dòng)化管控模式

當(dāng)前，電解鋁生產(chǎn)過程之中，通常需要將數(shù)以百計(jì)的電解槽進(jìn)行串聯(lián)，構(gòu)建一個(gè)生產(chǎn)系列，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)。在強(qiáng)大的直流電流作用下，電解槽內(nèi)會(huì)急劇發(fā)生一系列復(fù)雜的反應(yīng)，包括物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)等，并在這一體系內(nèi)形成彼此之間具有密切關(guān)聯(lián)且可變的磁場(chǎng)、電廠、熔體流動(dòng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)等物理場(chǎng)[8]。由于電解槽內(nèi)的高溫熔體具有較強(qiáng)的腐蝕性，且無法對(duì)于其溫度、濃度及極距等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)（實(shí)際上，只有電解槽電壓和系列電流能夠得到在線檢測(cè)），因此，要想獲得足夠理想且經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)，就需要在實(shí)踐中對(duì)于熱平衡和極距、物料平衡、電解槽狀況及輔助決策等參數(shù)進(jìn)行有效控制。自動(dòng)化技術(shù)是提高控制水平的重要關(guān)鍵，在計(jì)算機(jī)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，企業(yè)能夠有效提高控制參數(shù)的能力，從而達(dá)到降低能源消耗、防范環(huán)境污染問題出現(xiàn)、節(jié)省人力資源的目的，與此同時(shí)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升。在此方面，企業(yè)應(yīng)重視不斷提升自身信息化與自動(dòng)化水平，與此同時(shí)，增強(qiáng)員工的信息化意識(shí)，提高其實(shí)踐能力，重視借助信息化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài)化監(jiān)控，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)問題，增強(qiáng)電解鋁生產(chǎn)的安全性，提高員工的人身安全水平。

4 結(jié)語

總之，為推動(dòng)我國鋁行業(yè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展，切實(shí)解決當(dāng)前電解鋁生產(chǎn)活動(dòng)中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)高、電流效率低及經(jīng)濟(jì)成本高等一系列問題，實(shí)踐之中，應(yīng)重視落實(shí)好降低平均電壓、提升電流效率、降低輔助能耗及構(gòu)建自動(dòng)化管控模式等一系列策略，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，并有效降低經(jīng)濟(jì)成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的有機(jī)結(jié)合。