鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)路線研究與應(yīng)用

葛貴君

（內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 029200）

2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)后，國(guó)內(nèi)鋁電解行業(yè)開(kāi)始推行低電耗技術(shù)路線（該技術(shù)路線特點(diǎn)為高鋁水、高保溫料、高分子比、低電壓、低極距），到2011年被國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)鋁電解企業(yè)采用，運(yùn)行至今已10年。該技術(shù)路線雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較低的鋁液交流電耗，但也存在生產(chǎn)低效運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率差，電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性差和周期短，工人勞動(dòng)量陡增和勞動(dòng)強(qiáng)度極大等諸多弊端。對(duì)此，國(guó)內(nèi)某鋁電解企業(yè)堅(jiān)持以人民為中心的發(fā)展思想，遵循“生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行就是最大效益”的管理理念，于2016年8月組建技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開(kāi)始攻關(guān)，經(jīng)過(guò)五年時(shí)間對(duì)現(xiàn)有300kA、350kA、400kA電解系列進(jìn)行技術(shù)路線創(chuàng)新探索與實(shí)踐，最終形成鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)路線（“4221”即四低兩高兩不撈一適度，“四低”指低鋁水平、低陽(yáng)極覆蓋料、低分子比、低槽溫，“兩高”指高電解質(zhì)水平、高過(guò)熱度，“兩不撈”指不撈炭渣、不撈換極塊，“一適度”指適度極距）。經(jīng)實(shí)踐證明，該技術(shù)路線在有效提高鋁電解生產(chǎn)安全性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了低能耗水平下的高電流效率生產(chǎn)，同時(shí)大幅降低工人勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率和生產(chǎn)作業(yè)質(zhì)量，有效延長(zhǎng)電解槽壽命，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，并為該企業(yè)打造智能鋁廠掃清工藝技術(shù)缺乏精準(zhǔn)管控這一最大障礙。

本文重點(diǎn)介紹了該企業(yè)鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)路線的研究過(guò)程、理論基礎(chǔ)、核心要義及主要成效，為我國(guó)鋁電解行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和啟示。

1 研究應(yīng)用過(guò)程

1.1 第一階段：解決鋁電解生產(chǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行問(wèn)題

鋁電解生產(chǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是提高電流效率、延長(zhǎng)槽壽命、減少煙氣排放的最基本前提。2016年8月起，該企業(yè)針對(duì)現(xiàn)有300kA、350kA、400kA電解系列生產(chǎn)運(yùn)行中存在的槽噪壓高、工人勞動(dòng)量大和勞動(dòng)強(qiáng)度高、作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高等問(wèn)題，通過(guò)適度提高設(shè)定電壓（見(jiàn)圖1）、釋放極距，電解槽穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，陽(yáng)極電流均勻分布，脫極、頂角明顯減少；通過(guò)撤減陽(yáng)極覆蓋料，陽(yáng)極鋼爪氧化腐蝕有效減少，工人勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低。

圖1 300kA、350kA、400kA電解系列平均電壓變化曲線（單位：V）

1.2 第二階段：開(kāi)展鋁電解生產(chǎn)技術(shù)路線創(chuàng)新試驗(yàn)驗(yàn)證

2019年7月起，該企業(yè)在300kA、350kA、400kA電解系列各選取連續(xù)10臺(tái)電解槽，進(jìn)行“低鋁水平”生產(chǎn)試驗(yàn)，同時(shí)繼續(xù)撤減陽(yáng)極覆蓋料，提高電解質(zhì)水平（見(jiàn)圖2）。2019年11月起，總結(jié)“低鋁水平”生產(chǎn)試驗(yàn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在三個(gè)電解系列全面推廣應(yīng)用。隨著鋁水平持續(xù)降低（見(jiàn)圖3），爐底干凈、爐膛規(guī)整，實(shí)現(xiàn)電解槽“大塊不產(chǎn)生，小塊自溶解”的管理狀態(tài)，工人換極作業(yè)中撈塊工作量大幅降低。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該企業(yè)初步形成了鋁電解生產(chǎn)“212”技術(shù)路線（“212”即“兩低一高兩不撈”，“兩低”指低鋁水平、低陽(yáng)極覆蓋料，“一高”指高電解質(zhì)水平，“兩不撈”指不撈炭渣、不撈換極塊）。

圖2 300kA、350kA、400kA電解系列電解質(zhì)水平變化曲線（單位：cm）

圖3 300kA、350kA、400kA電解系列鋁水平變化曲線（單位：cm）

1.3 第三階段：優(yōu)化固化鋁電解生產(chǎn)技術(shù)路線創(chuàng)新成果

2020年3月起，該企業(yè)在總結(jié)鋁電解生產(chǎn)“212”技術(shù)路線良好實(shí)踐的基礎(chǔ)上，研究采用“分子比、槽溫低位控制”和“過(guò)熱度中高位控制”精準(zhǔn)管控模式，深入推進(jìn)技術(shù)路線創(chuàng)新。2021年4月，通過(guò)總結(jié)提煉，最終形成了鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)路線。2021年1-7月份，該企業(yè)三個(gè)電解系列通過(guò)應(yīng)用鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)路線，電流效率達(dá)到94.5%以上（整流效率97.8%以上），鋁液交流電耗達(dá)到13100kwh/t Al以下，原鋁低鐵鋁率達(dá)到80%以上，原鋁99.85鋁率達(dá)到50%以上，并逐步邁向“四個(gè)一致”高效運(yùn)行（即單一系列所有電解槽技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一致、運(yùn)行狀態(tài)一致、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一致、槽壽命基本一致）。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 低鋁水平

鋁水平高度是影響電解槽熱平衡的重要因素，其結(jié)果反應(yīng)在爐膛形狀及爐底潔凈程度上。鋁水平的控制和調(diào)整是控制電解槽能量平衡的重要手段之一，對(duì)電解槽穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中鋁水平高度保持要與其他技術(shù)條件合理匹配，應(yīng)盡可能控制平穩(wěn)，防止偏高或偏低。實(shí)踐證明，鋁水平偏高比偏低危害性更大[1]。如若長(zhǎng)期保持較高鋁水平，爐底出現(xiàn)沉淀或結(jié)殼，引起爐膛畸形，處理起來(lái)十分困難，療程很長(zhǎng)。

低鋁水平，能夠有效降低鋁液散熱量，改善等溫線分布，契合現(xiàn)代大型預(yù)焙電解槽“側(cè)部散熱型、底部保溫型”設(shè)計(jì)的基本思想。既可以避免爐膛畸形（伸腿過(guò)長(zhǎng)、過(guò)厚，爐底沉淀多、結(jié)殼多），有效降低鋁液面上下波動(dòng)，減少鋁的二次反應(yīng)，改善電解槽熔體流動(dòng)場(chǎng)，又可以在有限的電壓下，增加有效極距，提高電解槽穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高電流效率生產(chǎn)。同時(shí)，較好的電解槽熱場(chǎng)、熔體流動(dòng)場(chǎng)，可以使電解槽溫度均勻、陰極熱應(yīng)力均衡，不易出現(xiàn)破損，提高陰極內(nèi)襯使用周期，延長(zhǎng)電解槽壽命。

2.2 低陽(yáng)極覆蓋料

陽(yáng)極覆蓋料（又稱極上保溫料）是維持電解槽熱平衡的重要因素之一，具有減小電解槽熱量散失、防止陽(yáng)極氧化、降低碳鋼接觸電壓降等作用。高陽(yáng)極覆蓋料厚度，可以減少電解槽上部散熱，雖有利于電解槽低電壓運(yùn)行，但不利于降低電解質(zhì)溫度，并且會(huì)提高陽(yáng)極鋼爪溫度，使病變陽(yáng)極不易被發(fā)現(xiàn)，極大增加陽(yáng)極脫落風(fēng)險(xiǎn)，以及工人勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度。此外，從能量平衡和熱平衡角度考慮，現(xiàn)代大型預(yù)焙電解槽隨著電流強(qiáng)度增大、散熱面積減少，將導(dǎo)致側(cè)部散熱降低和槽幫減薄，進(jìn)而影響電解槽穩(wěn)定性[2]。因此，經(jīng)綜合考慮應(yīng)在保持低陽(yáng)極覆蓋料厚度，陽(yáng)極覆蓋料厚度以保證陽(yáng)極不氧化即可。

2.3 低分子比

分子比（又稱摩爾比）是電解質(zhì)中的氟化鈉（NaF）與氟化鋁（AlF3）的分子數(shù)量的比值，分子比低有利于降低電解溫度，提高電流效率。從表1可以看出，當(dāng)過(guò)量氟化鋁（AlF3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%以上時(shí)，電流效率可達(dá)到94.5%以上。電解槽使用較高的氟化鋁（AlF3），對(duì)提高電流效率有明顯效果。同時(shí)，隨著氟化鋁（AlF3）增加，電解質(zhì)對(duì)石墨材料的濕潤(rùn)角減小，有利于陽(yáng)極氣體排放，提高炭渣分離效果，減少陽(yáng)極極化；電解質(zhì)與鋁液界面張力增加，有利于鋁從電解質(zhì)中匯集，迅速降低電解質(zhì)粘度，改善電解質(zhì)循環(huán)性質(zhì)。從表1和表2[3]可以看出，當(dāng)電解質(zhì)中氧化鋁和氟化鈣總量在5%-10%時(shí)，過(guò)量氟化鋁（AlF3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%所對(duì)應(yīng)的分子比為2.30。據(jù)此，該企業(yè)將分子比控制標(biāo)準(zhǔn)確定為不超過(guò)2.30。

表1 工業(yè)電解槽使用不同電解質(zhì)成分和添加劑時(shí)，電解槽電流效率和其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

表2 NaF/AlF3分子比換算表

分子比過(guò)低，會(huì)給鋁電解生產(chǎn)造成不利影響，進(jìn)而降低電流效率。從圖4[4]可以看出，當(dāng)加入氟化鋁（AlF3）的摩爾分?jǐn)?shù)超過(guò)33%時(shí)，電解質(zhì)溫度降低較大，電解質(zhì)不穩(wěn)定，生成單冰晶石NaAlF4等，揮發(fā)損失急劇增大，此時(shí)的分子比為2.03。據(jù)此，考慮到電解質(zhì)溫度及電解質(zhì)中其他添加劑的影響，該企業(yè)將分子比控制下限確定為2.20。

圖4 NaF-AlF3二元系相圖（Solheim and Sterten）

2.4 低槽溫

電解槽槽溫與電流效率密切相關(guān)，隨著槽溫升高，電流效率下降。根據(jù)Kvanda對(duì)10個(gè)不同系列工業(yè)電解槽的統(tǒng)計(jì)，槽溫降低5℃～6℃，電流效率提高1%[5]。對(duì)運(yùn)行良好的電解槽，降低槽溫將使其處于冷行程，造成槽底形成大量沉淀，槽膛不規(guī)整，氧化鋁溶解速率降低，效應(yīng)系數(shù)增加，極距降低，槽電壓噪聲大，鋁液面不穩(wěn)定，鋁損失增加[6]。因此，要實(shí)現(xiàn)電解槽低槽溫穩(wěn)定運(yùn)行，首先要避免電解槽冷行程問(wèn)題。經(jīng)對(duì)鋁水平高度、極距、分子比、陽(yáng)極覆蓋料厚度和鋰鉀鹽含量等因素進(jìn)行綜合考慮，該企業(yè)將槽溫控制標(biāo)準(zhǔn)確定為940℃～950℃。

2.5 高過(guò)熱度

過(guò)熱度可控制電解槽側(cè)部爐幫和底部結(jié)殼的生成和熔化，電解槽炭素內(nèi)襯上凝固的側(cè)部爐幫可對(duì)內(nèi)襯起到保護(hù)作用，電解質(zhì)通過(guò)毛細(xì)管作用可爬移到金屬鋁液的底部去溶解底部沉淀。較高的過(guò)熱度有利于電解質(zhì)較快溶解氧化鋁。

國(guó)際著名鋁冶金專家豪平（Haupin）對(duì)電流效率大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，電解槽的電流效率更依賴于過(guò)熱度[7]。從圖5[7]可以看出，過(guò)熱度既保持足夠高又不損失電流效率的范圍為10℃～15℃。從圖6[8]可以看出，過(guò)熱度小，電流效率高；過(guò)熱度增加10℃，電流效率降低1.2%～1.5%。但過(guò)熱度過(guò)低，底部電解質(zhì)將凝固，生成底部結(jié)殼。陽(yáng)極下方的陰極區(qū)內(nèi)生成底部結(jié)殼，只會(huì)增大陰極電壓降，并使鋁液中產(chǎn)生水平電流，后者與垂直磁場(chǎng)作用，將導(dǎo)致電解槽不穩(wěn)定，增大鋁損失。

圖5 過(guò)熱度對(duì)電流效率的影響

圖6 電流效率與電解質(zhì)過(guò)熱度的關(guān)系(180kA)

2.6 高電解質(zhì)水平

電解質(zhì)水平是槽內(nèi)電解質(zhì)量多少的標(biāo)志，電解質(zhì)水平高，則電解質(zhì)量大，可使電解槽具有較大的熱穩(wěn)定性，電解溫度波動(dòng)小，有利于氧化鋁溶解。而隨著氧化鋁濃度自我平衡能力和調(diào)節(jié)能力的增強(qiáng)，可有效實(shí)現(xiàn)低效應(yīng)系數(shù)生產(chǎn)，同時(shí)顯著增強(qiáng)供電負(fù)荷降低時(shí)電解槽抗風(fēng)險(xiǎn)能力。但電解質(zhì)水平過(guò)高，將會(huì)增大槽電阻，影響原鋁質(zhì)量。經(jīng)實(shí)踐探索，該企業(yè)將電解質(zhì)水平保持在18cm～20cm。

2.7 不撈炭渣、不撈換極塊

低分子比、低槽溫、高過(guò)熱度的技術(shù)條件下，炭渣產(chǎn)生量少，炭渣與電解質(zhì)分離良好，火眼通暢，產(chǎn)生的炭渣直接在火眼和電解質(zhì)表面燃燒，可實(shí)現(xiàn)“不撈炭渣”。

低陽(yáng)極覆蓋料的覆蓋層薄，在低分子比的技術(shù)條件下，電解質(zhì)形成殼面疏松易打，更換陽(yáng)極時(shí)開(kāi)殼掉落的結(jié)殼塊薄、小，在電解槽自我平衡和調(diào)節(jié)下，結(jié)殼塊被快速“消化”，爐底沉淀結(jié)殼實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，可實(shí)現(xiàn)“不撈換極塊”。

2.8 適度極距

極距是電解槽最主要的工藝參數(shù)之一，極距大小對(duì)電流效率產(chǎn)生直接影響。圖7[6]是較為典型的電解槽極距與電流效率之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。從圖7可以看出，在較小的極距范圍內(nèi)，電流效率會(huì)隨極距的增加而增加；當(dāng)超過(guò)一定極距大小后，電流效率就沒(méi)有大的變化。從實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)踐證明，在極距小于4cm的情況下，電流效率很難突破92%。因此，結(jié)合該企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，要保證電流效率達(dá)到94.5%以上，應(yīng)保持極距在4.5cm以上。

圖7 電解槽的極距大小變化對(duì)電流效率的影響

3 核心要義

3.1 該技術(shù)路線中“低鋁水平”和“適度極距”是實(shí)現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)穩(wěn)定高效運(yùn)行的核心

經(jīng)實(shí)踐證明，“低鋁水平”可以保持電解槽爐底潔凈，使陰極導(dǎo)電均勻，陰極和內(nèi)襯破損自然減少，實(shí)現(xiàn)電解槽穩(wěn)定運(yùn)行，極大延長(zhǎng)電解槽壽命。“適度極距（4.5cm以上）”可以使電解槽保持低噪壓和良好火苗狀態(tài)，保持電解槽長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高電流效率生產(chǎn)。

3.2 該技術(shù)路線中“低陽(yáng)極覆蓋料”和“低分子比”是大幅降低工人勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度的核心

經(jīng)實(shí)踐證明，“低陽(yáng)極覆蓋料”和“低分子比（2.30以下）”可以大幅降低工人勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，把工人從繁勞中解放出來(lái)，使其工作輕松、心情愉悅，進(jìn)而解決本質(zhì)安全和員工流失問(wèn)題。與此同時(shí)，“低陽(yáng)極覆蓋料”可進(jìn)一步優(yōu)化電解槽熱場(chǎng)，形成規(guī)整爐膛，提高電流效率；“低分子比（2.30以下）”可使電解質(zhì)形成的殼面疏松易打，炭渣易分離，電解質(zhì)流動(dòng)性好，實(shí)現(xiàn)高電流效率生產(chǎn)。

3.3 該技術(shù)路線中“高過(guò)熱度”和“低槽溫”是改善鋁電解生產(chǎn)工況的核心

經(jīng)實(shí)踐證明，“高過(guò)熱度（10℃～15℃）”可以有效改善電解質(zhì)流動(dòng)性，保證打殼下料口通暢，使煙氣及時(shí)排出，有利于有組織排放管理，同時(shí)可以有效降低煙氣產(chǎn)生量，減少無(wú)組織排放，改善生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，確保工人職業(yè)健康?！暗筒蹨兀?40℃～950℃）”可以有效降低作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，提高工人作業(yè)舒適度，同時(shí)降低設(shè)備表面溫度和設(shè)備故障率，提高設(shè)備運(yùn)行安全性和可靠性。

4 主要成效

（1）鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)路線的研究與應(yīng)用，有效解決了長(zhǎng)期困擾該企業(yè)的“工人勞動(dòng)量大和勞動(dòng)強(qiáng)度高”問(wèn)題，由于勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有效改善，使企業(yè)員工的尊嚴(yán)感、安全感和幸福感得到極大提高，充分體現(xiàn)了“人民至上、生命至上”的價(jià)值追求，符合以人民為中心的發(fā)展思想。

（2）鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)路線的研究與應(yīng)用，遵循“生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行就是最大效益”的管理理念，通過(guò)保持鋁電解生產(chǎn)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定高效運(yùn)行，極大提升了工人作業(yè)安全系數(shù)，提高了生產(chǎn)作業(yè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了電流效率94.5%以上（整流效率97.8%以上）、鋁液交流電耗13100kWh/t.Al以下，電解槽壽命2500天以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3）鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)路線的研究與應(yīng)用，在保證鋁電解生產(chǎn)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定高效運(yùn)行的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了有組織排放管理水平，有效降低了無(wú)組織排放，有效減少了危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生，有利于持續(xù)改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境，符合“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”理念，社會(huì)和環(huán)境效益顯著。

（4）鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)路線的研究與應(yīng)用，使該企業(yè)鋁電解生產(chǎn)邁向“四個(gè)一致”高效運(yùn)行（即單一系列所有電解槽技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一致、運(yùn)行狀態(tài)一致、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一致、槽壽命基本一致），為其在鋁行業(yè)智能制造勢(shì)在必行的形勢(shì)下，全面打造智能鋁廠掃清了技術(shù)管理上的障礙。同時(shí)，為解決當(dāng)前鋁行業(yè)高鋰、鉀含量電解質(zhì)體系提供了可行性方案，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)鋁電解企業(yè)片面追求極限低鋁液交流電耗這個(gè)單一指標(biāo)，造成工人勞動(dòng)量陡增和勞動(dòng)強(qiáng)度持續(xù)增大，設(shè)備無(wú)法最大限度發(fā)揮效能，導(dǎo)致企業(yè)本質(zhì)安全管理和工人流失率高、素質(zhì)低的問(wèn)題始終無(wú)法得到有效解決。同時(shí)，鋁電解行業(yè)主流的低電壓技術(shù)路線，存在著電流效率低（92%以下），設(shè)備故障率高、運(yùn)行效率低，電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性差和周期短等諸多問(wèn)題。該企業(yè)鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)路線的研究與應(yīng)用，正是在為解決上述問(wèn)題、推動(dòng)鋁行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和未來(lái)發(fā)展進(jìn)行的有益探索與實(shí)踐，值得引起整個(gè)鋁行業(yè)思考。