320KA預(yù)焙鋁電解槽電流效率的影響因素及提高方法

蘭海波，靳開強(qiáng)，杜青松

（廣元中孚高精鋁材有限公司，四川廣元 628000）

近幾年，中國(guó)鋁產(chǎn)業(yè)格局正在發(fā)生新的變化，低碳發(fā)展成為推動(dòng)中國(guó)鋁產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容、關(guān)鍵體現(xiàn)和終極目標(biāo)［1］。因此在國(guó)家雙碳政策下，使用清潔能源的電解鋁企業(yè)將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。2018年為響應(yīng)國(guó)家綠色發(fā)展號(hào)召及推動(dòng)國(guó)家鋁產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革進(jìn)程，原河南鞏義年產(chǎn)50萬(wàn)噸電解鋁項(xiàng)目搬遷至水電豐富的四川廣元。該項(xiàng)目的320KA系列一工段于2020年8月啟動(dòng)投產(chǎn)，二工段于同年11月啟動(dòng)投產(chǎn)。投產(chǎn)初期受到壓負(fù)荷、當(dāng)?shù)貧夂虻纫蛩氐挠绊憣?dǎo)致該系列電流效率與設(shè)計(jì)值存在一定差距。本文結(jié)合后期的實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)電流效率的提高進(jìn)行了各方面的分析，探究最有利的技術(shù)條件和管理措施。

1 概述

我國(guó)在2009年將原鋁直流電耗定為12500kWh/t-A1，而我國(guó)實(shí)際值高達(dá)13118kWhh-A1。電解槽的直流電耗可用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：w為噸鋁直流電耗，kWh/t-A1；

V為平均電壓，V；

a為電流效率，%。

由于鋁電解槽受到保溫設(shè)計(jì)限制，槽電壓不能無(wú)限降低，因此降低直流電耗的一個(gè)研究方向就是提高電效。電流效率指的是在一定電流和時(shí)間內(nèi)陰極實(shí)際析出的金屬鋁量與理論析出的金屬鋁量的百分比。目前國(guó)內(nèi)同系列鋁電解槽電流效率一般為91%～92%，而國(guó)外則能達(dá)到93%以上。所以在生產(chǎn)過(guò)程中加強(qiáng)電解鋁工藝技術(shù)的探索、優(yōu)化技術(shù)條件、減少鋁的二次損失是提高電流效率及經(jīng)濟(jì)效益的根本途徑［2］。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)來(lái)分析影響電流效率的因素眾多，比如：槽溫、電解質(zhì)體系及氧化鋁濃度、分子比、電解質(zhì)水平和鋁水平、電流密度、極距、工作電壓、陽(yáng)極質(zhì)量及換極順序、爐底壓降以及爐膛的管理和日常操作維護(hù)質(zhì)量等，總之只有不斷優(yōu)化、滿足多種技術(shù)條件合理搭配才能達(dá)到穩(wěn)定、高效的目的。

2 影響鋁電解電流效率的因素分析

2.1 電解溫度與過(guò)熱度

電解槽的溫度、過(guò)熱度都將對(duì)電流效率產(chǎn)生不同程度上的影響。鋁液在電解質(zhì)中的溶解度及溶解后的鋁液擴(kuò)散速度均受溫度影響，低溫可以降低擴(kuò)散到陽(yáng)極氧化區(qū)的速度，減少電流效率的損失［3］。根據(jù)費(fèi)克第一擴(kuò)散定律：

q=KA(V0-V1)/δ

式中：

K為擴(kuò)散系數(shù)，cm/s；

q為單位時(shí)間的擴(kuò)散流量，g/s；

A為擴(kuò)散面積，cm；

V1為擴(kuò)散層外部電解質(zhì)中鋁的濃度，V1=0；

V0為鋁界面上電解質(zhì)中鋁的濃度，g/cm2。

當(dāng)槽溫降低時(shí)擴(kuò)散系數(shù)K減小，鋁液在電解質(zhì)中的溶解度V0減小，電解質(zhì)粘度增大導(dǎo)致擴(kuò)散層的厚度δ變大。因此降低槽溫度后q值減小，這意味著鋁的二次反應(yīng)大大減弱，提升了電流效率。在已有的研究中發(fā)現(xiàn)，溫度每降10℃，電流效率提升1.5%。如表1為某工區(qū)2021年7-12月電流效率與槽溫變化的對(duì)比分析。

表1 某工區(qū)槽溫與電流效率對(duì)比表

從表1可知，當(dāng)其他技術(shù)條件不變的情況下槽溫相對(duì)偏低時(shí)才有可能獲得較高的電效，從而驗(yàn)證了費(fèi)克第一擴(kuò)散定律在鋁電解中的應(yīng)用分析。鋁電解溫度是由初晶溫度決定的，不同的電解質(zhì)成分初晶溫度差距較大，工業(yè)上常用電解成分為NaF6+A1F3+CaF+MgF2+A1203。目前我廠該系列主要電解質(zhì)成份大致為42.9%NaF6+40%A1F3+5.6%CaF+1.9%KF+0.4%MgF2+2.9%A1203+8%雜質(zhì)，目前槽溫為940℃～955℃。據(jù)相關(guān)資料顯示只有初晶溫度是在含有4%～5%CaF，A1F3過(guò)剩量為11%～13%和1.5%～2.5%A1203的條件下，過(guò)熱度為8℃～10℃，相對(duì)較高的電流效率才有保證［4］。因此，探究調(diào)整到最適宜的電解質(zhì)成份是提高電效的有效措施之一。

足夠的過(guò)熱度也是提高電效的方法之一，必須保證過(guò)熱度為5℃以上，否則就會(huì)出現(xiàn)電解質(zhì)粘度和密度增大、氧化鋁溶解度降低、炭渣分離不清等問題。這會(huì)使得槽內(nèi)產(chǎn)生大量沉淀或結(jié)殼、爐底壓降增加、端頭和角部伸腿肥大，這些方面都會(huì)讓電解槽運(yùn)行不穩(wěn)定而大大降低電效。

2.2 氧化鋁濃度及分子比

有關(guān)A1203濃度影響電流效率的機(jī)理研究中，A1203濃度偏低時(shí)，懸浮的A1203顆粒會(huì)阻礙鋁的溶解，電解質(zhì)的CO溶解度降低，表面張力增大，鋁被氧化機(jī)率降低，當(dāng)A12O3濃度為1,5%～3.5%，電流效率相對(duì)較高。

合理的過(guò)欠量下料間隔能保證電解質(zhì)中有相對(duì)穩(wěn)定的氧化鋁濃度，如圖1所示，當(dāng)氧化鋁濃度不受控時(shí)電壓上下波動(dòng)大、頻率高，造成電壓空耗、效率低下，此時(shí)操控機(jī)系統(tǒng)容易判斷失誤而進(jìn)濃度反區(qū)，無(wú)功電壓大大增高；當(dāng)氧化鋁濃度過(guò)欠量均勻轉(zhuǎn)換時(shí)電壓將圍繞設(shè)定電壓正常轉(zhuǎn)換，此時(shí)電解槽運(yùn)行穩(wěn)定。因此，在電解槽實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)調(diào)整下料間隔NB大小或者通過(guò)NB投/退的方法進(jìn)行濃度調(diào)整尤為重要，也是保證電流效率的有效措施之一。

圖1 過(guò)欠下料均勻與不均勻時(shí)的槽壓趨勢(shì)圖

分子比通過(guò)影響電解質(zhì)初晶溫度從而影響電流效率，目前我廠采用過(guò)量A1F3，因?yàn)檫^(guò)量A1F3能夠增加電解質(zhì)液和鋁液界面張力，抑制鋁液損失和鈉的析出。有相關(guān)資料顯示當(dāng)分子比降低0.1，電效能提高0.5%。但是分子比應(yīng)該是在適度的范圍內(nèi)，過(guò)低的分子比會(huì)導(dǎo)致A1F3消耗增加，一方面成本增加，另外氧化鋁溶解速度下降，容易在爐底形成沉淀。因此在進(jìn)行分子比調(diào)整時(shí)必須綜合所有技術(shù)條件進(jìn)行分析。

從圖2可知，在我廠電解質(zhì)體系下分子比控制在2.35～2.45時(shí)能獲得較高的電流效率。

圖2 不同分子比下的電流效率

2.3 兩水平的影響及其控制

兩水平指的是電解槽中鋁液、電解質(zhì)高度。在不同系列或同系列不同電解槽都有其合適的兩水平高度，當(dāng)然這也和其他技術(shù)條件相互影響制約。過(guò)高或過(guò)低的電解質(zhì)水、鋁水平都將對(duì)電流效率產(chǎn)生不同程度的影響，如表2所示。

表2 兩水平的對(duì)高低對(duì)電解槽的影響

只有保持穩(wěn)定且適宜的兩水平才能充分利用優(yōu)點(diǎn)，才能為提高電效產(chǎn)生有效作用。如表3所示為某工區(qū)不同兩水平下的電流效率，目前我廠該320KA系列鋁水平保持27.cm～29.5cm，電解質(zhì)水平保持16cm～19cm。

表3 某工區(qū)兩水平與電流效率對(duì)比表

生產(chǎn)時(shí)保持最佳鋁液和電解質(zhì)水平是非常重要的，能夠形成較小的鋁液鏡面和較規(guī)整的爐膛，且爐膛底部的電流分布較好。另外，隨著季節(jié)氣候的變化最佳鋁水平、電解質(zhì)水平也會(huì)有所變化。

2.4 噪音值

電解槽在運(yùn)行過(guò)程中，噪音值是各項(xiàng)技術(shù)條匹配合適度的綜合反映。噪音值過(guò)大究其原因是因?yàn)殇X液層波動(dòng)導(dǎo)致的，在波動(dòng)較大時(shí)鋁液進(jìn)入上層電解質(zhì)中進(jìn)行二次反應(yīng)。其化學(xué)反應(yīng)式如下（1）所示，此時(shí)損失增加，電流效率下降。同時(shí)鋁液波動(dòng)大則流速增大，陰極炭塊區(qū)域富集的鈉進(jìn)入鋁液和電解質(zhì)中被CO2氧化而損失，也會(huì)引起電流效率下降。圖3為某工區(qū)2021年4～6月份電流效率與噪音值對(duì)比趨勢(shì)圖，實(shí)踐說(shuō)明在不考慮其他因素的影響時(shí)，越低的噪音值能夠帶來(lái)更高的電效。

圖3 不同噪音值下的電流效率

2.5 極距和工作電壓

電壓是調(diào)節(jié)電解槽能量平衡最重要、最易實(shí)現(xiàn)的方法之一。電解槽的工作電壓最能反應(yīng)極距的大小，電壓調(diào)整實(shí)質(zhì)是通過(guò)極距的高低來(lái)改變電解質(zhì)電壓降。增大極距能夠有利于陽(yáng)極氣體的排出，降低電解質(zhì)的波動(dòng)，使擴(kuò)散層厚度增加且相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)鋁的二次反應(yīng)減弱，從而提高電效。在換極、出鋁、抬母線作業(yè)后需通過(guò)電壓與過(guò)欠下料曲線的關(guān)系對(duì)極距和濃度進(jìn)行校正，另外換極過(guò)程中應(yīng)減少物料進(jìn)入槽內(nèi)，換極后及時(shí)封料、蓋好罩板，減少熱量損失，避免槽控機(jī)因外界干擾而誤判造成壓極距的問題。

電解質(zhì)壓降還受到電解質(zhì)成分、過(guò)熱度等的影響。保證較潔凈的電解質(zhì)是拉大極距的有效措施，因此首先需保證足夠的過(guò)熱度，這有利于電解質(zhì)中的炭渣的分離，其次加大兩端頭炭渣的打撈。但極距超過(guò)了一定程度后，電流效率也會(huì)變小。綜合考慮極距的影響，工業(yè)生產(chǎn)中極距應(yīng)該保持在4.5cm～5.2cm，電壓穩(wěn)定在4.0V～4.05V時(shí)能獲得較高的電效。

3 操作及維護(hù)管理

3.1 爐膛規(guī)整與爐底壓降控制

電解槽啟動(dòng)初期需逐漸形成規(guī)整的爐膛，規(guī)程的爐膛包括合理的爐幫厚度、適中的伸腿長(zhǎng)度、少量的爐底沉淀，可有效的規(guī)整電流走向，對(duì)提高電效有著明顯的作用。干凈的爐底可以有效的降低的爐底壓降，對(duì)電壓降低有至關(guān)重要的作用。規(guī)整的爐膛有利于減少水平電流強(qiáng)度，降低側(cè)部偏流的影響，使陰極電流密度提高，大幅度提高電流效率。爐膛的處理主要依靠技術(shù)條件的調(diào)整，利用人為輔助操作后效果會(huì)更好。在日常換極操作中應(yīng)記錄好爐底沉淀情況、爐幫厚度、伸腿大小等，只有掌握更加全面的數(shù)據(jù)才能對(duì)單槽做出更有利的技術(shù)條件調(diào)整。

3.2 陽(yáng)極質(zhì)量及換極作業(yè)

更換陽(yáng)極是鋁電解過(guò)程中最關(guān)鍵的工藝之一，工作量占比1/3左右。陽(yáng)極質(zhì)量與換極順序，除了影響原鋁質(zhì)量、電解溫度等，其對(duì)電流效率的影響也是非常大。若陽(yáng)極質(zhì)量較差，則電解質(zhì)中碳渣量大，此時(shí)電解質(zhì)電阻增加，變相拉低了極距增加無(wú)功電耗。另外懸浮固體氧化鋁量大，電解質(zhì)電阻越大，每當(dāng)在電解質(zhì)中含有0.4%的碳渣的情況下，則會(huì)使電解質(zhì)的導(dǎo)電性能下降1%［5］。因而在碳渣不斷增多的情況下也會(huì)使得電流效率降低，增加噸鋁電耗。同樣陽(yáng)極質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況下會(huì)使陽(yáng)極電流分布不平衡，造成電流空耗，所以在生產(chǎn)過(guò)程中保證陽(yáng)極質(zhì)量并在日常生產(chǎn)中進(jìn)行及時(shí)打撈對(duì)提高電流效率有著很大的幫助。

換極順序與周期對(duì)電流效率的影響也非常大，如果調(diào)整不好，即當(dāng)同一個(gè)下料位置在短時(shí)間內(nèi)更換多組新陽(yáng)極，那么從這些新極導(dǎo)入的電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的比例不足30%，其余大部分電能都轉(zhuǎn)化為熱能，因此換極順序及周期的調(diào)整對(duì)于電能轉(zhuǎn)換率起著非常關(guān)鍵的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

總之320KA系列預(yù)焙鋁電解槽要降低電耗提高電效，啟動(dòng)前期要嚴(yán)格監(jiān)管電解槽筑爐質(zhì)量，焙燒啟動(dòng)期間更要科學(xué)合理，避免破損槽的出現(xiàn)，以便后期保持槽況的穩(wěn)定。在后期管理工作中要以爐膛為根本，規(guī)整好爐膛是調(diào)整其他技術(shù)條件的前提條件，在有規(guī)整的爐膛鋁水平保持27.5cm～29.5cm，電解質(zhì)水平保持16cm～19cm，在該電解質(zhì)體系下分子比維持在2.35～2.45，槽溫控制在940℃～950℃，合適的過(guò)熱度，保證極距保持在4.5cm～5.2cm時(shí)能獲得較高的電流效率。另外，在生產(chǎn)中也要注重噪音值的控制，以噪音值作為各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的綜合反應(yīng)參數(shù)。在日常的作業(yè)過(guò)程中更要細(xì)化操作、嚴(yán)抓質(zhì)量，利用換極時(shí)間人為輔助做好爐膛規(guī)整，記錄好爐膛狀況，以便綜合各項(xiàng)技術(shù)條件進(jìn)行調(diào)整。