關(guān)于槽電壓與電流效率的思考

朱 博，萬 文

隨著技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)電解鋁的槽電壓在2006 年首次降低到4V 以內(nèi)，為強(qiáng)化電流提供了技術(shù)支撐和空間，電解槽的電流強(qiáng)度也從180KA、200KA 等逐步提升到現(xiàn)今的500KA、600KA，技術(shù)已日趨成熟，單槽產(chǎn)量大幅增加，項(xiàng)目投資建造成本也大幅降低。電解鋁企業(yè)是用電大戶，電力成本占整個(gè)生產(chǎn)成本的40%左右，隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”“能耗雙控”和“階梯電價(jià)”等一系列政策的出臺(tái)，能耗越高，則電價(jià)越高，碳排放越多，成本越高，因此降低電耗對(duì)企業(yè)至關(guān)重要，倒逼企業(yè)必須向著綠色、低碳、低能耗的方向發(fā)展。所以，降低電解鋁企業(yè)單位鋁液直流電耗（以下簡(jiǎn)稱噸鋁直耗）是電解鋁企業(yè)必須重點(diǎn)考慮的重要措施。

1 槽電壓的組成

電流做功是電壓、電流和時(shí)間的乘積，在電流強(qiáng)度一定的前提下，電解系列的能耗與槽電壓密切相關(guān)——電壓越低，耗電量越低，所以槽電壓的管理在日常生產(chǎn)中至關(guān)重要。

整個(gè)電解槽可以看作是良好的導(dǎo)體，電流強(qiáng)度越大，意味著電解槽越大。電流強(qiáng)度確定后，槽電壓就成為最為關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。電解槽各部位都有一定的電阻，從而產(chǎn)生電壓降，電解槽的平均電壓就是各部位電壓降的累加值。主要電壓降有：

（1）母線壓降（約180mv）：母線壓降包括陰極軟帶、陰極母線、母線焊接、水平母線、陽極軟母線、立柱母線部分壓降。盡管母線導(dǎo)體電阻較小，但是難以阻止電流的損失，一般情況下母線壓降可視為固定不變的，但是隨溫度的變化母線壓降會(huì)升高或降低（金屬隨溫度的升高電阻值增大）。

（2）極化電壓（也稱為反電動(dòng)勢(shì)，約1700mv）：極化電壓是電解過程中為克服反電動(dòng)勢(shì)而需要施加的電壓，反電動(dòng)勢(shì)與極化電壓數(shù)值相等，方向相反，它可分為分解電壓和兩極過電壓，工業(yè)電解槽上測(cè)試反電動(dòng)勢(shì)較難，一般通過在系列電流突然停止的一瞬間，電解槽電壓表上顯示的讀數(shù)即為反電動(dòng)勢(shì)（等于極化電壓），經(jīng)驗(yàn)值在1.70V 左右，隨著氧化鋁濃度的變化會(huì)稍微變動(dòng)。

（3）陽極壓降（約340mv）：陽極壓降由卡具壓降、導(dǎo)桿壓降、爆炸焊壓降、鋼爪壓降、鋼碳?jí)航?、碳?jí)K壓降構(gòu)成，決定因素主要是鋼碳?jí)航岛完枠O澆鑄質(zhì)量。

（4）陰極壓降（約350mv）：陰極壓降又稱為爐底壓降，包括陰極碳?jí)K壓降、鋼碳?jí)航怠摪魤航狄约盃t底沉底、結(jié)殼部分的壓降值，隨著爐底的潔凈程度和結(jié)殼情況而變化，還隨著陰極碳?jí)K的組裝質(zhì)量及槽齡的增長(zhǎng)而發(fā)生變化。

（5）電解質(zhì)壓降（約1470mv）：電解質(zhì)壓降一般通過升降陽極，測(cè)試極距，用電壓減去極距的方法計(jì)算，但精確度不是很高，主要以其他電壓計(jì)算為主，用平均電壓減去其他電壓即為電解質(zhì)壓降，但電解質(zhì)壓降變化較大，電解質(zhì)成分、過熱度都會(huì)使電解質(zhì)壓降發(fā)生變化。

（6）效應(yīng)壓降（槽效應(yīng)帶來的壓降損失）：效應(yīng)分?jǐn)傠妷簽楫?dāng)日發(fā)生陽極效應(yīng)時(shí)段內(nèi)的平均效應(yīng)電壓分?jǐn)傇谙盗须娊獠凵系膲航担S著效應(yīng)系數(shù)和效應(yīng)時(shí)間而變動(dòng)。

想要降低槽電壓，就要在以上必要的環(huán)節(jié)想辦法減小電阻，減少電壓降。但需要在此強(qiáng)調(diào)的是，并非槽電壓越低越好，前提必須是工藝穩(wěn)定，保證效率，一味地降低槽電壓可能導(dǎo)致相反的結(jié)果。

2 電流效率的主要影響因素

（1）鋁的溶解和氧化損失：電解槽內(nèi)陰極上已經(jīng)析出的鋁水，一部分又溶解到冰晶石熔體中，經(jīng)擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移到陽極附近，被陽極氣體CO2氧化所造成的鋁損失，也稱為二次反應(yīng),這是電流效率降低的本質(zhì)與主要原因。

2Al(溶解的)+3CO2（氣）=Al2O3（溶解的）+3CO（氣）

（2）鋁的不完全放電：當(dāng)槽電壓低于分解電壓時(shí)，鋁液中的Al3+得到電子會(huì)生成Al+,而冰晶石熔體中的Al+同樣會(huì)失去電子生成Al3+，造成高價(jià)鋁離子與低價(jià)鋁離子的循環(huán)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致電流的無功損失。

（3）離子體放電：電解質(zhì)中存在多種離子，其中最主要的是Na+,其在電解槽中放電析出，損耗電能，從而降低電流效率。另外，F(xiàn)e3+、Si4+、P5+等離子的電位也都優(yōu)于Al3+,在陰極上優(yōu)先放電析出而降低電流效率和原鋁質(zhì)量。

（4）電解質(zhì)溫度：電解質(zhì)溫度較高，一般在900℃以上，熱損失也很大，且隨著電解質(zhì)溫度升高，二次反應(yīng)加重，嚴(yán)重降低電流效率，在確保安全生產(chǎn)的前提下，合理降低電解質(zhì)溫度也有利于減少熱損失，提高電流效率。

（5）極距：極距反映了槽電壓的大小。它既是電解過程中的電化反應(yīng)區(qū)域，又是維持電解溫度的熱源中心，增大極距能減少鋁的溶解損失，可獲得相對(duì)較高的電流效率，但槽電壓隨之升高、能耗增加?？s短極距可降低槽電壓，利于節(jié)能，但過低極距會(huì)造成鋁的溶解損失增加，一定程度上又降低了電流效率，所以合理的極距至關(guān)重要。

（6）電解質(zhì)的成分：電解質(zhì)的成分影響分子比和初晶溫度、Al 在電解質(zhì)中的溶解度、Al2O3的溶解度等，槽溫、爐幫、結(jié)殼狀況，以及電解質(zhì)殼面硬度都與電解質(zhì)成分有關(guān)，從而影響電流效率。

（7）“兩水平”的控制：電解槽內(nèi)鋁液水平和電解質(zhì)水平影響槽的熱平衡、鋁液鏡面、槽底沉淀、電解質(zhì)黏度等，其在電解過程中起到的作用亦不同，電解質(zhì)是維持電化學(xué)反應(yīng)，穩(wěn)定槽內(nèi)熱平衡的重要物質(zhì)，鋁液是穩(wěn)定磁場(chǎng)、保護(hù)陰極不被氧化以及傳導(dǎo)熱量的載體。電解槽內(nèi)兩水平保持不能過高也不能過低，保持適宜的兩水平高度是穩(wěn)定生產(chǎn)和提高電流效率的基本要求。

3 槽電壓與電流效率的關(guān)系

電流強(qiáng)度I 是電解系列最重要、最基礎(chǔ)的技術(shù)條件，電流強(qiáng)度I 確定后，槽電壓V 就成為影響電解槽熱平衡、能量平衡、電流效率等技術(shù)條件最重要的影響因素。

根據(jù)《電解鋁企業(yè)單位產(chǎn)品能源消耗限額》（GB21346-2013）,鋁液交流電耗限定值≤13700kWh/t,先進(jìn)值≤12650kWh/t。目前，多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)1 噸鋁液大約消耗13500kWh 的電量，勉強(qiáng)達(dá)到限定值，還無法達(dá)到先進(jìn)值。根據(jù)噸鋁直流電耗的簡(jiǎn)化計(jì)算公式：W=2980×V/可得，噸鋁直流電耗與槽電壓（實(shí)際平均電壓V）和電流效率（）密切相關(guān)。僅從計(jì)算公式看，槽電壓越小、電流效率越高，則噸鋁直流電耗越低，反之亦然。但是槽電壓V和電流效率還存在千絲萬縷的關(guān)系，而且目前從理論上不能用一個(gè)通用的公式表達(dá)其內(nèi)在的聯(lián)系，“槽電壓越小、電流效率越高，則噸鋁直流電耗越低”的結(jié)論顯然不能成立。因此，弄清楚槽電壓與電流效率的影響因素和制約關(guān)系，匹配最佳槽電壓和電流效率，才是降低噸鋁直耗的核心關(guān)鍵。

圖1 電流效率與噸鋁電耗對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

圖1是將兩個(gè)橫坐標(biāo)維度相同，但縱坐標(biāo)維度不同的關(guān)系圖放在一起研究，盡管兩條曲線不存在嚴(yán)密的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，但是可以幫助我們更容易理解槽電壓與電流效率的關(guān)系，也更具對(duì)比性和直觀性。

首先看W-V 圖：在噸鋁直耗W 與槽電壓（極距）V 的關(guān)系曲線中，存在一個(gè)最佳極距點(diǎn)Vb，此處噸鋁直耗W 最低。在Vb的左側(cè)，W 隨V 的升高而降低，其主要原因是：提高極距可以減少鋁的溶解損失，對(duì)提高電流效率的作用非常明顯，并且提高電流效率對(duì)降低能耗的作用大于槽電壓升高對(duì)能耗的不利作用，同時(shí)隨著電壓的升高，會(huì)熔化槽內(nèi)沉淀和結(jié)殼，降低爐底壓降和能耗。在Vb的右側(cè)，W 隨V 的升高而升高，其主要原因是：提高極距可以減少鋁的溶解損失，但能耗也隨之增加，極距升高對(duì)電流效率的作用逐漸變得不明顯，提高電流效率對(duì)降低能耗的作用小于槽電壓升高對(duì)能耗的不利作用，總體表現(xiàn)為增大能耗。

根據(jù)對(duì)上圖，我們可以得出三點(diǎn)結(jié)論：

（2）不是電流效率越高，噸鋁直耗就越低；也不是槽電壓越低，噸鋁直耗就越低；單純追求高效率或單純追求低槽電壓，都不能實(shí)現(xiàn)降低電耗的目的。例如圖中Vb以下，電流效率急劇下降，噸鋁直耗陡然上升。

（3）對(duì)于任何一個(gè)系列，都存在噸鋁直耗最低的點(diǎn)——槽電壓Vb（最佳極距），這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流效率才是最佳電流效率，而不是電流效率最高的點(diǎn)。

根據(jù)以上結(jié)論，我們可以判斷，追求最低能耗，就必須要找到最佳槽電壓Vb。對(duì)于不同的電解系列，其Vb是不相同的，總是存在或多或少的差異，這與每個(gè)電解系列的設(shè)計(jì)安裝、生產(chǎn)管理、技術(shù)水平、人員素質(zhì)和氣候環(huán)境等差異有關(guān)。同時(shí)，過低的槽電壓（極距）易引起陽極長(zhǎng)包、效應(yīng)、針振、冷槽等問題，因此要嚴(yán)格防止槽電壓低于Vb，各企業(yè)要根據(jù)本企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理水平來確定各自的Vb值。

4 如何確定槽電壓與電流效率的最佳匹配點(diǎn)Vb

要找到最佳槽電壓Vb，現(xiàn)今沒有確切的符合實(shí)際的理論計(jì)算公式，也不應(yīng)憑經(jīng)驗(yàn)來確定，因此就必須通過實(shí)驗(yàn)來找到這個(gè)點(diǎn)。

4.1 主要步驟

（1）建立實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)：包括技術(shù)人員、管理人員和操作人員，至少要分成2 組，分頭開展實(shí)驗(yàn)；制定詳細(xì)的方案，讓每個(gè)人都明白實(shí)驗(yàn)的目的、流程、職責(zé)和技術(shù)要求。

（2）選定實(shí)驗(yàn)槽：實(shí)驗(yàn)槽分2 組，每組5 臺(tái)～10 臺(tái)（數(shù)量越多越好，但過多不易實(shí)驗(yàn)管理），所選的實(shí)驗(yàn)槽運(yùn)行穩(wěn)定，工藝技術(shù)條件平穩(wěn)，兩水平控制較好，而且設(shè)備狀態(tài)良好，切忌選用端頭槽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（3）統(tǒng)一初始狀態(tài)：對(duì)所選定的電解槽進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一管理，使其兩水平、殼面厚度、密封狀態(tài)等趨于一致，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，然后統(tǒng)一測(cè)定其在產(chǎn)鋁量，并做好記錄。這個(gè)時(shí)間需要10 天或更長(zhǎng)來完成。

（4）分組設(shè)定電壓：兩組電解槽，每組的電解槽槽電壓設(shè)定值相同，在去除附加電壓的情況下，保持兩組的電壓差值稍偏大些，例如600mv 甚至更大,這樣更容易根據(jù)數(shù)據(jù)判斷最佳槽電壓的位置。

（5）精心操作記錄：各組實(shí)驗(yàn)人員，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化的管理模式，對(duì)電解槽進(jìn)行相同的維護(hù)和操作，換極、收邊、打撈炭渣、爐面整形、清除附加電壓等工作按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；定時(shí)出鋁并測(cè)量槽臺(tái)極距，詳細(xì)記錄出鋁量和極距變化情況；兩水平和槽溫控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，每項(xiàng)工作詳細(xì)記錄。

（6）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；經(jīng)過30 天或更長(zhǎng)的跟蹤實(shí)驗(yàn)后，再次對(duì)實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)的在產(chǎn)鋁進(jìn)行盤存，目的是得到詳細(xì)的鋁產(chǎn)量數(shù)據(jù)。根據(jù)兩組實(shí)驗(yàn)槽的數(shù)據(jù)，可以判斷出最佳槽電壓（或極距）的位置區(qū)間。第一輪實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，再進(jìn)行第二輪實(shí)驗(yàn)，根據(jù)第一輪實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)調(diào)整槽電壓（或極距），繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，直到找出Vb的最接近值。

4.2 注意事項(xiàng)

在實(shí)驗(yàn)過程中，需要注意以下幾個(gè)方面：

（1）同一批建成或維修后的電解槽，其槽與槽之間還存在差異，所以，電解槽的標(biāo)準(zhǔn)化管理很重要，要盡量使所有的電解槽技術(shù)指標(biāo)趨于相同，這樣最佳槽電壓Vb才更具有參考價(jià)值。

（2）實(shí)驗(yàn)槽的數(shù)量越多、實(shí)驗(yàn)時(shí)間越長(zhǎng)，則數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確可靠。選定多少臺(tái)實(shí)驗(yàn)槽、投入多少人力、實(shí)驗(yàn)多長(zhǎng)時(shí)間，需要各企業(yè)根據(jù)自身資源狀況進(jìn)行安排和確定。

4.3 實(shí)驗(yàn)效果分析

低電壓生產(chǎn)技術(shù)在行業(yè)內(nèi)帶來了重大的影響，但無論怎樣的電壓管理，都不能違背熱平衡失衡的原則，否則電解槽將會(huì)出現(xiàn)病變。顯示了某電解廠500KA 大型預(yù)焙電解槽部分實(shí)驗(yàn)槽1個(gè)月（30 天）的實(shí)驗(yàn)調(diào)整結(jié)果。根據(jù)表中數(shù)據(jù)平均值可得：實(shí)驗(yàn)槽的平均電流效率為96.12%，平均噸鋁直耗W 為12308kWh。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該電解廠實(shí)驗(yàn)槽極距設(shè)置在4.3cm ～4.6cm之間，工作電壓保持在3.93V ～3.96V 之間，可獲得相對(duì)較低的能耗和相對(duì)較高的電流效率。

5 其他節(jié)能降耗的輔助措施

除了通過實(shí)驗(yàn)方式找到最佳槽電壓Vb，還可以同時(shí)考慮以下措施。

5.1 強(qiáng)化電流技術(shù)

根據(jù)鋁電解理論產(chǎn)能計(jì)算公式M=0.3356Iηt×10-6，我們發(fā)現(xiàn)如果提高電流強(qiáng)度，電解理論產(chǎn)能增加，這種不做技改、利用現(xiàn)有設(shè)備提升系列電流強(qiáng)度的方式稱為強(qiáng)化電流技術(shù)，其投資少、見效快、效益好的優(yōu)點(diǎn)十分突出。

5.2 垂直出電技術(shù)

所謂垂直出電鋁電解槽是指陰極電流從槽底穿出，使原陰極水平電流改變?yōu)榇怪彪娏?，以此消弱槽?nèi)Z 向磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)磁流體的穩(wěn)定；這種方法實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行效果良好，節(jié)能降耗效果明顯。

5.3 新型保溫內(nèi)襯材料

積極引進(jìn)新型保溫內(nèi)襯材料，為進(jìn)一步降低電壓提供有力條件，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同時(shí)積極開發(fā)預(yù)熱利用，提高能源利用率，減少能耗損失。

最后需要強(qiáng)調(diào)的是，本文所述觀點(diǎn)和方法都是為追求最低噸鋁電耗，但企業(yè)是追求利潤(rùn)的，如果產(chǎn)品市場(chǎng)形勢(shì)較好，可以選擇犧牲成本指標(biāo)，追求更大利潤(rùn)，所以通過適當(dāng)提高槽電壓，實(shí)現(xiàn)較高的電流效率，也是現(xiàn)實(shí)中企業(yè)經(jīng)常采取的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)措施，這需要各企業(yè)根據(jù)自身實(shí)際提前算好經(jīng)濟(jì)賬。