高鋰電解質(zhì)對鋁電解生產(chǎn)的影響及改善策略

楊建平，楊 珅

(酒鋼集團(tuán)東興鋁業(yè)隴西分公司，甘肅 定西 748100)

0 引 言

在電解鋁的生產(chǎn)過程中，鋰鹽起到至關(guān)重要的作用，鋰鹽能夠有效降低電解質(zhì)的初晶溫度和電解質(zhì)密度，同時能夠降低鋁的溶解度，提高導(dǎo)電率，促進(jìn)電解質(zhì)流動，并起到分離炭渣的效果。但是，鋰鹽量不斷增多，使電解生產(chǎn)槽溫度降低，會導(dǎo)致氧化鋁溶解度降低，爐底不斷地產(chǎn)生沉淀，造成爐膛惡化，穩(wěn)定性受到破壞，使電解工藝操作難度加大，電解鋁生產(chǎn)技術(shù)條件難以保持。因此，在電解鋁生產(chǎn)過程中，必須嚴(yán)格控制電解質(zhì)中的鋰鹽含量，使其保持在一定范圍內(nèi)，并保持科學(xué)合理的技術(shù)條件，與鋰鹽匹配合理，為電解鋁生產(chǎn)安全、平穩(wěn)地進(jìn)行創(chuàng)造條件。

1 高鋰電解質(zhì)對鋁電解生產(chǎn)的影響

1.1 高鋰電解質(zhì)對電解質(zhì)溫度的影響

在電解質(zhì)生產(chǎn)過程中，氟化鋰對電解生產(chǎn)有較大影響，其原因在于氟化鋰的性質(zhì)在電解生產(chǎn)中表現(xiàn)明顯。其中，氟化鋰能夠顯著降低電解質(zhì)的初晶溫度，而初晶溫度的變化可以對電解質(zhì)的流動性和揮發(fā)性產(chǎn)生影響，同時，也影響鋁液的分離，并對電解溫度產(chǎn)生決定性影響。據(jù)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，氟化鋰如果含量為1 %，則電解質(zhì)初晶溫度就降低8 ℃?，F(xiàn)階段，電解質(zhì)中氟化鋰含量普遍在1 %～6 %，由于氟化鋰含量的增加，使電解質(zhì)熔點(diǎn)浮動過大，浮動差在40～45 ℃，導(dǎo)致鋁電解溫度差較大，通常在900～960 ℃，對鋁電解生產(chǎn)穩(wěn)定影響較大。

1.2 氟化鋰對氧化鋁溶解性能的影響

據(jù)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在電解質(zhì)中，氟化鋰含量與氧化鋁濃度呈反比關(guān)系，氟化鋰每增加1 %，氧化鋁濃度則降低3 %。在電解生產(chǎn)過程中，這種關(guān)系表現(xiàn)得更為顯著，隨著氟化鋰含量的增加，鋁電解質(zhì)槽沉淀的生成更為明顯，通常情況下，氟化鋰含量增加1 %，氧化鋁濃度則降低5 %。同時，由于氟化鋰含量的遞增，電解溫度逐漸下降，對氧化鋁溶解具有較大影響，造成氧化鋁和電解質(zhì)凝固沉淀，嚴(yán)重影響了鋁電解質(zhì)槽的穩(wěn)定性，阻礙了正常電解生產(chǎn)工藝的進(jìn)行，增加能源消耗，降低生產(chǎn)效率。

1.3 氟化鋰對鋁電解質(zhì)槽壽命的影響

在電解生產(chǎn)過程中，隨著電解質(zhì)中氟化鋰含量增加，對電解質(zhì)溫度和氧化鋁濃度均造成較大影響，使鋁電解質(zhì)槽沉淀增加，嚴(yán)重影響了鋁電解質(zhì)槽的穩(wěn)定性。由于鋁電解質(zhì)槽爐幫普遍較薄，在一些位置并沒有設(shè)計爐幫來保護(hù)側(cè)內(nèi)襯，導(dǎo)致電解質(zhì)溶體不斷地沖刷側(cè)內(nèi)襯，一些電解質(zhì)溶體與側(cè)內(nèi)襯材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得側(cè)內(nèi)襯縫隙內(nèi)的材料發(fā)生疏松等現(xiàn)象，導(dǎo)致側(cè)內(nèi)襯破損，不得不進(jìn)入大修周期，對鋁電解質(zhì)槽壽命造成較大影響。

該文選取某廠電解槽壽命跟蹤數(shù)據(jù)，從表1可見，該廠電解生產(chǎn)啟動3年后，停槽數(shù)量成直線上升，從2018年的3臺增加到2019年的18臺，2020年居高不下，達(dá)到17臺，導(dǎo)致電解槽年大修費(fèi)用呈倍數(shù)增長，由2018年的450萬元增加到2019年的2 700萬元和2020年的2 550萬元，造成年噸鋁生產(chǎn)成本由2018年的11.60元增加到2019年的65.59元和2020年的65.72元。從該廠跟蹤數(shù)據(jù)可知，氟化鋰對電解槽壽命具有較大的影響。

表1 電解槽鋰鹽變化與電解槽壽命數(shù)據(jù)跟蹤(啟動時間：2015年)Tab.1 Data of lithium content and electrolyzer service time(start from 2015)

1.4 氟化鋰對電解生產(chǎn)管理的影響

電解生產(chǎn)過程中，隨著氟化鋰含量的增加，造成爐膛沉淀堆積，爐膛條件惡化，生產(chǎn)穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，施工工藝波動性較大，對電解生產(chǎn)管理帶來負(fù)面影響。某廠2018年上半年技術(shù)條件合格率情況，見表2。

表2 2018年(1-6月)系列技術(shù)條件合格率變化情況Tab.2 Acceptable technical conditions in 2018(Jan.-Jun.)

1.5 氟化鋰對電導(dǎo)性能的影響

在電解生產(chǎn)過程中，氟化鋰和電解質(zhì)電導(dǎo)率呈正相關(guān)，但電解質(zhì)中氟化鈣含量和分子比大小對這種關(guān)系有較大影響，而且，在電解生產(chǎn)時，氟化鈣和氟化鋰的交互關(guān)系可降低電導(dǎo)率。當(dāng)氟化鈣分子比增高時，氟化鋰對電導(dǎo)率的影響會降低。因此，在實際生產(chǎn)過程中，要有效控制氟化鋰和氟化鈣的含量，經(jīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，氟化鈣含量在3 %～6 %時較為理想，而氟化鋰應(yīng)控制在1 %～3 %，能夠最大限度地提高電導(dǎo)率的幅度。

1.6 氟化鋰對電流效率的影響

在氟化鋰含量遞增的情況下，鋁電解質(zhì)槽氧化鋁沉淀越積越多，對電解槽工藝生產(chǎn)條件產(chǎn)生較大影響，使電流效率低下，提高了能量消耗。經(jīng)科學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)，隨著氟化鋰含量的增加，對鋁電解質(zhì)槽的影響越大。在含量達(dá)到7 %時，電解質(zhì)凝固點(diǎn)變低，電解質(zhì)出現(xiàn)失衡現(xiàn)象。在含量達(dá)到8 %～10 %時，爐膛極端惡化，工藝條件受到嚴(yán)重影響。在含量達(dá)到3 %～5 %時，爐膛沉淀最少，電解質(zhì)電流效率最好，電解質(zhì)槽的工藝條件最佳，能量消耗最小。

1.7 氟化鋰對氟化鹽消耗的影響

電解質(zhì)中氟化鋰含量高，可以有效降低過剩氟化鋁。據(jù)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，1 %的氟化鋰能有減少2.1 %的過剩氟化鋁，過剩氧化鋁量減少會導(dǎo)致氟化鹽濃度與活度下降，揮發(fā)減少。此外，氟化鋰較高的電解質(zhì)一般溫度較低，也有利于過剩氟化鋁的揮發(fā)。從以上關(guān)系可知，富鋰電解質(zhì)體系電解系列氟化鹽消耗量一般較傳統(tǒng)電解質(zhì)體系電解系列明顯低。

2 高鋰電解質(zhì)在鋁電解生產(chǎn)過程中的改善策略

2.1 控制過熱度

在電解質(zhì)中氟化鋰含量過高時，可以通過調(diào)整電解工藝技術(shù)條件來降低影響。一般情況下，調(diào)整電解工藝主要集中在熱度控制上。經(jīng)過實踐研究發(fā)現(xiàn)，過熱度控制在8 %～15 %，可以使鋁電解質(zhì)槽的能量達(dá)到平衡，爐膛內(nèi)部的工藝條件良好，使電解生產(chǎn)電流效率得到提高，鋁電解槽維持較好的穩(wěn)定性。通過實踐研究發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)中的氟化鋰達(dá)到6 %時，過熱度要定期進(jìn)行測量，并依據(jù)測量結(jié)果對工藝條件進(jìn)行調(diào)整，以確保鋁電解質(zhì)槽的正常運(yùn)行。

2.2 調(diào)整電解工藝技術(shù)條件

電解生產(chǎn)過程中，工藝生產(chǎn)條件對溫度要求較低，同時電解溫度較低，而過熱度卻需要維持一定的高度，在生產(chǎn)過程中導(dǎo)致鋁電解槽內(nèi)沉淀增加。為了有效避免這種不利影響的發(fā)生，可以采用上調(diào)分子比來提高初晶溫度，從而有效提高氧化鋁的溶解性能，把過熱度控制在理想的范圍內(nèi)。

氧化鋰含量增加導(dǎo)致氧化鋁溶解能量下降，產(chǎn)生大量的氧化鋰沉淀。為有效應(yīng)對沉淀造成的負(fù)面影響，可以定期定時對鋁電解質(zhì)槽內(nèi)沉淀進(jìn)行測量，根據(jù)槽內(nèi)沉淀情況制定應(yīng)對措施。為提高鋁電解槽的穩(wěn)定性，可以通過提高氟化鋰含量，從而對爐幫的形成實施影響。另外，可以通過稀釋高鋰電解質(zhì)的方法，以置換富含氧化鋰的電解質(zhì)。

2.3 提升工藝操作質(zhì)量

可以利用多種渠道，對碳渣進(jìn)行打撈，使電解質(zhì)清亮度得到提升。為有效散熱，可以調(diào)整爐面整形標(biāo)準(zhǔn)，對電解質(zhì)槽邊散熱帶及時進(jìn)行清理，以提升槽側(cè)面散熱功能。在換極作業(yè)時，加強(qiáng)精細(xì)化管理，同時對槽內(nèi)沉淀及時進(jìn)行清理，確保鋁電解槽的穩(wěn)定性，保持良好的工藝技術(shù)條件。對陽極表面進(jìn)行保溫處理，可選用大塊料，以確保保溫料的結(jié)構(gòu)均勻性，通過多層覆蓋，以提高保溫料的保溫效果。

2.4 利用槽大修置換電解質(zhì)

當(dāng)鋁電解質(zhì)槽設(shè)計壽命到期或者槽內(nèi)沉淀過多時，就必須停產(chǎn)進(jìn)行大修。在實際生產(chǎn)過程中，一般利用鋁電解質(zhì)槽大修的時機(jī)，對高鋰電解質(zhì)進(jìn)行全面置換，以此來改善電解質(zhì)體系。在鋁電解質(zhì)槽新啟動時，氟化鋰含量較低，確保了槽內(nèi)的穩(wěn)定性，使槽內(nèi)工藝生產(chǎn)條件達(dá)到理想狀態(tài)，降低了生產(chǎn)消耗，提高了電解效率。

2.5 添加低鋰鹽氧化鋁

在電解生產(chǎn)過程中，可以摻入低鋰鹽氧化鋁來有效抑制氧化鋰的增長。在實際添加時發(fā)現(xiàn)，不同的氧化鋁廠生產(chǎn)的氧化鋁，鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不等，在實際使用過程中，需要在確定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理添加，以有效降低氧化鋰的增長速度，同時，對于有效降低槽內(nèi)溫度，提高電導(dǎo)性能，提升氧化鋁的溶解度均具有積極的影響。

2.6 對氧化鋁下料控制系統(tǒng)進(jìn)行升級換代

在電解生產(chǎn)過程中，如果電解質(zhì)中氟化鋰持續(xù)增高，可以精確控制氧化鋁濃度，以避免因為溫度過低造成氧化鋁溶解不佳而產(chǎn)生大量沉淀，有效規(guī)避氧化鋰對槽內(nèi)生產(chǎn)工藝條件和槽內(nèi)穩(wěn)定性的影響。例如，某電解鋁廠通過對氧化鋁下料控制系統(tǒng)進(jìn)行升級換代，使控制系統(tǒng)對氧化鋁濃度變化及時采取有效應(yīng)對措施，同時，在鋁電解質(zhì)槽內(nèi)安裝了打殼錘頭，確保氧化鋁溶解后能定時定量地流入電解質(zhì)中，從而有效地避免了堵料的發(fā)生，使槽內(nèi)工藝生產(chǎn)維持在穩(wěn)定狀態(tài)下，確保了電解生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

3 結(jié) 語

綜上所述，在鋁電解生產(chǎn)過程中，高鋰電解質(zhì)對鋁電解槽的壽命和穩(wěn)定性，以及對電解質(zhì)的溶解度和電流效率等，都具有重要影響。當(dāng)氧化鋰含量超過3 %時，隨著含量的遞增，對電解生產(chǎn)的影響越大。為此，必須對過熱度進(jìn)行有效控制，對電解工藝技術(shù)條件進(jìn)行調(diào)整，同時，采取有效措施，提高工藝操作質(zhì)量。在鋁電解槽實施大修時，進(jìn)行置換電解質(zhì)作業(yè)，及時對氧化鋁下料控制系統(tǒng)進(jìn)行升級換代，并在電解生產(chǎn)過程中，添加適量低鋰鹽氧化鋁，有效降低槽內(nèi)溫度，提高電導(dǎo)性能，實現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)低溫、高效地進(jìn)行。