鋁電解槽電流效率影響因素的研究

劉昆鵬 韓健文 王興云等

摘 要：目前世界電解鋁工業(yè)科技含量提升、智能化程度提高，低耗、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和低污染成為電解鋁生產(chǎn)技術經(jīng)濟指標的發(fā)展目標和方向，電解鋁新技術探索不斷進行。文章就如何提高鋁電解槽的電流效率和節(jié)省電能做了詳細探討。

關鍵詞：電流效率；電解溫度和過熱度；鋁水平；電解質(zhì)水平；極距；添加劑

中圖分類號：TF351 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）03-0179-02

計算機技術和數(shù)學學科的高速發(fā)展成果被廣泛應用于鋁電解技術，促使以熔鹽電解法煉鋁為主導技術的鋁電解工業(yè)不斷得到創(chuàng)新發(fā)展，針對鋁電解槽的物理場仿真和優(yōu)化技術逐步精確，開發(fā)大容量槽、低電壓技術是當今鋁電解工業(yè)的發(fā)展趨勢。盡管如此，其電能效率依然低于50%，理論上仍有很大的發(fā)展提升空間。美國早在2003年就將11 000 kWh/t-Al定為今后20年原鋁直流電單耗目標值。而我國在2009年初將這一目標值定為12 500 kWh/t-Al，而2009年我國實際值高達13 118 kWh/t-Al，提升壓力巨大。降低電解槽電耗的一個重要研究課題方向就是改善鋁電流效率，電流效率和槽電壓能夠直接影響噸鋁直流電耗，噸鋁直流電耗數(shù)值高低標志著電解槽是否運行良好，產(chǎn)能是否高效，電解槽的直流電耗可用下式進行計算：

W=2.98×■

式中：

W為噸鋁直流電耗，kWh/t-Al；

V為平均電壓，V；

α為電流效率，%。

上式表明降低鋁電解生產(chǎn)能耗可以通過提高電流效率或降低電解槽平均電壓等方法實現(xiàn)，假設在槽電壓相同情況下，若V=4.40 V，α=88%，當電流效率提高1%，則噸鋁電能消耗將增加171.25 kwh/T。由于目前傳統(tǒng)電解槽保溫設計限制，電解槽電壓不能無限降低，其值會影響電解槽熱平衡，所以制約了低電壓生產(chǎn)，因此最簡單高效的節(jié)能途徑是提高電解槽的電流效率。研究表明，影響鋁電解槽的電流效率高低有多方面因素，主要從以下幾方面進行論述。

1 電流效率的概念

鋁電解槽在某特定時間內(nèi)，某特定電流強度下進行鋁電解時的電流效率：

？濁=■×100%

其中，

P實際為實際鋁產(chǎn)量；

P理論為理論鋁產(chǎn)量。

在實際電解鋁生產(chǎn)過程中，槽內(nèi)部的陰極析出金屬鋁和由于各種原因所導致鋁損失掉一部分是時刻同時發(fā)生，實際上產(chǎn)出的鋁量總會低于理論量，故電流效率總是低于100%。通過淘汰老舊技術、引進新技術，可減小鋁的額外損失，能夠有效提升電解的電流效率。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，有多種因素會影響鋁電解槽電流效率，如氧化鋁濃度、溫度、電解質(zhì)水平、極距、陰極電流密度、爐底壓降、電解焙燒等，下文做重點針對性分析。

2 電流效率的影響因素及分析

2.1 電解溫度、過熱度分析

電解槽的過熱度、電解溫度均可對電流效率產(chǎn)生嚴重影響，鋁在電解質(zhì)中的溶解度及溶解后的鋁溶液的擴散速度均受溫度影響，低溫可以降低擴散到陽極氧化區(qū)的速度，減少電流效率的損失。根據(jù)費克第一擴散定律：

q=KA（V0-V1）/δ

式中：

K為擴散系數(shù)，cm/s；

q為單位時間的擴散流量，g/s；

A為擴散面積，cm；

V1為擴散層外部電解質(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。

由公式分析可知，當時，

①將會減小鋁在電解槽中的溶解度，亦即V減小。

②會增大熔體的粘度，減小電解質(zhì)的循環(huán)速度，導致擴散層的厚度δ變大。

③擴散系數(shù)K也減小。因此，降低電解槽中的電解溫度后，q值減小，意味著減弱了鋁的二次反應，減小了鋁的損失，提升了電流效率。

當電解槽運行穩(wěn)定時，盡可能的維持較低的電解溫度，一般可以獲得最好的電流效率，有研究表明：電解時每降低10 ℃，將提高電流效率達1%～5%。電解質(zhì)的初晶溫度決定了電解溫度的大小，并且要確保電解過程能夠順利進行，電解質(zhì)初晶溫度與電解溫度差值即為過熱度，一般至少為5 ℃，否則就會導致電解質(zhì)粘度和密度增大，電解質(zhì)濃縮、氧化鋁溶解度降低、導電率下降。這時會使電解槽內(nèi)產(chǎn)生大量沉淀、槽底電壓降增加。有可能會混淆鋁液和電解質(zhì)熔體相，加劇鋁的溶解氧化損失，使電流效率急劇下降。因此，向電解槽內(nèi)添加適量氟化銼、氟化鎂，改善電解質(zhì)的組成，均可降低電解質(zhì)的初晶溫度，進而維持電解槽在低溫狀態(tài)運行。

2.2 極 距

極距是指陰、陽兩極之間的距離，具體講就是鋁電解槽中鋁液界面到陽極底掌的垂直距離，是鋁電解槽工藝技術參數(shù)之一，在一定的電解質(zhì)組分下，電解槽工作電壓的高低可以通過極距的高低來定性確定，雖然在一定的極距范圍內(nèi)，電解槽電流效率和極距成正比，但當極距超過一定值（大約7 cm）后，因極距增加而產(chǎn)生的焦耳熱量將明顯增加，電解溫度提升，粘度也明顯變小，加快了對流循環(huán)，促使鋁的二次返溶增大，故電流效率幾乎不再提高，電流效率隨極距的增加變化不顯著。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，極距的小幅變化就會引起槽電壓較大變化，例如在大型預焙槽上，每縮短極距0.01 m，大約可以降低電壓達0.30～0.33 V，電壓降幾乎占整個槽電壓的1/3，低極距的節(jié)能潛力巨大，其他工藝技術條件（如：槽膛內(nèi)形規(guī)整、兩極狀況良好、電解質(zhì)水平和鋁水平合理匹配）處于較為理想狀態(tài)時，鋁電解槽保持適當?shù)牡蜆O距可以有效提高電流效率。極距過大，導致增高槽電壓、增加電耗，增加熱量，槽子轉(zhuǎn)熱而誘導病槽出現(xiàn)等，造成鋁液波動；極距過小會引起局部短路，嚴重地拉低了電流效率。當前鋁電解用極距一般為4.2～4.5 cm。

綜上所述，提高電流效率的主要研究方向是發(fā)現(xiàn)既能保持電解槽穩(wěn)定性又可降低壓降的最佳極距。

2.3 鋁水平、電解質(zhì)水平分析

電解槽中盛裝有鋁液和電解質(zhì)等成分，因各自成分具有不同的密度而導致出現(xiàn)溶液分層現(xiàn)象，各液層的厚度代表了其相應的水平。合理的鋁液高度是電解槽獲得好的技術經(jīng)濟指標必不可少的技術條件，工作中電解質(zhì)水平經(jīng)常維持在20～25 cm，大型預溶槽的鋁水平一般維持在18～20 cm。電解槽穩(wěn)定性和散熱性也受鋁水平的影響，鋁水平會減小熱損失，降低增強鋁液的波動，提高槽內(nèi)水平電流分量，電解槽的穩(wěn)定性易被破壞，但爐底沉淀不易生成，因此保持鋁水平的合理穩(wěn)定是非常必要的。維持一定的鋁水平、電解質(zhì)水平的作用是：

①形成了一層良好的散熱通道，利用此散熱通道，多余熱量會被快速傳到陽極四周，從而均衡了槽內(nèi)各處的溫度。

②陰極炭塊上不會因此放電析出鋁離子，阻止了大量的碳化鋁的產(chǎn)生，減小了爐底壓降。

③適當厚度的鋁液層相當于一層緩沖層和保溫層作用，可保證爐底溫度不因驟熱驟冷而致早期破損。

④磁場作用可被適當厚度的鋁液層大量削弱。

⑤Na+直接在炭塊上放電析出會破壞炭塊，鋁水平、電解質(zhì)水平阻止了Na+放電，保護了爐底炭塊。

⑥維持一定量的鋁液水平，磁場中的水平電流被減弱，減弱了鋁液循環(huán)頻率，使鋁液不劇烈滾動。

⑦爐底上的高低不平，鋁液層可填充填平，有利于均勻爐底電流分布。

⑧鋁液的高度會影響伸腿的高度。因此，根據(jù)電解槽槽齡和電解工藝的技術條件保持電解槽內(nèi)合理的鋁液高度可有效提升電流效率，促進生產(chǎn)。

2.4 添加劑分析

電解質(zhì)的構成決定電解質(zhì)的物化性質(zhì)，因此通過改變電解質(zhì)成分調(diào)節(jié)電流效率，進而提高電解槽的產(chǎn)出效率，這也是國內(nèi)外一直在進行的重要研究課題。有選擇性地向電解槽內(nèi)添加能優(yōu)化電解質(zhì)性質(zhì)的各類添加劑是改善電解質(zhì)成份的最重要方法。使用添加劑的主要目的是降低電解溫度、抑制鋁的溶解。添加劑可對電解過程同時產(chǎn)生多種影響，從而影響電流效率。針對添加劑MgF2、CaF2的研究發(fā)現(xiàn)，二者均能增強電解質(zhì)在炭素電極上的界面張力，從而提高電流效率，但前者比后者能降低更多的電解質(zhì)熔點，減少鋁在電解槽中的溶解損失。研究發(fā)現(xiàn)，3～5%為合適的添加劑比例，超出這個比例范圍均會對電解不利。到目前為止，氟化鋰（或碳酸鋰）、氟化鎂等是電解鋁工業(yè)中公認的有效加劑。

添加劑的效果對比：添加鋰、鎂鹽復合劑的效果>單一添加碳酸鋰或單一添加氟化鎂>單一添加化鎂。導致上述效果差異的原因是：

①對于單一氟化鎂或碳酸鋰添加劑來說，它們都能提高鋁液界面與電解質(zhì)的界面張力、降低電解質(zhì)初晶點，但碳酸鋰能減小電解質(zhì)密度的特性抑制了電解質(zhì)中鋁液的擴散速度，所以，添加單一碳酸鋰的效果比添加單一氟化鎂好。

②當二者結(jié)合形成碳酸鋰與氟鎂復合劑時，單一氟化鎂時增大電解質(zhì)密度的不利影響被碳酸鋰所具備的減小電解質(zhì)密度的優(yōu)點所抑制，同時，氟化鎂能夠加速γ—Al2O3向α—Al2O3轉(zhuǎn)變，這個礦化作用促使生成的側(cè)爐幫趨于穩(wěn)定，并且電解質(zhì)對炭素材料的濕潤性被氟化鎂所抑制的性質(zhì)，能促進電解質(zhì)與炭渣分離。因此，添加碳酸鋰與氟化鎂復合劑的綜合作用就是電流效率得到較大提高。

2.5 爐幫分析

電解槽在規(guī)整的爐膛中才能夠穩(wěn)定運行，所以合理的爐幫設計也是提高電流效率的一個有效措施。邊部具有一定厚度的陡直結(jié)殼而不延伸到陽極底下是適宜的爐膛內(nèi)形，促進在陰極電流密度大得陽極底掌正投影下方的區(qū)域內(nèi)聚集鋁液，所以電流效率高。在電解生產(chǎn)管理過程中建立良好的啟動后期管理制度，制造高分子比爐幫；經(jīng)常檢修電解槽設備，減少異常故障的發(fā)生，保持生產(chǎn)運行平穩(wěn)等是建立良好的爐幫的必要條件。

3 結(jié) 語

綜上所述，電解槽電流效率的高低不僅受諸多因素影響，同時各工藝技術參數(shù)之間又會彼此相互影響，只有維持槽電壓在適宜合理的范圍之內(nèi)，同時研究出如何促使各因素之間互相配合和適應，并保持長期穩(wěn)定運行，才能真正實現(xiàn)電解槽的低耗高效，延長電解槽的使用壽命，進而為公司創(chuàng)造更多的價值。

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