電解質(zhì)成分富集對(duì)鋁電解槽技術(shù)管理的影響

閆 飛 凌澤寶 吳天明

(廣西投資集團(tuán)銀海鋁業(yè)有限公司， 廣西 南寧 530028)

電解質(zhì)成分富集對(duì)鋁電解槽技術(shù)管理的影響

閆 飛 凌澤寶 吳天明

(廣西投資集團(tuán)銀海鋁業(yè)有限公司， 廣西 南寧 530028)

電解質(zhì)在重復(fù)使用過(guò)程中，某些成分會(huì)不斷富集。電解質(zhì)作為多元體系，其成分的變化將對(duì)電解質(zhì)的初晶溫度、溶解性、粘度、密度等性質(zhì)產(chǎn)生影響。本文針對(duì)某廠電解質(zhì)成分變化及由此引起的電解槽槽況變化進(jìn)行了研究，以尋求更加合理的電解槽技術(shù)條件管理模式。

電解質(zhì)； 成份富集； 影響； 技術(shù)條件； 改進(jìn)

廣西某公司為了節(jié)約生產(chǎn)成本，在最近幾次啟槽過(guò)程中，均利用遺留的電解質(zhì)破碎塊代替冰晶石進(jìn)行裝爐啟動(dòng)。電解質(zhì)塊經(jīng)過(guò)重復(fù)使用，其中不消耗的CaF2、MgF2等成分不斷富集，致使電解質(zhì)成分比例連續(xù)改變，對(duì)電解質(zhì)的性質(zhì)逐漸產(chǎn)生了較大的影響。這種影響導(dǎo)致了電解槽槽況的改變，為了適應(yīng)新的槽況，要求技術(shù)人員必須改進(jìn)原有的技術(shù)條件管理模式。

1 某公司電解質(zhì)成分的變遷

鋁電解質(zhì)體系主要由冰晶石、AlF3、NaF、Al2O3、MgF2、CaF2等構(gòu)成。冰晶石和Al2O3隨著生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)行會(huì)不斷消耗，需要及時(shí)補(bǔ)充，而MgF2、CaF2等成分在電解過(guò)程中基本不消耗，因此會(huì)逐漸富集。某公司檢測(cè)的鋁電解質(zhì)成分隨時(shí)間的變化如圖1所示。

圖1 鋁電解質(zhì)成分隨時(shí)間的變化

2 電解質(zhì)成分變化對(duì)電解質(zhì)性質(zhì)影響的理論分析

2.1 對(duì)電解質(zhì)初晶溫度的影響

電解質(zhì)初晶溫度決定電解過(guò)程溫度的高低(電解溫度=電解質(zhì)初晶溫度+過(guò)熱度)。溫度的變化將影響電解槽的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如電流效率。各種添加劑對(duì)降低電解質(zhì)初晶溫度的影響如圖2、圖3所示[1]，隨著MgF2、CaF2含量的提高，電解質(zhì)的初晶溫度下降[2]。

圖2 各添加劑對(duì)降低電解質(zhì)初晶溫度的影響(質(zhì)量百分比)

圖3 各添加劑對(duì)降低電解質(zhì)初晶溫度的影響(摩爾百分比)

2.2 對(duì)電解質(zhì)電導(dǎo)率的影響

電導(dǎo)率是電解質(zhì)最重要的物理化學(xué)性質(zhì)之一，它關(guān)系到極距間電壓降的大小。通常極距間電解質(zhì)的電壓降約占槽電壓的35%～39%，因此它與電能消耗的多少直接相關(guān)。

圖4 各添加劑對(duì)電解質(zhì)電導(dǎo)率的影響

LiF、Li3AlF6、NaF、NaCl 都能增大電解質(zhì)的電導(dǎo)率，其余添加劑則降低電導(dǎo)率[3]，如圖4。隨著MgF2、CaF2含量的提高，電解質(zhì)的電導(dǎo)率是下降的，在設(shè)定電壓不變的情況下，電解槽的極距必然減小，從而降低電解槽的穩(wěn)定性。

2.3 對(duì)電解質(zhì)密度的影響

鋁電解時(shí)電解質(zhì)和熔融鋁之間的密度差比較小，例如1 000 ℃時(shí)純?nèi)廴诒拿芏葹?.095 g/cm3，純鋁的密度為2.289 g/cm3，二者的密度差小容易引起金屬的損失，此外還能因小的干擾而引起電解質(zhì)和鋁界面的明顯波動(dòng)，因此增加兩者的密度差是很重要的。添加劑對(duì)電解質(zhì)的密度影響如圖5[4]。

圖5 各添加劑對(duì)電解質(zhì)密度的影響

隨著MgF2、CaF2含量的提高，電解質(zhì)的密度升高，容易引起電解槽中金屬鋁的損失。

2.4 對(duì)電解質(zhì)粘度的影響

電解質(zhì)的循環(huán)性質(zhì)，Al2O3顆粒的沉落，鋁珠、碳粒的輸運(yùn)以及陽(yáng)極氣體的排出等都與電解質(zhì)的粘度有關(guān)。它影響到陽(yáng)極氣體的排出和細(xì)微鋁珠與電解質(zhì)的分離，從而關(guān)系到金屬損失和電流效率。各添加劑對(duì)電解質(zhì)的粘度影響如圖6[5]。CaF2會(huì)增加電解質(zhì)的粘度，影響陽(yáng)極氣體的排出和細(xì)微鋁珠與電解質(zhì)的分離。

圖6 各添加劑對(duì)電解質(zhì)粘度的影響

2.5 對(duì)氧化鋁溶解性的影響

前人研究結(jié)果表明，MgF2、CaF2含量的提高會(huì)使電解質(zhì)對(duì)Al2O3的溶解性度減小。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，某公司電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中電解質(zhì)由于長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)使用導(dǎo)致MgF2、CaF2富集對(duì)電解鋁生產(chǎn)的影響是多方面的。

3 電解質(zhì)成分變化對(duì)生產(chǎn)的影響

3.1 電解槽運(yùn)行狀況的變化

隨著電解質(zhì)成分的改變，電解槽的運(yùn)行狀況出現(xiàn)了以下變化：

(1)根據(jù)往年的數(shù)據(jù)匯總，在同樣的分子比水平下電解槽的電解溫度呈下降趨勢(shì)。

(2)如果分子比保持相對(duì)較低的水平，氧化鋁的溶解性較往年下降，電解槽突發(fā)效應(yīng)增加。

(3)如果分子比保持相對(duì)較低的水平，電解槽的電壓擺增多，穩(wěn)定性較往年下降。不同分子比下，電解槽成分的變化和電解溫度的歷年變化如表1。

表1 不同分子比下電解槽成分和電解溫度的歷年變化

3.2 原因分析

近年來(lái)公司采用了低電壓臨界態(tài)生產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)對(duì)電解槽的物料平衡和熱平衡提出了很高的要求。

在電解槽臨界生產(chǎn)狀態(tài)下，生產(chǎn)條件的變化會(huì)對(duì)電解槽的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，當(dāng)電解質(zhì)成分發(fā)生變化后很容易對(duì)電解槽的生產(chǎn)造成影響，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

(1)MgF2、CaF2含量提高后造成電解槽初晶溫度下降進(jìn)而降低電解槽的生產(chǎn)溫度。在以前高極距的生產(chǎn)模式中，電解槽槽溫的下降有利于電流效率的提高，但是在臨界態(tài)生產(chǎn)模式下，過(guò)熱度本來(lái)已很低，較低的溫度會(huì)降低電解質(zhì)的傳質(zhì)效果。

(2)MgF2、CaF2含量提高會(huì)降低電解質(zhì)的導(dǎo)電率，在同樣的設(shè)定電壓下，低電壓生產(chǎn)電解槽的極距進(jìn)一步降低，增加了電解槽的不穩(wěn)定性。

(3)MgF2、CaF2含量提高會(huì)增加電解質(zhì)的密度，造成原鋁溶解損失。

(4)MgF2、CaF2含量提高會(huì)增加電解質(zhì)粘度，降低氧化鋁的溶解性。

以上影響都會(huì)增加電解槽的不穩(wěn)定性，影響電解槽的電流效率。

4 電解槽技術(shù)管理研究

針對(duì)電解質(zhì)中MgF2、CaF2等成分富集產(chǎn)生的不利影響，在生產(chǎn)實(shí)踐中需要及時(shí)調(diào)整電解槽技術(shù)管理思路，使管理方法與電解質(zhì)體系相適應(yīng)，為電解槽低壓、臨界、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

4.1 補(bǔ)加新鮮冰晶石

(1)在新啟動(dòng)的電解槽中采用新鮮冰晶石進(jìn)行裝爐啟動(dòng)，然后根據(jù)需要對(duì)電解質(zhì)成分進(jìn)行調(diào)整；

(2)平時(shí)對(duì)缺少電解質(zhì)的電解槽添加新鮮冰晶石，以稀釋已經(jīng)富集的成分。此方法應(yīng)用新鮮冰晶石作為生產(chǎn)物料，成本較高。

4.2 改進(jìn)電解槽技術(shù)管理?xiàng)l件

針對(duì)由于電解質(zhì)中MgF2、CaF2等成分富集而造成的電解質(zhì)初晶溫度降低、電阻率增大、氧化鋁溶解能力變差等問(wèn)題?？梢赃m當(dāng)減少AlF3添加量，提高電解槽的分子比來(lái)抵消這種影響。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)于某公司的電解槽槽型和電解質(zhì)成分，將分子比提至2.45左右，槽溫保持約954 ℃是比較合理的。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某電解鋁生產(chǎn)企業(yè)近年來(lái)出現(xiàn)的生產(chǎn)問(wèn)題，對(duì)電解質(zhì)成分進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)近年來(lái)電解質(zhì)成分的化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找出了問(wèn)題的本質(zhì)，并對(duì)解決問(wèn)題的方法進(jìn)行了摸索，對(duì)電解槽的控制方式進(jìn)行了改進(jìn)，初步解決了電解槽控制難度增加、穩(wěn)定性降低的難題。

[1] 馮乃祥．鋁電解[M]. 北京：北京工業(yè)出版社，2006．

[2] 馮乃祥，彭建平，王耀武．高效長(zhǎng)壽電解槽[J].有色礦冶，2006(5)：32．

[3] 馮乃祥．中國(guó)鋁電解高效節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2010(S1)：4-5.

[4] 邱竹賢．預(yù)焙槽煉鋁[M]．北京．冶金工業(yè)出版社，2005．

[5] 劉業(yè)翔，李劼．現(xiàn)代鋁電解[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2008．

Influence of Electrolyte Composition Enrichment on the Technical Management of Aluminum Reduction Cell

YAN Fei, LING Ze-bao, WU Tian-ming

When the electrolyte is in reuse, some compositions are enriching continuously. As a polynary system, the liquidus temperature, solubility, viscosity, density and other properties of electrolyte are influenced by the changes of electrolyte composition. The changes of electrolyte composition and the consequences of reduction cell conditions have been researched for a certain factory in the paper, which is intended to find more reasonable management modes for technical conditions of the reduction cell.

electrolyte; composition enrichment; influence; technical conditions; improve

2015-02-11

閆飛(1985—)，男，湖北襄陽(yáng)人，研究生在讀，工程師，主要從事鋁電解和鋁加工行業(yè)的管理和研究工作。

TF821

A

1008-5122(2015)04-0014-03