鋁電解工藝參數(shù)對(duì)金屬設(shè)備電流效率的影響

張素芬

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

現(xiàn)代鋁電解工藝追求的技術(shù)目標(biāo)之一就是盡量減少電能損耗，有關(guān)這方面的努力除了需要優(yōu)化電解槽設(shè)計(jì)、加大電解槽容量以外[1]，研究范疇已經(jīng)擴(kuò)大到應(yīng)該怎樣優(yōu)化技術(shù)條件以及選擇合適的工藝參數(shù)等方面。鋁電解的相關(guān)從業(yè)人員都了解，影響鋁直流電能損耗的因素主要有兩個(gè)，即電流效率與平均電壓。而對(duì)極距、電解質(zhì)成份、槽膛內(nèi)形等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)提高金屬設(shè)備電流效率以及降低平均電壓均有著不容小覷的作用。

1 低極距對(duì)電流效率的影響

鋁電解槽堅(jiān)持低極距的主要功用，國(guó)內(nèi)外有關(guān)著作專門作過集中討論，按照某鄉(xiāng)鋁廠80kA和100kA側(cè)插自焙槽的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，在其他技術(shù)參數(shù)比較理想的基礎(chǔ)下，鋁電解槽堅(jiān)持較低的極距對(duì)提高金屬設(shè)備的電流效率和降低平均電壓有一定程度的作用?？墒潜３值蜆O距需要以兩極發(fā)揮良好、槽膛內(nèi)形完整、鋁水平與電解質(zhì)水平適宜調(diào)配為前提條件[2]。在工業(yè)鋁電解槽中，強(qiáng)大的電磁力導(dǎo)致鋁液在電解質(zhì)一鋁液臨界面發(fā)生震蕩，鋁液震蕩的危害之一就是導(dǎo)致大量鋁發(fā)生迅速溶解、氧化過度，這就是鋁電解槽不得不始終堅(jiān)持較低極距運(yùn)轉(zhuǎn)的主要原因。

以往的認(rèn)知認(rèn)為側(cè)插自焙槽的極距絕對(duì)不可以小于5Cm，近年來國(guó)內(nèi)外有關(guān)電鋁工廠和科研機(jī)構(gòu)借助實(shí)驗(yàn)研究以及工業(yè)實(shí)驗(yàn)等途徑已經(jīng)得出不同看法，普遍認(rèn)為鋁發(fā)生再氧化反應(yīng)的地點(diǎn)主要是位于陽極下面2——5cm處。當(dāng)極距小于3.5cm的時(shí)候[3]，電流效率就會(huì)迅速下降，究其原因是由于陽極氣泡的散出使電解質(zhì)一鋁液界面震蕩幅度加大，而極距在3.5——5.0cm范圍內(nèi)電流效率不會(huì)發(fā)生明顯改變。國(guó)內(nèi)一部分廠家曾經(jīng)報(bào)道80kA側(cè)插槽保持較低極距運(yùn)營(yíng)(3.89era)，電流效率的平均值大概是90.34，而在此之前電解槽極距一般控制在4.03cm時(shí)，電流效率普遍在78——88之間晃動(dòng)。由此可知，保持一定程度的低極距對(duì)提高電流效率是具有一定作用的。

2 氧化鋁濃度對(duì)電流效率的影響

氧化鋁濃度高低不僅影響到電流效率的好壞，同時(shí)也是鋁電解反應(yīng)是否可以在低分子比等新工藝環(huán)境下安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。氧化鋁濃度在5%以下時(shí)，濃度越低電流效率就越高[4]。而通常來說氧化鋁濃度控制在1.6%——3.3%之間時(shí)，既可以大幅提高電流效率，又可以有效控制鋁的陽極效應(yīng)。截至到現(xiàn)在為止，國(guó)外電解槽一般傾向于在低氧化鋁濃度(1．6%——2%)的條件下進(jìn)行電解鋁反應(yīng)，其優(yōu)勢(shì)是：氧化鋁可以迅速發(fā)生熔解，熔體中不會(huì)出現(xiàn)懸浮的氧化鋁固體顆粒，對(duì)熔體的導(dǎo)電度、粘稠度以及防止在槽底產(chǎn)生氧化鋁沉淀物均有著極好的作用，有助于安全生產(chǎn)，提高電流效率。

3 鋁水平和電解質(zhì)對(duì)電流效率的影響

電解槽中是存在鋁液和電解質(zhì)等成分的，由于各自成分密度的不一樣而導(dǎo)致發(fā)生溶液分層狀況，各個(gè)液層的厚度表示其對(duì)應(yīng)的水平。配置科學(xué)的鋁液高度是電解槽取得較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不可或缺的關(guān)鍵要素，工作狀態(tài)中電解質(zhì)水平一般需要維持在24——30 cm，大型預(yù)溶槽的鋁液水平則需要維持在20——25 cm。關(guān)于鋁水平和電解質(zhì)優(yōu)化前后的變化見下表。

表1 鋁水平和電解質(zhì)優(yōu)化前后對(duì)比

電解槽的穩(wěn)定性和散熱性也受到鋁液水平的影響，鋁液水平在一定程度上會(huì)降低熱損失，加強(qiáng)鋁液波動(dòng)，提高槽內(nèi)電流分量水平，電解槽的穩(wěn)定性非常容易遭到破壞，可卻不會(huì)產(chǎn)生爐底沉淀物，所以保持鋁液水平的科學(xué)配置以及穩(wěn)定是極其有必要的[5]。維持鋁液和電解質(zhì)一定水平的主要功用是：其一，形成了一層較好的散熱通道，通過散熱通道，剩余熱量會(huì)迅速外傳至陽極周圍，從而大大平衡了電解槽內(nèi)每一處的溫度。其二，陰極炭塊上不會(huì)持續(xù)性放電外析鋁離子，阻止了碳化鋁的出現(xiàn)，降低了爐壓。其三，合理厚度的鋁液層相當(dāng)于起到緩沖和保溫的雙重保護(hù)作用，能夠確保爐底溫度不會(huì)由于驟熱或驟冷而出現(xiàn)早期毀壞。其四，磁場(chǎng)作用能夠被一定厚度的鋁液層所削弱。其五，鈉離子直接作用在炭塊上會(huì)因放電而被大量析出。其六，鋁水平、電解質(zhì)能夠維持一定量的鋁液水平，磁場(chǎng)內(nèi)的電流會(huì)大幅度削減，大大減低了鋁液的循環(huán)頻率，從而使鋁液不會(huì)發(fā)生劇烈震蕩。其七，爐底水平界面的凹凸不平，鋁液層能夠起到填充填平的作用，有助于均勻爐底電流分布。最后，鋁液的高度會(huì)在一定程度上影響到伸腿的具體高度。所以，根據(jù)電解槽的使用時(shí)間以及電解工藝的技術(shù)水平確保電解槽內(nèi)鋁液高度的科學(xué)合理能夠有效提高電流效率，推動(dòng)安全生產(chǎn)。

4 理想楷膛內(nèi)形的影響

建立和保持理想的楷膛內(nèi)形能夠有效提高電流效率。在鋁電解的實(shí)際生產(chǎn)過程中，建立和保持完整合理的槽膛內(nèi)形是確保電解槽運(yùn)行安全、穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，槽膛內(nèi)形對(duì)于陽極鋁液的電流劃分、電流效率、電解質(zhì)的震蕩、鋁液面的起伏以及陽極壽命等均會(huì)產(chǎn)生較大的影響。槽膛內(nèi)形有以下幾種可能的形狀見下圖。

圖1 槽膛內(nèi)形可能出現(xiàn)的幾種形狀

決定槽膛內(nèi)形的主要因素，一是陽極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，二是實(shí)際生產(chǎn)過程中的具體操作參數(shù)。在陽極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步確定后，建立和保持較為理想的槽膛內(nèi)形就只能依賴于技術(shù)條件的合理實(shí)施以及操作參數(shù)的科學(xué)選取了。

5 結(jié)束語

本文對(duì)鋁電解工藝參數(shù)對(duì)金屬設(shè)備電流效率的影響進(jìn)行分析，依托鋁電解工藝的技術(shù)流程和相關(guān)問題，根據(jù)電流效率的一系列的屬性，研究工藝參數(shù)對(duì)其影響。希望本文的研究能夠?yàn)榻饘僭O(shè)備電流效率的提高提供理論依據(jù)。