鋁電解工藝技術(shù)優(yōu)化措施及技術(shù)發(fā)展

遲國偉

（蘭州鋁業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730086）

自建國以來，我國鋁電解工業(yè)正隨著時間的推移而獲得迅速發(fā)展，我國也從原有的電解鋁進口國變成位于世界前列的高產(chǎn)大國。由于我國鋁工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有諸多不合理之處，氧化鋁供應不到位，少數(shù)企業(yè)對氧化鋁這一電解鋁的生產(chǎn)原料進行把控，這就使得我國電解鋁的生產(chǎn)面臨較大的限制。20世紀80年代以來，我國積極學習和借鑒國際超大型焙鋁電解技術(shù)，在容量鋁電解槽方面取得較為出色的成績，使得我國大容量鋁電解槽技術(shù)水平能夠與國際企業(yè)一較高下。盡管如此，我國鋁電解工藝技術(shù)還存在許多不足之處。企業(yè)需要大力發(fā)展科學技術(shù)，積極轉(zhuǎn)型，加強對鋁電解工藝技術(shù)的研究與創(chuàng)新，才能確保企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 鋁電解工藝技術(shù)優(yōu)化的必要性

在現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)中常見的一種方法是水晶石氧化鋁融鹽電解法，其所采用的主要設備就是鋁電解槽。這一方法是將冰晶石作為電解質(zhì)，碳素材料分別稱為其陰陽兩極，再通入直流電，電流會陸續(xù)通過兩極、電解質(zhì)與鋁液層。為確保冰晶石熔融，確保電解溫度恒定，就要通入直流電，冰晶石在熔融的過程中會產(chǎn)生電化學反應，從而產(chǎn)生鋁液。在陰極處產(chǎn)生的鋁液會隨著電解工藝的開展而產(chǎn)生更多的鋁，將其以合理的方式吸出、運輸、鑄造，經(jīng)過一系列工序之后，就會成為人們所需的商品[1]。對于生產(chǎn)企業(yè)而言，目前的生產(chǎn)技術(shù)管理比較落后，而且技術(shù)有待升級，這就需要加強對鋁電解工藝技術(shù)的優(yōu)化。

2 我國鋁電解技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展速度快

自20世紀70年代末，我國正式引進160KA中間下料預焙槽技術(shù)后，我國的鋁電解技術(shù)就開始正式進入到發(fā)展軌道之中。我國將鋁電解槽熱電磁力特性、磁流體數(shù)學模型作為研究的重點，尤其在工藝、材料等方面展開了非常深入、細致的研究工作。大型鋁電解槽開發(fā)和相關(guān)工程的應用在20世紀90年代開始嶄露頭角，以280、320KA為主的特大型電解槽技術(shù)可以確保我國的鋁電解技術(shù)與世界接軌。

2.2 大型鋁電解槽開發(fā)深度不足

不過，我國大型鋁電解槽的開發(fā)深度還有待提升，這樣就會導致其在實際運行的過程中的各項指標與國際依然存在較大的差距，主要是運行環(huán)境比較惡劣，負荷大，存在較大的安全隱患。鋁電聯(lián)營在發(fā)展中存在的問題比較大。大容量電解槽會產(chǎn)生極大的用電負荷，這些負荷將集中在同一個生產(chǎn)系列之上，一旦出現(xiàn)某些變化，就會對電網(wǎng)和電廠帶來影響，還會影響到供電的安全性和可靠性。我國大型電解槽通常很難達到預期的使用壽命，容易出現(xiàn)破損。究其原因，普遍認為是由陰極炭素材料質(zhì)量不過關(guān)造成，此外，對電解槽的設計、筑爐材料與質(zhì)量、生產(chǎn)與操作等一系列因素同樣會影響到其使用壽命。在對陰極破損的處理上，我國尚缺乏完善的技術(shù)，對于其破損的機理與規(guī)律掌握有限。隨著電解槽容量的不斷擴大，這一問題會變得更加突出[2]。

2.3 缺乏先進的生產(chǎn)技術(shù)

當前，我國大型預焙鋁電解槽的應用時間并不長，而且經(jīng)驗不足，在焙燒啟動時還存在電流分布不均勻的問題，這樣就會導致能源消耗不斷增大。電解槽的物理場極容易出現(xiàn)波動，不容易維持熱平衡，電解槽的電阻值也容易受到干擾，一旦出現(xiàn)陽極效應，就不容易熄火。此外，電解槽具有很大的慣性，如果出現(xiàn)波動或者其他不正常情況，不能在很短的時間內(nèi)恢復正常運轉(zhuǎn)。

3 鋁電解工藝技術(shù)優(yōu)化措施

3.1 對原材料的優(yōu)化

為了進一步提高鋁電解工，使其能夠在生產(chǎn)的過程中發(fā)揮出更加重要的作用，就要確保各項技術(shù)指標符合要求，還要加強對原材料氧化鋁質(zhì)量的把控，了解氧化鋁中的雜質(zhì)含量，并及時把握其物理性能。隨著鋁電解工藝規(guī)模的不斷擴大，鋁電解槽的容量也在不斷增加，采用電子計算機控制技術(shù)進行點式加料，可以有效提高生產(chǎn)效率。要進一步提高氧化鋁的物理性能，就要選擇合適的方法。在進行鋁電解工藝生產(chǎn)時，所選擇的氧化鋁通常要介于砂狀和粉狀之間。通常，要保證氧化鋁中的雜質(zhì)氧化硅和氧化鐵的含量符合生產(chǎn)工藝的要求。確定氧化硅含量不超過0.05%，大于0.008%；確定氧化鐵含量不超過0.02%，大于0.007%，就可以說明氧化鋁完全符合要求，就可以將其品質(zhì)定為一級。如果氧化硅和氧化鐵的含量不在這一區(qū)間范圍內(nèi)，就應將其品質(zhì)定為二級。超出規(guī)定含量的氧化鋁不能應用到鋁電解工藝生產(chǎn)之中[3]。

3.2 對鋁電解槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

為了保證鋁電解工藝技術(shù)不斷發(fā)展，就要對大容量鋁電解槽的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。鋁電解槽陽極的斷面與電流的密度有關(guān)，而且密度的高低將會直接關(guān)系到鋁電解槽的生產(chǎn)成本。為了減少對電能造成的浪費，一般不會選擇具有較高電流密度的陽極。

在選擇陽極和陰極的碳塊尺寸時，要確保其能夠互相匹配，結(jié)構(gòu)合理，使鋁電解槽的內(nèi)部保溫層厚度符合要求。大容量鋁電解槽的陽極電流密度一班不要超過0.78A/cm，同時也不能小于0.75A/cm。為了進一步保護鋁電解槽的內(nèi)部保溫結(jié)構(gòu)性能，需要鋪設一層耐火性良好的顆粒型材料，厚度不要超過2mm，這樣就可以達到有效的防護效果。在眾多耐火材料中需要考慮到材料的性能和價格，選擇性價比較高的材料作為耐火材料，通常會選擇泡沫混凝土制成的圈梁結(jié)構(gòu)材料。也可選擇石墨化炭塊作為材料，這一材料具有較為出眾的導熱性能，其導熱率會比其他材料高出四倍，其缺點在于成本比較高。不過即使表面積比較小，也不影響石墨化炭塊正常發(fā)揮作用，這一材料可以成為爐幫結(jié)殼，使電流運行效率更高，還可以降低制作成本。因此，在鋁電解槽中，一般會選擇石墨化炭塊作為其陰極的主要材料。

3.3 延長鋁電解槽的使用壽命

為了進一步延長大型鋁電解槽的使用壽命，要積極開發(fā)大型電解槽壽命綜合技術(shù)。要提高電解槽的運轉(zhuǎn)效率，建立多物理場綜合仿真優(yōu)化系統(tǒng)。

要結(jié)合生產(chǎn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定電解槽的內(nèi)襯材料，并保證電解槽的功能得到進一步優(yōu)化，同時還要遵循筑爐與焙燒啟動的工藝規(guī)程要求施展相關(guān)技術(shù)，并加強對內(nèi)襯的保護。

3.4 大型鋁電解槽工藝技術(shù)優(yōu)化

我國大型鋁電解槽許多工藝技術(shù)還有待進一步優(yōu)化，尤其是特大槽的啟動到投入并不能完全遵循傳統(tǒng)經(jīng)驗。盡管我國許多企業(yè)開始采用焦粒焙燒啟動技術(shù)，而且取得了一定的成效，不過依然還存在許多問題。在對大型鋁電解槽工藝技術(shù)進行優(yōu)化時，需要結(jié)合物理場的仿真系統(tǒng)所產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)和技術(shù)，及時了解鋁電解槽從啟動到正常運行這一系列過程中的演變規(guī)律，了解鋁電解槽的運行特點，從而有效制定完善的生產(chǎn)工藝技術(shù)流程與規(guī)章制度。要積極改進現(xiàn)有的焦粒焙燒啟動工藝技術(shù)，充分結(jié)合大型鋁電解槽的特點，使這一工藝技術(shù)能夠得到進一步優(yōu)化。要積極完善電解槽啟動后的一系列管理，保證電解槽能夠及時恢復正常運轉(zhuǎn)，延長電解槽的使用壽命。

根據(jù)電解槽的特性，積極開發(fā)新型工藝技術(shù)，確保電確保電機槽的能量和物料更加平衡，并采用穩(wěn)定控制技術(shù)和維護技術(shù)以提高電解槽的性能[4]。積極應用先進的計算機技術(shù)優(yōu)化計算過程，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的升級。

4 鋁電解工藝的發(fā)展方向

4.1 實現(xiàn)綠色環(huán)保生產(chǎn)

鋁電解工藝在不斷發(fā)展的過程中，要逐步邁向綠色環(huán)保生產(chǎn)方向，其生產(chǎn)條件需要滿足環(huán)保的各項要求，這就需要廣大鋁電解企業(yè)需要不斷加強對設備和技術(shù)的更新與改造。近幾年來，雖然關(guān)于鋁電解的市場需求正在不斷擴大，但現(xiàn)有的鋁電解工藝生產(chǎn)還存在許多問題，不能達到綠色環(huán)保的要求。這就需要各大企業(yè)必須要在升級技術(shù)的過程中積極將技術(shù)與環(huán)保相結(jié)合，及時淘汰落后的生產(chǎn)工藝技術(shù)，積極研究和開發(fā)新的工藝技術(shù)。

4.2 鋁電解直流電流供電質(zhì)量的綜合技術(shù)開發(fā)

在鋁電解生產(chǎn)的過程中，需要高度重視供電整流系統(tǒng)的改進。許多鋁電解企業(yè)會采用硅二極管整流技術(shù)，這樣就無法保證瞬時恒定直流得到有效供給。

由于鋁電解中的陽極效應和供電系統(tǒng)會產(chǎn)生難以避免的電壓波動，就會導致電能消耗量不斷增加。可采用先進的智能控制，確保直流電流更加穩(wěn)定，減少不必要的電能消耗。要實現(xiàn)綠色用電，減少諧波帶來的干擾，使供電更加安全可靠。

4.3 降低電解槽無功能耗綜合技術(shù)開發(fā)

為了進一步降低電解槽的無功能耗，就要加強對電解槽周圍和陽極母線的焊接與壓接質(zhì)量進行專門的研究，積極開發(fā)新的工藝和技術(shù)，有效降低母線壓接和壓降。要加強對陽極澆注材料與工藝的研究，積極應用新型材料。在筑爐方面，要對其材料和相關(guān)工藝進行專門的研究，并通過有效的試驗了解陰極的組件是否符合要求，積極優(yōu)化筑爐工藝技術(shù)。要對新型陰極炭塊、鋼棒連接手段進行開發(fā)和研究。加強對新生產(chǎn)工藝的研究，不斷完善大型槽技術(shù)。需要說明的是，電解槽的無功能耗問題始終是重中之重，如果不能解決這一問題，就會增加電能消耗，因此，需要不斷完善相關(guān)技術(shù)。

5 結(jié)語

綜上所述，我國鋁電解工藝技術(shù)雖然有所進步，但依然存在許多不足，廣大鋁電解企業(yè)需要積極加強對工藝技術(shù)的改造和創(chuàng)新，在擴大生產(chǎn)規(guī)模的同時，使鋁電解工藝技術(shù)能夠發(fā)揮出更加重要的作用。