低溫鋁電解、鋁電解工藝與控制技術(shù)的研究

周 亮

（西部水電有限公司，青海 西寧810000）

鋁是一種常見的自然資源，自然界中分布廣泛，在諸多金屬元素中，鋁為首位。以往的鋁金屬是基于化學(xué)法制曲，最初是基于霍爾-埃魯法來制曲鋁，從1886 年誕生以來，成為近百年工業(yè)煉鋁的唯一方法。但是，隨著社會(huì)對(duì)鋁資源需求度不斷提升，此種制鋁方法的缺陷逐漸暴露出來，開始尋求更加前沿的低溫鋁電解工藝，力求在提升制鋁效率同時(shí)，減少能源損耗和環(huán)境污染，賦予鋁生產(chǎn)企業(yè)持久發(fā)展動(dòng)力。

1 鋁電解生產(chǎn)工藝流程

1.1 鋁電解生產(chǎn)工藝流程

鋁電解工藝生產(chǎn)中，結(jié)合現(xiàn)有市場(chǎng)上企業(yè)的生產(chǎn)工藝來看，主要是以冰晶石-氧化鋁融鹽電解法，基于鋁電解槽實(shí)現(xiàn)，將炭素材料作為兩級(jí)，冰晶石-氧化鋁熔體充當(dāng)電解質(zhì)，從陽極將強(qiáng)大直流電導(dǎo)入，基于電解質(zhì)和鋁液層導(dǎo)出陰極[1]。直流電導(dǎo)入其中，其目的是為了基于電流熱能促進(jìn)冰晶石熔化，維持恒定電解溫度。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，從陰極上將鋁離子中的電子析出，獲取鋁液，陽極上陽離子放電生成混合氣體，包括一氧化碳和二氧化碳，并借助集氣凈化吸收來排入空氣中。陰極上獲取液態(tài)鋁，伴隨著電解過程逐步增加鋁量，在電解槽中使用真空抬包吸出，運(yùn)輸?shù)借T造車間，通過配料、凈化和過濾等環(huán)節(jié)最終制取鋁錠。工業(yè)電解槽中，95%的冰晶石和2%～5%氧化鋁構(gòu)成了電解質(zhì)，電解溫度控制在940℃～970℃范圍內(nèi)，同時(shí)將電解質(zhì)密度控制2.1g/cm3，鋁液密度則是2.3g/cm3，由于密度差異出現(xiàn)了上下分層情況。

1.2 低溫鋁電解工藝概述

相較于傳統(tǒng)的鋁電解工藝，低溫鋁電解工藝是一種控制電解生產(chǎn)溫度在800℃～900℃范圍內(nèi)的電解工藝，是過熱度和初晶溫度的綜合。在具體電解生產(chǎn)中，為了降低電解質(zhì)溫度，所選擇的方法有降低電解質(zhì)初晶溫度，以及降低過熱度。鋁熔點(diǎn)為650℃，電解質(zhì)溫度達(dá)到700 即可實(shí)現(xiàn)電解。此種低溫鋁電解工藝優(yōu)勢(shì)鮮明，可以大大提升電解中電流效率，將電解質(zhì)溫度控制在特定范圍內(nèi)，可以起到節(jié)能降耗作用。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，則需要注重電解鋁材料的選用，以氧化鋁為主，此種材料成本低、吸水能力強(qiáng)，便于運(yùn)輸和保存，值得推廣應(yīng)用。

2 低溫鋁電解工藝

2.1 氧化鋁超濃相輸送控制技術(shù)

此項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，電解煙氣凈化媳婦煙氣后，載氟氧化氯基于氣力輸送方式輸送到電解槽料倉，其中包括打料罐、壓力緩沖罐、下料溜槽風(fēng)機(jī)、輸送管路和各個(gè)閥門等多部分。濃相輸送系統(tǒng)運(yùn)行的外部條件，有壓力罐、壓縮空氣和輸送管路等，基于系統(tǒng)各閥門有效控制，將新鮮氧化鋁輸入到新鮮氧化鋁倉，這個(gè)過程中要調(diào)整好固氣比例[2]。

氧化鋁超濃相輸送控制技術(shù)智能化水平較高，輸送過程分為三個(gè)階段智能控制：①充料環(huán)節(jié)。將新鮮氧化鋁送入打料罐中，控制充料閥、排空閥、下料風(fēng)機(jī)和下料閥。②加壓環(huán)節(jié)。加壓過程中，打料罐中充滿新鮮氧化鋁，對(duì)罐內(nèi)加壓處理，為輸送提供支持，可以提升輸送效率。③輸送環(huán)節(jié)。輸送新鮮氧化鋁到氧化鋁倉，控制輸送閥、壓力平衡閥、助吹閥和物料出口閥。

氧化鋁濃度模糊控制，基于氧化鋁濃度和槽電阻關(guān)系曲線上實(shí)現(xiàn)，由于低溫鋁電解工藝特性，選擇自適應(yīng)加料模糊控制方式，將濃度較低一側(cè)率電阻曲線為標(biāo)準(zhǔn)濃度值，基于關(guān)系曲線了解低氧化鋁濃度區(qū)很少會(huì)出現(xiàn)沉淀，隨著槽電阻曲線斜率增加，便于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制。此種控制方式，基于槽電阻升降過程中斜率變化情況，用于判斷氧化鋁濃度，以此為依據(jù)控制周期轉(zhuǎn)換。氧化鋁濃度較低，電壓升高后進(jìn)入增量加料周期，電壓下降同時(shí)，逐步進(jìn)入到正常的加料周期電壓維持不變；減量周期，氧化鋁濃度下降，促使電解槽依據(jù)加料周期維持氧化鋁濃度在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電解槽有效控制。

2.2 電解質(zhì)優(yōu)化技術(shù)

低溫鋁電解中，需要選擇多種原材料，包括非傳統(tǒng)低溫電解和傳統(tǒng)低溫電解兩種，前者非氧化鋁作為原料進(jìn)行低溫鋁電解生產(chǎn)，后者則是氧化鋁為原料進(jìn)行低溫鋁電解生產(chǎn)。結(jié)合現(xiàn)代鋁生產(chǎn)工藝相關(guān)要求，在滿足鋁生產(chǎn)需求的前提下，盡可能提升電流效率、減少能耗，而使用低溫鋁電解工藝，可以大大提升電流效率。低溫鋁電解工藝主要是講氧化鋁作為原料，不同狀態(tài)下進(jìn)一步細(xì)化電解質(zhì)，包括輕電解質(zhì)、懸浮氧化鋁電解質(zhì)以及重電解質(zhì)，通過降低電解質(zhì)溫度來滿足低溫鋁電解生產(chǎn)需要，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)則是基于低熔點(diǎn)電解質(zhì)。

氧化鋁作為原材料，淘汰鋁鹽材料，具有不容易吸水、便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，通過改變電解質(zhì)構(gòu)成來優(yōu)化鋁電解槽結(jié)構(gòu)，通過電解產(chǎn)生二氧化碳和氧氣，更符合節(jié)能降耗相關(guān)要求，對(duì)于社會(huì)可持續(xù)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。結(jié)合低溫鋁電解實(shí)驗(yàn)相關(guān)要求，多是在冰晶石體系中進(jìn)行，熔體構(gòu)成包括AlF3、NaAlF6以及Al2O3，并加入一定量的LiF 和CaF2等添加劑，滿足生產(chǎn)工藝需求[3]。

低溫鋁電解生產(chǎn)中，提升電流效率是一個(gè)主要目標(biāo)，所以所選擇的摩爾比值應(yīng)盡可能在高電流效率區(qū)，摩爾比值為2.32 時(shí)電流效率處于較高水平，可以在生產(chǎn)中選用。需要注意的是，電流效率和電解溫度之間聯(lián)系密切，隨著電解溫度下降，電流效率反向增加，在相應(yīng)范圍內(nèi)隨著電解溫度降低10 度，會(huì)增加電流效率1%到2%左右，在達(dá)到一定值后變化逐漸趨于穩(wěn)定。電解溫度不斷下降，電解質(zhì)年度增加會(huì)降低電導(dǎo)率，在電解槽中有大量沉淀存在，阻礙電解槽生產(chǎn)活動(dòng)。鋁工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)選擇鋁電解工藝的點(diǎn)解溫度在910℃～930℃范圍內(nèi)，降低電解質(zhì)初晶溫度，滿足低溫鋁電解工藝生產(chǎn)需要。

3 低溫鋁電解工藝的控制技術(shù)

一般情況下，使用低溫鋁電解工藝，應(yīng)契合實(shí)際情況選擇合適的控制技術(shù)。九區(qū)控制技術(shù)，是結(jié)合初晶溫度、電解槽電解溫度和過熱度測(cè)量數(shù)據(jù)，在平面上將電解槽的九種狀態(tài)劃分為九個(gè)區(qū)域，其中5 區(qū)的電解質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均為理想值。九區(qū)控制技術(shù)包含控制程序與儀表測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成，其中儀表測(cè)量系統(tǒng)，是用于對(duì)電解質(zhì)過程各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來設(shè)置九區(qū)控制模型[4]。

結(jié)合電解溫度/過熱度測(cè)量，確定電解操作屬于哪一個(gè)區(qū)，為各個(gè)區(qū)設(shè)置專門的診斷程序，調(diào)整槽電壓，促使電解操作朝著第五區(qū)運(yùn)動(dòng)。其目標(biāo)是為了盡可能的接近或到達(dá)第五區(qū)，使用計(jì)算機(jī)設(shè)置相應(yīng)程序輔助控制，通過收集和分析冰晶石多功能分析儀表測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算槽電壓調(diào)整量，便于清晰、直觀的了解到電解槽運(yùn)行狀態(tài)。

控制過熱度指標(biāo)，本質(zhì)上是物質(zhì)平衡控制，第五區(qū)為中心區(qū)域，也是電解槽最佳區(qū)域，而第一、第四和第七區(qū)則是低溫區(qū)，需要相關(guān)人員對(duì)電解槽及時(shí)檢修和排查，促使電解槽盡快進(jìn)入到第五區(qū)；第三、第六和第九區(qū)是高溫區(qū)，要求對(duì)電解槽及時(shí)排查，促使電解槽盡快脫離高溫區(qū)進(jìn)入第五區(qū)。

因此，結(jié)合電解槽電壓升降同初晶溫度、電解溫度、過熱度之間關(guān)系，控制電解槽熱平衡，并基于增減適量的電解槽氟鹽量，用于電解槽電解質(zhì)成分調(diào)整。實(shí)行主要控制方式，調(diào)整槽電壓，過熱度條件允許情況下，適當(dāng)?shù)纳挡垭妷?，設(shè)定電壓升降限度，實(shí)現(xiàn)低溫鋁電解工藝生產(chǎn)全過程的有效控制，提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

4 結(jié)論

總的說來，低溫鋁電解工藝作為一種低能耗、高效率的工藝，相較于常規(guī)工藝，對(duì)鋁生產(chǎn)流程優(yōu)化改進(jìn)，可以有效提升生產(chǎn)效率，減少鋁生產(chǎn)過程中的能源損耗和環(huán)境污染，在保障生產(chǎn)全過程安全的前提下，助力人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。