浅谈氧化铝杂质的影响及对策

2021-09-02黄翼

卷宗 2021年24期

关键词：铝液电解槽氧化铝

黄翼

（焦作万方铝业股份有限公司，河南焦作 454000）

1 电解生产概述

现代电解铝生产普遍采用冰晶石－氧化铝熔盐电解法，氧化铝在直流电作用下，与碳阳极发生氧化－还原反应，生产出铝液。氧化铝杂质在进入电解质体系后发生化学反应，不仅浪费电能，而且其微量元素会进一步对铝液质量和电解质性质产生影响。

1.1 氧化铝杂质种类

氧化铝杂质，主要包括Fe2O3、SiO2、Na2O、Li2O、K2O、CaO2、MgO、水分等。目前，国家有色金属行业标准在对冶金级氧化铝进行质量分级中，对Fe2O3、SiO2、Na2O、水分等杂质含量有明确规定，但是对其他元素并没有具体的范围指导，具体如表1。

表1 氧化铝国家有色金属行业标准（YS/T274-1998）

1.2 杂质元素在电解生产中的分布规律

杂质随着氧化铝进入到电解质内，伴随着电解反应，电位负于铝的元素，如Na2O、K2O、MgO、CaO2、Li2O等，会分解冰晶石，自身则转化为氟化物的形态，在电解质中富集；而电位正于铝的元素，如Fe2O3、SiO2等，被铝还原为单质，从而进入到铝液之中，降低铝液质量品位。

通过对某铝厂近二十年大型预焙槽实际生产数据的统计分析，大部分杂质元素的分布规律均符合上述机理，即Fe、Si等元素绝大部分随铝液带出，而钾、钙、钠、锂、镁等微量元素则大部分富集在电解槽内，仅有一部分随铝液带出。

2 杂质元素对电解生产的影响

根据氧化铝质量行业标准，将杂质分为两个部分，一是有明确规定的受控杂质，如硅、铁、钠等，另一部分为没有明确规定的不受控杂质，往往受氧化铝生产工艺影响较小，受铝土矿产地的影响很大，如钾、钙、锂、镁等，在使用我国北方铝土矿生产的氧化铝中往往杂质锂含量较高，而进口铝土矿生产的氧化铝中杂质锂含量几乎为没有。

铝电解行业内对受控杂质的研究分析较多，在此只作简单论述，本文重点对不受控杂质微量元素对铝电解生产的影响进行分析。

2.1 硅、铁、钠等受控杂质对电解生产的影响及对策

1）铁、硅元素的电位正于铝，因此会在阴极上析出，从而使原铝质量降低，同时影响电流效率；

2）钠元素在电解质中会与氟化铝结合形成新的冰晶石，从而消耗氟化盐[1]，因此Na2O杂质越多，需要消耗的氟化铝也越多，如此才能保持分子比（NaF/AlF3摩尔比）在工艺受控范围内。该杂质不仅增加生产成本，还增加了槽内液体电解质总量，造成物料富余；

3）灼减是指氧化铝进入电解槽之后所要释放的水量[2]，水分将电解质中造成氟化物水解，产生氟化氢，灼减越高水解的氟化物越多；

4）氧化铝生产企业对受控杂质有较为严格的工艺管理和质量管控，相应影响一般在受控范围内，电解铝企业可重点做好进厂氧化铝质量抽检和把关，加强与氧化铝企业沟通，确保其受控杂质处于相对较低水平，减少对铝液质量和成本的不利影响。

2.2 钙、钾、锂、镁等不受控杂质对电解生产的影响及对策

（1）对电解初晶温度的影响。初晶温度也被叫做溶度[3]，在铝电解生产中，电解温度等于电解质的初晶温度与过热度之和。正常生产条件下，过热度相对稳定，初晶温度往往决定着电解温度的高低，其变化也带来槽况变化，从而影响到其主要技术经济指标。

钙、钾、锂、镁等杂质随着氧化铝进入电解槽后，以氟化物形态富集，降低电解质的初晶温度，电解温度也会相应下降，其中锂盐变化对初晶温度影响最显著，每升高1%，约降低初晶温度8℃[4]。

在某企业近10年实际生产中发现，电解温度随着电解质中LiF变化而发生剧烈变化。在LiF含量在2%-3%时，电解温度保持在940℃左右，而随着LiF升高至7.48%时，电解温度降至910℃以下，被迫调整生产工艺模型，上调分子比来提升电解质温度，但是效果不理想。过低的温度严重影响了槽子的热平衡和炉膛保持，给企业带来较大经济损失。

表2 某电解企业近10年来电解温度与微量元素对应表

2）对导电率的影响。极间电解质压降约占全槽电压的40%，因此电解质电阻大小对铝电解生产非常重要。电解质导电率越大，电阻越小，相应的极间压降也越小，电解槽电能消耗也会得到降低。研究表明，在氧化铝杂质中，锂盐能显著增大电解质的电导率，其余的杂质则会降低电解质电导率。氟化盐对电解质电导率影响见图1。

图1 若干微量元素对冰晶石熔体电导率的影响

在某企业300KA电解系列实际生产中发现，稳定生产条件下，在LiF保持在3%左右时，电解槽极距极距能保持在4cm以上，从而为进一步降低电压和电耗提供了支撑。

表3 某300KA电解系列电解槽极距与锂盐含量对比表

3）对电解槽炉膛的影响。杂质微量元素LiF、MgF2、CaF4、KF等的增加均会降低电解质中氧化铝的溶解性，从而容易引起炉底沉淀的增加，影响电解槽稳定性。在某企业实际生产中，当因微量元素过高引起电解槽温度过低时，氧化铝的溶解性大大降低，从而在炉底产生大量沉淀，甚至结壳，造成伸腿肥大，炉膛畸形，使炉底压降升高，铝液中水平电流增大，造成电解槽电压摆明显增多。

在电解槽启动初期，适量的MgF2和CaF2起到矿化作用，加速α-Al2O3生成，在侧壁上形成致密的电和热的不良导体，有助于形成稳定规整的炉帮伸腿，有利于增强电解槽保温能力。

4）对电效的影响。一般来说，适量锂盐能够提高电解槽电流效率，其机理是在正常槽况下，每降低电解温度10℃，大约可提高电流效率1.3%。在实际生产中，某企业电解质中LiF含量保持2%-4%期间，长期取得较好经济指标。随着持续使用本土矿氧化铝，LiF快速上升至7%以上，电解槽温度急剧下降，槽稳定性受到较大冲击，系列电流效率下降近1.5%，电压上升近100mv。因此在实际生产中，当锂盐控制在一定范围时，对电流效率有正面影响，超过范围后，对电流效率有显著负面影响。随后，该企业积极调整氧化铝产地结构，随着进口矿氧化铝的进入，电解质中LiF逐步回归至3%左右，电解槽温度回归至940℃，槽况稳定性和主要经济指标得以恢复。

5）企业对策。在铝行业上下游产业链中，电解铝企业相对氧化铝生产企业长期处于弱势地位，从氧化铝企业自身来说，一方面受制于铝土矿产地的原因，对不受控杂质的控制手段相对有限；另一方面在行业标准中并没有对不受控杂质的硬性要求，基于成本控制，没有动力去改善不受控杂质含量。

因此电解铝企业可以采取以下对策：一是在氧化铝采购中，除综合考虑价格、运输、供货稳定性、对铝合金成分影响等之外，还应考虑企业自身槽况的实际情况，减少工艺条件波动，避免因不受控杂质引起的经济指标波动；二是主动思考适合自身槽型槽况的工艺条件组合，合理匹配氧化铝来源，例如适量的高锂氧化铝，可以降低电解温度、改善电解质压降，反而带来可观的经济效益。