复杂电解质体系下铝电解工艺控制技术研究

2021-11-30苏义鹏

中国金属通报 2021年3期

苏义鹏

（黄河鑫业有限公司，青海西宁 811600）

近年来，我国的铝电解工业发展迅速，如今我国已经成为铝电解生产大国。但是由于目前我国的铝电解工业结构存在一些不合理的地方，因此造成铝电解生产供不应求，同时一些企业还对铝电解生产原料进行控制，由此造成铝电解企业的电解铝生产面临巨大的限制和挑战。为解决这个问题，铝电解单位要采取具体措施，对铝电解工艺进行优化升级，保证铝电解生产工作的顺利、高效进行。

1 铝电解工艺发展现状

20 世纪70 年代末，160KA 中间小料预焙槽技术被应用进来后，我国的铝电解技术就呈快速发展的趋势。此后，我国一直将铝电解槽热电磁力特性以及磁流体数学模型作为研究重点，并对铝电解工艺、铝电解材料等方面进行了深入的研究。20 世纪90 年代，我国开始应用大型铝电解槽开发工程，并以280KA、320KA 特大型电解槽技术为基础，推动了铝电解工艺水平的进一步提升。但是目前我国的铝电解工艺依旧存在一些问题，铝电解工艺有待提升。第一，我国的大型铝电解槽开发深度还不够，导致我国的铝电解水平和国外一些发达国家存在差距。产生这个问题的主要原因是我国的铝电解工艺运行环境恶劣，电解槽负荷大，存在一定的安全隐患。例如，大部分铝电解槽运行的时候会产生很大的用电负荷，且这些负荷集中在同一个生产系列上，当电解槽出现运行问题的时候容易给电网和电厂带来巨大的负面影响。与此同时，外国的铝电解工艺还存在一个明显的问题，就是铝电解槽使用寿命较短，电解槽破损的情况时有发生。造成这种问题的原因是铝电解槽的设计质量、材料质量以及操作水平等不高。另外，我国的电解槽质量控制技术缺乏，无法掌握电解槽破损与故障机理，因此进行铝电解生产的时候，铝电解槽时常发生故障问题。第二，缺乏先进的铝电解生产技术。目前我国的大型预焙铝电解槽的应用时间并不长，且缺乏铝电解槽使用经验，在预焙启动使用的过程中，电流分布不均匀的问题比较明显。与此同时，铝电解槽物理极容易出现波动的问题，因此无法维持电解槽的热平衡，造成安全事故频发，给企业带来巨大的损失。

2 铝电解工艺概述

金属铝的化学性质非常活泼，因此自然界中很少存在纯金属元素形态的铝。由于铝具有良好的导电性和抗腐蚀性，且特别容易和其他金属进行反应形成铝合金，因此铝被广泛应用于电力行业、交通行业、机械制造行业以及航空航天行业中，在社会发展中的作用巨大。最开始的时候，人们主要使用氧化还原反应制作金属铝，使用该方法制作出来的金属铝纯度并不高，且制作效率较低。随着科学技术的不断发展，后来人们开始使用电解法制取金属铝，并取得了较好的效果。

2.1 铝电解工艺流程

铝电解的过程主要发生在电解槽内部，电解铝生产企业主要使用氧化铝熔体作为主要的电解质，铝电解槽两极的组成材料为碳素材料。对电解槽进行通电处理后，电流会从电解槽的阳极流入电解槽内部，穿过电解槽内部的电解质后从电解槽阴极流出。经过通电处理后，晶体化的氧化铝会被电解熔化，同时在电流的作用下氧化铝会发生化学反应，铝液会从电解槽的阴极析出。随着电解过程的不断持续，越来越多的铝液会被析出，达到一定程度后即可使用真空抬起包将铝液收集起来。收集起来的铝液会被送到企业的铸造车间，经过加工、浇筑后，即可生成铝锭[1]。

2.2 铝电解工艺参数

铝电解工艺中涉及到的参数有四个，分别是电流强度、槽电压、电解温度与阳极反应系数。不同强度直流电流作用下的铝电解效率和质量不一样，直流电流强度越大，电解槽的高产性与低耗性越明显，同时每一个铝电解槽都有固定的额定电流与额定产量。槽电压是指电解槽阴阳两极之间的电压降，槽电压会随着生产条件、生产进度的不同而发生改变，将槽电压控制在一定的范围内能够提高铝电解效率。电解质的温度为电解温度，正常环境中的金属铝熔点为660℃。在实际的铝电解生产过程中，将电解质温度控制在90℃到950℃之间能够保证铝电解效率。当电解质中的氧化铝含量不足时，就会产生阳极效应系数，此时电解槽内部会产生大量的热量，有利于控制铝电解槽内部的沉淀量。

2.3 铝电解生产过程

铝电解的过程分为焙烧期和正常生产期。第一，在铝电解槽投入使用之前，需对电解槽焙烧一段时间，如果不对电解槽进行焙烧，将无法保证电解槽内部内衬和物料达到要求温度，因此无法正常进行铝电解生产。第二，对铝电解槽进行焙烧后，即可进行正常铝电解生产。在铝电解的正常生产过程中，要将铝电解槽电压控制在一定范围内，保证电解槽阳极、阴极以及周边电解质均处于良好的状态，这样能够确保炭渣的完全分离，最终能够在电解槽内壁提取出处于凝固状态的电解质。

3 复杂电解质体系对铝电解的影响

3.1 钒含量对铝电解的影响

经过试验可知，钒的含量越大，氧化铝的下料量也会有一定的增加。当钒的含量达到0.000214%的时候，电解槽中的氧化铝下料量能够达到3kg 左右，约17kg 左右的金属铝。因此，为提升铝电解生产效率，可适当增加钒的下料量。

3.2 锂和钾对铝电解的影响

在复杂电解质体系下，随着钾盐的增加，电解质与铝液之间的界面张力会逐渐减小，氧化铝在电解质中的溶解度就会随着增加。与此同时，电解质中LiF 以及KF 等化合物的浓度越大，电解质初晶温度会越低。当电解质初晶温度低于90℃的时候，将无法控制电解质的过热度，从而不能保证铝电解生产效率。因此，为保证铝电解生产效率，需要将电解质中LiF 的浓度控制在5%以内，将KF 的浓度控制在2%以内。

4 复杂电解质体系下铝电解工艺的优化控制措施

4.1 优化选择低温电解工艺

低温电解是铝电解中的一种，要想在复杂电解质下实现铝的低温电解，需要从两个方面进行把控。一方面，通过降低电解质的过热度和初晶温度，能够提高铝电解生产效率。另一方面，通过维持铝电解槽的热平衡，能够有效提高铝电解生产效率。在实际的铝电解过程中，电解铝的电解温度和电解槽电阻以及极距之间并没有明确的关系，仅仅将电解铝的电解温度控制在一定的范围并不能有效提升铝电解生产效率，也不能维持电解槽的最佳热平衡状态。针对这种情况，可将智能模糊控制技术应用进来，有效提升铝电解生产效率。应用智能模糊控制技术能够自行修正电解槽电阻，使铝电解槽能够达到良好的热平衡状态。使用智能模糊控制技术后，方便了工作人员对电解槽温度的控制，从而有效提升了铝电解效率。如果控制不好铝电解槽的温度，将出现冷循环问题和热循环问题。造成冷循环问题的原因是电解槽温度低于正常水平，此时电流效率增加，但是由于电解槽两极电压不变，因此导致电解槽温度下降的情况，最终出现冷循环问题。热循环问题是由于电解槽温度高于正常温度造成的，造成这个问题的原因和冷循环相反，但是最终结果都一样，都会造成电解槽异常。为避免这两种情况的发生，工作人员可从降低电解质过热度和电解质初晶温度两个方面入手，有效提升铝电解生产效率。

4.2 优化选择阳极效应系数

阳极效应系数与铝电解效率之间存在直接关系，在实际情况中，电解槽阳极炭块质量、氧化铝特性是影响阳极效应系数选取的主要因素。当电解槽阳极炭块质量较高的时候，为保证铝电解效率，需要适当降低电解槽阳极效应系数。如果电解槽阳极炭块质量较低，可适当提升电解槽阳极效应系数提高铝电解效率。与此同时，在铝电解过程中，阳极效应对铝电解效率的影响非常大，例如阳极效应发生后，铝电解槽温度一般会升高20 摄氏度左右，且这种情况会连续持续两个小时。当阳极效应达到作用点后，铝电解槽中的电压会从4 伏特提升到30 伏特左右，经过计算可知，发生一个阳极效应会增加200kWh 左右的电能消耗。因此为降低阳极反应造成的电能损耗，同时提高铝电解生产效率，可使用控制系统将电解槽阳极效应系数控制在合理的范围内。

4.3 优化选择氧化铝的浓度

为提升铝电解生产效率，需要将氧化铝的浓度控制在合理的范围内。经实践可知，当氧化铝浓度低于4%的时候，随着氧化铝浓度的逐渐降低，电解槽中的电流效率会逐渐增加，从而能够有效提升铝电解效率。将氧化铝浓度控制在1.5%到3.5%之间，铝电解效率最高，因此可将氧化铝浓度控制在这个范围内，有效提升铝电解效率。传统铝电解生产过程中，工作人员主要采用人工设定时间范围内进行定时定量下料的生产方式，这种方法具有一个很明显的缺点，就是下料时间和下料量不好控制，容易出现下料量多、下料时间不准确的情况，因此无法保证铝电解效率。随着科学技术的不断发展，铝电解生产企业已经能够将模糊控制技术应用到实际的铝电解生产过程中，并取得了良好的成效，给企业带来了巨大的经济效益。使用智能模糊控制技术能够有效控制下料时间和下料量，同时还能将氧化铝的浓度控制在1.5%到3.5%之间，大大提高了铝电解效率。因此，为提升铝电解效率，最大化企业经济效益，企业需要将智能控制技术应用进来，有效实现对铝电解氧化铝浓度的控制和对下料量、下料时间的控制[2]。

4.4 优化升级铝电解槽结构

通过优化铝电解槽的结构，也能有效提升铝电解效率。铝电解槽阳极断面和流过电解槽的电流密度有关，电流密度的高低直接影响铝电解成本。因此，为降低铝电解成本，提高铝电解效率，要避免使用具有较高电流密度的阳极作为电解槽阳极。一般情况下，应当将电解槽阳极电流密度控制在0.75A/cm 到0.78A/cm 之间。与此同时，可在铝电解槽内部铺设一层耐火性好的颗粒性材料，材料厚度最好控制在2mm 以内，能够有效达到防护电解槽的效果。另外，可选择石墨化炭块作为电解槽阴极，有效提升铝电解槽的性能，提高铝电解槽效率。

4.5 优化选择铝电解原材料

为提升铝电解效率，可通过优化选择电解原材料来实现。首先，电解原材料可为氧化铝，对氧化铝进行电解之前，需要充分了解氧化铝中存在的杂质，对氧化铝的性能进行掌握，使用具体的方法提高氧化铝的物理性能，提升铝电解效率。其次，选择的氧化铝形状要介于砂状和粉状之间，这样能够有效提升铝电解效率。最后，要合理控制氧化铝中各元素的含量，例如氧化铝中氧化硅的含量不能超过0.05%，氧化铁的含量不能超过0.02%等。