电解铝电流强化后的影响及应对措施

2022-08-13万文，朱博

世界有色金属 2022年9期

目前，电解铝新项目普遍采用高电流强度工艺，500KA和600KA电解槽已经成为新建电解铝项目的主流，工艺设计和生产管理也日趋成熟，大容量电解槽在中国铝工业发展中逐步形成主导地位。电流强度的增大，会显著增加电解铝的产量，保障生产任务目标的完成；特别是一些企业在设计电流强度的基础上，还会继续增加电流强度1%～4%左右甚至更多，增加一定的铝液产量，以确保现有产能的完全释放，但与此同时也带来一些不利影响

。如何权衡利弊，需要各企业结合自身实际情况，在依法合规和确保安全的前提下，有选择地取舍，以期达到预计生产经营目标，发挥和提升企业自身价值。

1 强化电流强度的有利影响

低电压先进设计和设备、材料的技术进步，为大容量电解槽的诞生创造了前提条件。对于已经投入运行的电解系列，由于成熟的设计条件，往往为进一步强化电流创造了提升的空间。电流强化后，整个电解系列的用电容量增加，对各环节设备而言都有一定的考验和风险，因此必须在供电设备额定的容量范围内进行强化，否则很容易出现供电故障，这是强化电流强度的基本前提

。电流强化后，其所带来的有利影响也是显而易见的：

一是显著增加单槽产量。电流强化后，根据电解槽理论日产量计算公式：M=0.3355×I×η×t×10

,电流强度I越大，产量M越高。设计500KA的电解槽为例，其电流强化到520KA，假设电流效率93%，其日产量的增加量为：M

=0.3355×20000×93%×24×10

=0.15吨，单槽一年增加铝液产量约55吨。显然，只要在设计承受能力范围内适当提升电流强度，就能明显增加单槽的产量。

式中:nci为第i个概率约束的非线性系数，为测试点(x1,,xM)预测梯度方差，和分别为当前设计点及最大可能失效点的预测误差。

二是充分保障产能利用率。电解系列在投入正常的生产后，可能出现大修槽、异常槽或因设备故障导致部分电解槽退出运行，导致部分产能损失，产能利用率降低。适当提高电流强度，可抵消这部分产能损失，从而提高产能利用率，优化生产指标。

三是实现一定程度的弹性生产。受电量、电价、原材料价格、产品市场价格等外部因素，需要根据企业生产经营实际情况，通过降低或强化电流强度适当调整产量，实现一定的弹性生产，以实现企业利益的最大化。

四是实现劳动生产率进一步提升。以云南某500KA大型预焙电解槽为例，其电流强度如果强化到520KA，假设电流效率为93%，其劳动生产率将提升55吨/人·年，人均实物劳动生产率达到700吨/人·年，大大提高了企业的人工成本竞争力，且在市场行情较好的情况下，在原有设备产能上增加了产量，可以实现企业利润最大化。

2 电流强度强化后的不利影响及原因分析

电流强度提升后的不利影响也很多，主要表现在以下几个方面。

良好的工程实施是实现预制光缆连接“即插即用”与光缆通信安全可靠的前提。现阶段预制光缆的工程实施存在敷设不规范、光缆衰减过大及光缆预制控制困难等问题，对上述问题开展研究并提出解决方案，是保障良好工程实施的重要手段。

2.1 公用母线公摊电耗增加

导电母线、平衡母线、通廊母线等公用母线，如果其电阻为R

，则根据欧姆定律：U=RI,若电流强度I增大，R母不变，则U必然升高，说明公用母线上的电压降必然增大。母线上产生的热量W=UIt必然增加，母线表面温度升高，导致母线上损失的电量必然更多。对于已经设计并已经投入运行的电解系列而言，这个电量损失是可以计算的。

2.2 电解槽的电压降必然增加

有电阻就必然产生电压降。电流进入电解槽后，先后流经立柱母线、水平母线、阳极导杆、炭阳极、电解质、铝液、阴极等，它们都是有一定电阻的导体，并产生电压，形成电压降。从理论上讲，除反电动势（一般约为1.7v左右，也称极化电压）不变外，其余电压降都会随着电流强度I的升高而增加，使得电解槽的电耗损失更大，在各个部位产生的热量更多，打破原设计的热平衡。因此，对已经投产运行的电解系列，强化其电流强度后，对热平衡的影响首当其冲、非常明显，调节热平衡是维持正常生产工艺非常重要的必要措施。

培养学生的阅读技巧，让学生参与知识的直接获取过程是非常重要的，所谓“授人以鱼仅解一饭之需，授人以渔则终身受用无穷”，学生只有掌握自主学习的方法，才能冲破教师和课程计划的枷锁，成为一名真正的学习者。总之任务型教学法对于我们英语老师来讲尤其重要，它对我们的教学技巧提出了更高的要求。对此还需要更深刻的研究、实地调查、问卷调查和访谈。通过这些研究，可以最大限度地实现任务型教学法的有效性，更好地与中学阅读教学相结合，最终使之成为一种有效的、实用的、普及的教学方法。

强化电流如果是在不改变阳极尺寸的情况下进行的，那么电流强化后，流经阳极的电流增多，阳极炭块的电流密度增大，阳极的热量分布发生变化，等温线上移，对阳极炭块的关键技术指标提出了更高的要求

。其中：

2.3 对阳极炭块的质量提出更高要求

报道指出该地区越穷，增长越慢。大多数增长低于平均水平的省份都很贫穷（例11）。在贫困地区，经济速度放缓的现象更加严重（例12）。在旅程架构中，若速度快的旅行者提升了平均速度，则会使速度慢的旅行者难以追赶平均速度，而平均速度放缓时，速度慢的旅行者离平均速度越远，这体现了旅行者队伍的整体速度水平都在下降。同理，经济发展放缓时，若贫穷的省份经济放缓的速度更加严重，则会导致趋同化停滞，这与之前一些乐观的经济学家期望（使富裕省份经济发展慢下来，内陆地区的高速增长潜力将弥补这一点）相差甚远。

炭阳极的抗压强度要在原设计基础上进一步提高标准，以抵抗电流强化后产生的强大热应力，避免炭块出现断层、裂纹、掉块等缺陷，影响使用寿命和正常生产。与此同时，强大的电流和更高的热量会加快炭块骨料的剥离速度，加快了炭块的消耗，同时产生更多的碳渣进入电解质中。

表观密度（容积密度）需要进一步提高。炭块的密度越高，单位体积所含炭量越多，以此可以适应电流强化后增加的氧化速度；否则，炭阳极的更换周期将缩短，打破原有的生产秩序，影响正常的生产。表观密度的具体标准还要根据各企业电流强化的程度确定。以500KA电解槽为例，电流强度如果从500KA强化到520KA，建议表观密度提高到1.63g/cm

以上（仅供参考）。

验证工艺技术条件变化。针对已建成的电解系列，电流强化前，要预先确保电量供给，验证整流机组的负荷，确保系列供电安全；通过征求设计单位对强化电流的意见，验证磁场幅度变化情况，避免磁场变化引起工艺技术条件恶化。

阳极炭块的空气透气度要更低。更强的电流和更高的温度，会加速阳极炭块的氧化消耗速度，因此，阳极炭块的空气透气度在质量标准上要更好，设计值要更低。

近代中华民国成立以后，闻名遐迩的精武体育会为了使自己以体、智、德三育为宗旨，倡导“爱国、修身、正义、助人”，“强国、强民、强身”，以及“乃文乃武”的精武精神得到更大范围的传播和发扬光大，他们不失时机地将自己的触角伸向了东南亚地区，以便在更广阔的空间传播中国的武术文化和精武精神。

电流强化后，在现有工艺条件不变的情况下，热输入增加。为减少热量对阴极的冲击，增加铝水平是应采取的必要措施之一。但是随着铝液的升高，其对阴极表面的压力越大，根据压强计算公司P=ρgh可得，铝水平每升高1cm，压强增加225Pa，也就是说铝水向阴极渗入的压力每平方米增加225N的力。如果铝水平升高10cm，则压强增加2250Pa，这个力不容忽视。特别是随着阴极石墨含量的不断增加，其表面强度有所降低，更容易受到铝液的渗透侵蚀。

2.4 给生产稳定带来一定压力

许多农业产业由于土地问题得不到解决，缺乏经营场所，一些优质项目仍然无法落地，难以正常发展。农业加工型龙头企业由于规模较小，在争取用地指标时，无法与工业企业竞争，基本无法进入工业园区，难以集群化发展，产业融合举步维艰。此外，土地流转配套用地问题也有待进一步解决。

逆变器转化效率通常会受以下两种因素影响：①把直流电流快速转换成交流正弦波，在一定程度上会给功率半导体整体发热产生很大损失。②逆变器MPPT中的控制算法会严重影响整个转换效率[3]。光伏电池阵列中的输出电流与电压会随日照的温度变化发生巨大变化，且随用电设备负载率的变化发生较大波动。逆变器的MPPT算法在一定程度上可以对电流与电压进行有效控制，使光伏系统能够快速达到最大输出功率，并且能够在短时间内跟踪到最大电力点，转化效率也将得到进一步提高。当负载率在63%左右时，在此条件下的逆变器电气效转换效率呈现的是一种最高状态。

2.5 铝液流速增加，阴极磨损和腐蚀增大

电流强化后，能量更集中，也必然加速极距区域内Al

的氧化还原反应速度，溶解在电解质中的Al

消耗更快。增加Al

的下料量后，Al

融入电解质需要一定的溶解和扩散时间，所以不能及时被消耗，因此还未扩散的Al

就可能形成沉淀，导致炉底沉淀增多，降低阴极导电性；而Al的实际产量其实并未相应增加，从而导致电流效率降低。电流强化后，在电解工艺控制中，如若一味追求更低电耗而刻意降低槽电压，则容易进一步压低极距，液态Al与CO

的接触几率更大，由于反应区域内温度更高，因此会增加Al的二次反应几率（2Al+3CO

→Al

+3CO），造成更多的能量损耗，同时使还原Al的电流能量减少，降低电流效率η。我们长期从事电解铝生产的工程技术人员也发现，电解系列的电流强度越大，电流效率反而总体偏低，也就是这个原因。

如果铝水平未做出相应调整（应适当调高），则阳极底面的热量会更容易传递达到阴极，加快Al与阴极C的二次反应，生成Al

化合物，对阴极造成进一步损坏，并导致电流分布不均。与此同时，铝液流速的加快，导致铝液镜面波动幅度增加，电解质液体有更多机会与阴极上的Al

化合物接触，由于电解质对Al

的溶解度很高，因此会加快Al

的溶解，加速新的Al

的生成，使某些特定位置阴极的电化学腐蚀更加严重。

2.6 电流效率η会降低

电流强化后，磁场平衡受到影响，磁场更强，槽体内铝液水平电流更大，铝液流速加快，增加对槽底阴极的磨损，尤其是在电流密度集中、铝液流速较快的角部极下方，常常会形成明显的锥形冲蚀坑，破坏阴极炭块。破损的阴极炭块会进一步导致阴极钢棒被铝液熔化，致使铝液铁含量增加，质量下降，并增加了漏槽的重大风险。

电解质沸腾对阳极的冲刷将更为严重。更强的电流带来更强大磁场，如果磁场平衡偏离设计值，铝液搅动则更为激烈；同时，电流的强化会使阳极产生的CO

量增加，更加剧了电解质液的搅动。在这两种因素的驱动下，电解质液在槽内翻滚沸腾，长期不间断地冲刷着阳极和覆盖料，消耗了大量的阳极炭块，造成阳极炭块使用寿命明显减低，不仅增加了生产成本。随着阳极覆盖料的冲刷消耗，覆盖料塌陷增加，覆盖料掉入电解质融化后，导致电解质水平也逐渐升高，使电解质水平难以控制，物料平衡被打破，给稳定生产带来一定的压力和挑战。在此情况下，电解质中的炭渣量也随之增加，工作人员的劳动强度也变大。

2.7 增加铝液向阴极的渗透

(2) FEP与外部时钟系统采用自开发软件。由于Meinberg工具对于上层时钟源在1 000 s之内发生的偏差或跳变,下一层时钟均可以与上层同步;而实际信号系统一般规定外部时钟源存在几秒或十几秒的偏差或跳变时，停止信号系统通信前置机与外部时钟系统同步。

3 消除电流强化不利影响的措施建议

从设计上做好基因优化。针对新建项目，在设计阶段就要提前考虑强化电流强度条件下的可能影响因素，从供电条件、原辅材料、工艺技术条件（能量平衡、热平衡、磁场平衡、物料平衡）、设备性能等各个方面周密考虑，努力消除电流强化后可能带来的各种缺陷。

阳极炭块的热导率要适当提高。电流强度增大后，阳极炭块在单位时间内接收的热量更多，如果热量不能及时散失出去，则会增加阳极炭块的热应力，破坏炭块结构、降低使用质量。因此，要求阳极炭块的热导率要更高，针对500KA电解槽，建议达到3.9W/m.k以上甚至更高。

提高阳极炭块质量标准。电流强度强化的同时，阳极炭块的强度、表观密度等指标必须提高，以适应更强的电流密度条件，具体标准要根据电流强度的大小和生产实际情况来确定，但肯定要高于国家或行业标准。

合理匹配极距和槽电压。极距与槽电压成正比关系，为避免Al

来不及溶解而形成大量沉淀，同时降低铝（液）二次反应的几率，和电流强化前相比，极距应适当提升，以保证较高的电流效率，但为避免出现槽温升高熔化炉膛，应适当提高铝水平来抑制磁场对铝液的影响、增加部分散热量或适当调整保温料厚度。电流效率和极距的关系如下图所示：

降低各环节的电阻率。铝母线在其它指标不降低的前提下，电阻要更低，接地保护也要合理匹配调整；生产操作水平要提高，尤其是提升换极质量，保持合理极距，降低阳极导杆与水平母线的接触电阻；电解质的成分管理要更加严格，分子比、粘度等指标控制更加严格和标准化。

合理调整NB加料间隔。强化电流后，单槽日产原铝量有所增加，所以氧化铝消耗量也应该提高。生产中可以利用氧化铝电流效率和出铝电流效率的差值判断槽况的方法，来确定物料是否匹配，理想状态下，加入电解槽内的氧化铝全部溶解，既不在槽内积存，也不因投料不足而发生效应或熔化槽帮，这时氧化铝电流效率应等于出铝电流效率，可据此根据槽运行状态适时调整NB加料间隔。

合理调整阳极更换周期。由于强化电流，阳极电流密度得到增强，造成阳极炭块掉渣、掉块率高，当阳极质量无法满足时，需要适当缩短阳极更换周期，并勤捞碳渣，避免电解质含碳升温。

积极引进智能设备。通过部署智能装备，提高生产过程机械化、自动化水平，基于大数据分析、人工智能等技术，构建智能业务模型，推进公司业务和作业流程持续优化，严格开展生产管控标准化技术管理，确保电解槽强化电流后，过程质量严格受控，强化后期平稳运行，实现长周期生产，达到“长寿命、低成本、高质量”电解生产管理目标。

加强对“三钢”等温度变化情况的跟踪力度。强化电流后，因电流密度增加，造成阴极炭块破损的机率风险升高，所以在强化电流后，要加强跟踪“三钢”等温度的监测，及时发现处理异常情况，并在破损、隐患槽的穿槽母线上安装耐火砖、耐火沙、石棉板等材料进行防护，槽底摆放小袋装破碎料，用于阻挡漏炉液体流向大、小面，槽周提前准备好应急物料和工器具（见下表）。