铝电解槽低电压下技术条件的探索

董越

摘 要：介绍铝电解槽电压降低后容易引起极距的降低，而极距降低后容易引起电流效率的降低，指出在低电压下应通过优化电解质成分、降低铁碳压降、降低炉底压降保持较高的极距；同时在极距相对稳定后，电流效率的提高应以保持低过热度为突破口，而铝水平、分子比、氧化铝浓度三项技术参数对电解槽过热度影响最大，合理分子比的确定、合理铝水平的确定、提高氧化铝浓度的合格率是保持低过热度的关键因素。

关键词：低电压 低极距 低过热度 铝水平 分子比 氧化铝浓度

中图分类号：TF821 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-066-02

1 降低槽电压容易造成低极距

近年来，我公司一直致力于降低槽电压的工作，二分厂240KA系列平均电压由4.141v下降至4.009v，下降了132 mv，但由此引发了一个新的问题，降低电解槽工作电压后，电解槽的极距也或多或少的减小，而极距的减小容易导致电流效率的降低。如何调整电解槽的技术条件，在较低的工作电压下仍能保持较高的电流效率是我们迫切需要解决的问题。

2 极距的定义及对电流效率的影响

极距指电解槽中铝液与阳极之间的距离，既不易过高也不易过低，一般在4～6cm之间，铝电解时所有的电化学反应都在此区域发生，极距的高低将直接关系到电流效率的高低。极距小时，溶解铝扩散到氧化区的距离短，有时阳极气体直接将铝液面上的铝氧化。极距增大后，熔体对流搅拌作用减弱，扩散层厚度增大，铝损失减少，因此效率将明显提高。但当极距超过一定程度后，电解温度将明显提高，电解质黏度也明显减小，使对流循环加快，铝溶解度增大，又会导致电流效率的降低，同时过高的极距也会使槽电压升高，电耗增大。所以合理极距的确定直接关系到铝电解槽电流效率的高低。

3 在低电压下如何保持较高的极距

3.1 槽电压的组成

槽电压是指电解槽能维持正常工作的最低电压，由电解槽的阳极压降、阴极压降、槽周母线压降、分解与极化压降、电解质压降（极距之间）以及效应分摊电压组成。

3.2 保持较高的极距方法

在低电压下，应通过降低阳极压降、阴极压降、槽周母线压降、电解质压降来保持较高的极距。

3.2.1 降低阳极压降

阳极压降由以下几部分组成：

（1）炭阳极自身压降。主要与炭阳极高度、质量有关。炭阳极高度越高，炭阳极压降越高；据测算阳极高度每增加1cm，阳极压降升高约3.8mv，但阳极高度增高后会降低阳极单耗，需要综合考虑。炭阳极中杂质含量越高炭阳极压降越高。

（2）铝导杆与阳极钢爪的焊接压降。主要与焊接质量有关。

（3）钢爪自身的压降。钢爪直径越大，相应的压降越低。

（4）钢爪与碳阳极之间的压降（简称铁碳压降）。主要与磷生铁成分有关，目前我公司铁碳压降高于其它厂家30mv以上，主要原因是磷生铁成分中硫含量在0.06%左右，而其它厂家一般在0.02%以下，如何脱硫、降低铁碳压降是我们今年攻关的重点。

3.2.2 降低电解质压降

电解质中各组分（氧化铝浓度、添加剂含量）的变化都会影响到电解质自身压降的改变。各组分与电压的关系如下：

lnX=1.9105+0.162CR-0.01738Al2O3%-0.003955CaF2%

-0.009227MgF2%+0.02155LiF%-1745.7T-1

式中：X为电解质的导电率；CR为分子比；T为绝对温度。

通过上述公式可知，电解质的导电率与分子比、氟化锂的浓度成正比，而与电解质温度、氧化铝浓度及其它添加剂的浓度成反比。

通过计算，得出如下结论：分子比（0.1） LiF浓度（1%）、Al2O3浓度（1%）、温度（10℃）、MgF2浓度（1%）、CaF浓度（1%）、对导电度影响依次减弱。

所以，在低电压下只有保持较高的电导率，才能有较低的电解质压降，应采取较高分子比、较低氧化铝浓度、低MgF2浓度和低CaF浓度来保持较低的电解质压降。

3.3 降低槽周母线压降

主要是降低短路口压降和增大铝合金槽罩的绝缘。

3.4 降低阴极压降

阴极压降由以下几部分组成：

3.4.1 阴极炭块本身的电阻引起的压降

主要随以下因素变化：（1）阴极炭块的压降会随着温度的升高而降低。（2）石墨化程度越高，阴极压降越低。（3）阴极炭块的压降会随着槽龄的增加而逐步降低

3.4.2 阴极钢棒的电压降

阴极钢棒的电压降取决于只阴极钢棒的几何尺寸和温度。阴极钢棒的电压降随槽龄的增加而逐步升高。

3.4.3 阴极钢棒与阴极炭块之间的接触压降

在筑炉时一定要将阴极钢棒清洗干净，用捣糊将钢棒与炭块紧密地联结成一体；阴极钢棒与阴极炭块之间的接触压降随槽龄的增加而逐步升高。

4 在极距相对稳定后，应通过保持较低的过热度来提高电流效率

4.1 过热度的控制理论

电解质过热度 T=T-T0 （T为电解质温度；T0为电解质初晶温度）

由上式可以看出，电解质过热度的大小取决于电解质温度和电解质初晶温度的变化。任何导致电解质温度和电解质初晶温度变化的因素都会引起过热度发生变化。

4.2 影响电解质温度变化的因素

（1）槽工作电压。如果升高电解槽工作电压，则能量输入加大，会导致电解槽温度升高，反之，如果降低电解槽工作电压，则能量输入减少，会导致电解槽温度升降低。

（2）铝水平。电解槽的炉膛底部须积存一定数量的铝液（亦称在产铝），其作用：1）保护碳阴极，防止铝直接在阴极表面析出而腐蚀阴极；2）传导阳极中心热量，使电解槽各处温度均匀。升高铝水平，在产铝量加大，电解槽的散热量增大，会导致电解槽温度降低；降低铝水平，电解槽的散热量减少，会导致电解槽温度升高。

（3）保温料厚度。阳极上保温料是维持电解槽热平衡的一个重要因素，增大阳极上保温料厚度会减小电解槽的散热量，导致电解槽温度升高，反之减薄保温料厚度会导致电解槽的温度降低。

（4）分子比。分子比是指电解质中氟化钠与氟化铝的分子数之比，通过添加氟化铝降低分子比可以降低电解质温度。

4.3 影响电解质初晶温度变化的因素

（1）分子比。分子比升高，电解质的初晶温度升高，分子比降低，电解质的初晶温度降低。

（2）氧化铝浓度。氧化铝浓度是指电解质中氧化铝的百分含量，氧化铝浓度越高，电解质初晶温度越低。

（3）电解质种添加剂的种类和含量。添加剂的种类主要有氟化钙、氟化镁、氟化锂，添加剂含量越高电解质初晶温度越低，添加剂的种类不同对电解质初晶温度的影响也不同。

4.4 技术关键

要保持低过热度，应该保持较高的初晶温度和较低的电解质温度。

（1）合理分子比的确定。要保持较高的初晶温度需保持较高的分子比，而保持较低的电解质温度又需要保持较低的分子比，所以太高和太低都不合适，目前分子比基本保持在2.5～2.55。

（2）合理铝水平的确定。由于电压降低了132mv，电解槽的热收入较降电压前有明显减少，在降电压过程中很容易出现电解质收缩、电解质水平偏低的现象，所以铝水平较降电压降低了2-4 cm，目前铝水平大多保持在23～25cm。

（3）提高氧化铝浓度的合格率。合理氧化铝浓度应控制在1.5～3%之间，但由于受气缸漏料、换极、火眼不畅通、人为因素干扰槽控系统等因素的影响，经常偏离正常范围，要加强对设备的维护，提高换极等工序的操作质量，并对浓度异常的电解槽进行控制参数调整，提高氧化铝浓度的合格率。

5 结语

（1）在低电压下，应通过降低阳极压降、阴极压降、槽周母线压降、电解质压降来保持较高的的极距。

（2）在极距相对稳定后，应通过保持较低的过热度来提高电流效率。

（3）通过合理调整技术条件，我公司240KA系列在平均电压降低132 mv的情况下，电流效率基本维持在91%左右，仅较降电压前降低0.5%，吨铝直流电耗也从改造前的13442kwh/t-Al降低至13128kwh/t-Al，取得了明显的节能效果。

参考文献：

[1] 王建军，刘海石，高炳亮.一种含氟化镁电解质体系的温度、密度和导电度论证[J].轻金属，2004（12）.

[2] 邱竹贤.预焙槽炼铝（第三版）[M].北京：冶金工业出版社，2005.