提高铝电解电流效率的生产实践研究

刘炎森 王宏伟 刘极锋

摘 要：随着国内外电解铝产能的剧增和我国节能减排政策的实施，如何提高电流效率，降低电耗，降低成本，提高产品市场竞争力，已成为电解厂的首要任务。本文借助铝工业研究对电流效率降低的内部机理进行剖析，全面分析影响电流效率的因素，结合生产实际突出论证科学摆布生产技术条件对提高电流效率的重要性，并归纳总结出提高电流效率的方法和途径。

关键词：铝电解；电流效率；技术条件；科学管理

中图分类号：TF821 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）03-0131-03

Abstract： With the increase of electrolytic aluminum production capacity at home and abroad and the implementation of energy conservation and emission reduction policy in China， how to improve the current efficiency， reduce power consumption， reduce the cost， improve the market competitiveness of the products， has become the primary task of the electrolysis plant. This paper analyzed the internal mechanism of aluminum industry to reduce the current efficiency， comprehensive analyzed the factors affecting the current efficiency， proved the importance of technical conditions of scientific production of mercy to improve the current efficiency combined with the actual production， also summarized the methods and ways of improving the current efficiency.

Keywords： aluminum electrolysis；current efficiency；technical condition；scientific management

电解技术参数对电流效率影响很大，尤其是电解质温度、电解质成分、极距、电流密度以及铝水平和电解质水平等[1]。生产中，科学摆布技术条件对提高电流效率至关重要。

1 电解工艺参数对电流效率的影响

1.1 电解质温度与电流效率的关系

随着电解质温度的升高，铝液在电解质中的溶解度增大，电解质粘度随之变小，循环加快，铝的扩散速度和氧化速度加快，扩散系数增大，二次氧化加剧损失增多，Na+放电加剧，Al3+的不完全放电加剧，易形成Al4C3等，这都将降低电流效率。温度降低，电流效率明显提高。生产实践证明，电解质温度每下降10℃，电流效率可提高1.5%左右。

电解质温度并非越低越好，其确定要以电解质初晶温度为基准，大型预焙电解槽电解质温度要高于初晶温度10～15℃，生产温度的确定要依据生产具体条件及工人的技术程度。

电解温度等于电解质初晶温度加过热度，降低初晶温度和过热度都能提高电流效率。近几年来，我国铝电解生产广泛采用低温低电压技术，取得了良好的效果。但是，生产中如果工人操作水平不高，氧化铝溶解不好，易形成不规整的炉膛，炉底结壳增厚，炉底压降增大等不利状况，这反而会引起电压波动，造成电流效率降低和电耗升高。

1.2 电解质成分对电流效率的影响

1.2.1 氧化铝浓度对电流效率的影响。氧化铝浓度过高，悬浮的Al2O3颗粒增多，这不仅影响电解质导电度，而且容易形成炉底沉淀，影响电流效率。氧化铝浓度过低，不仅电解质中反应的Al3+浓度减少，而且易造成阳极效应，加大铝的溶解和氧化损失，降低电流效率[2]。

目前，国内外中心大型预焙槽生产，大多把氧化铝浓度选择在1.5%～3.5%。其最大的优点是氧化铝溶解快，电解质中无悬浮的Al2O3颗粒，熔体粘度小，导电好，不易形成炉底沉淀，炉底压降小，槽电阻稳定。另外，在此控制范围内，槽电阻曲线斜率较大，有利于实现计算机自适应控制。这些有利于精确控制氧化铝下料，长期保持生产稳定，提高电流效率和降低电耗。

1.2.2 电解质分子比对电流效率的关系。随着电解质分子比的降低，熔体的初晶温度下降，铝液与电解质界面张力增大，铝液镜面收缩，降低了铝的溶解度，同时分子比的降低，电解质温度降低，降低了Na+的活动度和放电的可能性。另外，分子比的降低，也降低了熔体中Na+含量，减少了Na+放电机会，这都有利于电流效率的提高。

我国大型中心下料预焙槽分子比大多控制于2.3～2.6，电流效率比较理想。但是，对于复杂电解质体系，也就是高LiF、高KF电解质体系，由于初晶温度过低，氧化铝溶解困难，常采用提高分子比的方法，改善氧化铝溶解状况。对于这种电解质体系，分子比长保持在2.65～2.85。

1.2.3 添加剂对电流效率的影响。添加剂对电流效率的影响其实是对电解过程的综合影响。添加ALF3可使铝电解温度降低，增大了电解质和铝液密度差，减小了电解质粘度，有利于碳渣分离和反应气体逸出，有利于提高电流效率。实践证明，添加10% ALF3可使电解质初晶温度下降20℃。

添加5%左右CaF2和MgF2都能減少铝的损失，促进熔体中碳渣的分离，降低电解质电阻，提高电流效率，河南永登铝业有限公司阳城分公司240kA电解槽生产，电解质中添加剂10% ALF3和4% CaF2、MgF2，取得了理想效果。

LiF尽管能增加铝的损失，但是一定含量的LiF能大幅度降低电解质的初晶温度和熔体密度，还能增加电解质导电性，总体有利于提高电流效率和降低电耗。因LiF价格昂贵，生产中很少添加。我国北方地区的铝土矿含有一定的锂盐，致使氧化铝原料中含有一定的氧化锂，长期使用这种氧化铝原料，电解质中LiF含量会逐步富集升高，河南永登铝业有限公司阳城分公司240kA电解槽连续生产7a后，LiF含量已达到6%～7%。由于LiF含量过高，导致初晶温度只有900℃左右，严重影响到了炉帮的形成和氧化铝的溶解，反而降低了电流效率。目前，公司通过置换槽中电解质和更换氧化铝原料等手段，降低电介质中的LiF含量。

河南永登铝业有限公司阳城分公司240kA大型中心下料预焙槽，电解质中添加10% ALF3和4% CaF2、MgF2，取得了理想效果。

1.3 极距对电流效率的影响

根据费克第一定律可知：极距小时，铝溶解扩散到氧化区的距离缩短，铝的二次氧化加剧；极距增大时，熔体對流作用减弱，扩散区加厚，铝不易被氧化损失，电流效率提高。但电压的升高，提高了电解质温度，对流加快，搅拌增加，铝的熔解度增大。为此，当提高极距时，效率开始有明显提高，当极距高到一定值时，电流效率几乎没有变化，反而造成电耗增加，甚至出现热槽。保持适当极距，对提高生产十分重要。河南永登铝业有限公司阳城分公司240kA电解槽，设计阳极32组，平均极距保持在4.0～4.5cm，平均电流效率91%～92%。

1.4 电流密度对电流效率的影响

阳极电流密度和阴极电流密度对电流效率的影响是不相同的，阳极设计小，电流密度大，易引起阳极过热，电解质温度升高且搅拌加强，造成铝二次氧化损失增加。反之，当阳极面积大，电流密度减小时，阳极单位面积排气量小，排出速度减弱，搅拌作用减弱，铝损失减少，电流效率提高。

阴极电流密度增大时，相当于缩小了铝液与电解质的接触面，铝的扩散损失减少。另外，阴极电流密度增大减弱了铝离子的不完全放电，电流效率提高。反之，电流效率降低。但是，阴极电流密度增大到一定值时，Na+将参与放电，电流效率反而会有所降低。

总之，在一定的范围内，电流效率随着阳极电流密度的增加而降低，随着阴极电流密度的增加而提高。在生产实践中，要特别注意建立规整的炉膛，保持适当厚的炉帮厚度，尽可能缩小铝液镜面，使其在阳极底掌的正投影下，防止侧部漏电，实现提高电流效率的目的。

1.5 铝水平和电解质水平对电流效率的影响

铝水平是调节电解槽热平衡的重要因素，电解槽热场是否平衡具体反映在炉膛形状和炉底洁净程度上，总的趋势是铝水平的提高有利于提高电流效率。因为，铝水平提高，槽温降低，易形成规整炉膛，铝液镜面缩小，减少了铝损失。同时，铝水平能够有效地控制水平电流密度，减少磁场的影响，促使铝液稳定。这些都有利于提高电流效率。但是，铝水平过高，槽子容易进入冷行程，造成炉膛伸腿肥大，槽帮上口空，甚至形成病槽，反而降低电流效率，甚至无法正常生产。

电解质有电解槽血液之美称，其主要作用是溶解Al2O3、导电和稳定电解质温度等。提高电解质水平，能够促进Al2O3的溶解，减少炉底沉淀和降低炉底压降，电解槽热稳定性好，有利于提高电流效率。电解质过深，不仅造成碳块利用率低、碳耗增加，造成洗钢爪，影响原铝质量，而且引起阳极侧部跑电增多，引起槽水平电流加大，电解质排气不畅，铝液波动加剧，铝损失增多，易引起电压摆动，电流效率降低；电解质过浅，热稳定降低，易出现病槽，更有害于电流效率。

河南永登铝业有限公司阳城分公司240kA电解槽铝水平保持在26～28cm，电解质水平保持在18～20cm，生产中取得了理想的电流效率。

1.6 辩证地看待电解参数与电流效率的关系

电解工艺参数对电流效率的影响是一个复杂的过程，单独改变某一个工艺参数对提高电流效率而言，既有积极的一面，也存在着一定的负作用。在生产实践中，必须用辩证的、普遍联系的眼光，综合考虑各种工艺参数的作用，进行全面的分析研究，探索科学合理参数组合方案，使电解槽尽量运行在最佳状态，才能取得较好的电流效率和较低的电耗指标。

2 提高电流效率的途径

2.1 先天管理是提高电流效率的基础

抓好电解槽焙烧与启动环节，特别是起动后期管理，高度关注这一时期的槽电压、槽温、分子比、效应系数、电解质水平和铝水平等工艺参数，使电解槽扎糊良好焦化，使电解质形成坚固、规整、稳定的阴极槽膛，这是电解槽高效生产的必备条件，也是节能降耗的前提。所以，电解槽预热、启动和后期管理，必需高度重视，精心对待，为提高电流效率打下良好、坚实的基础。

2.2 科学管理生产技术参数是提高电流效率的重要途径

上述论证表明，生产技术参数是电解槽热场平衡和物料平衡的基础，是保证电解槽稳定高效运行的重要条件。具有良好技术条件的槽子，自平衡能力强，抗病能力强，电流效率高；反之，电流效率较低。生产中要根据生产实际情况，科学合理选定电流、电压、电解质温度、分子比、铝水平和电解质水平等重要技术参数，并科学搭配组合，长期稳定保持，使电解槽始终运行在最佳工作状态，才能确保生产稳定高效。否则，电解槽始终运行在波动之中，很难取得较高的电流效率。

2.3 精细化操作、提高作业质量是提高电流效率的关键

电解生产中包括换阳极、出铝、封保温料和打火眼儿等多项操作，这些作业质量直接影响着电流效率。换极质量关系着阳极电流分布、氧化铝浓度高低和槽电压摆动等，出铝偏差的大小关系着槽热平衡，效应熄灭的方法和时间关系着槽子的稳定性，保温料的厚薄关系着槽子的热稳定和炉膛形状，这些众多的操作都直接决定着电解槽能否稳定高效生产。生产中，必须制定科学合理精细的操作规程，并确保落到实处，方可取得较高的电流效率。生产中的精细化管理要做到以下几点，一是人、机结合。尽量自动控制，减少纯手动、取消阳移、定时下料、人工控料等非常规操作；杜绝无故手动升降阳极或手动下料，出铝、换极、广播提示等。二是炭渣打捞。加强炭渣打捞力度（4次/槽·班），确保电解质洁净以提高导电性，并防止阳极长包。三是巡视到位。火眼畅通，卡堵处理到位。四是现打壳锤头沾锤头现象较多，在打壳锤头未减短之前，要及时巡查并处理（2次/班），确保下料正常。五是提高换极操作质量，减少换极后的针摆或长欠量。六是新极返尺高度一律定为2cm，每天检查新极16h的电流分布。七是槽盖板密封。八是关于调极。勤测、多分析、少调极，确保阳极底掌水平。当针振连续2h不小于15mV时，必须安排测全槽电流分布，对电流分布异常极，及时调整以降低针振，小于15mV时一律不准调极。

2.4 提高计算机控制精度对提高电流效率至关重要

预培槽的管理追求“稳”，只有科学管理计算机控制系统，提高控制精度，科学设定电流、电压、AE间隔、NB间隔等参数，加强维护保养，确保其安全可靠运行，才能确保电解生产的物料和热均平衡，取得理想的电流效率。

日常生产管理中，要及时对计算机监控曲线尽性分析，从中发现生产中存在的问题，做到防患于未然。监控曲线完好的标准是槽电压可控，NB过欠比2.0～2.5，针振幅度1～10mV，累斜80%在0以上，曲线平滑连续。

2.5 加强电解槽系列的绝缘管理，减少电流空耗损失

电解槽槽罩不绝缘、槽间盖板不绝缘、电解槽对地不绝缘，造成多点接地等现象都能使电流旁路，造成电流空耗损失电能，降低电流效率。

2.6 减少黑电压，增加有效工作电压

母线各压接面间的压降及炉底压降都是无效电压。生产中要尽量减少炉底压降、卡具压降、立柱母线压接面压降、铁碳压降。生产中要采取有效措施，把节约的电压转移到极距电压上，适当提高极距，能有效提高电流效率，减少电耗。

2.7 加强科研试验，积极引进新技术，大胆创新

近几年来，我国电解铝技术得到了长足发展，特别是提高电流效率和降低电耗方面的技术。铝电解生产要及时采用新技术、新工艺，才能取得理想的电流效率和经济效益。如近几年发展起来的阳极碳块开沟技术、侧部异型复合块技术、降低铁炭压降新技术、高效阳极技术、阳极预热技术及新型稳流节能铝电解槽技术等，这些技术在使用中都取得了明显效果。在生产管理中，要积极引进新技术，大胆创新，用科学的方法取得较好的电流效率。

通过对影响铝电解生产电流效率因素的全面分析和生产实践验证，选定科学合理生产技术参数组合和加强生产精细化管理，是提高电流效率的重要途径；科学管理，精心操作，加强计算机控制技术、电解系列绝缘和系列电压管理，以及加强新技术的推广应用是提高电流效率的有效途径。

参考文献：

[1]梁学民，张松江.现代铝电解生产技术与管理[M].长沙：中南大学出版社，2011.

[2]刘业翔，李劼.现代铝电解[M].北京：冶金工业出版社，2008.