铝电解槽炉优化控制技术开发与工业化运用分析

吴茂军

摘  要：本文对铝电解槽炉侧优化控制技术进行了研究，提出了炉侧厚度的数学模型和优化控制规则。在500千伏安铝电解槽上进行了工业试验，炉侧厚度、延伸腿长度和主要技术经济指标均有相应提高。

关键词：铝电解槽;炉帮厚度;伸腿长度;优化控制

1铝电解槽炉侧优化控制技术

为了有效解决铝电解槽厚度和延伸腿长度的有效优化控制问题，提出了专利技术“铝电解槽炉厚优化控制方法”[1]。

1.1计算炉侧热阻系数

测量电解液温度和初晶温度、炉侧厚度（或腿伸长度）及其对应的侧罐壳温度、侧内衬材料和罐壳钢板总厚度等数据。根据炉侧（或炉腿延伸部分）热阻系数的数学模型：

α=（δ+H）×（Tb-T1）/（T1-Ts）（1）

式中：α ——炉侧（或炉腿延伸部分）热阻系数，mm;

δ ——炉侧厚度（或炉腿延伸长度），mm;

H——对应于炉侧厚度（或支腿延伸长度）的一侧内侧

衬里材料和槽壳钢板的厚度，mm;

Tb——电解质温度，℃;

T1——电解液的初始结晶温度，℃;

Ts——对应炉侧厚度（或腿伸长度）的侧罐壳温度，℃。将采集到的数据带入炉侧（或腿伸）热阻系数的数学模型（1），得到炉侧（或腿伸）热阻系数。

1.2计算炉侧厚度（或支腿延伸长度）

收集电解槽电解质温度和初晶温度、炉侧（或腿伸）侧槽壳温度和对应的炉侧（或腿伸）热阻系数，根据炉侧厚度（或腿伸长度）数学模型：

δ=α（T1-Ts）/（Tb-T1）-H（2）

将采集到的数据带入炉侧厚度（或支腿延伸长度）的数学模型（2），得到炉侧厚度（或支腿延伸长度）。

1.3炉壁厚度（或炉腿延伸长度）的优化控制方法

通过优化控制电解液温度和初晶温度、炉侧（或炉腿延伸）侧罐壳温度及相关技术参数，炉侧（包括人工炉腿延伸）厚度控制在15±5cm，炉腿延伸长度（不包括人工炉腿延伸）控制在5±10cm。

1.3.1調节和控制电解液温度

电解温度通过以下措施控制在937±5℃。

（1）提升铝液位

全石墨化阴极电解槽的铝水平比石墨（含50%石墨）阴极电解槽低2厘米，如21 ～ 23 ～ 25厘米的全石墨化阴极电解槽和23 ～ 25厘米的高石墨阴极电解槽。通过适当提高和降低铝含量，可以提高和降低电解温度。

（2）增加或减少绝缘材料的厚度

全石墨化阴极电解槽阳极绝缘覆盖材料厚度比石墨阴极电解槽高2厘米，如全石墨化阴极电解槽30 ～ 32厘米，高石墨化阴极电解槽28 ～ 30 ～ 32厘米。冬季适当加厚保温材料，夏季减少保温材料，可以提高和降低电解温度。覆盖材料不得掩埋爆炸焊接块。

（3）提升罐电压

在合理的槽电压范围内，如全石墨化阴极电解槽3.820 ～ 3.870 V，高石墨化阴极电解槽3.920 ～ 3.950 V，结合电解温度1℃升降，500kA电解槽槽电压1小时升降36mV，极性绝缘材料增减1mm槽电压上升6～9mV（夏季6 ～ 9mV，春季7mV，秋季8mV，冬季9mV

电压，计算槽电压的增减值，调整槽电压每次不超过5mV，每天不超过20mV。

（4）上升和下降电流强度

在总能量上升和下降值为64×106焦耳（17.8千瓦时）和极间电压下降为2994毫伏的500千安培电解槽中，电解质温度上升和下降1℃，对应于5.9千安培（17.8千瓦时〉2.994千瓦时/千安培）的1h电流强度上升和下降值。每1h调节电流强度不超过0.8kA，稳定1h后再调节，每天调节电流强度不超过8kA每次调节电流强度到8kA，稳定运行一个月，再调节电流强度。当热交换器安装在电解池的侧壁上时，电解质温度可以根据需要在电流强度的20%范围内升高和降低。

1.3.2调节和控制初级晶体温度

当氟化钠与氟化铝的分子比（摩尔比）不大于3时（保持电解质弱酸性，抑制Na+放电，防止电流效率降低）（LiF ≥ 2.5% ～ ≤ 3.5%，分子比≥2.5 ～ < 2.7;LiF > 3.5% ～ ≤ 4.5%，分子比≥2.7 ～ < 2.8;LiF > 4.5% ～ ≤ 5%，分子比≥2.8 ～ < 2.9;LiF > 5%，分子比≥ 2.9 ～ < 3.0），主要包括过热7.5℃和初晶温度930.5℃两种控制方法。

（1）增加或减少氟化铝的量并降低分子比

500kA电解槽的电解质水平为18 ～ 20 cm，槽室尺寸为19380mm×4300mm，炉膛厚度按120mm计算，炉膛尺寸为19140mm×4060mm，阳极总面积为1750mm×740mm×48mm，平均电极间距为45mm，平均电解质量为12078078kg。电解液减少1%氟化铝，初始结晶温度提高5℃。500kA电解槽将电解液的初始结晶温度提高和降低1℃，氟化铝的添加量需要减少24kg（12078kg×1%/5℃）。

（2）降低碱金属氟化物的含量

在占≥25%的低氧化锂氧化铝（Li2O≤0.015%）和占≤75%的高氧化锂氧化铝（Li2O > 0.015% ～ 0.035%）范围内，控制氧化铝中Li2O、K2O、氧化镁和氧化钙的含量，控制电解液中LiF≤3.5%、KF ≤ 1.5%和KF≤1.5%，当LiF≥3.5%系列电解液时，低氧化锂氧化铝的比例相应增加（高达100%）。

1.3.3调节和控制罐壳温度

通过装卸散热板和隔热板，安装可调式换热器（罐壳最高温度≤325℃），降低炉侧（腿伸）侧罐壳温度。主要包括：

（1）利用罐下窗口协助調节罐壳温度，当天气最低温度≤4℃时，关闭罐下所有窗口，防止底部温度过低;

（2）部分侧罐壳温度高，炉壁薄，应根据需要增加散热板的面积和性能，选用导热系数高的散热板（如铜或铝等）。）应该安装在本地;部分侧罐壳温度过低，炉壁过厚，所以局部保温板（如硅酸铝纤维保温板等。）根据需要安装，以适当减少散热;某一面的炉壁整体厚度与罐体其他面有差异，所以炉壁过厚的面加强保温，炉壁过薄的面安装高导热散热板;

（3）利用电解槽侧壁上的外置可控流量换热器，根据需要调节和控制槽壳温度，实现炉侧的最优控制。

2工业试验

2.1优化炉侧的厚度和支腿长度

2.1.1炉壁厚度和炉腿延伸长度的实际优化

优化后的试验池炉顶厚度为12.4cm，比优化前高6.2cm，同时比对比池高7.1cm优化后试验池炉顶高度为20.2cm，比优化前的16.9cm高3.3cm，同时比对照池高1.2cm优化后的测试电池腿长为4.2厘米，比优化前高4.0厘米，同时比对照电池高1.1厘米，有助于降低测试电池的水平电流分量，增加垂直电流分量和阴极电流密度，提高电流效率。

2.1.2测量的炉侧厚度和腿长的比较和分析

其中，实心点代表测量值，其余部分使用炉顶厚度和支腿延伸长度的数学模型进行计算。7月16日使用耐高温探头罐壳温度在线测量系统后，炉侧厚度和腿伸长度的实际测量值与该数学模型的计算值偏差较小，表明该数学模型在电解温度、初晶温度、炉侧和罐壳温度测量完整准确的情况下具有一定的准确性。

2.2罐壳温度降低

7月16日（开始使用改进的在线测温系统）是优化前，11月8日是优化后（8月19日4117号罐停罐是优化后）。优化后的试验罐罐壳最高温度为327.0℃，比优化前的432.9℃低106.0℃，比同期对照罐的425.9℃低98.9℃。优化后试验罐壳平均温度为286.3℃，比优化前的347.0℃低60.6℃，比同期对比罐的331.2℃低44.9℃，有助于降低试验罐的热损失和吨铝电耗。

2.3电解温度的优化提高

电解温度从优化前3月23日的平均931.6℃逐渐升高，11月8月达到平均940.3℃，保持在937.5℃的合理范围内。

2.4主要技术经济指标有所提高

中间4104#槽（全石墨化阴极）为3.876V，比优化前低32mV，比对比槽低24mV（2）优化后测试电池的电流效率为90.44%，比优化前高0.59%，比对照电池高0.82%。其中4104#罐为91.18%，比优化前高1.13%，比对比罐（4125#）高2.06%;（3）优化后，试验槽的DC电耗为12952千瓦时/吨铝，比优化前低144千瓦时/吨铝，比对比槽低。（1）优化后的测试电池平均电池电压为3.930V，比优化前低18mV，比对照电池（同期）低24mV。197千瓦时/吨铝。4104#罐为12671千瓦时/吨铝，比优化前低263千瓦时/吨铝，比对比罐（4125#）低373千瓦时/吨铝。（4）优化后试验槽原铝液可达13353千瓦时/吨铝，比优化前低148千瓦时/吨铝，比对照槽低203千瓦时/吨铝。4104#罐为13063千瓦时/吨铝，比优化前低272千瓦时/吨铝，比对比罐（4125#）低385千瓦时/吨铝。（5）优化后试验槽氟盐单耗期为9.3 kg/t-al，比优化前降低8.1 kg/t-al，同期比对照槽低7.7 kg/t-al。4104#罐为9.1 kg/t-al，比优化前低8.6 kg/t-al，比对比罐（4125#）低7.9 kg/t-al。（6）试验槽碳阳极优化总消耗为494.5 kg/t-al，比对照槽低10.5 kg/t-al。4104#罐为487.2kg/t-al，比对比罐（4125#）低12.3kg/t-al。

2.5降低每吨铝的成本

（1）降低生产成本

与对比槽相比，试验槽电耗成本降低203千瓦时/吨铝× 0.2638元/千瓦时=53.5元/吨铝，氟化盐成本降低7.7公斤/吨铝× 6.788元/公斤=52.27元/吨铝，铝碳阳极成本降低10.5公斤/吨铝× 2

（2）降低大修的启动成本

该技术使电解槽寿命延长一年以上，全石墨化阴极电解槽大修启动成本降低42.48元/吨铝，高石墨化阴极电解槽大修启动成本降低72.02元/吨铝，每吨铝电解槽大修启动成本降低62.18元/吨铝。生产总成本和大修开车成本降低195.46元/吨铝。

参考文献

[1]成庚，等.一种铝电解槽炉帮厚度优化控制方法：ZL201611227093.7[P].2018-07-20.

[2] 邱竹贤.预焙槽炼铝[M].3版.北京：冶金工业出版社，2005.

[3] 刘业翔，李劼，等.现代铝电解[M].北京：冶金工业出版社，2008.