低温铝电解、铝电解工艺与控制技术的研究

周 亮

（西部水电有限公司，青海 西宁810000）

铝是一种常见的自然资源，自然界中分布广泛，在诸多金属元素中，铝为首位。以往的铝金属是基于化学法制曲，最初是基于霍尔-埃鲁法来制曲铝，从1886 年诞生以来，成为近百年工业炼铝的唯一方法。但是，随着社会对铝资源需求度不断提升，此种制铝方法的缺陷逐渐暴露出来，开始寻求更加前沿的低温铝电解工艺，力求在提升制铝效率同时，减少能源损耗和环境污染，赋予铝生产企业持久发展动力。

1 铝电解生产工艺流程

1.1 铝电解生产工艺流程

铝电解工艺生产中，结合现有市场上企业的生产工艺来看，主要是以冰晶石-氧化铝融盐电解法，基于铝电解槽实现，将炭素材料作为两级，冰晶石-氧化铝熔体充当电解质，从阳极将强大直流电导入，基于电解质和铝液层导出阴极[1]。直流电导入其中，其目的是为了基于电流热能促进冰晶石熔化，维持恒定电解温度。同时，实现电化学反应，从阴极上将铝离子中的电子析出，获取铝液，阳极上阳离子放电生成混合气体，包括一氧化碳和二氧化碳，并借助集气净化吸收来排入空气中。阴极上获取液态铝，伴随着电解过程逐步增加铝量，在电解槽中使用真空抬包吸出，运输到铸造车间，通过配料、净化和过滤等环节最终制取铝锭。工业电解槽中，95%的冰晶石和2%～5%氧化铝构成了电解质，电解温度控制在940℃～970℃范围内，同时将电解质密度控制2.1g/cm3，铝液密度则是2.3g/cm3，由于密度差异出现了上下分层情况。

1.2 低温铝电解工艺概述

相较于传统的铝电解工艺，低温铝电解工艺是一种控制电解生产温度在800℃～900℃范围内的电解工艺，是过热度和初晶温度的综合。在具体电解生产中，为了降低电解质温度，所选择的方法有降低电解质初晶温度，以及降低过热度。铝熔点为650℃，电解质温度达到700 即可实现电解。此种低温铝电解工艺优势鲜明，可以大大提升电解中电流效率，将电解质温度控制在特定范围内，可以起到节能降耗作用。而实现这一目标，则需要注重电解铝材料的选用，以氧化铝为主，此种材料成本低、吸水能力强，便于运输和保存，值得推广应用。

2 低温铝电解工艺

2.1 氧化铝超浓相输送控制技术

此项技术在实际应用中，电解烟气净化媳妇烟气后，载氟氧化氯基于气力输送方式输送到电解槽料仓，其中包括打料罐、压力缓冲罐、下料溜槽风机、输送管路和各个阀门等多部分。浓相输送系统运行的外部条件，有压力罐、压缩空气和输送管路等，基于系统各阀门有效控制，将新鲜氧化铝输入到新鲜氧化铝仓，这个过程中要调整好固气比例[2]。

氧化铝超浓相输送控制技术智能化水平较高，输送过程分为三个阶段智能控制：①充料环节。将新鲜氧化铝送入打料罐中，控制充料阀、排空阀、下料风机和下料阀。②加压环节。加压过程中，打料罐中充满新鲜氧化铝，对罐内加压处理，为输送提供支持，可以提升输送效率。③输送环节。输送新鲜氧化铝到氧化铝仓，控制输送阀、压力平衡阀、助吹阀和物料出口阀。

氧化铝浓度模糊控制，基于氧化铝浓度和槽电阻关系曲线上实现，由于低温铝电解工艺特性，选择自适应加料模糊控制方式，将浓度较低一侧率电阻曲线为标准浓度值，基于关系曲线了解低氧化铝浓度区很少会出现沉淀，随着槽电阻曲线斜率增加，便于计算机实时监测控制。此种控制方式，基于槽电阻升降过程中斜率变化情况，用于判断氧化铝浓度，以此为依据控制周期转换。氧化铝浓度较低，电压升高后进入增量加料周期，电压下降同时，逐步进入到正常的加料周期电压维持不变；减量周期，氧化铝浓度下降，促使电解槽依据加料周期维持氧化铝浓度在合理范围内，实现电解槽有效控制。

2.2 电解质优化技术

低温铝电解中，需要选择多种原材料，包括非传统低温电解和传统低温电解两种，前者非氧化铝作为原料进行低温铝电解生产，后者则是氧化铝为原料进行低温铝电解生产。结合现代铝生产工艺相关要求，在满足铝生产需求的前提下，尽可能提升电流效率、减少能耗，而使用低温铝电解工艺，可以大大提升电流效率。低温铝电解工艺主要是讲氧化铝作为原料，不同状态下进一步细化电解质，包括轻电解质、悬浮氧化铝电解质以及重电解质，通过降低电解质温度来满足低温铝电解生产需要，而实现这一目标则是基于低熔点电解质。

氧化铝作为原材料，淘汰铝盐材料，具有不容易吸水、便于存储和运输的优势，通过改变电解质构成来优化铝电解槽结构，通过电解产生二氧化碳和氧气，更符合节能降耗相关要求，对于社会可持续发展意义深远。结合低温铝电解实验相关要求，多是在冰晶石体系中进行，熔体构成包括AlF3、NaAlF6以及Al2O3，并加入一定量的LiF 和CaF2等添加剂，满足生产工艺需求[3]。

低温铝电解生产中，提升电流效率是一个主要目标，所以所选择的摩尔比值应尽可能在高电流效率区，摩尔比值为2.32 时电流效率处于较高水平，可以在生产中选用。需要注意的是，电流效率和电解温度之间联系密切，随着电解温度下降，电流效率反向增加，在相应范围内随着电解温度降低10 度，会增加电流效率1%到2%左右，在达到一定值后变化逐渐趋于稳定。电解温度不断下降，电解质年度增加会降低电导率，在电解槽中有大量沉淀存在，阻碍电解槽生产活动。铝工业生产中，应选择铝电解工艺的点解温度在910℃～930℃范围内，降低电解质初晶温度，满足低温铝电解工艺生产需要。

3 低温铝电解工艺的控制技术

一般情况下，使用低温铝电解工艺，应契合实际情况选择合适的控制技术。九区控制技术，是结合初晶温度、电解槽电解温度和过热度测量数据，在平面上将电解槽的九种状态划分为九个区域，其中5 区的电解质各项指标均为理想值。九区控制技术包含控制程序与仪表测量系统构成，其中仪表测量系统，是用于对电解质过程各项指标检测，结合实验结果来设置九区控制模型[4]。

结合电解温度/过热度测量，确定电解操作属于哪一个区，为各个区设置专门的诊断程序，调整槽电压，促使电解操作朝着第五区运动。其目标是为了尽可能的接近或到达第五区，使用计算机设置相应程序辅助控制，通过收集和分析冰晶石多功能分析仪表测量数据，计算槽电压调整量，便于清晰、直观的了解到电解槽运行状态。

控制过热度指标，本质上是物质平衡控制，第五区为中心区域，也是电解槽最佳区域，而第一、第四和第七区则是低温区，需要相关人员对电解槽及时检修和排查，促使电解槽尽快进入到第五区；第三、第六和第九区是高温区，要求对电解槽及时排查，促使电解槽尽快脱离高温区进入第五区。

因此，结合电解槽电压升降同初晶温度、电解温度、过热度之间关系，控制电解槽热平衡，并基于增减适量的电解槽氟盐量，用于电解槽电解质成分调整。实行主要控制方式，调整槽电压，过热度条件允许情况下，适当的升降槽电压，设定电压升降限度，实现低温铝电解工艺生产全过程的有效控制，提升生产效率和质量。

4 结论

总的说来，低温铝电解工艺作为一种低能耗、高效率的工艺，相较于常规工艺，对铝生产流程优化改进，可以有效提升生产效率，减少铝生产过程中的能源损耗和环境污染，在保障生产全过程安全的前提下，助力人类社会可持续发展。