电解铝生产工艺的优化分析

冯 冰

（郑州轻冶科技股份有限公司，河南 郑州 450000）

自20世纪50年代起，我国铝工艺不断发展，时至今日，已经形成一个较为完备的产业链，向经济社会发展的各个领域持续输送铝材。当前，我国铝产量已经跃居世界首位，但从生产技术上看，我国的电解铝生产工艺仍然处于相对落后的状态，不仅需要消耗大量能源，而且还造成了较为严重的环境污染，因此，实践之中，需要实施针对性优化策略，力求提高电解铝生产的节能环保水平。

1 我国电解铝生产活动发展现状分析

能耗过高是我国电解铝行业在发展过程中普遍存在的问题，在规模较小且缺乏资金的企业身上，这一问题尤为突出，生产一吨铝通常需要消耗大量电能[1]。与此同时，部分企业在优化技术的过程中遭遇了明显的瓶颈，难以在降低能耗的同时保障产品质量达到相关标准的要求。部分企业在实践中提出通过强化电流的方法来有效解决电压不足的问题，但由于整流系统性能无法满足相应要求，因此难以取得理想的效果。实际上，由于电压下降会导致电流效率同步下降，因此必须处理好两者之间的关系，重视使两者达到平衡，但平衡状态的实现需要通过复杂的数字建模来辅助完成，因此难度较高。此外，还有部分企业尝试通过加强管理来优化生产流程，取得了一定的成效，但并未实现根本性突破。由于当前我国电解铝企业较少在技术和工艺研发上投入资金，因此从整体上看，并未对能耗实现有效优化。

2 电解铝生产实践中存在的主要问题

2.1 安全风险较高

电解铝生产需要持续不断地大量供应电能，电解槽运行功率较高且能耗较大。实践之中，通常无法长期保持供电的持续性，难免会出现供电波动状况，当电解槽这一大功率设备出现波动现象时，整个供电网的安全性都会受到显著的负面影响[2]。由于电解槽属于一类带电设备，因此其在运行过程中必须与地面保持绝缘，不能接地或发生“零点漂移”，否则将导致安全风险增大，员工的人身安全受到威胁。生产实践之中，员工在操作铁质工具时，极易与电解槽接触，导致打火现象的出现。此外，在应用电解槽时，电解质作业的环境温度在超过900摄氏度以上时，容易导致烫伤事故。

2.2 电流效率较低

市场经济下，近年来铝产品价格呈现出持续走低的态势，在这一背景下，考虑到电价因素，出于节省经济成本的目的，许多铝电解企业在生产过程中通常选用低电压工艺，由于电解槽设计不合理、炉膛不规整、技术不匹配及所使用的原材料质量差、操作质量差等因素，电解槽整体效率降低，随着其使用年限的增长，炉底状态会逐渐恶化，阴极严重磨损且石墨抗冲蚀能力下降，安全风险进一步增强，不利于生产活动的开展。

2.3 生产成本问题

由于电解铝生产活动需要消耗电能，因此大部分企业通常会选择通过自建电厂的方式来确保电能供应。与此同时，电解铝企业通常选择在电价较低的区域建[3]。此外，还有部分企业通过挖掘本地煤矿优势，来打造生产链。然而，当前在实践之中，影响成本的因素仍然较多，由于工艺未能实现优化，因而难以有效地控制生产成本。

3 电解铝生产工艺的实践优化策略

电解铝生产是一项能耗较高的活动，对其生产工艺进行优化时，应将重点放在“节能”上，通过节能来达到降低企业生产成本和减少环境污染的目的[4]。在铝电解的过程之中，电解槽的直流电消耗及其他环节中辅助设备的电能消耗，是导致此项生产活动消耗电能的主要因素，其中，直流电消耗占据整体电能消耗的95%以上，也因此成为优化的核心与重点。依据当前的电解铝生产原理，直流电的消耗量，直接受到触电槽平均电流和效率的影响：平均电流越大，则耗电量越大，反之，平均电流越小，直流耗电越小，此外，电流效率越高，则直流耗电越小。因此，可以通过减小平均电压和提高电流效率来有效达到降低能耗的目的，这也成为优化电解铝生产工艺的主要思路。具体而言，可以采取以下几项策略。

3.1 降低平均电压

降低平均电压，即控制工作电压、使得效应分摊电压与母线电压尽量处于较低水平[5]。由于工作电压实际上并非某一单一电压，而是由设备各个模块的供电电路共同组成的、拥有多个各不相同电压等级的多级电压体系，因此，实践之中，可以通过采取逐级分析和逐级优化的策略，有效达到降低工作电压的目的，从而在整体上对于总电压进行高效控制。在降低分摊效应电压时，首先需要减小效应持续时间，其次，增加效应间隔并削弱效应系数的影响。由于电解槽结构设计与母线电压之间存在着较为密切的关系，因此，可以将设计因素作为突破口，重视降低各个接触面的电压，加大对于立柱母线、停槽短路口、卡具等关键部位的关注，在确保接触面处于洁净状态的前提下，对于停槽短路口的电压进行控制（通常需要使其处于10mV以下），并定期通过测量确保电压处于合理范围。当前，已经形成了多种能够对平均电压进行有效控制的理论与方法，这些方法的主要思路均为从电解的各个环节入手调整电压，其中，调整目标主要包括阴阳极电压、电解质电压、效应分摊电压、极化电压及母线电压。通过控制这些环节的电压，能够大幅降低平均电压，进而达到减少能耗的目的[6]。

3.2 提高电流效率

提升电流效率的方式主要有调整通用参数、把控质量及提升工艺等手段，控制人造伸腿尺寸、应用正交试验对于电解工艺参数进行优化、使用具有良好性能的氧化铝及阳极材料进行生产，同样是提高电流效率的重要手段[7]。实践之中，可以通过智能控制电解槽的温度，对于多项影响因素进行组合研究，利用单因素法排查影响电解槽温度的关键因素，并对于关键因素进行重点控制，确保分子比与过热度处在合理范围之内，若槽温过高，则可以将分子比控制在下限附近，反之，若槽温过低，则应注意使分子比保持在上限附近。此外，需要根据电解槽冷热行程的整体变化趋势，对于氟盐的添加量进行确定，从而保持分子比的稳定性，使其始终处于一个合理的范围之中，避免出现过于频繁的波动或是异常波动。除技术手段之外，管理手段同样是提高电流效率的重要路径，通过推动电解铝生产活动朝着标准化和规范化生产、提高整体管理水平，企业能够有效降低人为主观因素对于电流效率的负面影响，达到提高生产效率的目的。

3.3 降低辅助电耗

除电解槽之外，在电解铝的生产过程之中，还需要使用诸多同样消耗电能的辅助设备，在对生产工艺进行优化时，也需要考虑这些辅助设备的电能消耗，通过降低其能耗，来进一步改善整体节能效果。辅助设备的电能消耗主要来源于阳极组装及铸造、电解动力变、供料净化等工艺，其中，对于供料净化环节进行优化时，主要应考虑调整运行方式、控制相关参数，以此增强其稳定性；对于阳极组装环节进行优化时，则主要需考虑炉的频率这一影响因素，通常情况下，使用中频炉可以取得较好的节能效果，因此，应尽可能地在生产过程中使用中频炉；对于电解动力变及空压机进行优化时，应着力调整其运行方式，结合其实际运行环境、设备温度来进行动态化管控调整，从而确保设备始终处于最佳运行状态。

3.4 构建自动化管控模式

当前，电解铝生产过程之中，通常需要将数以百计的电解槽进行串联，构建一个生产系列，并在此基础上进行生产。在强大的直流电流作用下，电解槽内会急剧发生一系列复杂的反应，包括物理反应、化学反应、电化学反应等，并在这一体系内形成彼此之间具有密切关联且可变的磁场、电厂、熔体流动场及温度场等物理场[8]。由于电解槽内的高温熔体具有较强的腐蚀性，且无法对于其温度、浓度及极距等关键参数进行在线检测（实际上，只有电解槽电压和系列电流能够得到在线检测），因此，要想获得足够理想且经济的指标，就需要在实践中对于热平衡和极距、物料平衡、电解槽状况及辅助决策等参数进行有效控制。自动化技术是提高控制水平的重要关键，在计算机和信息网络技术的支持下，企业能够有效提高控制参数的能力，从而达到降低能源消耗、防范环境污染问题出现、节省人力资源的目的，与此同时，实现生产效率的提升。在此方面，企业应重视不断提升自身信息化与自动化水平，与此同时，增强员工的信息化意识，提高其实践能力，重视借助信息化手段实现对于关键参数的动态化监控，并及时发现其中存在的安全风险问题，增强电解铝生产的安全性，提高员工的人身安全水平。

4 结语

总之，为推动我国铝行业实现进一步发展，切实解决当前电解铝生产活动中存在的安全风险高、电流效率低及经济成本高等一系列问题，实践之中，应重视落实好降低平均电压、提升电流效率、降低辅助能耗及构建自动化管控模式等一系列策略，达到节能环保的目的，并有效降低经济成本，实现经济效益与社会效益的有机结合。