论文部分内容阅读
摘 要：目前世界电解铝工业科技含量提升、智能化程度提高，低耗、高产、优质和低污染成为电解铝生产技术经济指标的发展目标和方向，电解铝新技术探索不断进行。文章就如何提高铝电解槽的电流效率和节省电能做了详细探讨。
关键词：电流效率；电解温度和过热度；铝水平；电解质水平；极距；添加剂
中图分类号：TF351 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）03-0179-02
计算机技术和数学学科的高速发展成果被广泛应用于铝电解技术，促使以熔盐电解法炼铝为主导技术的铝电解工业不断得到创新发展，针对铝电解槽的物理场仿真和优化技术逐步精确，开发大容量槽、低电压技术是当今铝电解工业的发展趋势。尽管如此，其电能效率依然低于50%，理论上仍有很大的发展提升空间。美国早在2003年就将11 000 kWh/t-Al定为今后20年原铝直流电单耗目标值。而我国在2009年初将这一目标值定为12 500 kWh/t-Al，而2009年我国实际值高达13 118 kWh/t-Al，提升压力巨大。降低电解槽电耗的一个重要研究课题方向就是改善铝电流效率，电流效率和槽电压能够直接影响吨铝直流电耗，吨铝直流电耗数值高低标志着电解槽是否运行良好，产能是否高效，电解槽的直流电耗可用下式进行计算：
W=2.98×■
式中：
W为吨铝直流电耗，kWh/t-Al；
V为平均电压，V；
α为电流效率，%。
上式表明降低铝电解生产能耗可以通过提高电流效率或降低电解槽平均电压等方法实现，假设在槽电压相同情况下，若V=4.40 V，α=88%，当电流效率提高1%，则吨铝电能消耗将增加171.25 kwh/T。由于目前传统电解槽保温设计限制，电解槽电压不能无限降低，其值会影响电解槽热平衡，所以制约了低电压生产，因此最简单高效的节能途径是提高电解槽的电流效率。研究表明，影响铝电解槽的电流效率高低有多方面因素，主要从以下几方面进行论述。
1 电流效率的概念
铝电解槽在某特定时间内，某特定电流强度下进行铝电解时的电流效率：
？浊=■×100%
其中，
P实际为实际铝产量；
P理论为理论铝产量。
在实际电解铝生产过程中，槽内部的阴极析出金属铝和由于各种原因所导致铝损失掉一部分是时刻同时发生，实际上产出的铝量总会低于理论量，故电流效率总是低于100%。通过淘汰老旧技术、引进新技术，可减小铝的额外损失，能够有效提升电解的电流效率。通过研究分析发现，有多种因素会影响铝电解槽电流效率，如氧化铝浓度、温度、电解质水平、极距、阴极电流密度、炉底压降、电解焙烧等，下文做重点针对性分析。
2 电流效率的影响因素及分析
2.1 电解温度、过热度分析
电解槽的过热度、电解温度均可对电流效率产生严重影响，铝在电解质中的溶解度及溶解后的铝溶液的扩散速度均受温度影响，低温可以降低扩散到阳极氧化区的速度，减少电流效率的损失。根据费克第一扩散定律：
q=KA（V0-V1）/δ
式中：
K为扩散系数，cm/s；
q为单位时间的扩散流量，g/s；
A为扩散面积，cm；
V1为扩散层外部电解质中铝的浓度，V1=0；
V0为铝界面上电解质中铝的浓度，g/cm2。
由公式分析可知，当时，
①将会减小铝在电解槽中的溶解度，亦即V减小。
②会增大熔体的粘度，减小电解质的循环速度，导致扩散层的厚度δ变大。
③扩散系数K也减小。因此，降低电解槽中的电解温度后，q值减小，意味着减弱了铝的二次反应，减小了铝的损失，提升了电流效率。
当电解槽运行稳定时，尽可能的维持较低的电解温度，一般可以获得最好的电流效率，有研究表明：电解时每降低10 ℃，将提高电流效率达1%～5%。电解质的初晶温度决定了电解温度的大小，并且要确保电解过程能够顺利进行，电解质初晶温度与电解温度差值即为过热度，一般至少为5 ℃，否则就会导致电解质粘度和密度增大，电解质浓缩、氧化铝溶解度降低、导电率下降。这时会使电解槽内产生大量沉淀、槽底电压降增加。有可能会混淆铝液和电解质熔体相，加剧铝的溶解氧化损失，使电流效率急剧下降。因此，向电解槽内添加适量氟化锉、氟化镁，改善电解质的组成，均可降低电解质的初晶温度，进而维持电解槽在低温状态运行。
2.2 极 距
极距是指阴、阳两极之间的距离，具体讲就是铝电解槽中铝液界面到阳极底掌的垂直距离，是铝电解槽工艺技术参数之一，在一定的电解质组分下，电解槽工作电压的高低可以通过极距的高低来定性确定，虽然在一定的极距范围内，电解槽电流效率和极距成正比，但当极距超过一定值（大约7 cm）后，因极距增加而产生的焦耳热量将明显增加，电解温度提升，粘度也明显变小，加快了对流循环，促使铝的二次返溶增大，故电流效率几乎不再提高，电流效率随极距的增加变化不显著。经研究发现，极距的小幅变化就会引起槽电压较大变化，例如在大型预焙槽上，每缩短极距0.01 m，大约可以降低电压达0.30～0.33 V，电压降几乎占整个槽电压的1/3，低极距的节能潜力巨大，其他工艺技术条件（如：槽膛内形规整、两极状况良好、电解质水平和铝水平合理匹配）处于较为理想状态时，铝电解槽保持适当的低极距可以有效提高电流效率。极距过大，导致增高槽电压、增加电耗，增加热量，槽子转热而诱导病槽出现等，造成铝液波动；极距过小会引起局部短路，严重地拉低了电流效率。当前铝电解用极距一般为4.2～4.5 cm。
综上所述，提高电流效率的主要研究方向是发现既能保持电解槽稳定性又可降低压降的最佳极距。 2.3 铝水平、电解质水平分析
电解槽中盛装有铝液和电解质等成分，因各自成分具有不同的密度而导致出现溶液分层现象，各液层的厚度代表了其相应的水平。合理的铝液高度是电解槽获得好的技术经济指标必不可少的技术条件，工作中电解质水平经常维持在20～25 cm，大型预溶槽的铝水平一般维持在18～20 cm。电解槽稳定性和散热性也受铝水平的影响，铝水平会减小热损失，降低增强铝液的波动，提高槽内水平电流分量，电解槽的稳定性易被破坏，但炉底沉淀不易生成，因此保持铝水平的合理稳定是非常必要的。维持一定的铝水平、电解质水平的作用是：
①形成了一层良好的散热通道，利用此散热通道，多余热量会被快速传到阳极四周，从而均衡了槽内各处的温度。
②阴极炭块上不会因此放电析出铝离子，阻止了大量的碳化铝的产生，减小了炉底压降。
③适当厚度的铝液层相当于一层缓冲层和保温层作用，可保证炉底温度不因骤热骤冷而致早期破损。
④磁场作用可被适当厚度的铝液层大量削弱。
⑤Na+直接在炭块上放电析出会破坏炭块，铝水平、电解质水平阻止了Na+放电，保护了炉底炭块。
⑥维持一定量的铝液水平，磁场中的水平电流被减弱，减弱了铝液循环频率，使铝液不剧烈滚动。
⑦炉底上的高低不平，铝液层可填充填平，有利于均匀炉底电流分布。
⑧铝液的高度会影响伸腿的高度。因此，根据电解槽槽龄和电解工艺的技术条件保持电解槽内合理的铝液高度可有效提升电流效率，促进生产。
2.4 添加剂分析
电解质的构成决定电解质的物化性质，因此通过改变电解质成分调节电流效率，进而提高电解槽的产出效率，这也是国内外一直在进行的重要研究课题。有选择性地向电解槽内添加能优化电解质性质的各类添加剂是改善电解质成份的最重要方法。使用添加剂的主要目的是降低电解温度、抑制铝的溶解。添加剂可对电解过程同时产生多种影响，从而影响电流效率。针对添加剂MgF2、CaF2的研究发现，二者均能增强电解质在炭素电极上的界面张力，从而提高电流效率，但前者比后者能降低更多的电解质熔点，减少铝在电解槽中的溶解损失。研究发现，3～5%为合适的添加剂比例，超出这个比例范围均会对电解不利。到目前为止，氟化锂（或碳酸锂）、氟化镁等是电解铝工业中公认的有效加剂。
添加剂的效果对比：添加锂、镁盐复合剂的效果>单一添加碳酸锂或单一添加氟化镁>单一添加化镁。导致上述效果差异的原因是：
①对于单一氟化镁或碳酸锂添加剂来说，它们都能提高铝液界面与电解质的界面张力、降低电解质初晶点，但碳酸锂能减小电解质密度的特性抑制了电解质中铝液的扩散速度，所以，添加单一碳酸锂的效果比添加单一氟化镁好。
②当二者结合形成碳酸锂与氟镁复合剂时，单一氟化镁时增大电解质密度的不利影响被碳酸锂所具备的减小电解质密度的优点所抑制，同时，氟化镁能够加速γ—Al2O3向α—Al2O3转变，这个矿化作用促使生成的侧炉帮趋于稳定，并且电解质对炭素材料的湿润性被氟化镁所抑制的性质，能促进电解质与炭渣分离。因此，添加碳酸锂与氟化镁复合剂的综合作用就是电流效率得到较大提高。
2.5 炉帮分析
电解槽在规整的炉膛中才能够稳定运行，所以合理的炉帮设计也是提高电流效率的一个有效措施。边部具有一定厚度的陡直结壳而不延伸到阳极底下是适宜的炉膛内形，促进在阴极电流密度大得阳极底掌正投影下方的区域内聚集铝液，所以电流效率高。在电解生产管理过程中建立良好的启动后期管理制度，制造高分子比炉帮；经常检修电解槽设备，减少异常故障的发生，保持生产运行平稳等是建立良好的炉帮的必要条件。
3 结 语
综上所述，电解槽电流效率的高低不仅受诸多因素影响，同时各工艺技术参数之间又会彼此相互影响，只有维持槽电压在适宜合理的范围之内，同时研究出如何促使各因素之间互相配合和适应，并保持长期稳定运行，才能真正实现电解槽的低耗高效，延长电解槽的使用寿命，进而为公司创造更多的价值。
参考文献：
[1] 黄英科.论提高铝电解槽电流效率的途径[J].南方冶金学院学报，1992，（1）
[2] 邱竹贤.预焙槽炼铝（第三版）[M].北京：冶金工业出版社，2005.
[3] 王永良，孙树臣，铁军，等.铝液界面波动对铝电解槽阳极电流及槽电压影响的仿真研究[J].轻金属，2013，（10）.
关键词：电流效率；电解温度和过热度；铝水平；电解质水平；极距；添加剂
中图分类号：TF351 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）03-0179-02
计算机技术和数学学科的高速发展成果被广泛应用于铝电解技术，促使以熔盐电解法炼铝为主导技术的铝电解工业不断得到创新发展，针对铝电解槽的物理场仿真和优化技术逐步精确，开发大容量槽、低电压技术是当今铝电解工业的发展趋势。尽管如此，其电能效率依然低于50%，理论上仍有很大的发展提升空间。美国早在2003年就将11 000 kWh/t-Al定为今后20年原铝直流电单耗目标值。而我国在2009年初将这一目标值定为12 500 kWh/t-Al，而2009年我国实际值高达13 118 kWh/t-Al，提升压力巨大。降低电解槽电耗的一个重要研究课题方向就是改善铝电流效率，电流效率和槽电压能够直接影响吨铝直流电耗，吨铝直流电耗数值高低标志着电解槽是否运行良好，产能是否高效，电解槽的直流电耗可用下式进行计算：
W=2.98×■
式中：
W为吨铝直流电耗，kWh/t-Al；
V为平均电压，V；
α为电流效率，%。
上式表明降低铝电解生产能耗可以通过提高电流效率或降低电解槽平均电压等方法实现，假设在槽电压相同情况下，若V=4.40 V，α=88%，当电流效率提高1%，则吨铝电能消耗将增加171.25 kwh/T。由于目前传统电解槽保温设计限制，电解槽电压不能无限降低，其值会影响电解槽热平衡，所以制约了低电压生产，因此最简单高效的节能途径是提高电解槽的电流效率。研究表明，影响铝电解槽的电流效率高低有多方面因素，主要从以下几方面进行论述。
1 电流效率的概念
铝电解槽在某特定时间内，某特定电流强度下进行铝电解时的电流效率：
？浊=■×100%
其中，
P实际为实际铝产量；
P理论为理论铝产量。
在实际电解铝生产过程中，槽内部的阴极析出金属铝和由于各种原因所导致铝损失掉一部分是时刻同时发生，实际上产出的铝量总会低于理论量，故电流效率总是低于100%。通过淘汰老旧技术、引进新技术，可减小铝的额外损失，能够有效提升电解的电流效率。通过研究分析发现，有多种因素会影响铝电解槽电流效率，如氧化铝浓度、温度、电解质水平、极距、阴极电流密度、炉底压降、电解焙烧等，下文做重点针对性分析。
2 电流效率的影响因素及分析
2.1 电解温度、过热度分析
电解槽的过热度、电解温度均可对电流效率产生严重影响，铝在电解质中的溶解度及溶解后的铝溶液的扩散速度均受温度影响，低温可以降低扩散到阳极氧化区的速度，减少电流效率的损失。根据费克第一扩散定律：
q=KA（V0-V1）/δ
式中：
K为扩散系数，cm/s；
q为单位时间的扩散流量，g/s；
A为扩散面积，cm；
V1为扩散层外部电解质中铝的浓度，V1=0；
V0为铝界面上电解质中铝的浓度，g/cm2。
由公式分析可知，当时，
①将会减小铝在电解槽中的溶解度，亦即V减小。
②会增大熔体的粘度，减小电解质的循环速度，导致扩散层的厚度δ变大。
③扩散系数K也减小。因此，降低电解槽中的电解温度后，q值减小，意味着减弱了铝的二次反应，减小了铝的损失，提升了电流效率。
当电解槽运行稳定时，尽可能的维持较低的电解温度，一般可以获得最好的电流效率，有研究表明：电解时每降低10 ℃，将提高电流效率达1%～5%。电解质的初晶温度决定了电解温度的大小，并且要确保电解过程能够顺利进行，电解质初晶温度与电解温度差值即为过热度，一般至少为5 ℃，否则就会导致电解质粘度和密度增大，电解质浓缩、氧化铝溶解度降低、导电率下降。这时会使电解槽内产生大量沉淀、槽底电压降增加。有可能会混淆铝液和电解质熔体相，加剧铝的溶解氧化损失，使电流效率急剧下降。因此，向电解槽内添加适量氟化锉、氟化镁，改善电解质的组成，均可降低电解质的初晶温度，进而维持电解槽在低温状态运行。
2.2 极 距
极距是指阴、阳两极之间的距离，具体讲就是铝电解槽中铝液界面到阳极底掌的垂直距离，是铝电解槽工艺技术参数之一，在一定的电解质组分下，电解槽工作电压的高低可以通过极距的高低来定性确定，虽然在一定的极距范围内，电解槽电流效率和极距成正比，但当极距超过一定值（大约7 cm）后，因极距增加而产生的焦耳热量将明显增加，电解温度提升，粘度也明显变小，加快了对流循环，促使铝的二次返溶增大，故电流效率几乎不再提高，电流效率随极距的增加变化不显著。经研究发现，极距的小幅变化就会引起槽电压较大变化，例如在大型预焙槽上，每缩短极距0.01 m，大约可以降低电压达0.30～0.33 V，电压降几乎占整个槽电压的1/3，低极距的节能潜力巨大，其他工艺技术条件（如：槽膛内形规整、两极状况良好、电解质水平和铝水平合理匹配）处于较为理想状态时，铝电解槽保持适当的低极距可以有效提高电流效率。极距过大，导致增高槽电压、增加电耗，增加热量，槽子转热而诱导病槽出现等，造成铝液波动；极距过小会引起局部短路，严重地拉低了电流效率。当前铝电解用极距一般为4.2～4.5 cm。
综上所述，提高电流效率的主要研究方向是发现既能保持电解槽稳定性又可降低压降的最佳极距。 2.3 铝水平、电解质水平分析
电解槽中盛装有铝液和电解质等成分，因各自成分具有不同的密度而导致出现溶液分层现象，各液层的厚度代表了其相应的水平。合理的铝液高度是电解槽获得好的技术经济指标必不可少的技术条件，工作中电解质水平经常维持在20～25 cm，大型预溶槽的铝水平一般维持在18～20 cm。电解槽稳定性和散热性也受铝水平的影响，铝水平会减小热损失，降低增强铝液的波动，提高槽内水平电流分量，电解槽的稳定性易被破坏，但炉底沉淀不易生成，因此保持铝水平的合理稳定是非常必要的。维持一定的铝水平、电解质水平的作用是：
①形成了一层良好的散热通道，利用此散热通道，多余热量会被快速传到阳极四周，从而均衡了槽内各处的温度。
②阴极炭块上不会因此放电析出铝离子，阻止了大量的碳化铝的产生，减小了炉底压降。
③适当厚度的铝液层相当于一层缓冲层和保温层作用，可保证炉底温度不因骤热骤冷而致早期破损。
④磁场作用可被适当厚度的铝液层大量削弱。
⑤Na+直接在炭块上放电析出会破坏炭块，铝水平、电解质水平阻止了Na+放电，保护了炉底炭块。
⑥维持一定量的铝液水平，磁场中的水平电流被减弱，减弱了铝液循环频率，使铝液不剧烈滚动。
⑦炉底上的高低不平，铝液层可填充填平，有利于均匀炉底电流分布。
⑧铝液的高度会影响伸腿的高度。因此，根据电解槽槽龄和电解工艺的技术条件保持电解槽内合理的铝液高度可有效提升电流效率，促进生产。
2.4 添加剂分析
电解质的构成决定电解质的物化性质，因此通过改变电解质成分调节电流效率，进而提高电解槽的产出效率，这也是国内外一直在进行的重要研究课题。有选择性地向电解槽内添加能优化电解质性质的各类添加剂是改善电解质成份的最重要方法。使用添加剂的主要目的是降低电解温度、抑制铝的溶解。添加剂可对电解过程同时产生多种影响，从而影响电流效率。针对添加剂MgF2、CaF2的研究发现，二者均能增强电解质在炭素电极上的界面张力，从而提高电流效率，但前者比后者能降低更多的电解质熔点，减少铝在电解槽中的溶解损失。研究发现，3～5%为合适的添加剂比例，超出这个比例范围均会对电解不利。到目前为止，氟化锂（或碳酸锂）、氟化镁等是电解铝工业中公认的有效加剂。
添加剂的效果对比：添加锂、镁盐复合剂的效果>单一添加碳酸锂或单一添加氟化镁>单一添加化镁。导致上述效果差异的原因是：
①对于单一氟化镁或碳酸锂添加剂来说，它们都能提高铝液界面与电解质的界面张力、降低电解质初晶点，但碳酸锂能减小电解质密度的特性抑制了电解质中铝液的扩散速度，所以，添加单一碳酸锂的效果比添加单一氟化镁好。
②当二者结合形成碳酸锂与氟镁复合剂时，单一氟化镁时增大电解质密度的不利影响被碳酸锂所具备的减小电解质密度的优点所抑制，同时，氟化镁能够加速γ—Al2O3向α—Al2O3转变，这个矿化作用促使生成的侧炉帮趋于稳定，并且电解质对炭素材料的湿润性被氟化镁所抑制的性质，能促进电解质与炭渣分离。因此，添加碳酸锂与氟化镁复合剂的综合作用就是电流效率得到较大提高。
2.5 炉帮分析
电解槽在规整的炉膛中才能够稳定运行，所以合理的炉帮设计也是提高电流效率的一个有效措施。边部具有一定厚度的陡直结壳而不延伸到阳极底下是适宜的炉膛内形，促进在阴极电流密度大得阳极底掌正投影下方的区域内聚集铝液，所以电流效率高。在电解生产管理过程中建立良好的启动后期管理制度，制造高分子比炉帮；经常检修电解槽设备，减少异常故障的发生，保持生产运行平稳等是建立良好的炉帮的必要条件。
3 结 语
综上所述，电解槽电流效率的高低不仅受诸多因素影响，同时各工艺技术参数之间又会彼此相互影响，只有维持槽电压在适宜合理的范围之内，同时研究出如何促使各因素之间互相配合和适应，并保持长期稳定运行，才能真正实现电解槽的低耗高效，延长电解槽的使用寿命，进而为公司创造更多的价值。
参考文献：
[1] 黄英科.论提高铝电解槽电流效率的途径[J].南方冶金学院学报，1992，（1）
[2] 邱竹贤.预焙槽炼铝（第三版）[M].北京：冶金工业出版社，2005.
[3] 王永良，孙树臣，铁军，等.铝液界面波动对铝电解槽阳极电流及槽电压影响的仿真研究[J].轻金属，2013，（10）.