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[摘 要]本文阐述了电解质过热度在铝电解生产中的重要作用，分析了电解质过热度与电解槽炉帮及电解生产中电流效率的关系，同时结合我厂实际生产情况，提出了电解质过热度的技术控制思路，进一步提高铝电解槽的电流效率，降低能耗，提高大型预焙槽炼铝的能量利用率。
[关键词]铝电解槽；电解质过热度；电流效率；物料平衡；能量平衡
中图分类号：TF82 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）09-0297-02
1 前言
电解质过热度是铝电解体系的一个重要性质，它与电解槽电解质温度有直接的关系。铝电解生产过程中，电解质的成分，对铝电解生产的各项经济技术指标有重要的影响。
电解质过热度是电解质温度与电解质初晶温度之差，我厂过热度一般控制在10～15度左右，一直以来我们对过热度的控制并没有引起足够的重视。Solheim的最新研究指出，较低的过热度可以在铝阴极表面沉积一层冰晶石壳膜，因而可阻止铝的溶解损失，提高电解槽的电流效率。然而过热度太低时也会引起过多的冰晶石沉积和沉淀，而导致电解槽的不稳定，最佳的过热度的大小应与电解质的分子比、电解质初晶温度有关。分子比较低时，需要适当提高一点过热度，因为在此时，电解质的初晶温度的变化受电解质分子比变化的影响较大。
2 电解质过热度与铝电解生产的关系
2.1 电解质过热度与电解槽炉帮厚度的关系
电解质过热度控制着边部炉帮和炉底结壳的形成，电解槽邊部碳块和氮化硅结合碳化硅砖必须有一层侧部炉帮保护，以避免电解质的腐蚀（如图1）.
为了形成炉帮，必须有足够的热量从槽侧部散失掉，从而使侧部的液-固两相界面的温度降到凝固点温度，以使炉帮变厚 X：
Q=hAΔT；X=KA（Tl-Ts-QRw）/Q
上式中Q表示散失的热量；h表示热传递系数；A表示界面面积；ΔT表示过热度；K表示凝固电解质的传递热；Tl表示炉帮表面温度（初晶温度）；Ts表示槽壳表面温度；Rw 表示槽壳表面的热阻（Rw=Rs+Rl+Rc），如图2。
从上式可以看到电解槽的散热量是由过热度决定的，过热度越高散热量越大。铝电解生产过程中，若槽内氟化铝浓度的下降，分子比增大，电解质初晶温度上升，导致过热度降低，则炉帮增厚，伸腿变长，从测量两水平来看，表现为电解质萎缩及铝水平上涨，减少了电解质对侧部碳块的冲刷；反之，槽内氟化铝浓度的上升，分子比降低，电解质初晶温度下降，导致过热度增大，则炉帮减薄，伸腿缩短，从测量两水平来看，表现为电解质水平增高而铝水平降低，增加了电解质对侧部碳块的冲刷。
2.2 电解质过热度与电流效率的关系
电解槽能量平衡公式为：
IUp=0.3356rf+Qs+IUd
式中 I为电流强度，kA；Up为体系中的电压降，V，也包括阳极效应分摊的电压；r为电流效率；f为单位重量铝所需的反应能量，kW·h/kg（Al） ；Qs为电解槽的热损失系数，是按单位电量计算的热损失量，量纲是伏，也就是补充电解槽热损失量所需的电压；Ud 为母线压降，V。
电解过程中，电流强度和母线压降的变化非常小。从上式可以看出，在平均电压不变的条件下，电流效率与散热量成反比，电流效率的降低会增大电解槽的散热量，多余的热量如果不能被及时散失，电解槽的过热度就会增大，引起电解槽的温度升高和电流效率降低，电流效率的下降使电解槽的热散失量进一步加大，这种恶性循环的结果将会使电解槽炉帮熔化，电解质上涨，对电解生产的影响很大。
生产实践证明，当电解温度恒定时，过热度的大小直接影响电流效率的高低。国际著名的铝冶金专家Haupin对大量的电流效率数据的统计分析表明，电解槽的电流效率更依赖于过热度，而不是电解质温度，其原因现在尚未搞清。目前国外大型预焙阳极电解槽的过热度一般在5～10℃，如表2：法国彼斯涅电解槽的一些技术数据情况统计表（表1）：
3 电解质过热度技术控制思路
电解质过热度的控制，主要是要控制好电解槽物料平衡和能量平衡。物料平衡是要做好电解质成分的调整，控制好电解质的初晶温度；电解槽的能量平衡是要控制好极距（热收入）和控制好热量的损失。
3.1 控制好物料平衡
电解温度的高低对电流效率和电能消耗有很大影响，而电解质的初晶温度随物料平衡（或电解质体系成分）的变化而变化，影响电解质初晶温度较大的成分有分子比、氧化铝等。
3.1.1 分子比的影响
冰晶石是电解质中主要成分，在我厂生产实践中，都采用酸性电解质进行生产，下表3是我厂含有8%Al2O3，4～6%CaF2的电解质其初晶温度和分子比的变化情况。
生产实践中，分子比偏低或偏高对槽膛都会有较大的影响，对槽温的平衡控制带来极大的困难。随着分子比降低，电解质表面张力增大，减小了电解质对碳渣的润湿度，使碳渣更易于从电解质中排出。在影响初晶温度的电解质成分中，分子比是动态变化的，降低分子比，电解质的初晶温度降低，使金属铝容易从电解质析出，有利于碳粒从电解质中分离，电流效率提高，但电解质的导电率增大。如果不及时调整槽工作电压，必然影响极距或过热度，从而影响电解槽的稳定性和电流效率。适宜的分子比调整是现代节能铝电解槽的标志，为铝电解槽中电解质各成分的添加及下料提供了依据。
3.1.2 氧化铝浓度的影响
在实际生产过程中，我厂采用中南业翔槽控系统的计算机智能模糊控制技术来实现对氧化铝浓度的控制。通过中南业翔槽控系统对氧化铝浓度特征电阻曲线的分析，可以得出结论：将氧化铝浓度控制在敏感区（1.5-2.5%），不仅计算机易于识别，而且槽况稳定，对初晶温度影响小，利于降低分子比，为取得高的电流效率奠定基础。目前，我厂采用中南业翔槽控系统的计算机智能模糊控制技术思路是：在传统模糊激励分档及模糊推理的基础上，提出了窄区域氧化铝浓度控制算法，通过引入激励强度因子和激励速度因子，增加物料平衡分析在氧化铝浓度控制综合分析中的权重，使浓度控制不但能控制在低浓度区域，而且精度明显提高。氧化铝浓度控制程序包括正常、减量、增量、加工四种控制程序，通过槽控机按钮自动实现。 3.2 控制好能量平衡
在过欠加工下料制度不变的情况下，电解质成分相对稳定，初晶温度相对稳定的情况下，控制好过热度的高低，主要取决于电解槽能量平衡，也就是说热收入和熱损失决定着过热度的高低。
3.2.1 热损失控制
要减少电解槽的热损失量，可以增大槽底部和阴极钢棒导出部位的保温能力，加强槽面特别是阳极碳块上的保温。
槽底的保温性能与槽底的保温结构有关，这是电解槽的设计因素，而在实际生产过程中，我们一般通过调整阳极上氧化铝保温料的厚度来减少热损失，从图3可以看出，随着氧化铝保温料厚度的增加，电解槽的热损失大大的减少。在我厂正常生产的电解槽上，阳极上保温料厚度一般保持在18～20cm左右，只要管理到位，这部分对过热度的影响应该能尽量减小。
3.2.2 热收入的控制
热散失与电解槽设计以及日常生产基本作业管理有很大的关系，而电解温度的高低又很大程度上取决于热收入的高低，也就是说电解温度的高低，极距的高低起着决定性的作用。在电流恒定的情况下，极距越高，则电解槽的热收入就越多，我们通过调节极距来调整电解槽的热收入，从而达到对过热度的控制。
对实际在产的铝电解槽来说，能量平衡和物料平衡是相互关联，相互配合的。电解槽中物料添加时使电解质的初晶温度降低，过热度升高。过热度增加又导致槽侧部的散热量增加，影响到热平衡，使槽帮结壳及伸腿熔化，AlF3的浓度降低。如果极距增加，输入到电解槽中的能量就会增加，直接的影响就是使电解质的温度增加和过热度增加。电解质温度增加时，也会使沉淀和槽帮结壳熔化，电解质的初晶温度上升，这反过来又使过热度降低。所以我们在控制过热度时要综合考虑各种技术参数的变化。
4 结论
（1）电解质过热度的控制对电解槽炉帮的形成有重要影响；
（2）生产实践过程中，保持较低的电解质过热度，有利于提高电流效率和能量利用率；
（3）要控制较好的过热度，就要控制好分子比，要制定好合理的Al2O3下料制度，要做好电解槽的保温，要保持好合理的极距。
参考文献
[1] 冯乃祥，彭建平.再谈我国铝电解技术与国际先进水平的差别兼论铝电解生产中的新技术.
[2] 侯光辉，邱仕麟.大型预焙铝电解槽电解质过热度的测定以及炉帮与过热度的关系[J].轻金属，2007（08）.
[3] 邱竹贤，预焙槽炼铝[M]（第三版）.冶金工业出版社.2005.
[关键词]铝电解槽；电解质过热度；电流效率；物料平衡；能量平衡
中图分类号：TF82 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）09-0297-02
1 前言
电解质过热度是铝电解体系的一个重要性质，它与电解槽电解质温度有直接的关系。铝电解生产过程中，电解质的成分，对铝电解生产的各项经济技术指标有重要的影响。
电解质过热度是电解质温度与电解质初晶温度之差，我厂过热度一般控制在10～15度左右，一直以来我们对过热度的控制并没有引起足够的重视。Solheim的最新研究指出，较低的过热度可以在铝阴极表面沉积一层冰晶石壳膜，因而可阻止铝的溶解损失，提高电解槽的电流效率。然而过热度太低时也会引起过多的冰晶石沉积和沉淀，而导致电解槽的不稳定，最佳的过热度的大小应与电解质的分子比、电解质初晶温度有关。分子比较低时，需要适当提高一点过热度，因为在此时，电解质的初晶温度的变化受电解质分子比变化的影响较大。
2 电解质过热度与铝电解生产的关系
2.1 电解质过热度与电解槽炉帮厚度的关系
电解质过热度控制着边部炉帮和炉底结壳的形成，电解槽邊部碳块和氮化硅结合碳化硅砖必须有一层侧部炉帮保护，以避免电解质的腐蚀（如图1）.
为了形成炉帮，必须有足够的热量从槽侧部散失掉，从而使侧部的液-固两相界面的温度降到凝固点温度，以使炉帮变厚 X：
Q=hAΔT；X=KA（Tl-Ts-QRw）/Q
上式中Q表示散失的热量；h表示热传递系数；A表示界面面积；ΔT表示过热度；K表示凝固电解质的传递热；Tl表示炉帮表面温度（初晶温度）；Ts表示槽壳表面温度；Rw 表示槽壳表面的热阻（Rw=Rs+Rl+Rc），如图2。
从上式可以看到电解槽的散热量是由过热度决定的，过热度越高散热量越大。铝电解生产过程中，若槽内氟化铝浓度的下降，分子比增大，电解质初晶温度上升，导致过热度降低，则炉帮增厚，伸腿变长，从测量两水平来看，表现为电解质萎缩及铝水平上涨，减少了电解质对侧部碳块的冲刷；反之，槽内氟化铝浓度的上升，分子比降低，电解质初晶温度下降，导致过热度增大，则炉帮减薄，伸腿缩短，从测量两水平来看，表现为电解质水平增高而铝水平降低，增加了电解质对侧部碳块的冲刷。
2.2 电解质过热度与电流效率的关系
电解槽能量平衡公式为：
IUp=0.3356rf+Qs+IUd
式中 I为电流强度，kA；Up为体系中的电压降，V，也包括阳极效应分摊的电压；r为电流效率；f为单位重量铝所需的反应能量，kW·h/kg（Al） ；Qs为电解槽的热损失系数，是按单位电量计算的热损失量，量纲是伏，也就是补充电解槽热损失量所需的电压；Ud 为母线压降，V。
电解过程中，电流强度和母线压降的变化非常小。从上式可以看出，在平均电压不变的条件下，电流效率与散热量成反比，电流效率的降低会增大电解槽的散热量，多余的热量如果不能被及时散失，电解槽的过热度就会增大，引起电解槽的温度升高和电流效率降低，电流效率的下降使电解槽的热散失量进一步加大，这种恶性循环的结果将会使电解槽炉帮熔化，电解质上涨，对电解生产的影响很大。
生产实践证明，当电解温度恒定时，过热度的大小直接影响电流效率的高低。国际著名的铝冶金专家Haupin对大量的电流效率数据的统计分析表明，电解槽的电流效率更依赖于过热度，而不是电解质温度，其原因现在尚未搞清。目前国外大型预焙阳极电解槽的过热度一般在5～10℃，如表2：法国彼斯涅电解槽的一些技术数据情况统计表（表1）：
3 电解质过热度技术控制思路
电解质过热度的控制，主要是要控制好电解槽物料平衡和能量平衡。物料平衡是要做好电解质成分的调整，控制好电解质的初晶温度；电解槽的能量平衡是要控制好极距（热收入）和控制好热量的损失。
3.1 控制好物料平衡
电解温度的高低对电流效率和电能消耗有很大影响，而电解质的初晶温度随物料平衡（或电解质体系成分）的变化而变化，影响电解质初晶温度较大的成分有分子比、氧化铝等。
3.1.1 分子比的影响
冰晶石是电解质中主要成分，在我厂生产实践中，都采用酸性电解质进行生产，下表3是我厂含有8%Al2O3，4～6%CaF2的电解质其初晶温度和分子比的变化情况。
生产实践中，分子比偏低或偏高对槽膛都会有较大的影响，对槽温的平衡控制带来极大的困难。随着分子比降低，电解质表面张力增大，减小了电解质对碳渣的润湿度，使碳渣更易于从电解质中排出。在影响初晶温度的电解质成分中，分子比是动态变化的，降低分子比，电解质的初晶温度降低，使金属铝容易从电解质析出，有利于碳粒从电解质中分离，电流效率提高，但电解质的导电率增大。如果不及时调整槽工作电压，必然影响极距或过热度，从而影响电解槽的稳定性和电流效率。适宜的分子比调整是现代节能铝电解槽的标志，为铝电解槽中电解质各成分的添加及下料提供了依据。
3.1.2 氧化铝浓度的影响
在实际生产过程中，我厂采用中南业翔槽控系统的计算机智能模糊控制技术来实现对氧化铝浓度的控制。通过中南业翔槽控系统对氧化铝浓度特征电阻曲线的分析，可以得出结论：将氧化铝浓度控制在敏感区（1.5-2.5%），不仅计算机易于识别，而且槽况稳定，对初晶温度影响小，利于降低分子比，为取得高的电流效率奠定基础。目前，我厂采用中南业翔槽控系统的计算机智能模糊控制技术思路是：在传统模糊激励分档及模糊推理的基础上，提出了窄区域氧化铝浓度控制算法，通过引入激励强度因子和激励速度因子，增加物料平衡分析在氧化铝浓度控制综合分析中的权重，使浓度控制不但能控制在低浓度区域，而且精度明显提高。氧化铝浓度控制程序包括正常、减量、增量、加工四种控制程序，通过槽控机按钮自动实现。 3.2 控制好能量平衡
在过欠加工下料制度不变的情况下，电解质成分相对稳定，初晶温度相对稳定的情况下，控制好过热度的高低，主要取决于电解槽能量平衡，也就是说热收入和熱损失决定着过热度的高低。
3.2.1 热损失控制
要减少电解槽的热损失量，可以增大槽底部和阴极钢棒导出部位的保温能力，加强槽面特别是阳极碳块上的保温。
槽底的保温性能与槽底的保温结构有关，这是电解槽的设计因素，而在实际生产过程中，我们一般通过调整阳极上氧化铝保温料的厚度来减少热损失，从图3可以看出，随着氧化铝保温料厚度的增加，电解槽的热损失大大的减少。在我厂正常生产的电解槽上，阳极上保温料厚度一般保持在18～20cm左右，只要管理到位，这部分对过热度的影响应该能尽量减小。
3.2.2 热收入的控制
热散失与电解槽设计以及日常生产基本作业管理有很大的关系，而电解温度的高低又很大程度上取决于热收入的高低，也就是说电解温度的高低，极距的高低起着决定性的作用。在电流恒定的情况下，极距越高，则电解槽的热收入就越多，我们通过调节极距来调整电解槽的热收入，从而达到对过热度的控制。
对实际在产的铝电解槽来说，能量平衡和物料平衡是相互关联，相互配合的。电解槽中物料添加时使电解质的初晶温度降低，过热度升高。过热度增加又导致槽侧部的散热量增加，影响到热平衡，使槽帮结壳及伸腿熔化，AlF3的浓度降低。如果极距增加，输入到电解槽中的能量就会增加，直接的影响就是使电解质的温度增加和过热度增加。电解质温度增加时，也会使沉淀和槽帮结壳熔化，电解质的初晶温度上升，这反过来又使过热度降低。所以我们在控制过热度时要综合考虑各种技术参数的变化。
4 结论
（1）电解质过热度的控制对电解槽炉帮的形成有重要影响；
（2）生产实践过程中，保持较低的电解质过热度，有利于提高电流效率和能量利用率；
（3）要控制较好的过热度，就要控制好分子比，要制定好合理的Al2O3下料制度，要做好电解槽的保温，要保持好合理的极距。
参考文献
[1] 冯乃祥，彭建平.再谈我国铝电解技术与国际先进水平的差别兼论铝电解生产中的新技术.
[2] 侯光辉，邱仕麟.大型预焙铝电解槽电解质过热度的测定以及炉帮与过热度的关系[J].轻金属，2007（08）.
[3] 邱竹贤，预焙槽炼铝[M]（第三版）.冶金工业出版社.2005.