鋁電解工藝與控制

1、鋁電解生產(chǎn)工藝與控制指南第一部分 熱平衡分析與控制在霍爾-埃魯法中，能量是以兩種方式供入的，一種是是以電能的方式供入，另一種是以碳燃燒的熱能方式供入。電解槽的熱平衡表達式為：Q熱=W電+W碳-TS-(HT-H298)電解槽熱平衡各影響因素的具體分析如下：1.1 W電電能熱收入主要與槽電壓和系列電流密切相關，在電解生產(chǎn)過程的正常情況下我們應力爭保持槽電壓和電流平穩(wěn)，并盡可能減少陽極效應次數(shù)和效應持續(xù)時間，以維持熱收入基本穩(wěn)定。W電又是調(diào)節(jié)電解槽熱平衡波動的最靈活，最方便的調(diào)控措施，因此生產(chǎn)中往往通過電流的變化來調(diào)整自然環(huán)境變化對電解槽熱平衡體系的干擾，夏季適當降低部分電流，冬季適當提高部分電流以

2、調(diào)整爐幫內(nèi)外溫差變化對電解槽散熱能力的影響，從而保證爐幫基本穩(wěn)定。通過保溫料厚度來調(diào)節(jié)季節(jié)變化不但時間滯后而且對換極作業(yè)的濃度控制提出了更高的要求。對于原材物料的預熱需求則采取短時間附加電壓的方式來靈活的進行調(diào)節(jié)，這樣可以提高對熱平衡波動調(diào)節(jié)的針對性和及時性，個別槽的熱平衡變化則通過設定電壓的變更來靈活的進行調(diào)整。因此對于電能的調(diào)整必須堅持以適應電解槽的熱平衡的需要為原則，力求節(jié)約。電流對熱平衡的調(diào)整是系統(tǒng)的和長期的，不宜作頻繁的變動，而電壓對熱平衡的調(diào)整則是靈活的和及時的，在其它條件不變的情況下電壓對槽溫的調(diào)節(jié)力度為日均電壓提高10mv/天可以提高電解質(zhì)和鋁液溫度3，而過熱度提高必然增加熱損

3、失，電解槽熱交換系數(shù)的典型值為5001000W*m-2K-1,因此日均電壓提高10mv實際只能提高1的槽溫，但如果其它因素造成初晶溫度降低或其它熱損失增加則可能出現(xiàn)電壓升高而槽溫降低的異常現(xiàn)象。通過設定電壓來調(diào)整槽溫是滯后的，而根據(jù)熱平衡變化采取短時間大幅度的電壓附加方式及時調(diào)整各因素對槽溫的干擾更符合電解槽的熱平衡波動特性。1.2 W碳碳陽極的消耗也是電解槽熱收入的重要來源，在950的電解生產(chǎn)環(huán)境下每公斤碳燃燒為CO2釋放的熱能約為7KWH，如果以240KA電解槽為例計算，每降低10kg/tAl的陽極盡耗，則相當于降低了22mv的日均槽電壓，如果碳陽極全部生成CO則相當于降低了約7mv的日均

4、槽電壓。因此我們要力爭做到無炭渣生產(chǎn)以防止陽極和碳渣氧化而影響電解槽的熱平衡，這同時也表明了撈炭渣作業(yè)對于熱槽的意義。1.3 TSTS項的主要影響因素是電流效率的變化，電流效率波動的主要形式表現(xiàn)為鋁液的二次氧化，具體反應方程式為 2Al（液）+3CO2=AL2O3 +3CO 通過計算發(fā)現(xiàn)在電解生產(chǎn)條件下每損失一公斤鋁液所釋放的熱能為4.3KWH，如果把它換算為對電壓對槽熱平衡的影響，則電流效率每降低1.0%則相當于提高了約14.3mv的日均槽電壓，而電流效率每提高1.0%則需要增加18.5mv的熱支出，效率升降造成的熱收支不對稱是由于分別生成了CO和CO2的緣故。電解槽電流效率受各方面因素的影

5、響，是電解生產(chǎn)中最活躍的變化因素，也是最難預知和調(diào)控的因素。1.4 (HT-H298)該項實質(zhì)上就是熱交換中的熱傳導部分，而熱對流和熱輻射則合并為Q項內(nèi)容。熱交換的熱能就是預熱電解過程中的氧化鋁、碳陽極以及其他原材物料需要提供的熱支出，其中影響最頻繁的是氧化鋁加料作業(yè)，影響最劇烈的是更換陽極作業(yè)。雖然自法鋁1975年開發(fā)點式下料技術以來加料作業(yè)的連續(xù)性得到了很大的提高，對熱平衡的干擾已經(jīng)日益減弱，但過欠量加工依然或大或小地影響著電解槽的熱平衡。理論計算表明，按240KA電解槽計算，下料量每日減少100kg則用于預熱氧化鋁的熱支出將減少56KWH，假定同日效率降低0.5%則二次反應的潛熱還要增加

6、39KWH，相當于提高15mv電壓所增加的熱收入。因此我們必須力爭實現(xiàn)氧化鋁的平穩(wěn)添加和完全溶解，并通過過欠量加工形式的頻繁轉(zhuǎn)換來減弱過欠量加料對電解槽熱平衡體系的干擾。目前國外優(yōu)秀的控制系統(tǒng)的控制效果為每12小時完成一次過欠周期，我們也要力爭可靠的實現(xiàn)這一目標。對氧化鋁濃度控制影響最大的因素是電解質(zhì)過熱度的變化，因為過熱度的變化直接造成爐膛的變化而干擾電解槽的熱平衡，因為爐幫中的氧化鋁與料箱添加的氧化鋁存在800以上的溫差。因此我們有必要根據(jù)下料量的變化相應的調(diào)整電解槽的目標電壓，通過設置加料附加電壓來及時的調(diào)整下料量變化對熱平衡的干擾，以保持電解槽熱平衡的相對穩(wěn)定。換極作業(yè)是電解生產(chǎn)中最重

7、要的影響因素。它不但影響體系熱平衡的穩(wěn)定性，還影響體系磁場和流體運動的穩(wěn)定性，而流體運動的不穩(wěn)定又進一步增加了熱平衡控制的困難。國際上先進控制系統(tǒng)的解決辦法是大幅度地提高換極后的附加電壓，既可以增加熱收入以滿足新陽極預熱的需要，另一方面又可以提高流體運動和槽電壓的穩(wěn)定性。國內(nèi)的傳統(tǒng)做法則只是對換極敞開液面期間的熱輻射損失進行補償，而并沒有對新陽極的預熱進行補償。我們通過跟蹤新陽極更換后的升溫速率發(fā)現(xiàn)，新陽極的預熱并不是以24小時為周期呈直線均勻上升的，而是以曲線形式不均勻變化的，在正常情況下八小時內(nèi)要完成50%以上的吸熱量，新陽極極距越低、導電越快、吸熱速率越快，新陽極導電越慢則吸熱速率越慢，

8、其與新陽極的電流分布是密切相關的，因為新陽極的電流分布反映了新陽極的預熱程度和安裝高度信息。如果新陽極按比熱殘極高0.5cm的標準安裝，則在正常情況下把八小時后的陽極電流分布為全部陽極平均電流分布的50%以上，新陽極的吸熱量則要達到60%左右，因此需要在換極后的八小時內(nèi)進行相應的電壓補償。圖I法鋁400KA試驗槽換極后的電阻控制曲線圖2法鋁400KA試驗槽換極后的過熱度控制曲線圖3南平鋁業(yè)240KA電解槽換極后的電壓控制曲線 我們在240KA電解槽生產(chǎn)中的經(jīng)驗表明，長時間大幅度分階梯式的電壓補償制度符合電解槽換極后的穩(wěn)定性控制需要，其對于熱平衡穩(wěn)定性、流體運動和電壓的穩(wěn)定性以及電解質(zhì)水平的控制

9、都是適宜的，也符合理論和實踐需要的。對于電解槽的熱平衡電壓方式調(diào)整我們必須堅持以理論計算為依據(jù)，以實踐檢測數(shù)據(jù)為檢驗標準，以滿足電解槽的熱平衡需要為原則而取舍。為了減少補充原材料對電解槽生產(chǎn)過程的熱平衡干擾，我們不但對添加氧化鋁要嚴格執(zhí)行“勤加工、少加料”的控制思想，對氟化鋁的添加也要執(zhí)行這一管理要求，不因事小而為之。同時對于生產(chǎn)過程中的堵料、缺料也要嚴格防范，盡可能的減少各種意外因素對電解槽熱平衡的干擾。根據(jù)以上分析，扎大面和扎角部作業(yè)明顯違背了電解槽的熱平衡和物料平衡管理思想，除非是電解槽出現(xiàn)了槽殼嚴重發(fā)紅或者漏爐事故，在正常生產(chǎn)內(nèi)條件下應該嚴格禁止，對中心下料預焙槽而言，扎大面和扎角部作

10、業(yè)是對生產(chǎn)管理思想的背叛。1.5 換極作業(yè)后的熱平衡變化分析換極作業(yè)對電解槽的熱平衡會產(chǎn)生較大的影響，換極后的槽溫變化測量數(shù)據(jù)與換極熱損失的理論計算是一致的。理論計算雙陽極的升溫吸熱量相當于6080mv的工作電壓，而冷陽極減少的表面熱損失約為2530mv的工作電壓，按這樣分析，更換雙陽極會產(chǎn)生40mv左右的熱平衡波動，這些熱量是必須的，但這個吸熱過程大致需要24小時左右才能完成，但其前八小時地吸熱量一般占50%以上，因此我們換極后的前八小時內(nèi)附加相當于20mv的日均設定電壓與新陽極的吸熱需求是基本一致的。部分工藝人員認為換極后的大幅度附加電壓增加了電能的消耗，但如果我們在增加換極后附加電壓同時

11、適當下降我們的設定電壓，這樣就既解決了電解槽換極后的穩(wěn)定性問題，又解決了電耗對生產(chǎn)指標的制約，由于換極后新陽極不導電以及流體運動的變化，換極后的極距是電解生產(chǎn)過程中最小的階段，如果換極后不進行適宜的電壓補償，不但會壓縮極距，而且會由于極距降低電解質(zhì)水平提高熔化爐面而影響電解槽的物料平衡控制。換極后大幅度附加電壓雖然有利于換極后的穩(wěn)定，但對于高溫槽而言則是有害的，因為換極作業(yè)大量的熱損失對于高溫槽而言是一個難得的熱平衡調(diào)整機會，為了解決附加電壓對高溫槽的影響，我們采取了根據(jù)不同槽況區(qū)別對待的分階梯附加電壓方式，即高溫槽只附加一個階梯短時間的附加電壓，以適應高溫槽溫度調(diào)節(jié)需要，正常槽則附加較長時間

12、的兩個階梯的附加電壓，以滿足新陽極的吸熱需求。不同電解槽在換極后的溫度變化是各不相同的，這是由于換極敞開電解質(zhì)液面時間不同和電解質(zhì)初晶溫度及過熱度不同的緣故。敞開電解質(zhì)液面肯定增加熱損失，但其是次要因素，過熱度不同才是溫度變化的主要原因。過熱度高的電解質(zhì)溫度變化大，過熱度低的電解質(zhì)溫度變化小，這是因為電解質(zhì)凝固產(chǎn)生相變熱的緣故。據(jù)初步估算，電解質(zhì)凝固150kg產(chǎn)生的相變熱能使電解槽整個體系溫度上升1。如果僅相對于電解質(zhì)和鋁水而言會有3的變化。通過對換極后的溫度變化，我們可以推測和估計我們電解槽的初晶溫度和過熱度的合理保持范圍。經(jīng)初步分析，如果分子比保持2.302.35，氧化鋁濃度23，初晶溫度

13、應該在940左右，這與理論計算的初晶溫度也基本一致。如果平均過熱度保持10左右，我們的電解溫度應保持在948955。電解質(zhì)溫度高于960的電解槽肯定過熱度高，其換極后的降溫幅值也必然大。為了滿足氧化鋁溶解和爐幫穩(wěn)定我們需要保持810的平均過熱度，按照適宜的鋁水平條件，電解槽中心溫度與邊部溫度會存在68的溫差，這要求必須提供4的平均過熱度，氧化鋁溶解在下料點局部還會產(chǎn)生45溫差，因此保持8的過熱度是必須的，保持1012才能穩(wěn)定生產(chǎn)。而我們平時測量時沒有考慮邊部與中心以及過欠下料的溫差，所以會看到5左右的過熱度也能穩(wěn)定運行，這其實是測量和計算中的誤差造成的。如果不考慮槽內(nèi)不同位置對測量誤差的影響，

14、則保持68的過熱度是平穩(wěn)生產(chǎn)的需要，這與國外常常報導的7左右的過熱度數(shù)據(jù)是基本相符的。1.6. Q熱由于各子項在電解生產(chǎn)期間是頻繁波動變化的，因此電解槽的熱平衡必然是相對的動態(tài)平衡。相對于四個子項而言Q熱是隨之被動的、滯后的變化的，波動初期Q熱的變化值小于四個子項之和，大部分的熱能由電解槽熱平衡體系先儲存或者釋放，從而表現(xiàn)為槽溫和爐堂的頻繁波動，最終實現(xiàn)動態(tài)熱平衡。但這個動態(tài)的熱平衡不一定是我們需要的理想的熱平衡狀態(tài)，因為我們已經(jīng)把理想的熱平衡狀態(tài)定格為68的過熱度標準，因此我們還需要對電解槽的熱平衡進行調(diào)整，以實現(xiàn)我們高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、長壽的生產(chǎn)目標。 Q熱實質(zhì)上就是電解槽與大環(huán)境之間的熱交

15、換值，包括熱對流和熱輻射，而熱傳導則歸入了(HT-H298)內(nèi)。Q熱值的計算存在許多的變數(shù)而很復雜，既有電解槽熱平衡體系變化的因素，也有大環(huán)境變化的因素，但主要受電解槽熱平衡體系變化影響，主要包括爐幫的厚度變化，體系熱交換系數(shù)變化，保溫料厚度變化，換極作業(yè)液面敞開時間變化等等，其中體系熱交換系數(shù)變化則主要包括鋁水平、電解水平、流體流速。大環(huán)境的影響因素主要包括環(huán)境溫度的變化/排煙風機的排風量變化以及供電系統(tǒng)的電流波動等因素，而其他設計因素一旦確定以后變化較少，基本不作考慮，但如果進行了材料設計變更則一定要進行相應的熱平衡年調(diào)整。出鋁作業(yè)也是電解槽熱平衡波動的重要因素。由于出鋁后鋁水平降低減弱了

16、電解槽的散熱能力，即表現(xiàn)為體系熱交換系數(shù)的降低，從而造成槽溫的上升，一般而言出鋁半小時后槽溫會上升6左右，在兩小時后開始下降，在四小時后恢復到出鋁前的正常溫度。因此國內(nèi)目前的出鋁附加電壓實質(zhì)上不符合電解槽的熱平衡需求，應當及時地進行改進。出鋁后提高電壓的目的是及時地進行爐底沉淀處理，這對于邊部加工的自焙槽而言是適宜的，但對于采用濃度控制的中心下料預焙槽來說則是不合理的。氟鹽添加量通過影響電解質(zhì)初晶溫度和過熱度而改變電解槽的爐幫和熱平衡，電解質(zhì)中的氟鹽含量還通過改變鋁液和電解質(zhì)的界面張力和溶解度而影響電流效率，因此，氟鹽添加量是影響電解槽熱平衡的重要因素之一，調(diào)整氟鹽添加量更是調(diào)整電解槽熱平衡的

17、主要措施。其理論基礎是增加氟鹽則降低電解質(zhì)的分子比和初晶溫度，在體系熱收入不變的條件下則加速爐幫的溶化而增加散熱，同時分子比的降低有利于提高鋁液和電解質(zhì)的界面張力、降低鋁在電解質(zhì)中的溶解度而提高電流效率，又增加了體系的熱支出，因此對分子比偏高的異常槽加大氟鹽的投入量是抑制其熱趨勢惡化的重要措施之一。但也不能把加大氟鹽的添加量作為唯一的措施，因為我們必須為異常槽的爐幫恢復準備充分的條件，而大量添加氟鹽必將加速爐幫的溶解。因此加大氟鹽的目標僅僅限于保持熱槽的分子比不因為爐幫的溶化而提高。第二部分 氧化鋁濃度控制2.1 氧化鋁的溶解邱竹賢先生的研究認為氧化鋁在冰晶石中的溶解過程可以分為兩步：第一步是

18、Al2O3晶體受F離子侵蝕而生成Al2O3溶質(zhì)，第二步是Al2O3溶質(zhì)在溶劑作用下生成鋁氧氟絡合離子。在低Al2O3濃度條件下主要生成Al2OF62-離子，在高Al2O3濃度條件下主要生成Al2O2F42-離子。我們籠統(tǒng)地認為Al2O3在冰晶石中的溶解度和溶解速率主要取決于冰晶石中游離F離子的數(shù)量和活度，取決于冰晶石熔體中AlF63-離子的離解度。熔體中凡是占用游離F離子的因素都會降低電解質(zhì)對氧化鋁的溶解度，凡是降低F離子活度的因素都必將降低電解質(zhì)對氧化鋁的溶解速率，而凡是提高電解質(zhì)中F離子濃度和活度的因素雖然提高了電解質(zhì)對氧化鋁的溶解能力，但必然同時提高電解質(zhì)熔體對陰極鋁的溶解損失，因此努力

19、降低鋁液和氧化鋁在電解質(zhì)體系的溶解度并保持平穩(wěn)生產(chǎn)是我們鋁電解工藝和控制的重要內(nèi)容。高質(zhì)量的氧化鋁也是鋁電解生產(chǎn)中提高技術經(jīng)濟指標的重要條件。楊振海、高炳亮和邱竹賢在透明槽中進行的氧化鋁溶解試驗發(fā)現(xiàn)，氧化鋁在冰晶石中的溶解特征和溶解度由于氧化鋁質(zhì)量的差異而各不相同。概括而言，砂狀氧化鋁的聚合物漂浮時間接近于它的完全溶解時間，一般漂浮78min，完全溶解需要810min，而中間狀氧化鋁的漂浮時間則短得多，一般為3-4min，完全溶解時間則長得多，需要1012min，漂浮與完全溶解時間又因攪拌速度加快而縮短。如果氧化鋁不能及時溶解則沉降到爐底形成沉淀。沉淀物的主要物相是氟化鈣、氟化鋁、氧化鋁和冰晶

20、石，其中大約含有40%的氧化鋁，2%的過量氟化鋁，3%的氟化鈣，其余為冰晶石。沉淀物中的過量氟化鋁與原始電解質(zhì)中的過量氟化鋁濃度并沒有直接的關聯(lián)，但一般而言沉淀中的氧化鋁含量越高則其中的氟化鈣含量會相對減少。隨著時間延長沉淀物將隨著環(huán)境的變化而溶解或者形成爐底結殼，結殼中的冰晶石和氟化鈣將大部分返回到電解質(zhì)中，因此結殼常常以蜂窩狀的a-Al2O3形式存在。沉淀的導電率約為傳統(tǒng)電解質(zhì)的一半，而結殼是基本不導電的，為了防止沉淀和結殼提高陰極的導電壓降，更主要的是為了防止沉淀和結殼在爐底產(chǎn)生水平電流而破壞電解槽流體運動和槽電壓的穩(wěn)定性，我們必須及時對爐底沉淀和結殼進行處理。還需要指出的是在沉淀熔化過

21、程中將產(chǎn)生大量難溶的a-Al2O3顆粒，從而增大了電解質(zhì)的電阻和電流效率損失，因此保持爐底潔凈是我們電解生產(chǎn)工藝和控制的共同目標。但是提高電解質(zhì)對氧化鋁的溶解能力是有代價的，一般而言提高電解質(zhì)對氧化鋁溶解能力的同時必然增加電解質(zhì)對陰極鋁的溶解損失，只有采用高比面積的砂狀氧化鋁是既有利于氧化鋁溶解又不降低電流效率唯一途徑，所以氧化鋁質(zhì)量也是制約鋁電解經(jīng)濟技術指標的重要生產(chǎn)條件。2.2氧化鋁濃度對電流效率的影響根據(jù)上下三個圖表分析，在電壓穩(wěn)定的前提下極距的大小不是電流效率的決定因素，而鋁液和二氧化碳在電解質(zhì)中的溶解度及其停留時間才是電流效率的決定因素。第三部分 鋁電解工藝與爐膛控制鋁電解槽的爐膛是

22、鋁電解工藝狀況的真實寫照，主要與電解質(zhì)溫度、鋁水平、槽電流、電壓等熱平衡因素息息相關，同時也受添加劑濃度和氧化鋁濃度的影響和制約。3.1 電解質(zhì)溫度和成分的選擇電解質(zhì)的主要作用是在較低的溫度下溶解氧化鋁，連接陰陽極傳導電流，隔離陰極和陽極的產(chǎn)品，防止電流效率損失，添加劑的選擇則必須滿足電解質(zhì)的基本功能。在霍爾-埃魯法鋁電解生產(chǎn)中冰晶石作為主要的溶劑從來沒有動搖，現(xiàn)實生產(chǎn)中的添加劑則包括氟化鈉、氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂和氟化鋰，理論界的研究也主要局限于這幾種。主要的研究結果如圖：圖3-1 添加劑對氧化鋁溶解速度的影響各種添加劑對電解質(zhì)表面張力和密度的影響電解質(zhì)中的氟化鈣主要是氧化鋁帶入的，原則上在

23、整個生產(chǎn)過程中沒有必須要補充氟化鈣，因為氟化鈣不是理想的添加劑，增加了氟化鈣的添加量就必然會降低氟化鋁的添加量。關于氟化鈣作為礦化劑對爐幫形成的作用，對比分析如下圖：我們可以發(fā)現(xiàn)氟化鋁才是最有效的礦化劑。對于大型預焙槽而言原則上不應該添加氟化鎂，對于邊部加工的自焙槽來說則是合適的，其原因是現(xiàn)代大型預焙槽已經(jīng)有效解決了氟化鋁的揮發(fā)損失問題，而氟化鋁比氟化鎂具有更大的性能優(yōu)越性。關于氟化鋰的添加不可強求，原則上槽溫已經(jīng)達到950左右則不宜繼續(xù)添加，以保證電解質(zhì)對爐底沉淀的自溶解特性，這也是國外不添加氟化鋰的根本原因，而且昂貴的鋰鹽不一定能為生產(chǎn)方帶來現(xiàn)實的經(jīng)濟效益。關于氟化鋁的添加量國際上普遍保持

24、12%左右，具體依據(jù)如下圖根據(jù)添加劑特性研究結果和爐底沉淀成分分析，在現(xiàn)有的工業(yè)氧化鋁質(zhì)量狀況下，氟化鋁是最理想的添加劑，它的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個方面，一是對電解質(zhì)初晶溫度的相對影響較小，適宜大量添加，二是對電解質(zhì)與鋁液之間的界面張力影響最大，有利于降低鋁在電解質(zhì)中的溶解損失，三是有利于降低電解質(zhì)的密度，四是基本不影響氧化鋁的溶解速度，其缺點主要是增大了電解質(zhì)的電阻。根據(jù)爐底沉淀的過量氟化鋁含量基本與電解質(zhì)的原始氟化鋁濃度無關的研究結果，以及沉淀的溶解溫度為953左右的研究結果表明，保持950955的槽溫是最理想的槽溫，既有利于降低鋁在熔體中的溶解損失，又有利于爐底沉淀的返回和溶解，而在低

25、于沉淀溶解溫度的條件下必須保持較高的過熱度以防止沉淀形成。Thonstad等人在150KA工業(yè)電解槽的研究發(fā)現(xiàn)在適宜的添件下電解質(zhì)膜每小時可以從沉淀中傳輸14kg的氧化鋁進入電解質(zhì)，因此我們在選擇電解運行溫度時必須為保持電解槽的自溶解特性創(chuàng)造條件。3.2 鋁水平隊的選擇鋁水平是鋁電解生產(chǎn)中最重要的設計參數(shù)和工藝參數(shù)，它既影響電解槽的熱平衡又影響電解槽的穩(wěn)定性。一般而言對于流體運動和電壓穩(wěn)定性較好的電解槽可以適當降低鋁水平，以提高對爐底潔凈的保持能力。而對于流體運動穩(wěn)定性較差或者散熱人物較大的電解槽可以適當提高鋁水平，以提高電解槽的穩(wěn)定性和熱平衡能力，同時適當提高電解質(zhì)初晶溫度，以提高電解質(zhì)對爐

26、底潔凈的保持能力。鋁水平與槽穩(wěn)定性的關系遵循如下穩(wěn)定性判別式：（D0+hE）*hM>A*BZ*Ip式中（D0+hE）表示假設的極距，D0表示等效的陽極距離（預焙槽為0.04m，自焙槽為0.036m，）；A=5*106m2*(Gs*kA)-1 :為經(jīng)驗常數(shù)；BZ：為陽極底掌下的垂直磁場代數(shù)平均值（Gs）;Ip：為系列電流（KA）。圖3-4 150KA預焙槽的穩(wěn)定性極限因此提高鋁水平既有利于增加散熱能力又有利于提高電解槽流體運動和電壓的穩(wěn)定性，從而為降低電壓創(chuàng)造條件，因此提高鋁水平是強化電流生產(chǎn)中一個有效的工藝措施。它既解決了強化電流后的散熱問題又解決了提高電流壓縮極距后的流體運動穩(wěn)定性問題

27、。而鋁水平提高以后的爐底潔凈能力則主要依靠提高熱平衡和氧化鋁濃度控制能力來協(xié)調(diào)解決，必要時可以通過提高分子比來緩解。因此在爐底潔凈和爐膛狀況允許的前提下應該積極提高鋁水平為強化電流增產(chǎn)增效創(chuàng)造條件。從理論上分析鋁水平的高低并不直接影響電流效率的變化，但鋁水平通過影響爐幫和流體穩(wěn)定性二間接地影響電流效率的變化。一般而言流體流速小、穩(wěn)定性好、爐膛小的電解槽都能夠取得理想的經(jīng)濟技術指標，當然這也一定程度地提高了對生產(chǎn)操作和控制的要求。3.3 過熱度與爐幫的關系電解槽的過熱度是由電解槽的熱平衡狀況決定的。過熱度與電解槽各熱平衡因素的關系如下：過熱度=（電解質(zhì)溫度-槽殼鋼板溫度）/（傳熱系數(shù)*R）R=爐

28、幫的熱阻+側部碳塊和伸腿的熱阻+側部保溫層的熱阻+鋼殼的熱阻+鋼殼與空氣界面的熱阻其中爐幫的熱阻與過熱度的變化是一對相互調(diào)整的因素，過熱度高則爐幫變薄而降低熱阻和過熱度，過熱度低則爐幫增厚而增加熱阻和過熱度。而其它各因素在一定期間內(nèi)基本沒有變化。根據(jù)過熱度的計算公式可以看出，過熱度對電解槽的熱平衡影響要比槽溫的影響大得多，但在電解質(zhì)成分不變的情況下槽溫變化的實質(zhì)就是過熱度的變化，因此我們主張在滿足氧化鋁完全溶解或者滿足爐底沉淀自溶解的溫度條件下盡可能的降低槽溫和過熱度，而其中又以降低電解質(zhì)的過熱度作為首要任務，因為過熱度直接決定爐幫的厚度，而爐幫的厚度一定程度上決定了鋁液鏡面的大小和鋁液的溶解

29、損失。 關于過熱度和溫度對電流效率的共同影響前期還比較混亂，但目前已經(jīng)得到了一個比較明確的共識，即溫度對電流效率有積極的影響，但溫度對效率的影響主要是由過熱度和電解質(zhì)成分變化對流體間的界面張力的影響決定的。過熱度與電流效率的關系如下圖：3.4 爐幫對流體流速和變形的影響鋁液的流速主要決定于電磁力，而電解質(zhì)的流速在很大程度上受邊縫水力學尺度的影響，當然也還與鋁液的流速和流體黏度以及鋁液變形度有關。爐幫的厚度通過影響邊縫的寬度而影響流體的流速和流體變形。當鋁液和電解質(zhì)的內(nèi)壓力相等時，可由下式說明電解質(zhì)-鋁液界面的傾斜：dz/dx=Fx/(g (M-E)*K/(K+K) 式中 g表示重力加速度； M

30、-E表示鋁液與電解質(zhì)的密度差； K表示兩極間空間的流體阻力系數(shù) K表示槽周邊的流體阻力系數(shù)當KK時，dz/dx的值接近于零，即在陽極四周的加工面很窄的情況下就是槽周邊的流體阻力系數(shù)很大，而降低了鋁液的界面變形和電解質(zhì)的流速。就極限情況而言就是電解質(zhì)不運動或界面處的鋁表面無變形。因此得到的第一個結論是爐幫厚的電解槽將因為加工面的縮小而降低電解質(zhì)流速和鋁液液面變形，生產(chǎn)實踐中我們常常發(fā)現(xiàn)B面的鋁水平比A面高，爐膛大的電解槽電解質(zhì)流速快就是這一緣故。寬窄加工面的比較如圖3-43.5 爐幫對電流效率的影響 爐幫的厚度與加工面的大小和鋁液鏡面息息相關，就300KA電解槽而言，爐幫的厚度每減薄10cm，則會增加鋁液鏡面3m2,約提高鋁液鏡面的9%。由于邊部的流體運動相對比較紊亂，而且由于邊部的陰極電流密度比陽極底掌下的電流密度小得多，加工面越寬陰極電流密度越小，陰極的極化保護作用越弱，所以加工面的鋁液溶解損失要比陽極底掌下的鋁液溶解損失大得多。邱竹賢等在實驗條件下，研究鋁電解中電流密度對于電流效率的影響結果如下表：馮乃祥也對爐幫與電流