鋁電解工藝與控制講解

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(dá)式為：Q熱二電+碳-TS-Z（Ht-H298）電解槽熱平衡各影響因素的具體分析如下：1.1W電電能熱收入主要與槽電壓和系列電流密切相關(guān)，在電解生產(chǎn)過(guò)程的正常情況下我們應(yīng)力爭(zhēng)保持槽電壓和電流平穩(wěn)，并盡可能減少陽(yáng)極效應(yīng)次數(shù)和效應(yīng)持續(xù)時(shí)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(dòng)的最靈活，最方便的調(diào)控措施，因此生產(chǎn)中往往通過(guò)電流的變化來(lái)調(diào)整自然環(huán)境變化對(duì)電解槽熱平衡體系的干擾，夏季適當(dāng)降低部分電流，冬季適當(dāng)提高部分電流以調(diào)整爐

2、幫內(nèi)外溫差變化對(duì)電解槽散熱能力的影響，從而保證爐幫基本穩(wěn)定。通過(guò)保溫料厚度來(lái)調(diào)節(jié)季節(jié)變化不但時(shí)間滯后而且對(duì)換極作業(yè)的濃度控制提出了更高的要求。對(duì)于原材物料的預(yù)熱需求則采取短時(shí)間附加電壓的方式來(lái)靈活的進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以提高對(duì)熱平衡波動(dòng)調(diào)節(jié)的針對(duì)性和及時(shí)性，個(gè)別槽的熱平衡變化則通過(guò)設(shè)定電壓的變更來(lái)靈活的進(jìn)行調(diào)整。因此對(duì)于電能的調(diào)整必須堅(jiān)持以適應(yīng)電解槽的熱平衡的需要為原則，力求節(jié)約。電流對(duì)熱平衡的調(diào)整是系統(tǒng)的和長(zhǎng)期的，不宜作頻繁的變動(dòng)，而電壓對(duì)熱平衡的調(diào)整則是靈活的和及時(shí)的，在其它條件不變的情況下電壓對(duì)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(guò)熱度提高必然增加熱損失，電

3、解槽熱交換系數(shù)的典型值為5001000W*m-2K-i,因此日均電壓提高10mv實(shí)際只能提高1°C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(guò)設(shè)定電壓來(lái)調(diào)整槽溫是滯后的，而根據(jù)熱平衡變化采取短時(shí)間大幅度的電壓附加方式及時(shí)調(diào)整各因素對(duì)槽溫的干擾更符合電解槽的熱平衡波動(dòng)特性。1.2W碳碳碳陽(yáng)極的消耗也是電解槽熱收入的重要來(lái)源，在950C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(jì)算，每降低10kg/tAI的陽(yáng)極盡耗，則相當(dāng)于降低了22mv的日均槽電壓，如果碳陽(yáng)極全部生成CO則相當(dāng)于降低了約7

4、mv的日均槽電壓。因此我們要力爭(zhēng)做到無(wú)炭渣生產(chǎn)以防止陽(yáng)極和碳渣氧化而影響電解槽的熱平衡，這同時(shí)也表明了撈炭渣作業(yè)對(duì)于熱槽的意義。1.3DSTS項(xiàng)的主要影響因素是電流效率的變化，電流效率波動(dòng)的主要形式表現(xiàn)為鋁液的二次氧化，具體反應(yīng)方程式為2Al（液）+3CO2=AL2O3+3C0通過(guò)計(jì)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(duì)電壓對(duì)槽熱平衡的影響，則電流效率每降低1.0%則相當(dāng)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(duì)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(yù)知和調(diào)控的因素。1.4叫-也98）該項(xiàng)實(shí)質(zhì)上就是熱交換中的熱傳導(dǎo)部分，而熱對(duì)流和熱輻射則合并為Q項(xiàng)內(nèi)容。熱交換的熱能就是預(yù)熱電解過(guò)程中的氧化鋁、碳陽(yáng)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(yáng)極作業(yè)。雖然自法鋁1975年開發(fā)點(diǎn)式下料技術(shù)以來(lái)加料作業(yè)的連續(xù)性得到了很大的提高，對(duì)熱平衡的干擾已經(jīng)日益減弱，但過(guò)欠量加工依然或大或小地影響著電解槽的熱平衡。理論計(jì)算表明，按240KA電解槽計(jì)算，下料量每日減少100kg則用于預(yù)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(yīng)的潛熱還要增加39KW

6、H，相當(dāng)于提高15mv電壓所增加的熱收入。因此我們必須力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)氧化鋁的平穩(wěn)添加和完全溶解，并通過(guò)過(guò)欠量加工形式的頻繁轉(zhuǎn)換來(lái)減弱過(guò)欠量加料對(duì)電解槽熱平衡體系的干擾。目前國(guó)外優(yōu)秀的控制系統(tǒng)的控制效果為每12小時(shí)完成一次過(guò)欠周期，我們也要力爭(zhēng)可靠的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。對(duì)氧化鋁濃度控制影響最大的因素是電解質(zhì)過(guò)熱度的變化，因?yàn)檫^(guò)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?yàn)闋t幫中的氧化鋁與料箱添加的氧化鋁存在800弋以上的溫差。因此我們有必要根據(jù)下料量的變化相應(yīng)的調(diào)整電解槽的目標(biāo)電壓，通過(guò)設(shè)置加料附加電壓來(lái)及時(shí)的調(diào)整下料量變化對(duì)熱平衡的干擾，以保持電解槽熱平衡的相對(duì)穩(wěn)定。換極作業(yè)是電解生產(chǎn)中最重要的影

7、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(chǎng)和流體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，而流體運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定又進(jìn)一步增加了熱平衡控制的困難。國(guó)際上先進(jìn)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(yáng)極預(yù)熱的需要，另一方面又可以提高流體運(yùn)動(dòng)和槽電壓的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)的傳統(tǒng)做法則只是對(duì)換極敞開液面期間的熱輻射損失進(jìn)行補(bǔ)償，而并沒有對(duì)新陽(yáng)極的預(yù)熱進(jìn)行補(bǔ)償。我們通過(guò)跟蹤新陽(yáng)極更換后的升溫速率發(fā)現(xiàn)，新陽(yáng)極的預(yù)熱并不是以24小時(shí)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(shí)內(nèi)要完成50%以上的吸熱量，新陽(yáng)極極距越低、導(dǎo)電越快、吸熱速率越快，新陽(yáng)極導(dǎo)電越慢則吸熱速率越慢，其與新

8、陽(yáng)極的電流分布是密切相關(guān)的，因?yàn)樾玛?yáng)極的電流分布反映了新陽(yáng)極的預(yù)熱程度和安裝高度信息。如果新陽(yáng)極按比熱殘極高0.5cm的標(biāo)準(zhǔn)安裝，則在正常情況下把八小時(shí)后的陽(yáng)極電流分布為全部陽(yáng)極平均電流分布的50%以上，新陽(yáng)極的吸熱量則要達(dá)到60%左右，因此需要在換極后的八小時(shí)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的電壓補(bǔ)償。圖I法鋁400KA試驗(yàn)槽換極后的電阻控制曲線圖6電解槽目標(biāo)假電阻和實(shí)際假電阻隨時(shí)間的變化圖2法鋁400KA試驗(yàn)槽換極后的過(guò)熱度控制曲線圖7屯解質(zhì)過(guò)熱溫度隨時(shí)間的變化圖3南平鋁業(yè)240KA電解槽換極后的電壓控制曲線22TMGOr-V-OnV-39n¥我們?cè)?40KA電解槽生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)表明，長(zhǎng)時(shí)間大幅度分階梯

9、式的電壓補(bǔ)償制度符合電解槽換極后的穩(wěn)定性控制需要，其對(duì)于熱平衡穩(wěn)定性、流體運(yùn)動(dòng)和電壓的穩(wěn)定性以及電解質(zhì)水平的控制都是適宜的，也符合理論和實(shí)踐需要的對(duì)于電解槽的熱平衡電壓方式調(diào)整我們必須堅(jiān)持以理論計(jì)算為依據(jù)，以實(shí)踐檢測(cè)數(shù)據(jù)為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足電解槽的熱平衡需要為原則而取舍。為了減少補(bǔ)充原材料對(duì)電解槽生產(chǎn)過(guò)程的熱平衡干擾，我們不但對(duì)添加氧化鋁要嚴(yán)格執(zhí)行“勤加工、少加料”的控制思想，對(duì)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(shí)對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的堵料、缺料也要嚴(yán)格防范，盡可能的減少各種意外因素對(duì)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

10、是電解槽出現(xiàn)了槽殼嚴(yán)重發(fā)紅或者漏爐事故，在正常生產(chǎn)內(nèi)條件下應(yīng)該嚴(yán)格禁止，對(duì)中心下料預(yù)焙槽而言，扎大面和扎角部作業(yè)是對(duì)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(duì)電解槽的熱平衡會(huì)產(chǎn)生較大的影響，換極后的槽溫變化測(cè)量數(shù)據(jù)與換極熱損失的理論計(jì)算是一致的。理論計(jì)算雙陽(yáng)極的升溫吸熱量相當(dāng)于6080mv的工作電壓，而冷陽(yáng)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(yáng)極會(huì)產(chǎn)生40mv左右的熱平衡波動(dòng)，這些熱量是必須的，但這個(gè)吸熱過(guò)程大致需要24小時(shí)左右才能完成，但其前八小時(shí)地吸熱量一般占50%以上，因此我們換極后的前八小時(shí)內(nèi)附加相當(dāng)于20mv的日均設(shè)定電壓與新陽(yáng)極的吸熱

11、需求是基本一致的。部分工藝人員認(rèn)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?cè)谠黾訐Q極后附加電壓同時(shí)適當(dāng)下降我們的設(shè)定電壓，這樣就既解決了電解槽換極后的穩(wěn)定性問(wèn)題，又解決了電耗對(duì)生產(chǎn)指標(biāo)的制約，由于換極后新陽(yáng)極不導(dǎo)電以及流體運(yùn)動(dòng)的變化，換極后的極距是電解生產(chǎn)過(guò)程中最小的階段，如果換極后不進(jìn)行適宜的電壓補(bǔ)償，不但會(huì)壓縮極距，而且會(huì)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(duì)于高溫槽而言則是有害的，因?yàn)閾Q極作業(yè)大量的熱損失對(duì)于高溫槽而言是一個(gè)難得的熱平衡調(diào)整機(jī)會(huì)，為了解決附加電壓對(duì)高溫槽的影響，我們采取了根據(jù)不同槽況區(qū)別對(duì)待

12、的分階梯附加電壓方式，即高溫槽只附加一個(gè)階梯短時(shí)間的附加電壓，以適應(yīng)高溫槽溫度調(diào)節(jié)需要，正常槽則附加較長(zhǎng)時(shí)間的兩個(gè)階梯的附加電壓，以滿足新陽(yáng)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(shí)間不同和電解質(zhì)初晶溫度及過(guò)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(guò)熱度不同才是溫度變化的主要原因。過(guò)熱度高的電解質(zhì)溫度變化大，過(guò)熱度低的電解質(zhì)溫度變化小，這是因?yàn)殡娊赓|(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(gè)體系溫度上升1°C。如果僅相對(duì)于電解質(zhì)和鋁水而言會(huì)有3弋的變化。通過(guò)對(duì)換極后的溫度變化，我們可

13、以推測(cè)和估計(jì)我們電解槽的初晶溫度和過(guò)熱度的合理保持范圍。經(jīng)初步分析，如果分子比保持2.30-2.35，氧化鋁濃度2-3%,初晶溫度應(yīng)該在940左右，這與理論計(jì)算的初晶溫度也基本一致。如果平均過(guò)熱度保持10C左右，我們的電解溫度應(yīng)保持在948-955C。電解質(zhì)溫度高于960C的電解槽肯定過(guò)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8-10C的平均過(guò)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(huì)存在6-8C的溫差，這要求必須提供4C的平均過(guò)熱度，氧化鋁溶解在下料點(diǎn)局部還會(huì)產(chǎn)生4-5C溫差，因此保持8C的過(guò)熱度是必須的，保持10-12C才能穩(wěn)定生產(chǎn)。而我們平

14、時(shí)測(cè)量時(shí)沒有考慮邊部與中心以及過(guò)欠下料的溫差所以會(huì)看到5C左右的過(guò)熱度也能穩(wěn)定運(yùn)行，這其實(shí)是測(cè)量和計(jì)算中的誤差造成的。如果不考慮槽內(nèi)不同位置對(duì)測(cè)量誤差的影響，則保持6-8C的過(guò)熱度是平穩(wěn)生產(chǎn)的需要，這與國(guó)外常常報(bào)導(dǎo)的7C左右的過(guò)熱度數(shù)據(jù)是基本相符的。1.6.Q熱由于各子項(xiàng)在電解生產(chǎn)期間是頻繁波動(dòng)變化的，因此電解槽的熱平衡必然是相對(duì)的動(dòng)態(tài)平衡。相對(duì)于四個(gè)子項(xiàng)而言Q熱是隨之被動(dòng)的、滯后的變化的，熱波動(dòng)初期Q熱的變化值小于四個(gè)子項(xiàng)之和，大部分的熱能由電解槽熱平衡體系先儲(chǔ)存或者釋放，從而表現(xiàn)為槽溫和爐堂的頻繁波動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)熱平衡。但這個(gè)動(dòng)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?yàn)槲覀円呀?jīng)把

15、理想的熱平衡狀態(tài)定格為6-8C的過(guò)熱度標(biāo)準(zhǔn)，因此我們還需要對(duì)電解槽的熱平衡進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)我們高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、長(zhǎng)壽的生產(chǎn)目標(biāo)。Q熱實(shí)質(zhì)上就是電解槽與大環(huán)境之間的熱交換值，包括熱對(duì)流和熱輻射，而熱熱傳導(dǎo)則歸入了刃Ht-H298）內(nèi)。Q熱值的計(jì)算存在許多的變數(shù)而很復(fù)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(shí)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(fēng)機(jī)的排風(fēng)量變化以及供電系統(tǒng)的電流波動(dòng)等因素，而其

16、他設(shè)計(jì)因素一旦確定以后變化較少，基本不作考慮，但如果進(jìn)行了材料設(shè)計(jì)變更則一定要進(jìn)行相應(yīng)的熱平衡年調(diào)整。出鋁作業(yè)也是電解槽熱平衡波動(dòng)的重要因素。由于出鋁后鋁水平降低減弱了電解槽的散熱能力，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(shí)后槽溫會(huì)上升6弋左右，在兩小時(shí)后開始下降，在四小時(shí)后恢復(fù)到出鋁前的正常溫度。因此國(guó)內(nèi)目前的出鋁附加電壓實(shí)質(zhì)上不符合電解槽的熱平衡需求，應(yīng)當(dāng)及時(shí)地進(jìn)行改進(jìn)。出鋁后提高電壓的目的是及時(shí)地進(jìn)行爐底沉淀處理，這對(duì)于邊部加工的自焙槽而言是適宜的，但對(duì)于采用濃度控制的中心下料預(yù)焙槽來(lái)說(shuō)則是不合理的。氟鹽添加量通過(guò)影響電解質(zhì)初晶溫度和過(guò)熱度而改變電解槽的爐幫

17、和熱平衡，電解質(zhì)中的氟鹽含量還通過(guò)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)整電解槽熱平衡的主要措施。其理論基礎(chǔ)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(shí)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(duì)分子比偏高的異常槽加大氟鹽的投入量是抑制其熱趨勢(shì)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?yàn)槲覀儽仨殲楫惓２鄣臓t幫恢復(fù)準(zhǔn)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

18、氟鹽的目標(biāo)僅僅限于保持熱槽的分子比不因?yàn)闋t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(rèn)為氧化鋁在冰晶石中的溶解過(guò)程可以分為兩步：第一步是AI2O3晶體受F離子侵蝕而生成AI2O3溶質(zhì)，第二步是AI2O3溶質(zhì)在溶劑作用下生成鋁氧氟絡(luò)合離子。在低ai2o3濃度條件下主要生成Al2OF62-離子，在高ai2o3濃度條件下主要生成AI2O2F42-離子。我們籠統(tǒng)地認(rèn)為ai2o3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AIF63-離子的離解度。熔體中凡是占用游離F離子的因素都會(huì)降低電解質(zhì)對(duì)氧化鋁的溶解度，凡是降低F離子活度的因

19、素都必將降低電解質(zhì)對(duì)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(duì)氧化鋁的溶解能力，但必然同時(shí)提高電解質(zhì)熔體對(duì)陰極鋁的溶解損失，因此努力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(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要條件。楊振海、高炳亮和邱竹賢在透明槽中進(jìn)行的氧化鋁溶解試驗(yàn)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(shí)間接近于它的完全溶解時(shí)間，一般漂浮78min，完全溶解需要810min，而中間狀氧化鋁的漂浮時(shí)間則短得多，一般為3-4min，完全溶解

20、時(shí)間則長(zhǎng)得多，需要1012min，漂浮與完全溶解時(shí)間又因攪拌速度加快而縮短。如果氧化鋁不能及時(shí)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、氧化鋁和冰晶石，其中大約含有40%的氧化鋁，2%的過(guò)量氟化鋁，3%的氟化鈣，其余為冰晶石。沉淀物中的過(guò)量氟化鋁與原始電解質(zhì)中的過(guò)量氟化鋁濃度并沒有直接的關(guān)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(huì)相對(duì)減少。隨著時(shí)間延長(zhǎng)沉淀物將隨著環(huán)境的變化而溶解或者形成爐底結(jié)殼，結(jié)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(jié)殼常常以蜂窩狀的a-AI2O3形式存在。沉淀的導(dǎo)電率約為傳統(tǒng)電解質(zhì)的一半，而結(jié)殼是基本不導(dǎo)電的，為了防止沉淀和結(jié)殼提

21、高陰極的導(dǎo)電壓降，更主要的是為了防止沉淀和結(jié)殼在爐底產(chǎn)生水平電流而破壞電解槽流體運(yùn)動(dòng)和槽電壓的穩(wěn)定性，我們必須及時(shí)對(duì)爐底沉淀和結(jié)殼進(jìn)行處理。還需要指出的是在沉淀熔化過(guò)程中將產(chǎn)生大量難溶的a-AI2O3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(biāo)。但是提高電解質(zhì)對(duì)氧化鋁的溶解能力是有代價(jià)的，一般而言提高電解質(zhì)對(duì)氧化鋁溶解能力的同時(shí)必然增加電解質(zhì)對(duì)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(jì)技術(shù)指標(biāo)的重要生產(chǎn)條件。2.2氧化鋁濃度對(duì)電流效率的影響235RA預(yù)焙植的電流躱

22、率I.UTA與Al2O3平均濃度的關(guān)系學(xué)21禺軋4電誑弱車£<注>與餾匹摞T巫融尖親n坦“O一gm時(shí).5二劉辭.國(guó)呂占電詫枚率CE與&掛電誘庾中的請(qǐng)解處（匸乂2旳囲般關(guān)彳.識(shí)：x=仇昭咲廝±a）日寸，cw-<«->%根據(jù)上下三個(gè)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(shí)間才是電流效率的決定因素。陽(yáng)液亦扌廠敲展甬11-11錯(cuò)白勺潛角年撮失材LT里圖八住勢(shì)磁與電解庾液屋N可白勺房囲32岸"區(qū)鋰化作用反應(yīng)富心只乂迪他綻匡圖5/9在不同的T體帝留時(shí)阿下電流效率計(jì)3fl

23、W與雖化鋁濃度的函數(shù)關(guān)桀口核型干包括6的形成第三部分鋁電解工藝與爐膛控制鋁電解槽的爐膛是鋁電解工藝狀況的真實(shí)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(guān)，同時(shí)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(yáng)極傳導(dǎo)電流，隔離陰極和陽(yáng)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(lái)沒有動(dòng)搖，現(xiàn)實(shí)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(jié)果如圖：添加劑對(duì)氧化鋁溶解速度的影響zzi

24、4S1S£1弓一子掐瓷7JU乳町又寸笄兀千匕卡蘭堵華連送白宅T班壬H険1A1F耳土亠：T-F2EA*QO-aTa壬匕25主4尸*;dlgCn.閨4-呂低aAhO3含垢t葩戦化錦的潛解逮星及皐有關(guān)的誤敕應(yīng)CWffi的雖比為2.氏"誘加4Z嗚I/FL各種添加劑對(duì)電解質(zhì)表面張力和密度的影響30宥包6S10阿晉種潯加刑對(duì)亦屆石毎宇同界聞張比旳影萌<率昌另吐屬耶去赫密00enlKy"圖2-30N2O-O21O鈿2.OG1/90圖3-18備種添im棄口和氣.化鋁冥寸冰品石宙度的影向C1273K>電解質(zhì)中的氟化鈣主要是氧化鋁帶入的，原則上在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中沒有必須要補(bǔ)

25、充氟化鈣，因?yàn)榉}不是理想的添加劑，增加了氟化鈣的添加量就必然會(huì)降低氟化鋁的添加量。關(guān)于氟化鈣作為礦化劑對(duì)爐幫形成的作用，對(duì)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。=1-g3.0022.03=03NQ-Zu.尸3-e香-爭(zhēng)護(hù)洱咅左口和只寸茲|<需壬7丈容液電導(dǎo)舉白勺垮仃向2030力口77UFX40沁電廠U侵r142千冋沁奧年口冋濟(jì)平匕物活春力J亍刖艮才咅少斗處K<R命呂才站0=白<T垣主illriTSO1OOOOO60VSKJO對(duì)于大型預(yù)焙槽而言原則上不應(yīng)該添加氟化鎂，對(duì)于邊部加工的自焙槽來(lái)說(shuō)則是合適的，其原因是現(xiàn)代大型預(yù)焙槽已經(jīng)有效解決了氟化鋁的揮發(fā)損失問(wèn)題，

26、而氟化鋁比氟化鎂具有更大的性能優(yōu)越性。關(guān)于氟化鋰的添加不可強(qiáng)求，原則上槽溫已經(jīng)達(dá)到950°C左右則不宜繼續(xù)添加，以保證電解質(zhì)對(duì)爐底沉淀的自溶解特性，這也是國(guó)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(lái)現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)于氟化鋁的添加量國(guó)際上普遍保持12%左右，具體依據(jù)如下圖90°呂圖1-29電解庚溫度和電流效率隨含量的改變血1F含雖100淙度1OOO亠-980A7O-96050根據(jù)添加劑特性研究結(jié)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(gè)方面，一是對(duì)電解質(zhì)初晶溫度的相對(duì)影響較小，適宜大量添加，二是

27、對(duì)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(diǎn)主要是增大了電解質(zhì)的電阻。根據(jù)爐底沉淀的過(guò)量氟化鋁含量基本與電解質(zhì)的原始氟化鋁濃度無(wú)關(guān)的硏究結(jié)果，以及沉淀的溶解溫度為953弋左右的硏究結(jié)果表明，保持950955弋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，而在低于沉淀溶解溫度的條件下必須保持較高的過(guò)熱度以防止沉淀形成。Thonstad等人在150KA工業(yè)電解槽的硏究發(fā)現(xiàn)在適宜的添件下電解質(zhì)膜每小時(shí)可以從沉淀中傳輸14kg的氧化鋁進(jìn)入電解質(zhì)，因此我們?cè)谶x擇電解運(yùn)行溫

28、度時(shí)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(duì)的選擇鋁水平是鋁電解生產(chǎn)中最重要的設(shè)計(jì)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(duì)于流體運(yùn)動(dòng)和電壓穩(wěn)定性較好的電解槽可以適當(dāng)降低鋁水平，以提高對(duì)爐底潔凈的保持能力。而對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差或者散熱人物較大的電解槽可以適當(dāng)提高鋁水平，以提高電解槽的穩(wěn)定性和熱平衡能力，同時(shí)適當(dāng)提高電解質(zhì)初晶溫度，以提高電解質(zhì)對(duì)爐底潔凈的保持能力。鋁水平與槽穩(wěn)定性的關(guān)系遵循如下穩(wěn)定性判別式：（D+h）*h>A*B*I0EMZp式中（D0+hE滾示假設(shè)的極距D0表示等效的陽(yáng)極距離:預(yù)焙槽為0.04m,自焙槽為0.036m）；A=5

29、*106m2*（Gs*kA）-1:為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；BZ:為陽(yáng)極底掌下的垂直磁場(chǎng)代數(shù)平均值（Gs）;Ip:為系列電流（KA）圖3-4150KA預(yù)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)化電流生產(chǎn)中一個(gè)有效的工藝措施。它既解決了強(qiáng)化電流后的散熱問(wèn)題又解決了提高電流壓縮極距后的流體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。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(lái)協(xié)調(diào)解決，必要時(shí)可以通過(guò)提高分子比來(lái)緩解。因此在爐底潔凈和爐膛狀況允許的前提下應(yīng)該積極提高鋁水平為強(qiáng)化電流增產(chǎn)增效創(chuàng)造條件。從理論上分析鋁水平的高

30、低并不直接影響電流效率的變化，但鋁水平通過(guò)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(jì)技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)然這也一定程度地提高了對(duì)生產(chǎn)操作和控制的要求。兄oc70。匸的aeg50匸翩用-11鋁液水平為lMm時(shí)的槽邃內(nèi)形及溫度分布自上煎下溫度值分利詞妙壯、鑽遙7001岡0弋3.3過(guò)熱度與爐幫的關(guān)系團(tuán)疋-15鋁液水平為30cmi的欄膛內(nèi)形叢溫度分布iE而市覘虞狙矗.畛卿仁郵右.7001500電解槽的過(guò)熱度是由電解槽的熱平衡狀況決定的。過(guò)熱度與電解槽各熱平衡因素的關(guān)系如下：過(guò)熱度二（電解質(zhì)溫度-槽殼鋼板溫度）/（傳熱系數(shù)迄R）5R二爐幫的熱

31、阻+側(cè)部碳?jí)K和伸腿的熱阻+側(cè)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(guò)熱度的變化是一對(duì)相互調(diào)整的因素，過(guò)熱度高則爐幫變薄而降低熱阻和過(guò)熱度，過(guò)熱度低則爐幫增厚而增加熱阻和過(guò)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(guò)熱度的計(jì)算公式可以看出，過(guò)熱度對(duì)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(shí)質(zhì)就是過(guò)熱度的變化，因此我們主張?jiān)跐M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(guò)熱度，而其中又以降低電解質(zhì)的過(guò)熱度作為首要任務(wù)，因?yàn)檫^(guò)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損失。關(guān)于過(guò)熱度和溫度對(duì)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(gè)比較明確的共識(shí)，即溫度對(duì)電流效率有積極的影響，但溫度對(duì)效率的影響主要是由過(guò)熱度和電解質(zhì)成分變化對(duì)流體間的界面張力的影響決定的。過(guò)熱度與電流效率的關(guān)系如下圖：30503070丄一湧期塔腥叫II更迪遊"I;