第八章 铝电解现代技术及发展.docx

第八章 铝电解现代技术及发展金属铝的工业化生产已近 130 年，铝的用途已逼及人类生活的方方面 面，产量已成为除纲外的第二大，但其生产方式至今无多大变化仍采用 霍尔-埃鲁特电解方法，但是生产技术却发生了巨大变化，最大的成就是电 解铝能耗，从最初的45000 Kwh/TA 1降到如如今13000 Kwh/TAl以下，甚 至接近12000Kwh/TA1中国电解铝在近几年的节能降耗技术方面已迎头赶 上，甚至走到了世界前列这是中国政府重视，广大科技人员努力专研的 结果，很值得称颂本章介绍近年来电解铝技术进步及发展状况第一节 低温低电压生产 根据电解能耗公式：W = 2.98 V式中：W——单位重量铝产品的能耗，V——槽电压，V n——电解电流效率％ 此式表明，单位重量铝产品的能耗与槽电压成正比，与电解电流效率 成反比槽电压越低，电流效率越高，电耗越低电流效率与许多因素有关，但电解温度是最主要因素之一在早期高 分子比，高槽温分子比2.7-2.8,槽温970-980°C ）生产阶段，曾有电解温度 每降低10C，电流效率可提高1〜2%的做法可见温度对电流效率影响之 大，所以，如何通过降低电解温度，提高电流效率，较长时间的来一直是 科研生产追求的目标。

1. 低温大型预焙铝电解槽起始于上世纪七十年代，由于机械化中间点式下料 和计算机控制技术的应用，大大改善了氧化铝在液体电解质中的溶解性能， 从而可用较低的分子比 2.6 左右电解质**，降低了电解质的初晶温度，而使 大型预焙铝电解槽的温度比自焙槽降低了 10C以上，一般在960C左右生 产，确实电流效率比起自焙槽来提高了不少，有些在3%以上，使铝电解电 流效率突破了 90%大关随着电解槽计算机控制技术的铝能化开发成功，以及下料系统的改进， 大型预焙铝电解槽的加料是每次在10Kg Kg以下，已接近连续下料，计算 机可对槽内液体电解质中的氧化铝浓度实行精确控制，消除了氧化铝沉淀 对电解槽稳定运行的风险大型预焙槽的电解质分子比进一步降低，达到 2.1〜2.2,电解质中氧化铝浓度能精确控制在1.5〜2.5%之间，再加上添加 一定量的锂盐，电解质初晶温度被降到920°C左右，电解槽生产温度达到了 930°C左右但是，电解温度与电流效率并不完全成线性关系，到960C以下，温度 对电流效率的影响逐渐减弱，生产实践证明940C以下时，温度对电流效 率无明显贡献，甚至会有负面影响，所以，目前所说的低温生产均指940〜 950C之间，在此温度区间，电解槽电流效应达93%及以上。

电解温度降低，除了对电流效率有好处外，对电解槽的寿命也有好处， 主要是电解温度低，产生的热应力小，对电解槽内衬的热变型降低，电解 槽变型速度减慢，延长了电解槽寿命除此之外，对电解槽上部机械结构 的热变型也降低，上部设备的使用寿命延长，降低了修理工作量电解温 度降低后，电解质挥发减少，烟气温度降低，在960C左右生产时，电解烟 气温度一般在100〜120°C,在940C左右生产时，烟气温度降到70〜80C， 使得烟气净化设备损坏减少，同时净化率提高，电解氟化盐消耗大大降低， 已从高温时期的35Kg/TAl左右降到目前15〜18Kg/TAl,不仅节约了生产成 本，而且大大降低了环境污染2.低电压电解槽的槽电压V =V +V +V +V +V +V +V槽 阴 阳 分解 极化 质 母 效在上式中，除了分解电压 V 是不变值外，其余各项都是可以通过技 分解术进步降低的早期自焙时极电解槽生产槽电压一般在4.3〜4.5V,大型预非极电解槽 较长时期控制在4.1〜4.2V之间近几年，科研人员通过不断努力，在阴极 压降（V ）等方面都有较大幅度降低目前，我国大型预焙阳极铝电解槽 阴的生产槽地压均降到了 3.90〜4.0V之间，有些已接近3.80V，达到了真正 意义上的低电压生产，使电解铝电耗大幅度降低。

我国电解铝直流电耗平 均已达到1260 左右，有些系数已达到1230 以下，一举成为世界先进水平槽电压降低，意味着电解槽热收入减少，要保证电解槽在940〜950°C 之间恒定运行，电解槽必须要减少热支出，才能保证热平衡2008 年以前 的大型预压高（4.10V以上），电解槽热收入大，槽侧部散热量达不到要求， 使得炉帮形成困难，很难建立稳定的炉膛，那时，大型预焙槽必须设计成 侧部散热型电解槽，使得因为如何加强电解槽侧部散发热而成为设计生产 的老大难问题现在低电压生产，不仅不需要加强散热，而且要求侧部加 强保温，否则会形成炉帮太厚，影响生产运行低电压生产技术彻底颠覆 了多年大型预焙解槽散热型观念，而变成了保温型，不仅长期的老大难问 题自然解决，也提高了电解槽的热效率，降低了电能耗第二节 铝电解阳极极距在铝电解过程中，电化学反应是在阴极和阳极表面上进行的，阴极与 阳极之间有一定的距离，将该距离称为极距或叫阴-阳极极距（简称 CAD）1. 阳极极距的简单测量 在生产现场，电解槽的阳极极以进行简单测量，测量方法如图8-1 所示 将绘制测量钩垂直放入槽内，测量钩前端紧挨阳极底部，尾端放置一水平器并保持水平，停留一分钟左右取出，此时由于电解质会在测量钩上 端粘上厚厚的一层，而铝水不粘在铁钩上，那么铝水与电解质在钩头上形 成一分界线，再用直尺商量量该分界线到钩端的距离，即为阴-阳极极距。

2. 阳极极距的简单计算在 V 中， V 即指阴-阳极极距间电解质层的电压降当电解槽在稳定 槽质 的电流强度，电解质成分，电解温度下运行，便有一个稳定的阳极电流密 和电解质比电阻，即有极距：H厶DR例：某厂300KA电解槽，V质为1.38V,阳极电流密度为0.733A/cm2， 电解质成为分子比 2.4，氟化钙含量 5%，氧化铝含量 2〜3%，电解温度为950°C，可查得该电解质成分的比电阻为0.47Q/cm,那么，该槽的阳极极距为：冷=1.38DR — 0.733 x 0.47=4.006(cm)即该槽的阳极极距为4.0cmV 质根据设计的槽电压组成项中获得（如表7-1），也可通过测量电解槽电压组成获得直接测量极距间电压降非常困难，但可测量阴极压降，阳极压降，母线压降后（不包括 V ），通过读取的槽电计算出来即： 效V =V -V -V -V -1.65质 槽 阴 阳 母3. 阳极极距模型不管是测量还是计算出来的阳极极距，都是一个模糊的概念，阳极极 距到底是怎样构成的，必须有一个深入的了解 2009 年，田甫根据多年观 察和思考，提出了阳极极成模型，如图8-2在电解槽运行中，阳极底部有一层阳极反应生成的co2气中泡与电解 质的混合层b，由于铝液受磁场力的推动，铝液表面形成一波浪层a,为了 保证较高的电流效率，铝液的波峰与阳极气液层的下沿不能接触，中间应 有一定厚度的隔层c,此三层合起来构成了阳极极距，所以有:h=a+b+c在实际生产中，当阳极速度为660mm时，通过模拟计算，阳极气液层 b将为2cm，在现代大型预焙槽的磁场设计中，虽然充分进行了磁场的平衡 设计，但仍有一定的不平衡磁场力产生，使得铝液波动，目前的大型预焙 槽铝液的波动高度为1.5cm；为了保证铝液波峰与气液层不接触，中间隔层 厚度考1cm，那么对于普通平底槽而言，阳极极距为4.5cm左右。

按照前 述电流密度，电解质成分和化解温度的比电阻，此时， V 为：质V 质=HDR=4.5 X 0.733 X 0.47=1.55V按照7-1表中的其他项计算，该型电解槽的槽电压应为4.085V这就 是普通平底槽运行的典型阳极极距值从阳极极距模型可知，如果我们想办法降低铝水波浪高度或者阳极气 液层，我们可以在保证不影响电流效率的前提下降低， V 电压降，如果某质厂 300KA 电解槽，即是采取了羿型阴极技术和阴极钢棒斜扎技术后，有效 地将铝液波浪层a从1.5cm左右降到了 1.0cm,将V电压降低了 0.17V,质可将直流电耗降低550左右如果我们想办法降低阳极气液层高，同样可以降低V电压降，实现节质能目的所以，该模型揭示了通过降低阳极极距节能的最大限值，有了阳 极极距构成模型，生产中就不会盲目降低极距，对生产运行有实际的指导 意义，也对降低阳极极距的理论研究指明了方向第三节 现代铝电解槽的物理场所谓电解槽的物理场是指电场、磁场、热场、力场、流场和浓度场 在早前的小型电解槽（自焙槽和小预焙槽）上，由于槽型小系列电流小， 在电解槽的设计与生产运行中，主要关注热场（热平衡与保温），其他场影 响不大而被忽视。

现代大型预焙槽槽型大（长度达一千多米），电流强度大（300〜600KA）,除了热场外，其他场对电解槽的稳定高效运行，电解槽寿命影响极大，必须高度重视和全面认识它们由于各种场的复杂性，至今 还未建立起能准确表达各种场特性的数学模型，但研究在不断深化，计算 体系在不断完善，相信更加完善的数学模型和更加精确的计算结果，会更 好地指导大型和超大型预焙阳极铝电解槽的设计和生产，获得更好的生产 效果本节主要介绍各种场的基本概念，复杂的计算过程不属本书内容1. 电场 电场又称电流场，即电解槽上的电流与电压分布情况电扬是电解槽 运行的能量基础，是其他各物理场形成的根源强电流将产生强大的磁场， 电磁力的作用导致焙体运动，从而影响槽内热度交换和运行工况；电流也 直接产生焦尔热，正是交换电解槽能准确合适的电解温度因此，铝电解 槽的电流分布好坏，对电解槽的生产有重大影响电解槽的导电系统有主 柱母线，阳极大母线，阳极系统，焙体电解度，铝液，阴极系统，阴极母 线系统在大型电解槽上，人们的主观要求是，各**母线的导电量应完全 按照分配的量承担；阳极大母线框两边承担的电流量均等，不出现一边大， 一边小的偏流现象，各阳极电流分配相等，电流从极距之间的焙体电解质 中垂直穿过，并垂直穿过铝液，进入到阴极碳块，阴极系统中每块阴极导 电相等，电流从阴极碳块的阴极钢棒中流出。

进入阴极母线系统，每条阴 极母线的电流也应相等，整个电路是一个串，并联合电路从理论上讲，要 实现电流分配的均等，必须是各支路的电阻均等计算采用学效网络电阻 法，利用欧姆定律和基尔霍夫定律联解方程组，求得各部分各支路的电流 小大和方向但是，在实际计算过程中，由于边界条件的假想和确定不同，计算结 果结构存在较大差异，加之实际生产中炉膛形状，槽底沉淀，各阳极碳块 高度，阴极形状，铝液界面形状，阴极碳块内阻学的差羿，实际的电流分 布与计算结果会出现较大差羿因此，生产中怎样调整好阳极的液量高度， 保证炉膛形状稳定，消除炉底沉淀，使电流分配尽量符合理论计算，将是 现场技术管理的重点2. 磁场由于直流电流通过电解槽各气体时，会产生强大的磁场，磁场与电解 质及铝液中的电流相互作用产生电磁力，使电解质和铝液发生循环流动、 界面波动和**变型，但电解质和铝液的循环流动对氧化铝的快速扩散和溶 解以及温度的均匀分布又是必不可少的电解槽内铝液的隆起和波动会减 少有效的极间距离，也增加铝的**损失，导致电流效应下降，因此，磁场 分布的好坏对电解槽的生产运行和电流效率有重大影响对铝电解槽的磁 场研究，始于上世纪60 年代，由于电解槽的电流越来越大，磁场对电解槽 的稳定运行影响越来越突出，通过生产实践发现，在5X104A电流的电解槽 上，磁场对铝液面的隆起仅为1cm左右，当电流达到8X104A以上时，铝液 面几乎隆起8~10cm。

从大型预焙铝电解槽的结构可知，各种容量的电解阳极母线结构，阳 极和阴极的排布基本一样，电流从阳极大母线框流经阳极，再经电解质层， 铝液层流向阴极，电流的走向也完全一样，它们将在槽内产生一个固定的 磁场分布状态，随着电容量增大，磁场强度也增大，大型。