（冶金工程专业论文）南山铝业160ka预焙阳极电解槽综合治理研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 南山铝业1 6 0 k a 预焙阳极电解槽采用四端进电方式的母线配置，它 属国际2 0 世纪8 0 年代的先进技术装备，是国内比较成熟的槽型。这种 槽型的电解槽在多数其他企业运行状态良好，然而南山铝业的1 6 0 1 f a 预 焙阳极电解槽生产不稳定，电流效率较低，电耗较高。各项经济技术指 标明显低于其他厂家的同类型电解槽指标，也低于设计值。针对这种情 况，本文进行了南山铝业1 6 0 k a 预焙阳极电解槽综合治理的研究。 利用1 3 0 # 电解槽的电流分布、炉底电压降、炉帮形状、铝水平、磁 场 受| l 量结果，电解质的分析结果，以及生产运行的状态，全面分析了南 山1 6 0 k a 预焙阳极电解槽的磁场、热场、电场、流速场运行特点及对电 解槽运行状态的影响，分析了高镁电解质体系中氟化镁含量对电解质的 初晶温度、密度、电导率及氧化铝的溶解度、溶解速度的影响。分析结 果表明，电解质中氟化镁含量过高，同时n a f a 1 f 。m o l 比较低是造成槽 底氧化铝沉淀多和形成硬结壳的主要因素。在这种状态下，各项工艺技 术参数很难控制，由此造成生产波动及电耗高。 本文提出了解决高镁电解质生产波动的对策，即在不同的生产阶段， 要随电解质中的镁含量的变化，因槽制宜地调控电解槽的电解质 n a f a 1 fa m o l 比，以及其它工艺参数，使电解质的氧化铝溶解度提高、 溶解能力增大，从而减少沉淀，抑制槽底结壳。这种综合治理对策在生 产中进行了实施，通过对1 6 0 k a 电解槽加强生产各项工艺技术的调整与 管理( 调低电解质中氟化镁含量或在不能调低电解质中氟化镁含量的条 件下适当提高n a f a i f a m o l 比) ，使电解槽生产稳定，提高南山铝业1 6 0 k a 预焙阳极电解槽各项经济技术指标。 本文还通过对u 9 # 电解槽使用s i g n ；一s i c 侧衬在炉帮形成中的散热 性能数据的测量与分析，得出s i 。n 。一s i c 侧衬的应用对铝电解槽炉帮的 形成、电流效率的提高具有积极的意义，应在大、中型电解槽中推广。 对南山铝业1 6 0 k a 电解槽综合治理的研究结果表明，电解质中氟化 镁含量过高，同时n a f a 1 f 。m o l 比较低是造成电解槽各项指标较低的主 要原因。因槽制宜地调控电解槽的电解质n a f a 1 f 。m o l 比，调低电解质 中氟化镁含量或在不能调低电解质中氟化镁含量的条件下适当提高 n a f a l f 椰0 1 比，使电解质的氧化铝溶解度提高、溶解能力增大。通过对 l 东北大学硕士学位论文 摘要 1 6 0 k a 电解槽加强生产各项工艺技术的调整与管理，使电解槽生产稳定， 为南山1 6 0 k a 预焙阳极电解槽提高经济技术指标，稳定生产提供了可行 方案和有效途径。 关键词1 6 0 k a 预焙电解槽、高镁电解质体系、工艺的优化、技术条件 i i 查些查兰婴兰篁堡墨 鉴翌坐三一 a b s t r a c t t h e16 0 k a e l e c t r o l y s i sb a t h s w i t h p r e b a k e da n o d e i nn a n s h a h a l u m i n i u mc o ，l t d a r ed e s i g n e da st h eb u sa r r a n g e m e n tb ym e a n s o f f o u r s i d ei n c o m i n gf e e d e r t h e s e16 0 k ae l e c t r o l y s i sb a t h se q u i p p e d w i t ht h ea d v a n c e dt e c h n i c a l1 e v e li n1 9 8 0 s i nt h ew o r l d ，c a nb el i s t e d a so n eo ft h e q u i t ew e l l - p r o v e n b a t h t y p e i nc h i n e s ed o m e s t i c e l e c t r o l y s i sa l u m i n u mi n d u s t r y t h i st y p eo f b a t hf u r lw e l li nm o s to f t h ep l a n t s ，b u tt h e r ei ss o m ep r o b l e m si nn a n s h a na l u m i n i u mc o 。， s u c ha st h ei n s t a b i l i t yo fp r o d u c t i o n ，l o w e rc u r r e n td e n s i t ya n dh i g h e r e l e c t r i c i t yw a s t i n g e a c hi t e m o f e c o n o m ya n dt e c h n o l o g y i n d e x e sa r e o b v i o u s l y l o w e rt h a nt h o s eo ft h es a m et y p eo fb a t h si no t h e r e l e c t r o l y s i s a l u m i n i u m p l a n t s a sw e l la st h o s ed i s i g n e d f o rt h i s p u r p o s e ，t h ea u t h o ro f t h i sp a p e ra i mt or u l eo v e r16 0 k ae l e c t r o l y s i s b a t h sw i t h p r e - b a k i n g a n o d e t o t a l l y t h ea u t h o ro ft h i sp a p e rc o m p l e t e l ya n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c s o fm a g n e t i cf i e l d ，r a d i a t i o no fh e a t ，e l e c t r i cf i e l da n df l o wf i e l di n n a n s h a n16 0 k ae l e c t r o l y s i sb a t h sw i m p r e b a k i n ga n o d ea sw e l la s t h ei n f l u e n c et ot h eo p e r a t i n go ft h eb a t h s ，t h ec o n t e n to f m a g n e s i u m f l u o r i d ei n h i g h - m ge l e c t r o l y t es y s t e m o np r i m a r y c r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r e ，d e n s i t y , e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y , a n ds o l u b i l i t y a n d d i s s o l u t i o nr a t eo fa l u m i n ao nb a s i so fd a t ao ne l e c t r i c a lc u r r e n t d i s t r i b u t i o n ，v o l t a g ed r o p i nb a t h b o r o m ，s h a p e o f b a t h b o d n a l u m i n i u ml e v e la n dm a g n e t i cf i e l dt e s ti n13 0 # e l e c t r o l y s i sb a t h c o m b i n e dw i t ha p p a r e n tf e a t u r e si np r a c t i c a lo p e r a t i o n i ti s p r o v e d t h a th i g h e rc o n t e n to f m a g n e s i u m f l u o r i d ea n dl o w e r n a f a 1 f 3 m o li n e l e c t r o l y t ea r et h em a i nf a c t o r sr e s u l t i n gi nt o om u c h a l u m i n a d e p o s i t i o na tt h eb a t hb o t t o ma n df o r m i n gh a r de n c r u s t u n d e rt h i s c o n d i t i o n ，i t sh a r d t oc o n t r o lt h et e c h n o l o g y p a r a m e t e r s ，w h i c hl e a d t o p r o d u c t i o nf l u c t u a t ea n dh i g h e rp o w e rc o n s u m p t i o n 1 1 1 es o l u t i o nt h a tc o n t r o lt h em o lr a t i oo f n a f a i f 3a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tc o n t e n to fm gi n e l e c t r o l y t ea t d i f f e r e n ts t a g e ，a n d 查j ! 盔兰堡主兰丝丝茎坐里型堕! 一 c o n t r o lo t h e rp r a c t i c ep a r a m e t e r ss oa st oi n c r e a s et h es o l u b i l i t ya n d d i s s o l u t i o nc a p a c i t yo fa l u m i n a ，t od e c r e a s ed e p o s i t i o na n dc o n t r o l e n c r u s ta tt h eb o t t o mo ft h eb a t h s i s p u t f o r w a r dt or e s o l v et h e f l u c t u a t eo f h i g h m a g n e s i u m e l e c t r o l y t e t h ei n t e g r a t e d c o u n t e r m e a s u r e sa r ec a r r i e do u td u r i n gt h ep r o d u c t i o nb yr e g u l a t i n g a n da d m i n i s t e r i n ge a c ht e c h n o l o g yp a r a m e t e r , t h a tm e a n s t or e d u c et h e c o n t e n to fm a g n e s i u mf l u o r i d ei n e l e c t r o l y t e ，o r i fc a nn o t ，j u s t p r o p e r l y i n c r e a s et h em o lr a t i oo fn a f a 1 f 3s oa st os t a b i l i z e p r o d u c t i o na n di m p r o v ee a c he c o n o m i ca n d t e c h n i c a li n d e xo f16 0 k a e l e c t r o l y s i s b a t h sw i t h p r e - b a k i n g a n o d ei nn a n s h a na l u m i n i u m c o m p a n y t h ea u t h o ra l s oa n a l y z e sh e a te m i s s i o nd a t ao fs i 3 n 4 - s i cs i d e l i n i n gi nn a n s h a nl19 # e l e c t r o l y s i sb a t h ，a n dd r a w st h ec o n c l u s i o n t h a tt h eu s eo fs i 3 n 4 - s i cs i d el i n i n gi so f p o s i t i v em e a n i n gt of o r m f i r e s i d eo fb a t ha n dt oi n c r e a s ee l e c t r i c a lc u r r e n te f f i c i e n c y , a n di ti s w o r t h e x t e n d i n g i nm i d d l ea n d l a r g es c a l e b a t h s a f t e rt h er e s e r c ho n16 0 k ab a t h so fn a n s h a na l u m i n i u m c o ， l t d w eh a v ef o u n d h i g h e r c o n t e n to f m a g n e s i u m f l u o r i d ei n e l e c t r o l y t e a n dl o w e rm o lr a t i oo f ? n 农 a 骚3a r et h em a i nf a c t o r s r e s u l t i n gi nt h el o w e ri n d e x e so fe l e t r o b a t h i n c r e a s i n gt h es o l u b i l i t y a n dd i s s o l u t i o nc a p a c i t yo fa l u m i n a i ni ne l e c t r o l y t eb y c o n t r o l l i n gt h e m o lr a t i oo fn a f a i f 3a n d l o w e r i n g t h ec o n t e n to fm a g n e s i u m f l u o r i d ei ne l e c t r o l y t e r e g u l a t i n ga n da d m i n i s t e r i n g e a c ht e c h n i c a li n d e xo f1 6 0 k a e l e c t r o l y s i sb a t h sp r o v i d eaf e a s i b l es c h e m ea n de f f i c i e n ta p p r o a c ht o s t a b l e p r o d u c t i o na n di n c r e a s i n ge a c he c o n o m i ca n dt e c h n i c a li n d e xo f 1 6 0 k a e l e c t r o l y s i s b a t h sw i t h p r e - b a k i n g a n o d ei nn a n s h a n a l u m i n i u m c o m p a n y k e y w o r d s ：16 0 k a e l e c t r o l y s i sb a t h sw j t l lp r e b a k e da n o d e h i 曲m ge l e c t r o l y t es y s t e mp r o c e s so p t i m i z a t i o n t e c h n i c a lc o n d i t i o n 声明 本人声明所交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：专- 恕曼 日期：知； ，占 查j ! 奎堂墅堂垡丝塞 一兰二垦! ! 直一 1 前言 1 1 引言 铝是一种银白色的金属，年耗量仅次于钢铁，列居第二，它的储量大、 密度小、比强度低、导电性能好并且具有良好的防腐性，其不仅需求量大而 且兼备了其它各种金属的特性，是一种应用广泛的金属。近年来。随着经济 的发展世界铝产量逐年增加，由1 9 8 0 年的1 6 1 0 万吨增至2 0 0 2 年的3 2 0 0 万 吨，而我国的铝产量由1 9 8 0 年的4 0 万吨猛增到了2 0 0 2 年的4 4 0 万吨，成为 世界第一产铝大国。2 0 年来，铝产量翻了几番。电解槽的容量已经从6 0 k a 提高到3 2 0 k a ，能量消耗已降至1 3 2 0 0 k w h t a i ，电流效率达9 0 一9 5 。近 年来，随着我国铝电解槽设计技术的发展，生产管理水平不断提高，工艺技 术逐步完善，我国铝电解的各相经济技术指标明显提高，但与国外相比还存 在一定的差距，突出表现在： ( 1 )电流效率低2 4 ，电耗高3 0 0 5 0 0 k w h t a l 。 1 2 ) 大型预焙槽槽寿命短，平均寿命只有1 2 0 0 天。 ( 3 ) 部分电解槽的磁场、热场设计不合理。 1 4 ) 氟化盐单耗高1 0 一1 5 k g ，吨铝炭耗高3 0 一5 0 k g 。 随着世界铝电解工业的迅速发展，铝产品供需基本达到了平衡且竞争曰 趋激烈，而对我国众多槽型的技术装备及工艺技术条件的优化、电流效率的 提高提出了更高的要求，特别是随着国内大、中型的预焙铝电解槽普遍采用 了点式下料技术、生产的智能与模糊自动化控制技术，由于边部加工的频率 减少和边部氧化铝浓度的降低，致使侧部炉帮的形成较为困难，直接制约着 电耗的降低与电流效率的提高。而电流效率的提高不仅取决于槽型、工艺装 备，而且取决于对电解槽运行工艺参数的设定，电解槽状况的稳定与工艺条 件的优化及与自动控制。从国内的大、中型预焙电解槽生产的经济技术指标 来看，我国1 6 0 k a 预焙阳极电解槽电流效率普遍在9 2 9 4 左右，原铝直流 电单耗最好指标为13 2 5 4k w h t - a 1 。而从2 0 0 0 年到2 0 0 2 年统计指标看， 南山铝业1 6 0 k a 预焙阳极电解槽平均仅为电流效率达8 9 7 9 ，与国外铝厂 及国内铝厂相比，其原铝直流电耗、电流效率及各项经济技术指标存在着较 查j ! 盔兰塑主兰堡堡茎 篁二兰一i ! 量 大的差距。分析其原因，主要是1 6 0 k a 预焙电解槽的电解质体系中镁含量偏 高的原因，致使其电解质成分发生了很大的变化，直接导致电解槽的生产明 显波动，原铝直流电耗偏高、电流效率偏低。因此，如何降低电耗、提高电 流效率是摆在我们面前的一个迫切的课题，另夕 ，从能耗公式看： w = 2 9 8 0 * v r l 公式中：w ：原铝直流电耗( k w h t - a 1 ) v ：电解槽平均电压 ( v ) r l ：电流效率( ) 要降低能耗必须在保证合理、经济的平均电压的前提下，提高电流效率， 必然会达到降低电耗的目的。而电流效率的提高，必须有稳定的的生产工艺 条件。如何合理调控工艺技术条件，则应全面分析与研究电解槽的运行状况。 掌握其生产运行的现状与特点。众所周知，铝电解生产是采用熔盐电解法得 到原铝，其电耗相当高约占成本的3 0 4 0 ，它是原铝成本的决定性因素。因 此要想缩短差距，提高1 6 0 k a 预焙阳极电解槽的稳定性，但南山铝业1 6 0 k a 预焙阳极电解槽目前电解生产的现状是：电解质中的镁含量达到8 左右，生 产始终处于不稳定状态，电解槽槽底沉淀、结壳多且特别难化，侧部炉帮特 别空且不规整，电压摆的时问长，电解槽的电解温度高( 电解质的表面温度) 。 直接影响到原铝直流电耗的降低与电流效率的提高，因此，解决1 6 0 k a 预焙 电解槽生产的实际问题迫在眉睫 1 - 3 1 。 从国内、国外工业化生产来看，采用含镁电解质体系的厂家一般都将氟 化镁含量控制在5 以内，但对分子比的控制有定要求，如国内包铝和抚 铝的1 3 5 k a 电解系列。而邱竹贤院士曾提出过含6 氟化镁的工业化电解质 体系，虽说可以大幅度提高电流效率，但至今没有工业化实施的报道。而含 氟化镁8 左右的电解质体系仅在研究低温电解质性质的实验中出现过。所 以，南山电解铝目前遇到的问题应该是决无现成经验可照搬，只有踏踏实实 去深入研究、积累槽况信息，熟悉与掌握1 6 0 k a 电解槽的磁场、热场、电场、 流速场的特点，探索和总结出一套适应目前南山1 6 0 k a 预焙电解槽生产特点 的成熟工艺，才能解决生产的波动问题，从而使电解槽的生产稳定及各项经 济技术指标提高，只有这样才能适应加入w t 0 后的铝工业竞争机制。 2 查垄叁兰塑圭兰焦堡苎笙二至塑童一 1 2 铝工业的生产现状及发展 目前，国有大小铝厂1 4 0 多家。2 0 0 2 年全年产量达4 0 0 多万吨，居世界 第一位。近年来由于国家环保政策的压力，新建铝厂全部采用大型预焙槽生 产技术，目前我国在建、扩建、新建铝厂的产能大于2 0 0 万吨，拟建产能达 5 0 0 万吨，预计到2 0 0 5 年我国原铝产量达7 0 0 多万吨。从我国铝工业的发展 过程看，我国现有的预焙槽种类繁多且每种产量都不大，现有3 2 0 k a 、3 0 0k a 、 2 8 0k a 、2 3 0k a 、2 0 0k a 、1 9 0k a 、和1 8 6k a 的现代预焙槽，以及1 6 0i ( a 、 1 5 5k a 、1 4 0k a 、1 3 5k a 、1 1 4k a 、8 0k a 、7 5k a 、和6 0 k a 的中、小型预焙 槽共1 0 余种槽型。其中1 6 0 k a 预焙槽约1 3 1 4 台，产量为5 1 万吨产能，目前 国内的1 6 0 k a 预焙电解槽，属国际2 0 世纪8 0 年代先进的技术装备水平。它 是在总结早期1 6 0k a 预焙槽优点和差距的基础上，并采用先进的电解槽物理 场计算模型和手段设计出来的- i f 新型电解槽。具有着合理的母线配置、稳 定的流动场、结构合理的槽壳、结构简单的传动系统和自适应控制系统等特 点。采用这种技术的用户均在较短的时间内，使各项经济技术指标都超过设计 值。近期，由国内权威机构对新安铝厂运行的s y l 6 0 预焙槽的测试结果表明， 该槽型的物理场的模拟计算结果与测量结果十分吻合。在测试期的整流效率 为9 8 6 6 ；系列连续1 0 个月的平均电流效率可达9 3 9 9 ，直流电耗为1 3 3 4 8 k w 1 t a l 。说明目前1 6 0 k a 预焙阳极电解槽做为国内电解铝生产的主导槽型 是比较完善的。但作为同一系列电流设计相同的电解槽，由于工艺技术条件 设置的不同，其电解槽的各项经济及技术指标也有高有低，从统计数据来看， 南山铝业1 6 0 k a 预焙阳极电解槽截止2 0 0 2 年底电流效率仅达8 9 6 6 ，电耗为 1 4 0 1 4 k w h t - a 1 ，因此南山铝业综合治理1 6 0 k a 预焙阳极电解槽势在必行，通 过改进生产工艺和条件，提高电流效率及降低电耗，满足铝工业发展的需要 【们 1 3 课题的研究内容与研究方法 1 3 1 研究内容 1 ) 1 6 0 k a 预焙阳极电解槽生产制度的改进 3 查韭墨兰堡主兰堡堡苎 蔓二至蔓童 分析1 6 0 k a 预焙阳极电解槽存在的问题，全面了解南山1 6 0 k a 预焙阳极 电解槽的生产运行现状，掌握电解槽的电场、热场、及磁场具体设置及分布， 制定合理的控制方案，因槽制宜设定及调整工艺技术参数，稳定生产，提高 电流效率。 2 ) 高镁电解质体系电解质的研究 分析目前的南山1 6 0 k a 预焙阳极电解槽高镁电解质系体系中镁含量偏高 的原因及高镁对电解质成分的影响，通过对高镁体系电解质密度、电解质初 晶温度、导电度、溶解度和溶解速度等因素的研究分析其对生产槽的运行影 响，并提出对策，合理改善与控制工艺技术参数，减少生产的波动，提高生 产的稳定性。 3 ) 筑炉材料改变的研究 由于目前1 6 0 k a 预焙阳极铝电解槽采用自动化控制及点式下料技术，致 使侧部炉帮的形成困难，故选取s i 。n 。一s i c 块砌筑的1 1 9 4 电解槽进行分析和研 究，分析s i 。n 。一s i c 侧部炭块在1 6 0 k a 预焙电解槽生产运行中对炉帮形成的影 响”1 。 1 3 2 研究方法 本文主要是针对南山1 6 0 k a 预焙电解槽的生产实际运行状况，通过对南 山1 6 0 k a 预焙电解槽1 3 0 # 电解槽的电流分布、炉膛内型热场、磁场及工艺技 术条件数据的测量与分析及高镁电解质成分的分析及使用s i 。n 。一s i c 侧部砌 筑的1 1 9 # 电解槽的运行效果的应用检测，来寻求适合南山1 6 0 k a 预焙电解槽 的生产实际新工艺，解决目前铝电解生产中存在的问题。 1 3 3 检测方法 1 3 3 1 电流分布的检测 1 6 0 k a 预焙阳极电解槽的电流分布的检测主要是采用量程为2 5 m v 的压 表，并带有屏蔽的铁盒，测量棒距离宽度为1 5 c m ，要求垂直测量。 i 3 3 2 槽壳温度的检测 采用点式测温仅，要求紧密接触、压紧，量程为0 - 5 0 0 。c 。 1 3 - 3 3 磁场的检测 参考郑州轻金属研究院对南山1 6 0 k a 预焙阳极电解槽的测试结果，其选 4 查j ! 查堂堡主堂焦丝茎 用的是美国进口的三维高斯计来测量。 1 3 ，3 4 炉膛内型的检测 第一章前言 采用炉帮厚度测量棒、伸腿中部高度测量棒、伸腿长度测量棒进行测量。 1 - 3 _ 3 5 电解质成分的检测 采用晶型分析法。 1 3 3 6 工艺参数的检测 采用各种电解常用的测量工具，电子计算机控制的检测。 5 查j ! 生堂堡兰兰焦丝= 塞； 塑三童塑皇塑皇主星型墨三兰垫查垒壁 2 铝电解生产原理及工艺技术条件 2 1 铝电解生产原理及生产工艺流程 铝电解工业生产，主要采用冰晶石一氧化铝融盐电解法。铝电解生产所 需的原材料为氧化铝和氟化盐，主要设备是由炭素材料为主体的阳极和阴极 组成的电解槽。其原理为，直流电通入电解槽，在阳极和阴极起电化学反应， 阴极上析出铝液，阳极上是c 0 2 ( 约7 5 - 8 0 ) 和c o ( 约2 0 一2 5 ) 气体。 电解槽内，电解质通常由冰晶石9 0 ( 质量) 与氧化铝5 ( 质量) 及添加 剂5 ( 质量) 组成，电解质温度为9 4 0 9 7 0 。c ，电解质的密度为2 1 窖c m 3 铝 液密度为2 3 9 ，c m 3 两者因密度差别而分为上下层，铝液用真空抬包抽出，经净 化、澄清、和配料之后，浇铸成商品铝锭。阳极气体中还含有少量的有害的 氟化物和沥青烟气，经净化回收后，废气排放入大气收回的载氟氧化铝返回 电解槽。 阴极反应： 3 a 1 0 f 2 + 6 e 一2 a l + 6 f + a 1 0 3 ( 2 1 ) 即2 a i ”( 络合) + 6 e 一2 a l 阳极反应： 3 a i o f 2 - 6 e 一1 5 0 2 + 3 a 1 十+ 6 f _( 2 2 ) 即3 0 2 一( 络合) 一6e 一1 5 0 2 因为阳极为炭素材料制成，因此，阳极区的放电反应为： 0 2 。( 络合) + c 4 e c 0 2 ( 2 3 ) 总反应为： 2 a 1 + 3 c 0 2 2 a 1 2 0 3 + 3 c o ( 2 4 ) 铝电解工艺流程图 6 东北大学硕十学位论文第二章锚电解生产原理及工艺技术条件 氢化钽迷晶石氲化盐预焙田极炭堪直流电 图2 1铝电解生产工艺流程 f i g 2 - 1t h et e c h n i q u ef l o wo fa l u m i n u m e l e c t r o l y s i s 2 2 影晌铝电解槽正常生产的技术条件 铝电解槽通过焙烧在启动i - 3 个月后，电解槽基本达到了热平衡，电解 工作空间已基本形成，建立了规整的炉膛，工作电压和电解质成分，电解质水 平、铝水平也趋于或达到正常，极距及阳极效应系数也趋于正常，阳极周围 电解质沸腾均匀，火眼喷出的炭渣干净及淡蓝色火苗强而有力，阳极底掌下 沉淀较少，炉面氧化铝结壳完整，且达到能量与物料的平衡即电解槽进 7 查j ! 盔兰堡主堂篁堡塞 塑三皇塑皇塑竺兰堕堡丝三苎垫查釜壁 入正常生产阶段，在正常生产阶段必须通过合理调控电解生产的各项工艺参 数，才能达到稳定的生产1 7 j 。 1 ) 电解温度 在铝电解生产中，电解温度是影响电解槽生产率和铝质量的重要参数之 一电解质温度的高低首先取决于电解质成分，一定的电解质成分具有一定的 初晶温度，目前，在现有的工艺装备的条件下，电解槽的温度一般保持在 9 4 0 9 6 0 ，即高出初晶温度的1 0 - 1 5 据资料指出温度过高不仅破坏电解槽 的热平衡，而且增加金属铝的损失，降低电流效率，温度每升高1 0 ，则电流效 率降低1 2 ，不但熔化炉膛，增加物料的消耗，导致病槽温度过低，也使电解 槽的热平衡遭到破坏使电解智的密度增大、粘度增大、铝水和电解质分离不 清，增加了铝的损失，并使阳极气体不易排出。槽帮长大，伸腿伸长，电解质 溶解氧化铝的能力降低。阳极效应系数增加，槽底沉淀增多，电解质急剧收 缩，严重时导致冷行程的出现，使各项指标大幅度下降。因此，保持电解槽 的正常温度，对于提高电流效率，降低电耗是大有好处，同时正常的电解温 度的保持有赖于其它技术条件以及相适应的操作制度的配合，它们彼此间互 相影响，互相制约。 2 ) 电解质成分 电解质成分对电解槽的工作影响很大。槽温( 电解质温度) 、氧化铝溶解 度、槽帮结壳的状况和表面结壳的硬度等均与电解质成分有关。冰晶石、氧 化铝及添加剂等都属于电解质成分。其中冰晶石是组成电解质的主体。工业 生产实践表明，大型预焙槽一般采用的分子比为2 5 2 6 ，氧化铝含量为 2 - 6 ，添加剂总量不大于1 & o ，其中氟化钙3 。5 ，氟化镁3 5 0 , o 的电 解质成分。其优点是熔点低，对铝的溶解度小，钠离子放电析出的可能性减 小，炭渣分离得好，电解质的密度及粘度有所降低，电解质表面结壳酥松好 打等。但分子比过高或过低都有缺点。分子比过低时，电解质的挥发损失大， 氧化铝溶解度降低，容易产生沉淀，降低电解质的电导率，生成低价铝离子 的可能性增大等。分子比过高时，电解质密度及粘度增大，炭渣分离不良， 结壳很硬，且其熔点高，电解质温度高，吨铝电耗增大等。 氧化铝是电解质中唯一大量消耗的成分。电解质中氧化铝含量的高低对 生产的影响也较大。大型预焙槽采用点式下料方式，缩短加工时间，且实行 电子计算机控制，因此其氧化铝浓度波动不是太在，所以对生产的影响不太 r 东北大学硕上学位论文第二章铝电解生产原理及工艺楚查墨堡 大。 电解质中含有一定量的氟化钙或氟化镁，其主要作用是降低电解质的初 晶温度，对提高电流效率、降低电耗有好处博j 。 总之，选择最佳的电解质成分，对于保证电解槽的正常生产、高产量低 耗有重要意义。 3 ) 铝液水平与电解质水平 工业电解槽中的电解质和铝液因密度不同而分层，其相应的水平是指各 液层的厚度而言。大型预焙槽经常保持1 8 2 0 c m 的铝水平，其作用：1 保护 槽底炭块，避免钠离子直接在底块上放电析出并破坏底块；2 使铝离子不在 底块上放电析出以防止生成大量碳化铝增大槽底电压降；3 阳极中央部分多 余的热量可通过这层热的良导体传导至阳极四周，从而使槽内各部分的温度 趋于均匀；4 适当厚度的铝液层可以使槽底温度及温度梯度趋于均匀，从而 保证槽底不因骤热而在早期破损；5 适当厚度的铝液层能够削弱磁场的作用， 降低铝液所受电磁力的作用；6 铝液层可填平槽底上的高低不平处，这有利 于槽底电流的均匀分布；7 保持一定的铝水平，可削弱磁场中的水平电流密 度，不致于使铝水滚动和强烈循环：8 f 申腿的高度和铝水的厚度也有密切关 系。 生产实践指出，铝液水平要和生产实际相适应。过高的铝液水平容易使 电解质冷缩而保持不住所要求的水平，致使电解质溶解氧化铝的能力下降， 使沉淀增多，伸腿长得很大，有时甚至伸入阳极下面很远，造成出铝时降不 下阳极；有时槽底长结壳，出铝后电解槽易产生压槽等事故，不利于机械化 和自动化操作。这样容易造成槽子电流分布不均，阴极电流分布混乱，多者 使槽底过热，少者使槽底变冷，使阴极炭块受力不均，容易造成破损。铝水 平过低时电解槽有明显发热现象，使铝损失增大，降低电流效率；槽帮有时 熔化、不完整，因而铝液镜面较大阴极电流密度相对降低，不利于提高 电流效率。因此要保持合理的铝水平，并使其基本稳定。 电解质水平对于正常电解生产也有很重要的影响，因为电解过程主要是 在电解质中进行的。槽内电解质水平以保证正常电解为准，即能溶解足够的 氧化铝又能保证阳极底掌下热的必要传导1 9 】。 电解质水平高，数量多，电解槽的热稳定性大，温度波动小，溶解氧化 铝的量多，并可少产生沉淀。但过高时会导致电解质循环和导热条件恶化， 9 查苎盔兰堡兰笪笙苎 笙= 童塑鱼堡竺芏堡堡墨三茎垫查墨堡 甚至使槽子过热，并有可能熔化钢爪，破坏电解槽正常生产。太高时也会使 阳极侧面通过的电流增多，减小阳极电流密度，降低电流效率，使电解质表 面结壳难于形成或易于熔化。阳极浸没在电解质中较深，阳极底掌下的热量 不易散出，形成局部过热，阳极气体上升阻力加大，使电解质运动加快，溶 解在电解质中的铝会很快被氧化，对电流效率有不利影响，阳极底掌下炭渣 上浮的阻力增大。反之，电解质水平过低时，电解槽的热稳定性小，电解质 温度容易波动，溶解氧化铝的量减少，生成沉淀的可能性增大，也使阳极效 应频率增大。 在工业电解槽上，铝水平和电解质水平首先受槽膛深度的限制，它们的 高度之和必须稍低于槽膛深度。对于大型预焙槽来说，两者高度的确定应以 尽量压你残极高度，而不熔化钢爪为准。此外，还要考虑电流强度、操作制 度、加料制度及方法和外界气温等因素的影响。 生产正常时，两水平必须进行稳定的周期性变化，意外的升高或下降都 是电解生产走向不正常的征象。 槽工作电压是电解槽阳极母线与阴极母线间的电压降，一般从和电解槽 并联的直流电压表( 安装于槽控机上) 上读取。当电流强度确定后，槽工作 电压的大小既取决于电解槽极化电压和各部分导电体的电压降的大小，又取 决于电解槽的类型、操作制度和加料方法。一般说来，上插槽高，侧插槽居 中，现代预焙槽最低。对于生产稳定的中间下料预焙槽来说，槽工作电压采 用电子计算机进行电压自动调整，一般电压控制在4 1 0 - 4 1 5 v ，此时电压比较 稳定，生产稳定。生产过程中，要保持槽工作电压的基本稳定。除稳定操作制 度、优化的工艺及采用合理的加工制度外，要尽可能降低非有效电压降，比 如阳极导杆电压降、阳极导杆与阳极大母线之间的接点电压降、爆炸焊片及 母线电压降等。电压过高则多消耗电能，同时增加电解槽的热收入，使电解 槽走向热行程。电压过低时，热收入减少，维持不了电解槽的热平衡，使电 解槽走向冷行程。由于电解质冷缩，产生大量氧化铝沉淀，会很快使炉底电 阻增加而发热，由冷行程转变为热行程。冷行程和热行程对生产是极为不利 的，应尽快调整。正常生产时槽工作电压应该是稳定的，不波动或波动很小。 当阳极底掌长包或有小炭块游动、槽底局部结壳很大很高、槽膛内型不规整、 局部沉淀多、电磁场很不均衡时，槽电压往往出现不同程度的波动，此时可 根据观察情况及计算机报表来处理、调整。槽电压过低时还可能造成压槽、 1 ( 1 查j ! 叁堂堡兰堂生丝塞 釜兰兰塑皇壁圭兰堕堡丝王苎茎查墨生 阳极动作不良、槽中滚铝和不灭效应等技术事故【l 。 4 ) 极距 电解槽阳极底掌到阴极铝液镜面的垂直距离称为极距。生产中测量阳极 底掌到铝液镜面的垂直距离作为极距。但由于阳极底掌和铝液表面都不平坦， 所以测得的结果只能是参考性的极距。 极距是电解过程中的一个重要参数。由于在极距间消耗电解槽大量电能 ( 5 0 以上) ，极距的大小将对电流效率和电耗具有重要影响。极距过高，槽 工作电压高，浪费电能，破坏电解槽正常生产。极距过低则使电流效率降低。 在正常电解温度条件下，电解槽达到最大生产效率时，保证电解槽热平衡的 极距，称为合理极距。在合理极距下，电能消耗最小，电流效率最高，吨铝 的氟化盐、氧化铝单耗最低。各种容量的电解槽都有自己的合理极距值。大 型预焙槽的合理极距值为4 5 5 0 c m 。 实际生产中，在不影响电流效率的前提下，要力争在最小极距下生产。 因为在实际生产中当电流效率一定时，吨铝电耗将与极距的缩小和电解槽的 总电阻成比例地降低。例如，当极距从5 5 e r a 降到5 0 e r a 时，槽工作电压降 低近0 1 5 v ，而吨铝电耗会减少5 0 0 k w h 。 5 ) 炉底压降 槽底电压降是指电流通过槽第铝液层到槽外阴极棒端头着1 段路程 所产生的电压降。此电压降由铝液曾电压降、铝液与槽底炭块的接触电 压以及底块组( 包括阴极棒) 的电压降组成。实际测量一般忽略铝液层 的电压降不计，因铝液的电阻率在电解温度下约为o 0 0 0 0 3 q c m ，其数 值很小实际测量的槽底电压降是铝液到小母线的电压降。因此，实际测 得的槽底电压降又多了阴极钢棒与阴极软母县的接点电压降，即爆炸焊 块压降，此电压降基本上不变的。底部炭块的电阻有随生产时间延长而 稍稍下降的趋势。但阴极棒由于在生产期间有电解质在其表面上沉积， 使其和底部的接触电阻逐渐上升，所以底块组的电压降有变化，但相对 来讲幅度不是很大的。变化最大的是铝液与槽底块的接触压降，此接触 压降随如下因素的变化而变化：l 、槽底结壳太小：2 、氧化铝沉淀多少 及分布状态：3 、槽底上炭化铝的生成情况：4 、铝液水平的高低；5 、炭 素材料选择吸收氟化钠量的多少；6 、钠离子放电析出并侵入炭素晶格的 多少等。因此槽底电压降受铝液与底部炭块的接触电阻影响很大。 槽底电压降大，槽底过热，铝液温度高，铝损失增大。在保持相同 1 1 查些查兰型兰垡堡苎 兰三童塑皇壁生兰堕堡垄三苎垫查墨堡一 的槽电压小，槽底电压降高的电解槽极距一定要压缩，因此就降低了电 流效率。 总的说来，槽底上大量炭化铝生成时槽底电压增大；电解质浸入炭 块总数量多时炭块压降升高：氧化铝沉淀多、槽底生成结壳时槽底电压 降也增大：钠离子析出并侵入炭素晶格时槽底电压降也大。相反，这些 因素减少，则降低槽底电压降。因此，在正常生产过程中，要保持合理 的各项技术条件，提高操作质量，努力减少槽底沉淀数量和避免生成槽 底结壳。 6 ) 阳极效应系数 阳极效应系数是每日分摊高每台槽上的阳极效应次数。阳极效应的 发生通常与电解质中缺少氧化铝有关部。大型预槽阳极效应系数一般为 0 5 1 0 次槽日。阳极效应的发生可以检查电解槽生产状态的好坏。 生产实践指出：不易发生效应的电解槽，固然说明了加料制度的合理， 电解质中氧化 铝浓度适宜，做到了节省电能，但并不完全说明电解槽生产正常。 往往可能隐藏着某些对生产不利的因素。阳极效应在电解生产中仍有 定的好处，在效应发生时，电解质对炭渣的湿润性不良，有利于炭渣从 电解质中分离出来，降低电解质的电阻率，降低槽电压，可相对提 高电流效率；其次，阳极效应所产生的月6 0 的热量用于溶解氧化铝， 有利于溶化槽内沉淀及控制沉淀的数量，或者补充电解槽热量的不足， 或者清理阳极底掌表面及槽中其它炭素物质。当然，阳极效应过多对电 解生产极为不利。首先是浪费大量电能，其次是增加氟化盐的挥发损失， 浪费物料。如果系列电流频繁下降幅度较大，则影响其它槽的热收入， 使其它槽的产量减少和电解温度下降，严重时易形成供电和电解之间的 恶性循环反应，造成生产混乱【l ”。因此应综合考虑阳极效应系数的确定。 2 3 铝电解生产主要原料质量要求 根据生产设计及目前铝电解工艺要求，生产中所需的主要原料有氧化铝、 氟化铝、冰晶石。它们的质量要求如下： 氧化铝的要求： 氧化铝的化学成分应满足y s t 2 7 4 1 9 9 8 - - 姗品( a o 2 ) 以上要求，一级品 ( a o 一1 ) 不少于5 0 。 奎j ! 杰兰堡主兰焦丝塞 篁三童塑皇堑生兰堕垄墨三苎堇苎鱼笪一 表2 1氧化铝的化学成分( y s t 2 7 4 1 9 9 8 ) ! ! ! ! ! ! ：! ! ! ! ! ! ! 坐! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 唑! ! 堕! ! ! ! ! 二! !