（有色金属冶金专业论文）提高160ka预焙铝电解槽电流效率综合性研究.pdf

中南火学硕士论文 摘要 最近几年来，铝电解技术产生了令人瞩目的变化，现代铝电解槽的特点不仅 表现在大容量，更重要的是高效能。 中国铝业公司青海分公司1 6 0 k a 中间下料双端进电预焙槽在我国的铝工业和 国民经济发展中起了重要作用，随着铝工业的发展和电解技术的不断更新，如何 在原来的基础上进一步提高电流效率和降低电耗将是我们1 6 0 k a 双端进电大型预 焙电解槽电解人面临的课题。 本文就从生产实际出发，在智能模糊控制的基础上，对现场对电解质成份( 分 子比添加剂氟化锂等) 、电解质温度、氧化铝浓度、工作电压、效应系数、电解质 水平等等技术条件进行了优化，使得优化后技术条件体系下电流效率和2 0 0 1 年以前 的电流效率相比得到明显提高，达到9 3 5 。 结合工艺条件优化，在实际中对影响电流效率的问题逐一解决。实际生产中， 各种因素对电流效率的影响并不是单一的，且期间互有联系。因此，在提高电流 效率方面要针对具体生产条件和设备条件，探索各种因素配合的最佳状态，通过 实践取得了较好的电流效率。 通过对技术条件的优化、操作过程的分析、技术装备的改造，解决了工艺技 术条件优化后的运行出现的问题，提出了新的方法。目前，国内电解生产朝着大 容量化和高效化发展。对于已经属于预焙槽型中落后的1 6 0 k a 双端进电预焙电解 槽来说，除_ 强化电流外，依靠工艺条件的优化来提高此槽型电流效率是很经济 的道路。符合发展方向。 中南人学硕士论文 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，a l u m i n u ms m e l t i n gt e c h n o l o g yh a s ar e m a r k a b l e c h a n g e ，m ec h 眦l c t e ro f 也ec u n e n tr e d u c t i o np o ti sn o to n l yi t sh i 曲 a m p e r a g e b u ta l s oi t sh i g he f ! e i c i e n c y 16 0 k a 1 a 毽es c a l em i d d l e f e e d i n gp r e - b a k e da n o d ee l e c t r 0 j y s i sp o t s o fa l u m i n u m c o 叩o r a t i o no f c h i n al i m i t e dq i n 曲a ib r a i l c hh a sp l a y e d a ni m p o r t a n tm l ei nt 1 1 ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n da l u m i n u m i n d u s n y w i t hm ed e v e l o p m e n t o fa l u m i n u mi n d u s 姆a n d s m e l t i n g t e c h n o l o g yi r u l o v a t i o n ，t 1 1 er e s e a r c ho fi m p r o v i r 培c u r r e n te f f i c i e n c y a n d l o w e r i n gc u r r e mc o n s u m p t i o n a r e c h i e f l yt o p i c s o nt h eb a s i so ft h e p r e s e n t s i t u a t i o n a c c o r d i n g t oo u r p l a n tp r a c t i c e ，t l l i s p a p e r i n t r o d u c e dt h e t e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n ss u c ha s e l e c t m l ”e ( a d d i t i o na g e n tl i f ) 、 e l e c t r o l y t et e m p e r a t i j r e 、a l 啪i n ad e n s i t y 、w o r kv o l t a g e 、a ec o e m c i e n t 、 e l e c t r o l ”e l e v e la n de t c ，h a v eb e e no p t i m i z e do nt h e b a s i s o f 如z z y i n t e l l i g e n t c o n t r o l t e c h n i q u e ，血e c u r r e n t e m c i e n c y a f t e r o p t i m i z a t i o n m a k em o r e p r o g r e s sc o m p a r e d w i 吐l2 0 0 1a 1 1 dr e a c ht o9 3 5 n o w c o m b i n i n gt e c h n o l o g yc o n d i t i o n so p t i m i z a t i o n ，t l l ep r o b l e m w h i c h e f 诧c t e dt h ec u r r e n te m c i e n c yh a v eb e e nw o r k e do u t t h ee f 斑c to ft h e f a c t o r so nc u h e n t e f f i e i e n c yi sn o ts i n g l eb u ti th a sr e l a t i o ne a e ho t h e r i n o r d e rt og e th i g hc u r r e n te m c i e n c y w ep r o b e dt h eb e s tc o m b i n a t i o np o i n t f o rm ec o n c e m e df a c t o r so nt l l eb a s i so fi n f o m a t i o no ft h et e c h n o l o g y a n dt 1 1 ee q u l p m e n t s t h r o u 曲t h et e c l l l l o l o 舀c a lp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ， o p e r a t i o n a lp r o c e s sa l l a l y s i s ，a n de q u i p m e n t sr e c o n s t n l c t i o n t h e s o l u t i o n a r e r t e c m o l o g i c a lp 猢e t e ro p t i m i z a _ c i o na n dt h en e ww a yf o r i m p r o v i n g c u r r e n t e f i i c i e n c ya 1 1 do t l l e ri n d e x h a v eb e e n p u t f b n a r d e d a t p r e s e n t ，m ed e v e l o p m e n tt r e n do fe l e c t r o l y t ep m d u c t i o n a th o m ea r eh i g h a m p e r a g ea j l de m c i e n c y t o w a r dm e1 6 0 k al a r g e s c a l e m i d d l e - f e e d i n g p r e _ b a k e da n o d ee l e c t m l y s i sp o t s ，e x c e p ti n c r e a s i n g t h ep o t l i n e sc u r r e n t i m e n s i 哆，i ti sae c o n o m i c a lw a y t oi m p r o v i n gc u r r e me m c i e n c yr e l y i n g o nt e c h n o l o g yc o n d i t i o n so p t i m i z a t i o na i l dw h i c hs u i t st h ed e v e l o p m e n t t r e n d 2 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献已再论文中作了明确的说明。 作者签名：l 必五量杰日期：翟驾年卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：纠业 导师签名：日期：年一月一日 中南大学硕士论文 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 8 8 6 年美国大学生霍尔( c m h a l l ) 与法国大学生挨罗( c l t h e r o u l t ) 几乎同时在大洋彼岸独自发明铝的熔盐电解法，使铝的提取进入工业化生产阶 段，铝的价格大幅度下跌，从此以后，铝的应用日益广泛，这种电解法被称为霍 尔一埃罗法。至今，全世界每年生产的近2 5 0 0 万t 原铝都是用该法提取的，不过生 产技术与效益有了很大改进，工艺参数有了不少改变，例如电流强度已从1 8 8 8 年的1 8 k a 增大到2 0 0 2 年5 0 0 k a ，提高了近2 7 7 倍，提取原铝的能耗即从那时 4 0 0 0 0 k w h 下降到1 3 4 0 0 k w h ，即用当前晟先进的a p 5 0 槽的电耗仅相当于那时的 3 3 5 ，电流效率从1 8 8 8 年的7 0 上到f i 前的9 5 。曰前最先进与最大的铝电解槽 是法国普基公司( p e c h i n e y ) a p 5 0 型槽。它的长度1 8 m ，工作电流5 0 0 k a ，电压4 2 7 v ， 电流效率9 5 ，每台槽每天可生产3 8 2 5 k g 原锅，电耗1 3 4 k w h k g 铝。据普基公司 称，建一个同等规模的铝厂，采用a p 3 0 型槽相比，投资可下降1 5 ，制造成本降 低1 0 劳动生产率提高3 6 “1 。 表卜一1工业铝电解技术的进展 年 工厂电克分子成分m g r l i f 温度电流效电耗 度流比c a f 2 a l z 嘎 盎 k 卧t a 强度，k a 1 1 8 8 81 81 07 04 0 0 0 0 1 8 9 353 o9 8 0 1 0 07 42 6 0 0 0 0 1 9 1 42 03 09 8 0 _ 1 0 07 72 6 0 0 0 0 1 9 3 75 03 09 8 0 1 0 08 02 1 0 0 0 0 1 9 4 72 73 0559 8 0 1 0 08 02 0 0 0 0 0 1 9 4 58 02 875 m g n3 5 9 7 0 一9 8 08 01 7 0 0 0 中南大学硕士论文第l 章文献综述 | 1 3 5 86 02 9559 7 0 一9 8 08 51 6 5 0 0 【1 9 6 0l o o2 9549 7 0 9 8 08 71 5 5 0 0 1 9 6 51 3 02 8549 7 0 9 8 08 81 5 5 0 0 1 9 7 01 5 02 6549 7 0 一9 8 08 81 4 5 0 0 1 9 7 51 6 02 4549 6 0 一9 8 09 01 4 0 0 0 25539 6 59 21 3 3 0 0 5 1 9 8 21 8 02 2539 6 09 21 3 2 0 0 0 1 9 8 41 7 524 9 01 4 2 0 0 9 1 9 8 41 9 52 3 9 51 2 8 0 0 1 9 8 51 8 02 3 539 4 5 9 6 09 21 3 6 0 0 1 9 8 51 8 0 23539 5 0 9 6 0 9 21 3 6 0 0 1 9 8 72 7 52 2 539 5 0 一9 6 0 9 31 3 6 0 0 1 9 8 72 8 0 2 2539 5 0 9 6 0 9 51 2 9 0 0 1 9 9 22 8 52 2 52 3l i f19 5 2 9 4 1 3 4 0 0 6 1 9 9 53 0 0 2 252 3l i fl9 5 2 9 51 3 4 0 0 2 0 0 25 0 0 9 51 3 4 0 0 1 2我国铝电解工业的发展史 5 0 年代初期我国引进了原苏联侧插自焙电解槽的设计和设备，槽电流强度 4 5 k a ，阳极电流密度0 7 4 a c m 2 ，属于第二次世界大战前的水平( 1 9 3 5 年国外已 有5 0 k a 电解槽的设计，1 9 5 0 年已有1 0 0 k a 的设计) ，装备了第一个铝电解厂 一一抚顺铝厂，年产能力2 万吨“1 。 第二次世界大战结束以后，由于原铝需求量的不断上升，世界铝工业受到重 视并且加快发展，在这六十多年以来，电解槽的容量和生产指标发生了重大变化。 我国的铝电解工业飞速发展，进入了一个新的历史发展阶段。 一一5 0 年代中后期，沈阳铝镁设计研究院和抚顺铝厂等在1 9 6 4 1 9 6 7 年进 行了工业试验。并在贵阳和青铜峡建成电流强度为8 0 k a 的两个铝厂。 一一一1 9 7 3 年沈阳铝镁设计研究院和抚顺铝厂等合作设计出电流强度为 1 3 5 k a ，中心下料试验槽，并于1 9 8 8 年在包头铝厂投产，效果较好。 一一一1 9 7 8 年我国引进日本1 6 0 k a 中心点下料预焙槽整套设备，在贵州铝厂增 建铝电解厂，年产能力为8 万吨。该厂于1 9 8 1 年底投产。 2 中南大学硕士论文 第l 章文献综述 一青海铝厂1 6 0 k a 中间下料预焙电解是在消化贵铝引进技术上自行设计 建造的，于1 9 8 7 年1 2 月投产。 一一一9 0 年代后，我国开展了大容量电解槽的试验研究工作，并很快转入正 式生产。贵州铝厂的1 7 5 k a 一1 8 0 k a 中间下料大型预焙槽，郑州轻金属研究院的 2 8 0 k a 级大型中间下料预焙槽。这些基本采用大面多点进电方式。 一1 9 9 9 年7 月1 日，广西平果3 2 0 k a 级大型预焙槽投产，标志着我国的 铝工业已经进入世界领先水平。 1 3我国铝电解工业现状 截止2 0 0 1 年底，我国已建成电解铝厂1 3 1 家，其生产能力约4 2 6 力吨，当 年实际产量3 4 2 万吨。跃居世界第一大原铝生产国。规划在建拟建的电解铝项 目还有4 0 余个，大部分在3 5 年内形成生产能力0 1 。 我国电解铝厂数量超过国外所有的电解铝企业数，但产量仅占世界总产量的 1 4 。国外电解铝企业总数1 2 5 家，平均产量为1 9 万吨。近砦年来，我国的行业 集中度降低，1 9 9 5 年全国电解铝厂5 3 家，总产量1 8 7 万吨，平均年产量3 5 万 吨，2 0 0 1 年平均年产量减少到2 7 万吨。年产原铝2 0 万吨的铝厂只有青海铝厂、 贵州铝厂和青铜峡铝厂三家。2 0 0 1 年年产原铝1 0 万吨以上的铝厂仅8 家，产量 1 2 0 万吨；5 1 0 万吨的9 家，产量5 9 万吨；2 5 万吨的3 0 家，产量9 5 万吨： 其余的总产量6 8 万吨，平均年产量不到万吨据不完全统计，2 0 0 0 年和2 0 0 1 年两年，全国自焙槽总数从1 2 3 5 5 台下降到9 7 4 8 台，产能从1 8 0 万吨下降到1 3 5 万吨，而预焙槽产能同期增加1 3 8 万吨。”。 据澳大利亚矿业经济学研究所的预测，2 0 0 4 年一2 0 0 5 年全世界原铝生产能 力的增长率为1 4 m t a ，2 0 0 4 年生产能力回显著过剩。2 0 0 0 年，中国原铝的生产 能力占全球的1 2 4 ，而2 0 0 6 年的份额将占1 7 。 最近几年，国内铝电解厂如雨后春笋相继开工并投产，出现铝电解热，不得 不让人思考。 中南大学硕士论文 第1 章文献综述 1 4 铝电解技术的更新发展幢 最近几年来，铝电解技术产生了令人瞩目的变化，其中最有意义的进展是计 算机进入了铝电解过程，实现了由手工控制与操作转化为计算机自动控制与操 作。其次就是铝电解过程机械化水平的提高，以及新技术新材料等的应用。 1 4 1 铝电解的计算机控制 铝电解由起初的电解质氧化铝浓度控制到其他作业的自动化和机械化，自动 化和计算机技术水平的不断提高，对大型预焙槽由多级分布控制代替集中式控 制。控制方法上实现了最优控制自适应控制模糊控制智能控制的逐级转变，从而 获得较高的电流效率和较低的能耗。 1 4 2电解槽的高效能和大容量 现代铝电解槽的特点不仅表现在大容量，更重要的是商效能。高效能包括两 个内容：是电解槽具有很高的电流效率和较低的电耗；二是电解槽阴极和电解 厂房建筑面积的单位产量很高，这里包含着与规模相适应的大容量电解槽。 目前铝电解的电流效率差别不大，特别是相继采用中间下料的大型预焙槽， 电流效率基本控制在9 2 9 3 ，有些提高到9 4 9 5 。k g r y o t h e i n 认为，在各项 条件控制到最佳状态时，电流效率的最高可以达到9 8 。电流效率每提高1 ，吨 铝电耗约降低1 5 0 k w h 。提高电流效率的途径主要有：采用恒定的过酸性电解质 成分，恒定的低氧化铝浓度的连续供料制度，恒定的输入功率，恒定和规整的槽 膛内型，稳定的铝液界面，各项可以稳定的工艺技术条件等等。总之，采用先进 的设计和自动控制手段来控制一切影响电流效率的不稳定条件，从而获得很高的 电流效率。 高效能的大容量点式下料预焙槽已经大量推广应用。各项技术经济技术指标 得到明显提高。 电、热解析数学模型及计算机仿真在铝电解过程良好运用，为改进电解槽的 阴、阳极结构设计及探讨电、热特性对电解过程的影响提供了理论研究手段。 电、磁及磁体力学特性的模拟研究表明，铝电解槽内的磁场与电流的相互作 4 中南大学硕士论文第1 章文献综述 用是造成槽内焙体循环、隆起及波动的主要原因，导致了槽况的恶化和电流效率 的降低，对大容量电解槽而言尤为明显。为“多点进电”母线优化研究提供了依 据。 “多点进电”母线优化研究削弱了槽内磁场的影响。 电解槽结构力学特性模拟研究，满足了现代大容量电解槽的结构设计需要。 1 5青海铝厂主要技术经济指标发展状况 青海铝厂( 现更名为中国铝业公司青海分公司) 1 6 0 k a 中间下料预焙槽是在 消化贵铝引进技术上自行设计建造的，于1 9 8 7 年1 2 月投产，投产一年后直流电 耗高达1 5 7 9 7 k w h h t a 1 ，电流效率仅为8 3 ，离设计指标8 7 5 相距甚远。后 经青铝人的不懈努力，提高装备技术，引进先进的管理经验，技术革新，改变观念， 优化工艺技术条件，降低电解槽的压降，使各项技术经济技术指标不断的得提高。 一一8 7 年投产： 一9 0 年实现联机；并达到设计指标。 一一9 5 年和9 6 年进行智能模糊控制试验和推广；9 9 年全面推广：确立“四 低一高”工艺技术条件；电解生产技术经济指标超过设计指标。 一一2 0 0 0 年彻底根除长期以来的扎接个大面现象； 一2 0 0 1 年进行焦粒焙烧启动试验成功并全面推广，彻底告别原先的铝液 焙烧； 青海铝1 6 0 k a 预焙槽与国外预焙槽的技术参数和主要经济技术指标见表 】一2 。 表卜一2 青海铝与国外预焙槽的有关生产数据“ 铝业生产电解质组成槽电电流直流电 公司电流 电解分子 c a f 2 其它含 a 1 2 0 3压效率耗 k a温度比 含量量含量 k w h t a l 加拿大 3 0 09 4 02 24 634 4 39 31 4 2 0 0 铝业 中南大学硕士论文第l 章文献综述 美国霍 1 8 09 4 5 2 2534 2 09 21 3 6 0 0 利山 9 6 0 挪威号 1 8 09 4 5 2 ，2534 2 49 31 3 6 0 0 尔莫 9 6 0 波特兰 2 7 59 6 02 25 34 2 49 31 3 6 0 0 铝厂 法国彼 1 8 0 9 5 0 2 252 3 4 1 39 2 51 3 3 0 0 施涅 9 6 0 法国彼 2 8 0 9 5 0 一2 25 2 34 3 09 51 3 5 0 0 施涅 9 6 0 法国彼 2 8 5 9 5 22 25l i f1 2 342 59 4 6 1 3 4 0 0 施涅 法国彼 3 0 09 5 22 2 5l i f1 2 34 2 59 4 5 1 3 4 0 0 旌涅 凯撒铝 1 9 59 6 0 2 3 34 0 8 9 51 2 8 0 0 业 青海铝 1 6 0 9 5 0 2 5 5m g f 2 l | 5 6o4 2 58 7 1 4 1 0 0 ( 1 9 9 8 9 6 02 7 2 5 9 0 前) 青海铝 1 6 0 9 4 0 2 4 5 m g f 2 2i 5 35 4 1 69 0 一 1 3 4 9 0 ( 1 9 9 8 9 6 0 9 2 后) 青海铝 1 6 0 9 2 0 2 1 5m g f 22 1 5 3 。5 4 2 09 0 1 3 4 6 0 ( 2 0 0 0 9 4 02 3 9 3 后) 1 6 0 k a 电解槽的工艺参数1 和主要经济指标详见表l 一3 ，自1 9 8 7 年到2 0 0 1 年在和国内先进指标同步的同时，逐步向国际电解指标靠拢。 表l 一3 青铝1 6 0 k a 预焙槽主要工艺技术条件和主要技术经济指标的对比表“1 中南大学硕士论文第l 章文献综述 原设计2 0 0 0 年之前2 0 0 0 年之后国外相近容 ( 1 9 9 6 年前采采用采用量水平 用) 系列电流( k a )1 5 5 一1 6 01 5 5 一1 5 81 5 9 1 6 01 6 0 电解温度( )9 4 5 9 6 0 9 5 0 9 6 09 2 0 一9 4 09 3 0 9 5 0 分子比 2 5 2 72 5 2 72 1 2 3 52 1 2 2 a 1 2 0 3 浓度 2 0 4 o1 5 6 o1 5 3 51 5 3 5 ( ) c a f 2 浓度( ) 555 65 m g f 2 浓度( ) 52 52 5 电解质水平 1 8 2 21 8 2 21 8 2 21 8 2 2 ( c m ) 铝液水平( c m ) 1 8 2 01 8 2 01 8 2 21 8 2 2 阳极效应系数 0 5 一1 o1 0 0 30 1 次槽臼 槽工作电压 3 9 5 4 0 54 1 64 1 5 4 24 1 5 4 2 ( v ) 电流效率( ) 8 7 58 89 2 9 39 4 9 5 直流电耗 1 3 7 2 81 4 1 0 0 1 3 4 6 01 3 0 0 0 1 3 2 0 0 ( k w h t ) 1 6 0 k a 双端进电大型预焙电解槽在我国的铝工业和国民经济发展中起了重要 作用，随着铝工业的发展和电解技术的不断更新，如何在原来的基础上进一步提 高电流效率和降低电耗将是我们1 6 0 k a 双端进电大型预焙电解槽电解人面临的 课题。 本文就从生产实际出发，结合所在岗位1 6 0 k a 双端进电大型预焙电解槽生产 中的工艺改进和优化提出了一些看法，取得了一些成功的经验。供同行参考。 ! 堕盔兰塑堡苎一笺! 童皇鎏塾奎堕堡垫墨塑墅堕里耋竺塑 第2 章电流效率降低机理和影响因素研究 2 1概述 中国铝业公司青海分公司( 原青海铝厂) 的1 6 0 k a 双端进电预焙电解槽是引 进日本轻金属株式会社的1 6 0 k a 两端进电中问下料预焙槽铝电解技术，在贵州铝 厂( 现为中国铝业贵州分公司) 企业、二期工程中得到消化翻版。在立足国 内设计和电解车间主要设备国内制造供货的基础上，指标选择与日轻技术基本相 同。后又在设计中改变了加工制度、下料机构、电解槽内衬结构和阴极钢棒结构， 不同程度地解决了国内引进系列试生产运行中所反映的问题。但是，二个系列两 端进电的1 6 0 k a 中间下料预焙槽电解系列在投产初期数年内的各主要技术经济 指标很难达到设计要求，如电流效率、吨铝直流电耗、槽寿命等。后经青铝人的 不懈努力，提高装备技术，引进先进的管理经验，技术革新，改变观念，优化工艺技术 条件，降低电解槽的压降，使各项技术经济技术指标不断的得提高。 历经1 6 年变化，1 6 0 k a 双端迸电预焙电解槽各项指标均有不同程度的改善 和提高，比较而言。其中尤以电流效率的变化最为明显，见表2 1 。 表2 - l1 6 年来电解槽技术参数的变化幅 生产槽数电流效率直流电耗 阳极效应系数电解温度 ( 台)( )( k w h t a 1 ) ( 次槽日)( ) 年份 ， a 一 平 一 平 口 一电二电甲均 h 平均 电电计电电均电电均电电 1 9 8 7 i o l o4 9 1 |4 9l2 8 9 3 0 2 3 0l 、0 2 l0 29 4 5 9 4 j 1 9 8 8 6 9 6 97 7l7 711 7 3 8 5 1 7 3 8 5l2 5 l2 5 1 9 8 9 9 4 9 48 4 o 8 401 5 1 0 5 1 5 1 0 5l0 l09 6 09 6 0 1 9 9 0l z 9 1 2 98 6 38 6 31 4 2 3 6 14 2 3 6o9 2 09 29 6 2 ， 9 6 2 1 9 9 l 1 6 2 1 6 28 638 6 31 4 1 6 l1 4 1 6 l 07 l 07 l9 6 2 1 9 9 22 ：m2 3 08 75 8 751 3 9 1 4 l3 9 10 10 9 6 0 8 中南大学硕士论文第2 章电流效率降低机理和影响因素研究 1 9 9 32 4 51 02 5 5 8 76 f 8 76l 3 9 9 l 1 3 9 9 l l2 12 1 9 9 4 2 5 l： 42 8 58 788 648 761 3 9 9 81 4 1 4 l1 4 0 1 512 i l29 6 2 9 6 2 1 9 9 52 2 8弱2 8 78 80 8 738 791 4 1 7 41 4 u 9 81 4 1 5 8 i6 51o l15 29 5 99 5 8 1 9 9 62 0 83 2 48 92 8 8 08 881 3 7 6 01 3 9 8 5j 3 8 4 0 1007 8o9 29 5 l9 5 39 5 2 1 9 9 72 1 2 d 6 l8 858 8d8 841 3 7 6 41 3 9 6 21 3 8 7 lu908 608 89 j 09 6 2 1 9 9 82 4 22 5 85 0 09 08 8 9 51 3 7 2 01 3 9 3 81 3 8 3 207 306 606 99 5 09 5 l 1 9 9 92 5 62 5 l 5 0 79 1 58 849 001 3 7 9 01 4 0 3 41 3 9 l l04 204 3o4 29 划9 4 99 4 6 2 0 0 02 5 22 5 l9 269 189 221 3 6 5 7 i3 7 9 71 3 7 2 70 4 1o4 204 19 3 99 3 8 2 0 0 l 2 5 92 5 55 1 49 279 261 3 明21 3 5 9 i1 3 5 6 604o30 3 59 3 39 3 4 2 0 0 22 5 65 1 1 9 289 281 3 5 8 21 3 5 7 91 3 5 7 003 8仉303 4叫49 3 4 2 2电流效率降低原因探讨 工业生产中的电流效率就是在一定电流强度下进行电解时，析出物质的量与 理论析出量之比，表达式为： n = q ，q 1 0 0 式中n 为电流效率，；q 。为铝的实际产量，k g ；为同期内铝的理论产量，k g 。 造成电流效率降低的原因，主要有以下四点 2 2 1铝的溶解和损失。 析出在阴极上的铝，一部分溶解在电解质里，这部分铝接着又被阳极气体氧 化，因此，铝的溶解和损失过程是连续不断地进行着，结果造成电流效率降低。 这是铝的化学氧化损失。 工业生产已经采取了有效措施来控制，措旌包括：改善电解质的成份，增大 电解质一铝液的界面张力：降低电解质温度，减少铝在电解质中的溶解损失量； 这些可减少铝在电解质中的溶解度。改进加料制度。逐步采用采用半连续或连续 加料制度，提高电解过程的稳定性；改进母线的配置方案，提高电解槽内铝液的 稳定性；这些可提高铝液的稳定性，减少铝的溶解速度。 ! ! 丛堂塑迨窒 箜! 童 皇煎塾皇睦堡塑墨塑堂堕国塞塑塞 2 2 2 电流损失 溶解在电解质里的元素态钠和铝的电子导电以及阴阳极之间的局部短路都 会造成电流损失。另外，现场中的绝缘破坏都会造成电流短路损失。 2 2 1 3 其它损失 如出铝时的机械损失、生成碳化铝等。这些损失可以通过加强电解槽管理 来减少或避免。 上述各种因素对电流效率的影响见表2 2 所示。 表2 2 各种因素对电解槽电流效率的影响 电流效率损失形式电流效率损失估计值 铝与c 0 2 的二次反应( 溶解和氧化) 3 5 金属和氧、碳、电解质成分反应的挥发损失 1 一2 电子导电、短路、并联等损失的电流 l 杂质与a 1 + a 1 3 等氧化还原的循环 o 5 2 出铝的各种损失 i i心心心燃 心嘏 l 。一 一 l l l 二 y 港嚣；舞；| ：誊 一 1 制 i? i j 匹s g ”q 4 亡= = h 丘= 五3h 暖蕾圆- z 2 翻_ “ e 夏应茹w 匕e = 口_ c = = m 4 1 嘲h i l 由图2 4 和表2 2 可知，1 6 0 k a 双端进电预焙电解槽的“大面”和“小头”过 宽，分别是5 2 5 m m 和5 9 5 唧，不利于散热和形成侧部炉邦。即使形成炉邦，炉邦不 ! 壁隧兰塑堕塑一 箜! 童皂堕鏊垩堕! 垦垫里塑墅堕垦室堑塑 规整，基本都斜伸到阳极下1 2 c m 1 5 c m 。人工操作不方便，大的氧化铝料块多。 电解槽热平衡不易掌握。 2 3 1 5 电流密度 铝电解的电流效率随阴极电流密度的增加而提高，随阳极电流密度的增加而 降低，反之办然。过去的研究表明，在极距4 5 m m 3 0 咖时，当阴极电流密度超 过o 7 a c m 2 后，电流效率的变化不大。并且最新实验室研究结果也表明，当阴 极电流密度大于o 5 6 a c m 2 时，电流效率的提高趋于恒定。 我们知道工业槽阴极面积实际就是铝液镜面，即使有伸腿甚至阳极正投影下 有少量结壳存在，由于铝水平保持原因，铝液镜面积一般也很难小予原炉膛的阴 极面积，对1 6 0 k a 两端进电电解槽而言，由于槽大面及小面尺寸设计原因，此点 尤为突出。因此，当设计阳极电流密度为o 7 2 1 5a c m 2 时。阴极电流密度很难保 证达到0 5 6 o 7 a c m 2 的低水平，限制了电流效率的提高。而阳极电流密度对电 流效率的不良影响，主要体现在大量排出的气体对电解质的扰动上。但若保持足 够的极距时，则阳极电流密度在o 7 0 9 a c m 2 的范围对电流效率的影响是有限 的，即新增铝的析出沉积会大于铝的再氧化损失。 2 3 2技术条件对电流效率的影响 在电解生产中要针对影响电流效率的因素来开展工作，力求采取各种措施来 提高电流效率。一般来说，生产中要保持各项技术条件的稳定来提高电流效率。 这些技术条件是电解质温度、槽电压、极距、电解质成分、铝液水平与电解质水 平等。保持其稳定就是要减少铝的溶解和损失量，以提高电流效率“。 铝电解槽在正常生产状态下的管理实际上就是电解生产技术参数的管理，只 中南大学硕士论文第2 章电流效率降低机理和影响因素研究 要将这些生产技参数管理得当，就能保证电解生产处于正常，并在此基础上实现 提高技术指标。其中就包括电流效率这一重要技术经济指标。 铝电解生产技术参数包括：系列电流强度、电解槽工作电压、极距、电解质温 度、电熊质水平及铝液水平、炉底电压降、阳极效应系数、阴阳极电流分配数、 电解质成分等项。由于这些生产技术参数之间是相互联系的，在电解槽j 下常生产 中不能独立出来研究某一一项生产技术参数，所拟称这些生产技术参数构成一个 体系，即电解槽正常生产技术参数体系。这将在第三章分别加以讨论。 1 6 0 k a 双端进电预焙电解槽的各项参数见表2 3 ： 表2 31 6 0 k a 双端进电预焙电解槽及电解工艺参数” 序号项目 单位数值 l电流强度 k al 6 0 2 阳极电流密度 a cm 20 7 2 1 5 3槽膛尺寸5 5 0 9 5 5 0 4 1 0 0 4 槽大面加工距离 5 2 5 5槽小面加工距离 5 9 5 6人造伸腿2 0 0 2 5 0 7 电流效率 8 7 5 8吨铝直流电耗k m l1 3 7 2 8 9电解槽电压 v 工作3 9 0 平均4 0 3 1 0电解温度9 6 0 n 电解质分子比( 摩尔比重量比) 2 3 2 5 1 2 8 1 2电解质水平2 0 2 2 1 3 铝液水平 2 0 2 2 1 4极距4 5 1 5阳极效应系数次台日l - o 1 6a lz 魄浓度( 效应后3 小时) 4 1 7氟化钙浓度( 重量)5 7 1 8 a l 。醌每次加入最k g 3 0 1 9 l 舢每次加入阃隔时间 2 0 2 0 效应时a 1z 凸加入量k g 9 0 2 1 换阳极时a l z 仉加入量k g 2 7 0 2 2内衬寿命天一期1 2 0 0 二期1 5 0 0 2 3 电解车间数 个 4 2 4 每系列电解橹数台 2 6 0 2 5电解槽总数台5 2 0 2 6 电解槽种类中间下料损焙槽 2 7电解槽槽壳内壁尺寸 9 8 0 0 4 3 5 0 1 3 5 0 中南大学硕士论文第2 章电流效率降低机理和影响因素研究 外壳尺寸1 0 5 4 4 x5 1 0 0 1 7 4 0 2 8 槽膛内形尺寸 9 5 5 0 4 1 0 0 5 0 0 2 9 阴极组数阴极钢棒根数 1 6 6 4 3 0阳极尺寸1 4 0 0 x 6 6 0 x 5 4 0 3 l阳撒组数 2 4 3 2电流密度 a c m 20 7 2 1 5 3 3 a 、b 荫侧阳极问距 2 5 0 3 4出铝周期 h2 4 2 3 3装备水平对电流效率的影响 中国铝业公司青海分公司( 原青海铝厂) 的1 6 0 k a 双端进电预焙电解槽是引 进日本轻金属株式会社的1 6 0 k a 两端进电中间下料预焙槽铝电解技术，在贵州铝 厂( 现为中国铝业贵州分公司) 企业一、二期工程中得到消化翻版。此槽型相配 套的装备水平落后，已经不能满足现代铝工业的发展。此问题已经开始逐步解决。 实际生产中，各种因素对电流效率的影响并不是单一韵，且期间互有联系。 因此，在提高电流效率方面要针对具体生产条件和设备条件，探索各种因素配合 的最佳状态，以取得较好的电流效率。 2 4小结 1 6 0 k a 双端进电预焙电解槽受到上述设计和其“天生因素”的影响，电流效 率仅能达到8 7 5 。后经电解生产人员和技术人员的对工艺和操作进行优化和 改进电流效率提高到8 9 。1 9 9 7 年1 9 9 9 年对1 6 0 k a 中间下料预焙铝电解槽电 解过程通过采用智能模糊控制技术之后电解效率达到了9 2 o 。但是这样的技 术指标已经不能满足现代铝工业的迅速发展，如何在此槽型的设计基础上和模糊 控制基础上进一步提高电流效率，是我们应该解决的主要问题。对此，本文将在 第三章和第四章逐一论述。 中南大学硕土论文 第3 章电解槽工艺技术条件对电流效率的影响 第3 章电解槽工艺技术条件对电流效率的影响 3 1 概述 中铝青海分公司1 6 0 k a 中间下料预焙铝电解槽电解过程通过采用智能模糊 控制技术之后，优化选择出了较为适宜的工艺技术条件。如下所示： 电流强度：1 5 5 1 6 0 k a ；平均电压：4 1 0 4 2 0 v ； 电解温度：9 4 0 9 5 0 ；分子比：2 3 2 5 ； 电解质水平：2 0 2 2 c m ：铝水平：1 8 2 0 c 碓； a 1 。o 。浓度：2 0 4 o ；c a f 2 浓度：3 o 5 o ： m g r 浓度：3 o 5 0 ：阳极效应系数：o 3 个槽目： 在这样的工艺技术条件进行电解生产，电解槽工作状态良好，主要反应在以 下几个方面：( 1 ) 电解槽槽况稳定，电解槽的工作电压表现是比较稳定，针振发 生比较少；( 2 ) 电解质壳强比较稳定，疏松易砸，大、小面冒火较少；( 3 ) 从火 菌上看，火苗有力，颜色呈蔚蓝色或淡紫蓝色：( 4 ) 阳极完好，周边电解质“沸 腾”良好，炭渣分离清楚；( 4 ) 从整体上看，电解槽状态已经突破了老式的管理 和操作方式，技术上属于创新行为，因此电解效率达到了9 2 o ，吨铝直流电 耗1 3 6 5 0 k w h t a l 。但电解槽在生产运行中仍存在一些不尽入意的地方： ( 1 ) 电解槽炉帮不稳定，对电流的波动较为敏感，其是由于自& 量收入变动 较大所至； ( 2 ) 电解槽炉底沉淀时有发生，这与分子比选择较高致使温度偏低和熔化 炉帮有关， ( 3 ) 阳极效应系数0 3 个槽目，这与氧化铝的控制程序有关； 中南大学硕士论文第3 章电解槽1 二艺技术条件对电流效率的影响 ( 4 ) 电解温度不能低于9 4 0 ，低于此温度炉底易生成沉淀和结壳。 ( 5 ) 电流效率不令人满意。 针对上述问题，经过多次认真分析讨论，认为电解槽为两端进电，电磁力对 铝液扰动较大，工艺技术条件保持不尽合理。所以有必要对电解工艺技术条件进 行优化，以选择得出较为合理的工艺技术条件，从而使电流效率得到提高。 3 2 电解质成分 电解质成分选择的主要目的是为了提高电流效率。而改善电解质成分主要是 通过添加a 1 f s ( 即降低分子比) ，以及c a f 。、m g f 2 等添加荆来实现。 3 2 1 n a f ，a l f 3 分子比对电流效率的影响 在铝工业生产初期普遍采用中性电解质，分子比为2 9 5 士0 5 ，至5 0 年代， 分子比降低到2 7 2 9 。近十年来，持续降低到2 5 2 7 。随着智能模糊控制技 术运用到电解槽上后采用2 3 2 5 的分子比。增大了冰晶石一氧化铝熔液中氟化 铝的浓度，能降低熔点，减小密度，增大铝与电解质之间的界面张力，从而提高 电流效率。此外，电解质的表面结壳由于分子比降低而变得酥松好打，可减轻体 力劳动“。 分子比低的电解质的主要缺点是，氧化铝溶解度降低以及蒸气压增大。所以 要加以选择。电解质分子比的选择与电解槽的加料方式有关。采取半连续自动下 料的电解槽，可选用分子比低的电解质，因为每次加入的少量氧化铝可以充分地 溶解，而不产生沉淀1 。 近年来，铝工业生产趋于采用强酸性的电解质，n a f a 1 f 减小到2 o 一2 2 ， 结果在很大程度上提高了电流效率，进而节省了电能。法国佩希奈公司的圣让莫 中南大学硕七论文第3 章电解槽工艺技术条件对电流效率的影响 里茵铝厂的1 8 0 k a 预焙槽系列( f 系列) 代表了这种发展趋势。该系列6 0 台中部下 料预焙槽自投产以来，前后经历启动、在较低的a l f ，浓度下过渡和最终在高a l f ， 浓度下进行生产三个阶段。电流效率提高到9 4 2 ，电耗率减少到1 3 2 0 0 k w h t 铝。 研究表明，低分子比电解质有利于提高电流效率，且分子比每降低o 1 电流 效率提高0 5 “，与此同时，低分子比有利于降低电解温度，能较大幅度提高 电流效率。文献中指出，在分子比较小时，电解质初晶温度每降低1 ，仅释放 出少量热量，且电解槽热稳定性逐渐变差。在图3 1 中表明，随着电解质中过量 的a l f 。含量的增加( 不超过1 4 ) ，电解质密度减小。因此，进一步增加a 1 f ：，含量， 将导致电解温度的迅速降低和电解质密度的增加。同时，铝液的稳定性与电解质 和铝液之间的密度差密