（材料科学与工程专业论文）铝电解节能、工艺条件优化实践.pdf

工程硕士学位论文 摘要 电解铝是个高能耗的行业，在世界能源日趋紧张的情况下，如何降低电解 铝行业的电力消耗，成为制约企业发展的关键因素。 本文首先对兰州连城铝业有限责任公司的发展历程、发展规模、工艺工况的 变化作了初步阐述。该公司始建于1 9 6 6 年，目前拥有先进的2 0 0 k a 大型预焙电 解槽、改造后的9 0 k a 小型预焙槽，已形成了年产电解铝2 7 万吨的规模。 其次，对9 0 k a 预焙铝电解槽的生产工艺条件及控制要求进行了仔细分析， 在电解槽与生产工艺两方面研究并分析了降低电力消耗的各种方法。阐述了比较 合理的“四低一高”工艺的发展过程及其优点，“四低一高”即低电解质温度、 低分子比、低氧化铝浓度、低效应系数、高工作电压的工艺控制过程；并与“三 低一高”、“五低一高”的工艺过程进行了分析对比。 在前面理论与实例分析的基础上，结合目前兰州连城铝业有限责任公司的生 产实际情况，创新地提出了“二高一低”新的工艺条件：相对升高电流、升高 铝水平，进而降低槽设定电压，从而达到优化原工艺条件、降低能耗的目的。并 对这一新工艺措施进行了可行性理论分析与生产实际检验，经过企业的实际运行 取得了良好的经济效益。确立了优化的工艺条件为：9 2 k a 的电流强度下，铝水 平保持2 0 2 1 c m ，槽电压为4 1 8 8 伏，其它工艺条件基本不变，电解槽运行良 好，降耗效果明显。 本文还对如何实现这一工作条件尤其是在状态发生改变时制定了详尽的操 作管理规程，并对生产过程中信息的采集、处理作了合理化的要求。 关键词：电解铝预焙铝电解槽话高一低工艺优化 铝电解节能、工艺条件优化实践 a b s t r a c t t h ee l e c t r o l ”i ca j u m i n u mi sah i g he n e r g yc o n s 嘲p t i o nj n d u s t r y e n e 曙y s o u r c e si ns h o r ts u p p l yh a sb e o m eaw o r l d w i d ep r o b l e m t h ek e yt oe n t e r p r i s ei so n h o wt or e d u c em ed o w e ro f e l e c t r o l v t i ca l u m i n u m t h ep r e l i r n i n a r ve x p a t i a t i o no fm i s 也e s i si sb a s i so nt h cd e v e l o p m e n tp r o c e s s 、 d e v e l o p m e n ts c a l e s 、a n dt e c h n o l o g i c a l w o r kc o n d i t i o n t 1 1 ee n t e r p r i s ew a s e s t a b n s t l e di n1 9 6 6 np r e s e n tt h ee n t e r p r i s ea r ei np o s s e s s i o nt h ea d v a n c e d2 0 0 k a 1 a r g e s c a l ep r e b a c k e d a n o d et y p ec e l l t h e9 0 k am i n i t y p ew a sr e v a m p e d a n di th a s p r o d u c e dt h es c a l eo f2 7 0 0 0 0t o np e rv c a r d e t a i l e dr 蚰a l v z e dt h ep r o c e s sc o n d i t i o na i 】dc o n n d lr c q u i r e m e n tf o r9 0 k a p r e b a c k e d a r i o d et y p ec c l l _ v a r i o u sm e t h o d sa b o u tr e d u c i n gt h ep o w e rc o n s t i r n p t i o n w e r ei n v e s t i g a t c da n da n a l y z e d e s p e c i a l l y i n e l e c t r 0 1 y t i c c e l la n dp r o d u c t i o n t e c h n o l o g y 1 1 h ed e v e l o p m e mp r o c e s sa 1 1 dm e r i to fm e “f o u rl o wo n eh i g h ”w a s r c p r e s e n t e d t h e “f o u rl o wo n eh i g h ”n a m e l yi st e c h n i c a lc o n t r 0 1p r o c e s so fl o w e l e c t r o l v t et e m p e r a t u r e 、1 0 wm o l c c u l a rp r o p o n i o n 、l o wa l u m i n u mo x i d ec o n s i s t c n c v 、 l o we f k c tc o e m c i e m 、h i 曲l o a dv 0 1 t a g e g i v i n gan e wp m c e s sq u a l i f i c a t i o n “t w oh i g ho n el o w ”；t h ep r o c e s s q u a l i = e i c a t i o n sa r ea sf - o l l o w s ：r e l a t i 、忙i n c r e a s ec l t e m 肌dm ea l u m i n u ml e v e l ，t h e n l o w c r 山ec e l le n a c t m e n tv o l t a g e ； s oa st oo p t 曲i z et 1 1 eo r i g i np r o c e s sq u a l i f i c a t i o n a n dr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o mi ti sb a s i so nt h em e o r i e sa n de x a m p i ea n d a c c o r d i n gt o 山ea c 佃a 1c i r c u m s t a n c eo fl a n z h o ul i a n c h e n ga l u m i n u mi n d u s 拓yc o l t d t h r o u g hp r a 雠i c eo fe n t c r p r i s e ，i th a so b t a i n e d 叠o o de c o n o m i cb e n e f i t t h e o p b m i z a t i o no fp r o c e s sq u a j i f i c a t i o nh a v eb e e ne s t a b l i s h e da sf o l l o w s ：c u r r e n to f 9 2 k a 、a l l u n 逾u ml e v e lo f 2 0 2 lc m ，t h ev 0 1 t a 嚣o f 4 1 8 8vo t h e rp r o c e s sc o n d i t i 伽s a r ec o n s t a n t ；e 1 e c t r o l y s i n gc e l lr u ns t e a d i l ya n de 丘 e c to fd e c l i n ee n e 唱yc o n s u n l p t i o n i so b v i o u s t h ed e t a i l e d0 p e r a t i o na n dm a n a g e m e n tr u j e sa b o u tt h ew o r kc o n d i t i o ne s p e c i a l l v a b o u l 廿1 ea l t e m t i v ec o u r s ea r ee s t a b l i s h e d m a k et h ed e m a 玎do r i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n a n dd i s d o s a lr a t i o n a i i z a t i o n ， k e yw o r d s ：e l e c t r o l y t i ca l u m i n u m ：p r e b a c k e d 吨n o d e 够p ec e i l ；t w oh i g h0 n e l o w ”； p r o c e s so p t i m i z a t i o n ； 参考文献 致谢 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 图表索引 连铝铝电解降耗工作的进展， 电耗指标对比情况 电耗随年份进展 某铝厂应用“三低”工艺制度的指标对比情况 “四低一高”工艺主要技术条件及技术经济指标 “五低一高”生产工艺经济技术指标 9 0 k a 小型预焙槽有关节能、工艺条件状况 升电流实施步骤 铝液水平调整统计表 工艺参数优化设计， 某铝厂1 6 0 k a 槽换级顺序表 工艺条件的优化演变过程 “二高一低”工艺条件的优化实践结果 月发红槽台数统计 优化前后主要技术经济指标比较 【l i 4 l 4 2 4 3 q巧掩巧盯钉 ，2 3 4 5 6 7 8 9 加屹坞m 坫 表表表表表表表表表表表表表表表 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：1 毒日期：，g 年占月? 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作施名：刍1 考垂 刷醴名：卟娩 日期：，# 年月2 日 日期：形年乡月乙日 第一章绪论 兰州连城铝业有限责任公司的前身一连城铝厂筹建于1 9 6 6 年，1 9 7 0 年正 式破土兴建，1 9 7 4 年建成投产，经过3 1 年的不断改扩建，目前己形成电解铝 2 7 万t ，炭素1 5 万t ，铝加工能力2 万t 的生产规模，同时面对激烈的市场竞 争，为了增加产品的附加值，该公司还将向下游拓展产业链，探讨有关铝加工 1 6 万吨的铝板材，5 万吨的铝箔生产线建设。由此，该公司的经济效益和社会 效益在全国同行业及甘肃省各行业中将名列前矛。 1 1电解一、二系列、“宝川”电解系列的基本状况 该公司电解一、二系列1 9 7 4 年投产，总投资1 7 2 亿，设计安装7 5 k a “侧 插自焙槽”3 3 6 台。先后于1 9 8 8 年、1 9 9 1 年根据富余系列电压新增1 6 台槽， 使总数增加到3 5 2 台，达到年产铝锭6 5 万吨的能力。投产近三十年来，生产 铝锭1 6 3 5 万吨，累计实现利税1 8 6 亿元，为国家作出了重大贡献。 为响应国家行业结构调整的号召，2 0 0 3 年3 月2 7 日，中国八大知名铝厂 ( 包括连城铝厂) 在北京共同做出承诺：2 0 0 5 年年底以前全部淘汰高污染、高 能耗的自焙阳极电解设备。2 0 0 3 年1 2 月1 7 日，电解一、二系列开始停产，1 2 月2 8 曰全停。随后，另一个电解系列即“宝川公司”电解车间1 7 2 台7 5 k a 自 焙阳极电解槽也于2 0 0 4 年2 月2 6 日全部停产。上述“宝川公司”现名为中外 合资兰州宝川铝业有限公司，其电解铝项目是经甘肃省原计划委员会和兰州市 原连海经济开发领导小组办公室于1 9 9 2 年7 月批准，充分利用原兰州连城铝 厂富余的辅助能力和供电设施的基础上控股组建而成的。公司电解槽1 9 9 3 年 1 1 月2 9 日首批4 0 台槽通电，1 9 9 4 年6 月8 日1 7 2 台槽全部启动完毕。在十 年系统运行期问生产铝锭3 0 万t 。 1 2 技改及大修改造工程 兰州连城铝业有限责任公司环境治理节能降耗技改工程( 以下简称技改工 程) 是国家重点国债技术改造项目、甘肃省十大重点工程和首批2 0 个“2 1 l ” 工程项目，也是用先进适用技术改造传统产业、实现公司质的提高和量的增长 的主要措施。 技改工程经国家经贸委于1 9 9 9 年批准列为国家重点技术改造项目计划( 第 二批国债专项资金项目) ，并视同立项。2 0 0 0 年批准了该项目的可行性研究报 告。总投资1 l 亿元。技改工程的内容是在现厂区北侧进行异地改造，新建整 流所，采用技术先进的2 0 0 k a 大型预焙电解槽，并配套改造炭素阳极系统、 氧化铝“超浓相输送”系统和烟气干法净化系统。系列安装2 5 2 台电解槽，2 0 0 2 年5 月2 0 日开工，2 0 0 3 年6 月2 日投产。技改工程完工后可形成电解铝1 35 万t 的年生产能力，预焙阳极年产能达到1 5 万吨。同时可实现电解烟气达标 排放。 兰州连城铝业有限责任公司7 5 k a “侧插自焙槽”预焙化大修改造工程( 以 下简称大修改造工程) 分两步进行。第一：“宝川公司”电解系列在7 5 k a “侧 插槽”停产后，立即组织大修改造施工，在充分利用原厂房设施的基础上，安 装9 0 k a 小型预焙槽1 7 2 台。2 0 0 4 年1 0 月1 臼投产，年产电解铝4 1 8 万t 。第 二：对电解一、二系列采取同“宝川公司”电解系列一样的大修方案即在原厂 房设旌加固的基础上，安装9 0 k a 小型预焙槽3 5 2 台，其中二系列2 0 0 5 年5 月2 7 通电投产，6 月2 5 曰1 7 6 台槽全部开启。一系列1 7 6 台槽，2 0 0 5 年8 月 1 日通电投产。 由此，在4 年( 2 0 0 2 2 0 0 5 年) 为一周期的技改及大修改造工程阶段过后， 该公司将形成年产电解铝2 7 万吨的规模，公司技术装备水平也有了很大的提 高，将迈上大型铝冶炼级公司的行列，其发展将登上一个新的台阶，市场竞争 实力将会更进一步的增强。 该公司达到2 7 万吨的产能以后，所面临的市场环境电发生了巨大变化， 如电力供应紧缺、成本上升、原材料氧化铝供应不足且价高不下，独立电解铝 企业利润大幅下降，近6 4 的企业亏损且有扩大的趋势。由此迫使公司采取优 化工艺技术条件的方法，来提高其电解生产的经济指标，及当务之急的是增加 经济效益。 自2 0 0 3 年下半年以来国家先后出台了1 2 项措施来抑制电解铝的投资过 热，在这些宏观调控政策的综合作用下，电解铝的投资过热的势头及时的得到 了有效遏制，投资过热迅速降温，产业结构调整步伐加快，以自焙槽为主的高 能耗、高污染的落后的电解铝技术和槽型被淘汰，提高了电解铝的电能效率和 整体技术装备水平，增强了我国电解铝行业在国际上的竞争力。但由于资源和 能源的紧缺，也给电解铝行业带来了很大的困难。电价持续上涨、氧化铝价格 居高不下、产品价格一直不高，按生产经营成本分析亏损面达8 0 以上。从实 际调查情况来看，截至2 0 0 5 年4 月底，7 7 家独立电解铝企业( 不含中铝) 有 5 6 家处于亏损，亏损额达4 4 8 亿元，再加上成本居高不下、产品销售不畅， 电解铝企业生产经营十分困难，在这一严峻的形势下，电解铝企业只有依靠技 术进步，才能降成本、增效益。 从2 0 0 5 年的生产经营形势来看，在铝价低迷、电价上涨、氧化铝价格居 高不下、国家宏观调控政策打压等的不利情况下，该公司的生产经营形势不容 乐观。具体为： ( 1 ) 2 0 0 5 年1 月1 日，国家取消了8 的出口退税，使成本增加1 0 9 0 元，年 增加支出8 1 7 0 万元。随后，又加征5 的出口关税，使成本增加6 0 0 元，年增 加支出4 5 0 0 万元。 ( 2 ) 电价在2 0 0 4 年3 4 分的基础上，2 0 0 5 年5 月1f j 又上调了0 4 分，公司 的电价上涨到o 3 3 2 元，全年又将增加支出1 2 8 0 万元。 ( 3 ) 国家对电解铝行业宏观调控措施还将继续采取更加严历的措施。 ( 4 ) 铝企业的盈利水平和发展空间日益缩小，2 0 0 5 年一季度，我国电解铝行 业实际亏损面高到8 0 ，全行已到了亏损的边缘。由此如何通过技术进步，节 能降耗、降低成本，提升企业内部技术创新能力，市场竞争能力和严酷环境下 的生存能力就显得尤为重要。 1 2 2 连铝铝电解降耗工作的进展 连铝铝电解降耗工作的进展见表l 表1连铝铝电解降耗工作的进展 年份铝产量 电流效 电耗 槽型槽台数 ( 万吨)率( ) ( k w h a 1 ) 7 5 k a9 0 i ( a2 0 0 k a 1 9 7 4 6 58 3 9 01 5 8 0 0自焙槽3 3 6 oo 1 9 9 23 5 2 1 9 9 3 959 0 51 4 5 0 0 自焙槽 5 2 402 5 2 2 0 0 3 2 0 0 4 1 3 5 】5 9 2 1 4 2 0 0 预焙槽 0】2 62 5 2 2 0 0 5 2 0 0 6 2 7 9 2 31 3 9 3 1 预焙槽 05 2 42 5 2 从表1 可以看出，该公司的降耗工作有一定的进展，但与我国同类型的电 解槽生产企业的电解技术经济指标相比较仍有一定的差距，主要是电流效率还 没有达到设计指标，电耗、物耗等指标都不同程度的高于全国同类型的电解槽 生产企业的电解技术经济指标。因此采取先进、优化的工艺技术条件及控制技 术是势在必行，是当务之急。而认真研究并采取和应用先进、优化的工艺技术 条件及控制技术对该公司来说其主要原因是： ( 1 ) 电流效率由目前的9 2 提高到9 3 即增加1 个百分点可年增加铝产量 2 9 0 0 吨【”。 ( 2 ) 9 0 k a 电解槽直流电耗可达到1 3 7 0 0 k w m a 1 以下( 国内同类槽型吨铝 直流电耗在1 3 7 0 0 k w h 以下) 。 ( 3 ) 生产稳定可提高设备使用效率；提高净化系统的集气效率。 基于市场原因及为了解决企业发展与生存的问题，虽然该公司在四年( 2 0 0 2 2 0 0 5 年) 时间，进行了系列预焙化改造工作，且准备进入中铝公司，但其电耗 指标仍不尽人意。见表2 表2 电耗指标对比情况 单位电流强度( 1 n )电耗( k w h t a 1 )对比 华盛铝业 8 21 3 7 2 32 0 8 长城铝业 7 51 3 8 2 01 1 1 兰铝 7 51 3 7 5 61 7 5 山东铝业 8 51 3 8 6 26 9 连铝 9 01 3 9 3 1 0 从表中可以看出，电耗偏高，平均高出1 4 6 度吨铝。由此提出新的“二 高一低”工艺条件优化方案及实施，是及时和必要的： 第二章铝电解槽现状与特性 2 19 0 k a 预焙铝电解槽生产工艺条件匹配现状 自9 0 k a 预焙铝电解槽连续投产以来，原技术条件的匹配结果，使生产运 行情况表现如下特点： ( 1 ) 初期，电解质热稳定性差，两水平波动大，阳极效应过多，铝液质 量不稳定，槽电压保持不合理等。 ( 2 ) 6 个月后槽况稳定，但又出现铝水平不真实的现象， ( 3 ) 8 个月后出现“结沉”集中1 8 0 间缝的情况， ( 4 ) 在6 8 月期间，明显的出现“针振”增加的趋势，个槽侧部有槽壳 发红的现象。 ( 5 ) 表现在指标的完成上不均衡，不先进。 如上几点反映出9 0 k a 铝电解槽在工艺技术条件上的匹配上存在问题，可 归纳为： 1 ) 在电解槽启动结束后的1 3 个月，应使五高一低工艺向“五低一高” 工艺稳态过渡，且不可急于实践“四低一高”工艺技术条件，而人为过早的引 入“四低一高”工艺技术条件，否则不利于炉膛的建立和技术条件的合理保持， 在9 0 k a 预焙铝电解槽运行初期，存在槽工作电压、电解质温度、电解质中氧 化铝浓度、铝水平、分子比等工艺条件数值下降快的情况。 2 ) 在早投产、早出铝、半年达标的人为因素的影响下，电解槽出现铝水 平低运行，进而演变为热行程状态。其结果是不得不“回头”再调整铝液水平， 从而出现工艺条件不稳，则指标不稳的情况。 3 ) 存在分子比偏低时，槽电压没有及时上调的情况，进而出现“压极距” 的现象，从而影响了电流效率的提高。 4 ) 对a 1 2 0 3 浓度的控制不够理想，存在浓度波动大的情况。 5 ) 高效应系数引起电解质温度波动，分子比波动大，槽热平衡破坏，两 水平不易合理保持。 6 ) 精细操作不到位，有时存在人工私自补充下料，换极精度不高，调整 两水平不及时，设备故障处理滞后等情况，进而引起生产偏离正常状态，炉膛 恶化的现象。 2 2 对9 0 k a 铝电解槽原工艺条件的分析 2 _ 2 _ 1 槽电压 9 0 k a 铝电解槽启动结束后，槽电压有一个由高到正常的过程，还有一个 6 从正常转变到合理的过程，最后是形成与槽况及其它工艺条件匹配的适宜的高 效率槽电压。电解槽启动结束初期，槽电压在一个月左右的时间里，有一个由 高到正常的过程。其数值保持由启动当日的5 5 6 5 v 开始结合槽况进行调整。 当电压高于4 8 v 以上时可按日下调5 0 1 0 0 m v 幅度进行手动调整；当电压小 于48 v 高于4 5 v 时可在上位机上设定电压参数利用计算机进行槽电压控制； 当电压在4 3 4 5 v 范围时，应增加电解质清亮工作来配合稳压工作，其时间 约在l o 天左右；随后设定电压可按日降1 0 2 0 m v 的幅度调整到正常值范围 即4 2 0 0 4 2 3 0 m v 。在上述调整过程中应做到组合调整，即：铝水平由低到高 ( 1 5 c m 到1 9 c m ) ，电解质水平由高到低( 2 8 c m 到2 4 c m ) ，槽况由非正常状态 到正常状态，其本质是减少电解槽高极距运行时间，节能，并选择适宜的时间 过渡到正常生产状态。进入正常生产后，在以4 2 0 0 v 为基准的槽设定工作电 压条件下，结合槽运行情况，对4 2 0 0 v 为基准的槽电压进行优化，针对不同 情况( 分子比、电流效率、热槽、冷槽、针振) 在5 m v 至+ 3 0 m v 的范围调整、 观察。目前经过统计分析、指标对比、槽子活力观察，认为槽电压的设定值仍 有下调余地。 2 2 2 铝液水平 基于磁、热、温三场的平衡，铝损失等相关因子的考虑，铝水平高度、体 积量对预焙槽来说是一个重要条件，应在在生铝量、铝水平到位后，进入合理 的保持状态，并尽可能的减少其波动对电解槽其它技术条件的影响。 在9 0 k a 预焙铝电解槽的生产运行技术管理中，经过反复验证，我们认为 在电解槽进入正常状态之前，铝液水平应保持1 7 1 9 c m ，之后，宜保持的范 围应为铝液水平2 0 2 2 c m ，同时要防止一些不利因素对铝水平稳定的影响即： ( 1 ) 一点测量误差，引起的系统吸出铝，过大或过小； ( 2 ) 人工出铝，所导致的单槽铝一多一少； ( 3 ) 边加工，所引起的铝水平升高； ( 4 ) 把加大出铝，作为解决低电解质水平的维一办法； ( 5 ) 产多少、出多少的思想不稳定。 上述干扰因素应在生产过程中尽可能的避免，从而有利于铝液水平的合理 保持。目前采取的五日出铝方法，多点测量方法等措施，也有利于铝水平的稳 定保持。 2 2 - 3 电解质水平 在9 0 k a 预焙铝电解槽的生产过程中，电解质水平稳定在一定范围对槽况 运行是非常的重要1 2 】 ”。其合理保持有利于减少电解槽的许多滞后性问题， 实践表明，电解质水平宜保持在2 1 2 3 c m 。在实际生产过程中要做到电解质 水平的合理保持应做到如下几点； ( 1 ) 定期对电解质水平进行测量，并对照标准分析其变化原因，随后进 行有效调整。 ( 2 ) 非正常情况发生之后，电解质水平可自适应调整到标准范围，不应 因出铝、换阳极的自缩现象而人为的“提”电解质；或因阳极效应 后的自升现象而人为的“降”电解质。 ( 3 ) 要防止其它工艺参数变化引起的电解质“缩升“现象。 2 2 4 电解质成分 9 0 k a 系列铝电解生产所选择的电解质体系是由原7 5 k a 自焙铝电解槽运 行期间所产生的电解质物料( 块状) 熔化所得。 在电解质体系转入到正常状态后，为了优化体系质量，取得较好的电解技 术经济指标，特对电解质成分进行了改良。 ( 1 ) 原电解质成分为：分子比：26 0 2 8 5 ；m g f 2 ：3 5 5 o ；l i f ： 3 o 4 5 ；c a f 2 ：4 o 6 o ：a 1 2 0 3 ：3 5 o 。 ( 2 )改良后的电解质成分为：分子比：2 3 0 2 5 0 ；m g f 2 ：2 5 3 o ； l i f ：1 5 0 2 0 0 ；c a f 2 ：4 o 6 o ：a 1 2 0 3 ：2 o 3 o 。 实践证明，目前选择优化后的电解质体系的主要特点是有利于电解槽低温 度生产，可使电流效率达到9 2 以上。但相对大型预焙槽而言，9 0 k a 预焙槽 的电解质体系热稳定性差，电解质分子比易升高( 2 9 ) 或过低( 1 8 ) ；对此应 重点加强分子比的调整和控制。在具体生产过程中，为了稳定电解质成分必须 要做到： ( 1 ) 认真监测电解质水平是否符合标准条件，并做到对单槽电解质成分不 合格项进行有效调整；对电解质水平不符合标准条件的做到对标凋整。 ( 2 ) 降低阳极效应系数，使电解质过热度稳定。 ( 3 ) 处理好氧化铝在电解质中的熔解度问题，要防止分子比偏低、电解 质温度偏低的现象发生。 2 2 5电解质温度 对9 0 k a 小型预焙槽来说，要实现高的电流效率，电解质温度合理控制十 分重要。目前，电解质温度优化保持范围为：9 3 0 9 5 0 ，在该范围以外的不 利因素主要是：当电解质温度低于9 3 0 时，会出现过热度太低，炉膛缩、铝 水平升高、炉底a 1 2 0 3 沉淀变厚，压降升高，电解质收缩等不利于生产稳定的 现象；当电解质温度大于9 5 0 时，会出现过热度偏高，炉膛化，电解质升高， 个槽化爪，电流效率下降等不利因素。由此，在电解质温度出现异常情况时， 应及时分析原因，并采取对应措施尽快加以调整。 2 2 6 效应系数 在9 0 k a 预焙铝电解槽投产后的一年多的时间里，阳极效应系数歧定值为 o 2 5 次槽日，而实际发生值为o 4 o 6 次槽日，究其原因，主要是： ( 1 ) 进入定容器内的氧化铝过“细”即认为当原料中含过细、粘粉状氧 化铝时，定容器会发生失控现象，表现为下料量少，在净化系统运行时，由于 负压作用，存在大量飞扬的细粒氧化铝进入干法净化系统。进而导致进入槽内 电解质中的氧化铝量减少，出现效应多发现象，能耗损失增加。 ( 2 ) 料系统设备故障，使氧化铝不能定时进入槽内，从而出现电解槽突 发效应增加的现象。 ( 3 ) 有时也存在下料参数调整不及时所导致的阳极效应突发增多的现象。 根据上述主要原因，为了槽子稳定运行，节能降耗，减少阳极效应突发所产生 的负作用，结合实际情况，宜采取如下控制措施： a 、氧化铝供料系统不匹配的相关设施，优化供料系统工艺参数，使进入 槽内的氧化铝定时、定量，能满足槽内电解所需的氧化铝浓度在要求的范围。 b 、供料系统所发生的故障能及时排除，尽可能的做到系统稳定，下料参 数稳定，效应发生在设定的范围内。 c 、调整其它参数，使其有利于阳极效应的控制。例如铝水平、电流强度、 料配比等。 ， 2 2 7电流强度 对9 0 k a 铝电解槽而言，其设计电流强度和实际所发生的电流强度在数值 上是有差别的，在生产过程中为了达到稳流下的平稳生产和电解槽热稳定性好 的目的，一般要求供电要尽可能的“稳”。电解过程中，阳极效应应尽可能的 减少集中发生。但在西北地区，由于季节性气温差别大，电解槽受环境温度的 变化影响较大，对此在考虑电解槽热平衡的基础上，将电流强度优化为： ( 1 ) 夏季：电流强度9 0 k a 。可下调5 0 0 1 0 0 0 a 。对应的工艺条件匹配为： 槽工作电压4 1 9 0 4 2 1 5 v ，保温料厚度1 4 1 6 c m ，电解质温度9 3 0 9 5 0 ， 分子比2 3 2 5 ，l i f1 5 2 o ，m g f 22 5 3 o ；同时加强厂房通风，创造 条件化解电解槽侧壁散热不畅的问题。 ( 2 ) 冬季：电流强度9 0 k a 。可上浮5 0 0 1 0 0 0 a 。对应的工艺条件匹配为： 槽工作电压4 18 0 4 2 0 0v ，保温料厚度16 18 c m ，电解质温度9 3 0 9 5 0 ，分子比2 3 2 6 ，l i f1 6 2 3 ，m g f 2 2 6 3 5 ；并创造条件化解电解 槽侧壁散热不畅的问题。如果电流强度在冬季仍保持9 0 k a ，则电解槽电压应 为4 _ 2 0 0 4 2 2 0 v ，同时要加强厂房环境保温，必要时调整净化引风机功率， 减少热量带出。 2 2 8 炉膛的维护与规整 所谓铝电解槽炉膛的维护与规整，主要是指生产过程中，对一些认为有可 能影响槽产出指标及导致槽工艺条件保持不稳的某一部位的修整。其方法是： ( i ) 从工艺条件上考虑，在电解槽炉膛建立初期，应合理过渡槽温、分 子比、两水平、槽电压等，以利于槽子热平衡、物料平衡的形成，同时也有利 于形成均匀、稳固、厚度适中的边帮：在正常生产期，随着不利因素的积累， 些电解槽因炉膛出现不规整，而表现为偏离正常状态的现象，如边上口空、 伸腿见长、炉底沉淀多，个别阳极下有硬结壳；严重时会出现槽子热、侧壁发 红等现象。对此可通过调整电压、两水平、下料问隔、降低电解质温度等措施 来防止上述现象的发生。 ( 2 ) 人工利用炉前工具，对槽膛不规整部位进行有效处理。如利用换极 时间检查、处理存留的有害沉淀；或对边帮进行修补。 ( 3 ) 对于电解槽侧壁发红，侧壁早期破损的槽侧面，可采取不停电小修 的方法对破损部位进行周边修补。目前，9 0 k a 预焙铝电解槽有一例( 5 3 7 # 槽) 经不停电修补后，效果较好，可延长槽的使用寿命。但从系统生产来看，槽炉 膛规整的重点应放在工艺条件的合理保持上，人工处理只能作为补充。 ( 4 ) 当炉膛恶化时，则可采取加强炉底保温、强化电流、调控下料间隔 等的操作方法，实现炉底沉淀的溶化消除。 o 第三章铝电解槽节能与工艺条件优化 3 1霍尔一埃鲁特铝电解生产方法一百二十年来的降耗历史 自1 8 8 6 年霍尔一埃鲁特法生产铝电解以来，电耗由最初的每公斤高达7 4 度，到今 天最好的电解槽已到1 3 度以下。所采取的方法是：通过改进阳极尺寸，槽尺寸及采 用计算机控制、点式下料、新材料、等新技术来实现的。以下是有关进展见表3 表3 电耗随年份进展 大致年份最大安培数( k a )电流效率( ) 电耗( k w h t a 1 ) 1 9 世纪9 0 年代 63 0 7 02 0 0 0 0 5 0 0 0 0 2 0 世纪1 0 年代 2 07 42 6 0 0 0 2 0 世纪2 0 年代 3 07 5 8 02 0 0 0 0 3 0 0 0 0 2 0 世纪3 0 年代 4 5 直到8 0 2 0 0 0 0 2 0 世纪4 0 年代 5 58 0 8 52 0 0 0 0 2 0 世纪5 0 年代 】2 5 直到9 0 l8 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 世纪6 0 年代 1 7 5 直到9 3 l8 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 世纪9 0 年代 2 5 0 直到9 4 1 3 0 0 0 1 6 0 0 0 2 1 世纪1 0 年代 5 0 0 直到9 6 1 2 0 0 0 13 0 0 0 从表中可以看出电耗随年份增加呈指数级下降。其降耗的途径是： 加大电解槽，进而降低电解槽散热表面的相对热损失。其基本点是：电解槽表 面积与体积之比，值越小，则其表面散热越小。 提高电流效率。其基本点是：电耗与电流效率成反比。 3 2 电解槽的节能措施 3 2 1 减小电解质电压降 取极化电压为1 6 5 v ，则电解质电压降大约为1 6 5 2 o v 。后者大约占平 均电压的4 0 ，这是电耗的主要项目，首先应予注意。电解质的电压降与其电 阻率，阳极浸入电解质的表面积、铝液镜面面积，极距等因素相关，其中最主 要的是电阻率和极距。 3 2 2 降低电解质的电阻率 在工业电解槽里，经常有“炭渣”。一部分“炭渣”飘浮在电解质表面上， 一部分却悬浮在电解质内部。据测定，电解质内部的平均炭含量为0 0 4 ，炭 粒直径约为l 2 u m 。炭粒主要是从阳极上掉下来的。o 0 4 的炭对于电解质导 电率的影响只不过1 ，但“炭渣”愈细，夹杂在电解质里的数目越多，则 对电解质导电率的影响越大。当电解质里夹杂炭l 时，导电率将减少1 l 。 因此，在铝电解生产上把“炭渣”的分离作为重要任务看待。其主要办法是 采用弱酸性电解质( n a f a l f 3 摩尔比= 2 _ 3 2 6 ) ，并添加能够减小电解质 对“炭粒”的湿润性的物质如c a f 2 和m g f 2 ，使“炭渣”漂浮起来。在预焙 槽上，阳极易于氧化，掉“炭粒”较多，因此宜用氧化铝或电解质颗粒覆盖在 阳极上面，进行保护。 新阳极表面上粘附的炭粒和炭粉，在使用之前亦应清理干净。除“炭粒” 以外，在工业电解质里还有一些悬浮的固体氧化铝，它也会增大电解质的电阻 率。因此，在加料之时宜严格控制加入电解质内的氧化铝数量。添加锂盐或 m g f 2 能够提高电解质的导电率，一般可添加1 5 3 5 。 3 2 3 合理保持极距 据工业电解槽测定，每l c m 极距所对应的电解质电压降，“侧插槽为4 0 0 4 5 0 m v ， 预焙槽为3 0 0 3 3 0 m v 。“极距”保持上，“侧插槽”大约为4 c m ， 预焙槽为4 5 5 c m 。如果稍微缩短极距几个m m ( 例如2 3 m m ) ，对于电流 效率还不致于有多大的影响，但是能够节省电压约1 0 0 m v ，相当于省电3 4 0 k w h 左右。 3 2 4 减小极化电压 极化电压包括理论可逆分解电压( 约为1 0 3 v ，9 5 0 生成c o ；12 0 v ， 9 5 0 生成c 0 2 ，阳极过电压( o 4 0 o 5 0 v ) 和阴极过电压( 数十至l o o m v ) 等部分，其中阳极过电压应力求减少。为此，现代铝工业电解槽趋向于减小阳 极电流密度( 主要是增大其截面积) ，或增大阳极活性，例如添加锂盐，有助 于减小阳极过电压，此外，往冰晶石一氧化铝电解质内添加碱土金属卤化物， c a f 2 ，m g f 2 等能使阳极过电压减小。添加a l f 3 或增大a 1 2 0 3 浓度，也可使阳 极过电压减小。 3 2 5 电解槽上加大导电母线的截面积 导线电压降取决于其电阻率( d 、q 、锄) ，电流密度( d 、mm 2 ) 和长 度( 1 ，c m ) 。加大导线的截面积，能使其电流密度减小，电压降减小。铝母线 电流密度的选择是个技术经济问题。实践过程中，加大铝母线，使其电流密 度减小到o 2 5 0 ，3 5a mm 2 ，则中型电解槽可降低槽电压o 1 v ，相当于节省电 能3 7 0 k w h 。但是，加大母线尺寸会增加投资，故选择经济电流密度。当然， 也要考虑到电解槽母线的散热，母线面积愈大其散热愈大，亦即要增加能量的 损失。在一般的情形下，适当加大母线是有利的。 3 2 6 改善导体接触点压降 在电解槽系列中，金属导体之问的接触点较多，累计起来，分摊到每槽的 接触点压降约为2 0 4 0 m v ，消耗电能甚巨，因此压接点应定期清理，使接触 面保持平整和洁净。焊接点也应保持接触面平整和洁净，焊接时宜使用熔剂， 最好是在保护性气氛下进行焊接。 3 2 7 减小阳极电压降 现代铝工业，从节省电能出发，趋向于扩大现有阳极的截面积，亦即充分 利用现有的槽尺寸而增大阳极在槽膛之内的填充率。这样，在不增加阴极铝液 表面积亦即不增加铝损失的前提下，能够降低槽电压【4 】【5 】【6 l 。减少接触点电压 降的办法大致是：增加铸铁一“炭块”的接触面积，改善生铁的成份，或改进 其浇铸方法。例如：采用螺纹接触面，或者在振动成型时加高“炭块”的隆起 部分，可增加铸铁一“炭块”的接触面积。在铝电解生产上，用氧化铝粉或电 解质“细料”覆盖在“钢爪”一“炭块”的接触部位上，提高f r c 接触点的 温度，减少氧化可以有效地减少f e c 电压降。在“侧插槽”上，增加铜母线 的片数，并减小阳极棒的电流密度( 亦即增大其直径和长度) ，亦可节省电能。 3 ：2 8 有效处理炉底“结沉”，减小阴极电压降 阴极电压降是指从“铝液”至阴极棒头这段导体中的电压降。在工业电解 槽上，该数值通常为3 7 0 4 5 0 m v 。“铝液”至阴极“炭块”之间的电压降，数 值很小，以至于测量不出来。如果“炭块”表面上有大量沉淀物，则其电压降 增大。“炭块”本身的“电压降”随“槽龄”的增大而减小，这是由于“炭块” 在使用过程中逐渐进行石墨化所致。阴极棒本身的“电压降”并无多大变化。 唯有“炭块”一阴极棒之间的电压降总是随“槽龄”的增大而增大，这是引起 炉底电压降增大的一个重要因素，其原因是在此二者之间沉积了碱性电解质和 6 一a l z 0 3 。所以在电解生产中应该设法减少电解质在阴极“炭块”中的沉积。 在9 0 k a 预焙铝电解槽的生产过程中，其减少阴极“炭块与铝液”接触面间的 沉积氧化铝，主要采取的措施是优化工艺条件，使其熔化并消除；其次是减少 过多进料的现象如：堆料进入、换阳极时落入的壳面块、炉底“结沉”未带干 净、边加工，局部塌陷进料等。 3 2 9 低阳极效应系数控制与节能 发生阳极效应所升高的平均电压，按下式计算： v = k ( v 效应一v 工作) t 效应1 4 4 0 式中：k 效应系数( 次槽日) ； t 效应效应时问( m i n ) ； 1 v 效应效应电压( 伏) ： 1 4 4 0 每天的分钟数( 6 0 2 4 ) 。 ， 减少阳极效应次数，并缩短效应时间，可以省电。如果效应系数减少到o 2 次 槽日，效应时间缩短到3 m i n ，则v 效应= 0 0 1 0 v ，省电2 6 5 k w l l t a l 。因此， 在铝电解生产上采用勤加工、少下料的操作方法，以使电解质内经常保持一定 浓度的氧化铝，减少阳极效应的发生，可以节省电能。 3 2 1 0 工艺参数变化与减少电解槽的热损失量的关系 当电流恒定时，如果降低体系电压( 亦即减少电解槽的能量收入) ，为保 持既定温度下的能量平衡，必须相应地减少热量损失。当电流效率提高时，用 于补偿电解所需的电能增多了，为要保持电解槽的能量平衡，必须相应地提高 电压或者减少热损失的量1 8 】 9 1 0 换言之，在降低体系电压或提高电流效率的时 候，宜考虑到电解槽能量平衡所发生的变化。其中，采取减少热损失量的办法 是最适宜的。要减少电解槽热损失量，可采取下列方法：增大槽底部和阴极棒 导出部位的保温能力，加强壳面特别是阳极块上的保温。 3 3 电流强度优化与节能降耗上应考虑的问题 3 3 1 优化电流强度的经济性评价 衡量电解铝企业经济性的主要指标是资金利润率，而资金利润率与“铝锭” 的售价，电及氧化铝的价格密切相关，假设单位时间内生产的铝获取的销售利 润为p ，则 p 一( a 呻弋) 九t d i t 1 其中， a 一销售价格( 元邝屯) b 一单位成本( 元邝屯) c 一 销售税金( 元邝屯) 丸一铝的电化当量( t a h ) t 一生产时问( h ) d 一电解槽数( 台) i 一系列电流强度( a ) 1 1 一电流效率( ) 电解铝的总成本主要由氧化铝消耗、阳极消耗、电力消耗及制造费用四部分构 成，单位生产成本( b ) 可由下列式计算： b = a + b m + c ( 九t 1 ) ( b 十a