浅析提高铝电解电流效率的途径.doc

浅析提高铝电解电流效率的途径第27卷第3期2005年9月甘肃冶金GANSUMETALLURGYVol_27No.3Sep.2005文章编号:1672-4461(2005)03-0033-03浅析提高铝电解电流效率的途径王东升(中国铝业青海分公司,青海西宁810108)摘要:电流效率是电解铝生产经济指标中最重要的因素,电解铝企业所进行的各种不同劳动都是为了一个共同的目的,即如何提高电流效率.本文以理论联系实际的方法分析了维持铝电解正常生产的技术参数,结合优化现代工艺技术与控制技术探讨了生产实际中提高电流效率的技术措施,即采取"四低一高",强化电流,并结合先进智能模糊控制技术和标准化作业使电流效率得到提高.关键词:铝电解;电流效率;生产工艺;优化中图分类号:TF821文献标识码:AAnalysisonWaysofImproveCurrentEfficiencyinAluminiumElectrolysisWANGDongsheng(QinghaiBranchofChinaAluminumCo.Lid.Xining810108.China)Abstract:Currentefficiencyisthemostimportanttechnicalindexinaluminiumelectrolysisproduction.Allkindsofeffortsandlaborinaluminiumelectrolysisenterprisehavethesamepurposecurrentefficiencyimprovement.Thisthesisanalyzedsometechnicalpropertieswhichcankeepthenormalaluminiumelectrolysisproductionthroughtheoryandpracticecombina.tion.illuminatingsometechnicalmeasurementsforcurrentefficiencyimprovementinpracticalproductioncombiningtheopti.mizationformodernprocessingandcontroltechnology.i.e."fourlowerandahigherone''andcurrentconsolidationaswellasadvancedintelligentfuzzycontroltechniqueandstandardhandlingtoincreasecurrentefficiency.Keywords:aluminiumelectrolysis;currentefficiency;productionprocessing:improvement1电流效率的概念电流效率就是在一定时间内,一定电流强度下进行电解时实际铝产量与理论铝产量之比,即:11=P/P理×100%.理论上,电解槽通过一定的电量时阴极上析出一定量的铝,但实际上产出的铝量要少于理论量.在电解生产过程中,一方面金属铝在阴极析出,另一方面局部铝又以各种原因损失掉,故电流效率总是达不到百分之百.但是通过技术改造与技术进步,可减小铝损失,从而使电流效率得到提高.2技术参数对电流效率的影响2.1电解温度温度影响铝在电解质中的溶解度特别是溶解铝的扩散速度,因为扩散到阳极氧化区的速度越快,电流效率的损失就越大.根据费克第一扩散定律:q=DS(C0一C1)式中:q一单位时间的扩散流量,g/s;D一扩散系数,cm/S;S一扩散面积,cm;8一扩散层厚度,cm;C.一铝界面上电解质中铝的浓度,g/cm;C一扩散层外部电解质中铝的浓度,C.=0.当电解温度升高时,(1)铝在熔体中的溶解度增大,亦即C增大;(2)熔体的黏度变小,电解质的循环速度将增大,这意味着扩散层的厚度6变小;(3)扩散系数D也随着温度的升高而增大.因此,电解温度升高,q值增大,意味着铝的二次反应加剧,铝的损失增大,电流效率降低.目前,国外对电解温度与电流效率的关系的研究结果说明,在正常条件下,电解温度每降低10,那么电流效率提高1.5%2.0%.见图1.2.2电解质成分2.2.1氧化铝浓度对电流效率的影响氧化铝浓度对电流效率的影响很大.实践证明在2%5%的A1O,浓度下,既可使生产稳定,又可获得较高电流效率.目前国外电解槽趋向于在低A1O,浓度(1.5%荭璺理E-lllai1:GSLYJL126 34甘肃冶金第27卷2%)下进行电解,其主要优点是:AI0很快地溶解,熔体中无悬浮的AI0固体颗粒,对熔体的黏度,导电以及防止在槽底产生氧化铝沉淀都有良好的作用,有利于稳定生产,提高电流效率.氧化铝浓度与电流效率的关系见图2.至甜羹脚图1电解温度与电流效率的关系氧化铝浓度(%)图2氧化铝浓度与电流效率的关系2.2.2添加剂对电流效率的影响添加剂对电流效率的影响实际上是对电解过程的综合影响,一切能降低铝损失量的添加剂都有利于电流效率的提高.添加剂CaF和MgF等均能降低电解质的熔点,亦即能使电解质的温度降低,同时还能减少铝在电解质中的溶解,有助于提高电流效率.与CaF相比,MgF具有更大优点,能在较大程度上降低电解质熔点,减少铝的溶解损失量,增大电解质在炭素材料上的界面张力,从而提高电流效率.2.2.3分子比对电流效率的影响分子比是电解质酸碱度的重要标志,同时也是影响电解质温度的主要因素.随着分子比的降低,电解质的初晶温度下降,铝液一电解质的界面张力增大,镜面收缩,铝的溶解度下降,熔体中Na的活度降低,放电的可能性减少,因而电流效率提高.当代铝电解开展的一个主要方向是采用强酸性电解质.国外电解铝厂普遍采用强酸性电解质的分子比一般控制在2.22.5.但分子比过低,电解质黏度增加,氧化铝溶解度降低,电解质导电性减弱,电阻增大.2.3极距对电流效率的影响极距是铝电解槽中铝液界面到阳极底掌的距离.极距对电流效率的影响见图3.从曲线的变化趋势看,电流效率随着极距而增大,在低极距下,电流效率趋向于零以至于负值.但也不是说,极距越高,电流效率越高.当极距增大到7cm左右,电流效率极距的变化率接近于零,意味着此时进一步提高极距,电流效率不再提高.当极距超过一定程度后,电解温度将明显提高(极距大,产生的焦耳热量增加),黏度也明显变小,使对流循环加快,铝的二次返熔增大,故电流效率提高很慢,其变化率接近于零.图3极距与电流效率的关系应该指出,用提高极距的途径来提高电流效率不一定经济,因为极距增大,槽电压增高,电耗增加,而且随之而来的是热量收入增加,槽子转热而出现病槽等不利因素.在目前电解条件下,极距一般为4.24.5cnl.2.4两水平对电流效率的影响两水平包括电解质水平和铝液水平.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稳定1820cm的铝水平,电解质水平一般保持在工作中2O一25cm,作用是:使铝离子不在阴极炭块上放电析出,以防止生成大量的炭化铝,增大炉底压降;阳极中央多余的热量可通过这层良导体传导至阳极四周外,从而使槽内各局部的温度趋于均匀;保护炉底炭块,防止Na直接在炭块上放电析出而破坏炭块;保护炉底炭块,防止Na直接在炭块上放电析出而破坏炭块;适当厚度的铝液层可以使炉底温度及温度梯度趋于均匀,从而保证炉底温度不因骤热骤冷而早期破损;适当厚度的铝液层能够起到削弱磁场的作用;铝液层可填平炉底上的高低不平处,有利于均匀炉底电流分布;保持一定的铝液水平,可削弱磁场中的水平电流,不致于使铝液滚动和强烈循环;伸腿的高度和铝液的高度也有密切的关系.3优化生产工艺提高电流效率3.1优化操作技术,提高电流效率3.1.1出铝管理电解槽产出的铝液要定期定时吸出,以使电解槽内铝液水平保持不变.电解槽每隔一定时问需要从中吸出铝液量的多少,不同的厂家有不同确实定方法.从平稳和改善电解行程角度出发,理想的出铝方法应该是考虑到这样一些原那么:(1)每次出铝量逼近出铝周期内的产铝量,也就是说,出铝量要逼近电流效率,产出多少铝就出多少铝;(2)出铝量对失调的炉膛和生产技术条件有调整作用,出铝量要平稳,应防止急剧的波动,生产中不能人为地制造出铝波动的因素,以免对电流效率造成影响.(3)为减少热量损失,出铝后应立即堵上出铝洞,同时出铝后应空出36个正常加工.并把电压适当保持高点,以补充因出铝而损失局部热量,从而保证电解槽正常生产.3.1.2效应管理科学而合理地利用阳极效应,是保证电解槽正常生产的蓝野然撞E一1:GSLYJL126-c0m一_)埒籁螺锄gg;窨;%孑;g睨蚍跚%苫5g蛇苫;鼢黯一一埒籁蜷锄第3期王东升:浅析提高铝电解电流效率的途径35重要因素,同时也是提高电流效率的关键.在采用定时下料模式的中心下料预焙槽上,是希望通过效应和效应等待期间来消除积料,以重新校正AlO,浓度参数.实验证明当效应系数为0.2次/槽日时,对槽工作状态影响并不大,并且还可到达清洁电解质,清理炉底沉淀的目的.3.1.3换极管理阳极是电解槽的心脏,其操作十分重要.换极质量的好坏直接影响电解槽的电流效率.在大型预焙槽上,更换阳极操作主要是由多功能天车来完成的.首先应保证天车工熟练操作,熟记阳极更换号数,稳定操作.电解工应熟练掌握更换阳极操作的全面过程.为了减少更换阳极作业对槽子行程的干扰,应严格按换极顺序表进行换极,以保证阳极各区域的残极重量相等,电流分布均衡.在换极的全过程中,"与计算机联系槽号"和"新极安装精度"(指换上新极底掌与残极相平)是重要的环节,也是更换阳极操作的质量控制点.实际上,使新极底面保持与残极底面相同的标高还不够科学,还应考虑到新极全电流的滞后性.通常将新极安装位置比残极提高1d(非角部极)或2d(角极)的消耗量,即1.5cm或3cm,安装精度越高越好.但实际中,当测得毫伏值超出理想范围时,并不要求立即修正高度.2mV以下或7l5mV间的,过8h再测定后确定.再测定后,只对15mV的进行修正.为减少换极对槽子的干扰,每天换极最多不超过2块,注意新换极不能集中在阳极母线同一侧或同一个小区(如A3B3,A).除按方案更换阳极外,一旦发现阳极脱落,掉块,裂纹或残极过薄导致钢瓜熔化时,就需要进行临时更换.3.1.4铝水平槽膛底部通常蓄积着一定数量的铝液,起到防止铝直接在碳阴极上析出,传导阳极中心热量,削弱电磁力和稳定铝液的作用,其数量必须同时满足槽子热工设计和磁场设计的要求.铝电解槽所保持的铝水平视其电流强度而异.如160kA中间下料预焙槽的铝液水平就是1820cm,磁场得到良好改善电解槽其铝液水平可低于l015cm.实践证明,铝液水平要和生产要求相适应.过高的铝水平容易使电解质冷缩和保持不住所要求的电解质水平,从而使电解质溶解氧化铝的能力下降,使炉底沉淀增多,伸腿长得过大,有时伸入阳极下面很远,甚至到达出铝时降不下阳极,造成压槽;有时炉底也长结壳,出铝后电解槽易产生故障,不利于机械化和自动化操作.铝水平过低时,电解槽有明显的发热现象,使铝损失增大,降低电流效率.3.1.5加足保温料电解槽上外表损失的热量占全槽损失总量的40%60%.槽的上外表包括阳极爪头,阳极块和电解质外表上的结壳,这些部位的热损失可以通过加足保温料的方法来减小热损失.实践证明,加足保温料可以使槽面的热量明显减小,见图4.3.2强化电流强度,提高电流效率电解槽的电流密度有阳极和阴极电流密度之分.电解槽阳极,阴极电流密度的大小对电流效率的影响很大.强化电流强度实际就是增大电解槽阳极,阴极电流密度.一,棚壬K棚綦g20100图4氧化铝厚度与减少的热损失量关系3.2.1阴极电流密度的变化在生产中有两种情况使得阴极电流密度发生变化:(1)电流不变,阴极面积改变.例如槽膛由电解质的凝结或熔化,形状发生改变,而使阴极电流密度增大或降低.(2)阴极面积不变,电流变化,如系列电流增大而使阴极电流密度增大.研究结果说明,电流效率总的趋势是随着阳极电流密度的增大而增大.因为在其他条件不变的情况下,阴极电流密度增大,表示铝液镜面面积的相对缩小,因而使铝的溶解总量减少,电流效率增大.人为提高系列电流强度(即强化生产采取的措施)虽然铝的损失增加,但槽子的生产能力显着地增加,所以总的结果是提高了电流效率.但是,无限制地增大阴极电流密度是无益的,当电流密度增大到某一数值后,电流效率不再增大,甚至降低.换句话说,不同情况下,存在一个最正确阴极电流密度.3.2.2阳极电流密度(1)阳极面积增加,如加宽阳极,而电流不变.此时电流密度降低,单位面积上的气体析出量减少,排出速度降低,搅拌作用减弱,氧化区域缩小,扩散厚度增大,使得铝损失降低,电流效率提高.(2)阳极不变,而电流增加,如强化生产时.在该情况下,阳极电流密度增大,那么有可能使上述因素向不利方面转化,而使电流效率降低.由此可见,阳极电流密度对电流效率的作用正好与阴极电流密度相反,即随着阳极电流密度的增大而使电流效率降低.青海分公司试验电解槽的扩容试验,扩容后的电解槽系列电流由160kA强化到180kA,使一,二期产能由20万吨提高到22.5万吨.3.3"四低一高"是提高电流效率的主要途径提高电流效率的途径很多,其中现在最主要的一种途径就是"四低一高"的技术条件.所谓"四低一高"就是低槽温,低分子比,低氧化铝液浓,低效应系数和高工作电压.其中低分子比是保证低槽温的主要条件,低槽温可以减少铝的二次溶解和氧化,从而提高了电流效率.低氧化铝浓度能够使电解质中的氧化铝容易溶解,不易产生沉淀,从而提高了电流效率.效应一方面耗电量大,另一方面效应前电压波动会增大铝的二次返溶.效应后槽温较高,降低了电流效率,所以应采用低效应系数.虽然低槽温,低分子比和低效应系,蓝野监理E-mail:GSLYJLI.26-c0m第27卷第3期2005年9月甘肃冶金GANSUMETALLURGYVo1.27No.3Sep.2005文章编号:1672-4461(2005)03-0036-03AI2O3粒度细化对预焙铝电解生产的影响肖伟峰,肇玉卿(兰州铝业股份,甘肃兰州730060)摘要:本文分析了国内外氧化铝粒度组成,重点讨论了氧化铝粒度和破损细化后对电解生产工艺,干法净化及电解质中氧化铝浓度控制的影响.提高氧化铝的强度,降低破损系数是减少氧化铝破损细化的关键.关键词:三氧化二铝;粒度;细化;预焙铝电解中图分类号:TF821文献标识码:A由于现代铝电解工艺采用了智能模糊控制技术以及干法净化技术和自适应点下料技术,使得当前世界绝大多数的氧化铝厂都生产砂状氧化铝.但是,由于我国矿产资源的特点,除少数企业生产流程按砂状氧化铝设计外,绝大多数生产厂家的氧化铝为中间状.经过近几年的技术改造,我国也生产称之为"砂状"的氧化铝.但在粒度,磨损指数等物理指标上与现代铝电解和干法净化的要求有一定距离,颗粒<44p.m到达40%以上,且破损系数也较大.其主要缺点是:细粉中Of.一AI:O,含量大,比外表积小,在电解质中溶解速度慢,在电解生产中容易产生沉淀;氧化铝细粉含量多,加料器中氧化铝的容量变化大,影响下料量的准确度;操作和运送中易造成飞扬损失;细粉含量大,流动性能差,尤其是载氟后的氧化铝,会在送运使用过程中造成困难.兰州铝业股份2001年1O月建成投产的200kA预焙槽,所使用的氧化铝为国产中间状氧化铝和局部进口砂状氧化铝的混合型氧化铝.通过对氧化铝粒度破损情况及对铝电解生产的影响分析,旨在提高大型预焙槽在使用氧化铝对粒度组成的重视,以消除粒度细化对电解工艺等方面的影响.1铝电解生产用氧化铝情况铝电解生产要求最正确氧化铝应具备的物理特性是:(1)溶解速度快,加工过程中不产生沉淀,降低炉底压降.(2)能尽快形成良好的槽壳,减少电解质裸露,降低氟盐及热量损失.(3)微细的颗粒少,飞扬损失少.(4)吸附HF等有害气体的性能好,减少氟盐损失,有利数能提高电流效率,但它们会使电解槽热收入缺乏,所以为保证电解槽正常生产,就必须用提高电压的方法来增加电解槽的热收入.因为"四低"技术条件所提高的电流效率创造的价值会远远超过提高的那局部电压所消耗的电能价值.3.4推广智能模糊控制技术控制氧化铝浓度的依据在于槽电阻与氧化铝浓度的关系.槽电阻是似在的,可用欧姆定律算出:R似在=(UUext)/!式中:RIl一电解槽似在电阻,n;U一槽电压,V;I一系列电流强度,A;Uext为uI在零电流状态下的截距.实践证明,在3.5%氧化铝处电阻最低,工业上常采用2%一3%浓度,此时导电率高,不易产生沉淀,不易产生效应.为此青海分公司推广智能模糊控制技术运用氧化铝浓度与槽电阻的对应关系原理并结合对槽况的综合分析,通过"氧化铝浓度工作区校验","常态下料"和"非常态下料"3种下料控制模式以及多档级下料速率(下料时间间隔),成功地将160kA预焙槽氧化铝浓度的工作范围控制在了1.5%一3.5%的高效率区内,电流效率提高了3%一5%,吨铝电耗降低了300kWh.4结论(1)推广智能模糊控制技术,电流效率提高了3%一5%,吨铝电耗降低了300kWh.(2)"四低一高"技术的应用,较好地实现了铝电解生产技术条件的优化组合,使电解槽生产更加平稳,电流效率得到有效地提高,技术经济指标明显改良.(3)电解生产作业标准化进一步提高分公司管理,减轻了劳动强度,提高了生产指标和电流效率.参考文献:1杨重愚主编.轻金属冶金M.北京:冶金工业出版社,1991,1.2邱竹贤.铝电解原理与应用M.徐州:中国矿业大学出版社,1998,7.3轻金属编辑部.全国电解铝工业新技术应用推广交流展示会论文集C.沈阳:1998.收稿日期:2005-04-07作者简历:王东升(1969一),男,山东招远人,助理工程师,1992年6月毕业于桂林冶金地质学院.茁璺i;盟奎硼Email:GSLYJLI6_c0m