电解铝生产工艺的优化分析

电解铝生产工艺的优化分析

作者：陈仕鸿 李文权 杨志鸿

来源：《科学与信息化》2018年第31期

摘 要 近些年，我国的铝产量已走在世界前列，但电解铝生产技术较比较落后，尤其是在节能和环保方面存在着较严重的问题。在国家提出节能减排的背景下，对电解铝工业进行节能减排研究是大势所趋。本文根据我国电解铝工业存在的主要问题，对电解铝生产工艺的优化进行了探讨，以期对我国电解铝工业的发展提供借鉴。 关键词 电解铝；工艺优化；节能减排

我国的铝工业起步于20世纪50年代，经过半个多世纪的发展，目前已形成一个较完善的产业链，为社会各领域持续不断地提供铝材。从产量上看，我国无疑是世界第一铝生产大国。但从技术上看，我国的电解铝生产工艺比国外要落后不少[1]。尽管我国电解企业不在少数，但其规模都不大，生产技术落后，耗能较高，污染严重，我国电解铝工业的发展面临着巨大的挑战。

1 我国电解铝发展现状分析

从行业生产情况来看，我国电解铝企业普遍面临着能耗过高的难题。一些规模较小，资金不足的小企业的吨铝耗电量居高不下。一些企业在对角部伸腿进行优化的过程中遇到了技术瓶颈，如果强行降低电压，会严重影响电解槽的热吸收，从而影响产品质量[2]。一些企业提出了通过强化电流的方法来弥补电压不足的问题，但受到整流系统性能的影响，也未取得良好的效果。实际上，电压的控制与电流效率是一对矛盾体，电压的下降会伴随着电流效率的下降，因此需要使两者达到平衡，但这个平衡是很难把握的，涉及较复杂的数字建模问题[3]。也有企业从管理的角度上着手，对工艺生产流程进一步标准化、规范化，减少人为造成能耗[4]。此外，我国电解槽控制系统的性能不能满足当前铝工业发展的需求，而很多企业由于资金在研发上投入的资金较少，这也是我国电解铝工业能耗优化的重要因素之一。 2 电解槽生产工艺优化分析 2.1 总体思路

电解铝工业作为高耗能行业，其生产工艺优化分析的重点就是节能问题。铝电解过程中，其电能的消耗主要来自于直流电的消耗和其他辅助工序的电能消耗，其中直流电的消耗占据所有电能消耗的95%以上，因此是电解铝生产中的节能研究关键点。根据目前的电解铝生产原理，直流电的消耗量与触电槽的平均电流和效率有关，并且平均电流越大，直流耗电越大；电流效率越大，直流电耗则越小。直流电耗与电流的大小并无直接关系，因此，降低直流电耗，

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可从平均电压的减小和电流效率的提高两个方面为切入点。下面给出几点电解槽生产工艺优化分析的建议。 2.2 降低平均电压

平均电压的控制实际上就是对工作电压进行控制，使效应分摊电压和母线电压尽管处于一个比较低的水平。考虑到工作电压并不是一个单一的电压，它由设备各模块的供电电路共同组成，形成了电压等级各不相同的多级电压体系，因此可采取逐级分析，逐级优化，逐级突破的方法对其进行降压优化，从而使总的工作电压得到控制；分摊效应电压的降低首先要确保效应持续时间的减小，其次是保证效应间隔的增加，使其效应系数的作用逐步削弱；母线电压与电解槽的结构设计关系较大，因此可以考虑从设计方面着手，从各个接触面的压降为切入点，重点关注停槽短路口、立柱母线、卡具等部位，在保证接触面洁净的前提下，把停槽短路口的电压控制在10mV以内，并定期进行测量确认。

目前已形成多种理论和方法可以实现平均电压的控制，主要思路是从各环节着手对电压进行调整，主要包括：阳极电压、阴极电压、极化电压、电解质电压、效应分摊电压和母线电压，只要这些环节的电压都得到了良好的控制，就可以使平均电压大大降低。 2.3 提高电流效率

应通用参数调整、质量把控和工艺提升等手段对电流效率进行提升。可以通过槽温的智能控制，对多种因素进行组合研究，通过单因素法对影响电解槽温度的关键因素进行排查，并重点对其进行控制；使分子比和过热度保持在一个合理的区间范围内，当过热度太高时可使分子比保持在下限附近，反之则保持在上限附近，还需要根据电解槽的冷行程和热行程的变化趋势来确定氟盐添加量，使分子比始终保持在一个合理的范围内，避免过频繁的波动。

目前已形成多种理论和方法可以提高电流效率，主要包括：通过正交试验优化电解工艺参数、通过人造伸腿尺寸的控制提高电流效率，使过热度维持在一个较低的水平，采用性能良好的氧化铝和阳极材料、标准化生产和科学管理等等。 2.4 降低辅助电力消耗

除了电解槽之外，其他辅助设备的电耗也是不容忽视的，辅助电力的减少也可以对整个生产工艺的节能起到明显的效果。辅助电耗主要来源于供料净化、阳极组装、铸造、空压机、电解动力变等工艺。其中供料净化的优化主要考虑工运行方式的调整，通过参数的控制使其稳定运行；阳极组装与炉的频率有较大关系，中频炉可起到较好的节能效果，因此要尽可能使用中频炉；空压机和电解动力变的优化可以从运行方式着手，根据环境温度和设备温度对其运行方式进行动态调整，使之始终处于最佳运行状态。 2.5 提高自动化管理控制水平

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铝电解生产采用多达数百台电解槽串联成一个生产系列的方式进行。在强大的直流电流的作用下铝电解槽内发生着复杂的高温物理化学和电化学反应，在该体系内形成互有关联的、可变的电场、磁场、温度场、熔体流动场等物理场。由于铝电解槽内高温熔体的强腐蚀性，浓度、极距和温度等重要的被控参数目前尚不能在线检测，能在线检测的信号只有槽电压和系列电流。要获得理想的技术经济指标，关键是控制好几个主要的技术参数：物料平衡、热平衡和极距、槽况的综合分析与辅助决策。因此必须充分借助自动化技术提高管理控制水平，不断促使铝电解企业从“高能耗、大污染、劳动力密集型”的传统形象向“高效率、无污染、自动化”的现代化企业形象跨越。 3 结束语

随着计算机技术和物理理论的发展，电解铝技术也有了飞速的进步，各大铝厂开始采用先进的数学模型对电解槽的设计进行优化，使产量进一步提高、各项指标均有了很大的提升。当前，电解槽的大型化、自动化、节能化成为研究热点之一。 参考文献

[1] 康宁.电解铝生产[M].北京：冶金工业出版社，2015：202.

[2] 王玉西，张中良，夏浩.电解铝生产工艺流程改进及执行方法[J].科学与财富，2015，（3）：72-72.

[3] 李默颖.4G无线通信技术背景下油田专网建设分析[J].硅谷，2014，（3）：87-87. [4] 赵虎.论350kA电解槽的优化设计和技术改造[J].价值工程，2015，（14）：98-101. 通讯作者

杨志鸿，（1984-），陕西汉中人，讲师，主要从事有色冶金及金属新材料制备。