基于數據分析的復雜鋁電解質體系工藝優化研究

曹國強

（中國鋁業股份有限公司連城分公司，甘肅 永登 730335）

在我國的復雜鋁電解質體系工藝中，通常使用氧化鋁作為原料，但氧化鋁中存在大量的氧化鋰，在氧化鋁融鹽鋁電解中，往往會導致氧化鋁在下沉過程中出現將氧化鋰一并帶入進去電解質體系的情況，并且與其發生反應，導致氟化鋰的生成[1]。在我國的復雜鋁電解質體系工藝中，由于我國多是鋁鋰共生礦，因此高鋰鹽氧化鋁是占據我國主要的復雜鋁電解質體系工藝的主要原料，氧化鋁的平均氧化鋰含量達到了0.3%，使得氧化鋁原材料中的鋰鹽濃度不能穩定控制，造成鋁電解質體系非常復雜的情況。因此，本文基于數據分析，提出了復雜鋁電解質體系工藝的優化，通過分析國內不同鋁電解企業的電解體系情況以及其生產工藝的參數控制以及技術指標等完成對復雜鋁電解質體系工藝的優化[1]。

1 對于鋁電解質體系以及工藝參數和生產指標技術的數據分析

1.1 鋁電解質體系分析

我國的鋁電解體系共分為三個片區，分別為中部片區、西北片區以及西南片區，這三個片區中共存在11個鋁電解生產系列電解質體系復雜的情況，對于氟化鋰的含量具有明顯的區域特征。中部片區的氟化鋰含量最高，平均氟化鋰濃度達到了6%，最高濃度達到了9%，遠遠超過了最佳濃度，這也使得鋁電解質的工藝調整控制與生產運行方面造成了極大的困難，西北片區相比于中部片區情況會較好一些，但也達到了平均濃度5%，但是西南片區則達到了最佳濃度，在1.5%左右。

表1 三個片區11個電解生產中氟化鋰含量對比

1.2 工藝參數

在對鋁電解質體系分析中的11個存在電解質體系復雜情況的鋁電解生產系列中，對槽電壓、電解質溫度、各槽電流效率、氟化鋰、氟化鎂、分子比、氧化鋁濃度等工藝參數提供理論數據，如下表所示。

表2 11個電解質體系工藝參數

鋁電解槽電壓從低到高為80KA～400KA，測定體系中電解質溫度需要控制在920℃～930℃之間，電流效率在90%～91%，氟化鋰、氟化鎂含量控制在1%～4%，電解質分子在4%以內，氧化鋁濃度控制在1.5%～2.5%之間，在以上工藝參數范圍內鋁電解生產效果較好。

1.3 復雜鋁電解質體系對生產的影響

復雜鋁電解質生產過程中添加鋰鹽，確保電解生產降低能耗，鋰鹽富集作用使鋁電解質體系中形成的氟化鋰速度大幅度提高，由上文可知氟化鋰最佳濃度控制在1.5%～2%，氟化鋰濃度過高導致了電解質的初始晶體溫度降低，進而導致溶解氧化鋁的能力下降，在對高鋰鹽氧化鋁長期使用時，由于存在富集作用，使得鋁電解質體系中的氟化鋰濃度極度提高，濃度高達4%，電解質出晶溫度對鋁電解過程中氟化鋰濃度影響如下圖所示，由于在氟化鋰濃度過高時會出現初始晶體溫度降低的情況，因此，為防止初始晶體溫度降低而導致得氧化鋁無法溶解，進而造成電解槽爐底堆積大量沉淀，使得生產技術工藝難度大幅度增加，影響了電解槽得運行穩定性。鋁電解過程中常出現鋁二次氧化反應，這一過程較為復雜，會引起電槽發生漏電、局部短路，造成一部分電流效率的損失，因此，為了避免電解槽運行不穩定所導致的電流效率降低和電能損耗過大，嚴格控制鋁電解過程中二次氧化反應出現。

圖1 電解質出晶溫度對鋁電解過程中氟化鋰濃度影響

2 優化工藝參數的確定

突出基于數據分析，但此處缺數據支持通過對于三個片區的1個鋁電解系列進行分析，發現其中通過鋁電解體系對于其工藝參數控制以及生產技術方案的分析，可得出，對于鋁電解質體系的控制工藝，總體水平差距不大，但氧化鋁消耗量較大，氧化鋁反應消耗速率可以由以下公式表示：

按照92%計算，為系列電流，得到氧化鋁反應消耗速率為3.93kg/min

為了實現本文所提出的高效低能的目標，綜合所有因素，最后決定采用鋁電解質的工藝方式參數作為在正常實際生產中的參考指數指標，由表2可得出，對于鋁電解質體系的氟化鋰含量的控制程度，可控制在最佳濃度之間，且可以取得理想的生產技術指標。但若氟化鋰的含量過高或過低，則不能很好的優化工藝參數，但在特定情況下，還是可以取得理想的生產指標的。

3 工藝優化方式

對于復雜鋁電解質中低鋰鹽鋁電解質體系的工藝優化

低鋰鹽鋁電解質體系的工藝中，主要目的是增強其導電性能與電流的使用效率，以此降低對于電解質能源的損耗，達成理想得生產技術指標，并通過在實際生產中的經驗，可以使用添加鋰鹽的方式來提高氟化鋰在鋁電解質體系中的含量，使之滿足其濃度處于最適濃度區間內，使用高鋰鹽含量電解質體系，電解生產槽溫度降低，氧化鋁溶解達到可控制濃度，如下表所示。

表3 添加不同濃度鋰鹽對氟化鋰、氧化鋁濃度影響

本文提出采用置換方法，將一定比例的低鋰鹽氧化鋁加入高鋰鹽鋁電解質體系生產系列，以此可以有效的緩解氟化鋰所導致的富集作用，但隨著鋁電解槽使用時間越來越長，氟化鋰所累積的濃度會越來越高，調控氟化鋰濃度。

本文對于三個片區的11個鋁電解質體系進行了控制工藝參數與生產技術指標的數據分析，得出了控制氟化鋰濃度的最佳方式，并且對于如何控制氟化鋰濃度給予了方法，以直流電能損耗增加并且其他參數不變的情況下，綜合各種因素，實現了鋁電解加工高效能低能耗的目標，對其的控制參數可以作為在實際生產中的高鋰鹽鋁電解體系的重要參考指標。

4 結論

根據以上研究，本文得出如下結論。

（1）對于本文研究的復雜鋁電解質體系工藝來說，氟化鋰的含量對于鋁電解的工藝選擇以及生產技術的選擇都是重要的影響因素之一，只有將氟化鋰的濃度控制在最佳濃度區間，才可以使得生產效果提升并且降低電能的損耗，因此，氟化鋰的濃度參數時在實際生產中最為重要的指標參數。

（2）在對復雜鋁電解質生產工藝改進中，本文提出了添加鋰鹽方法來調節氟化鋰在鋁電解質體系中的含量。在對于高鋰鹽濃度的鋁電解質體系中，本文提出了將置換思想運用于其中，將一定量的低鋰鹽濃度的鋁電解質加入其中，使得氟化鋰濃度得以降低，達到了控制氟化鋰濃度的目的，實現高效能低耗能的目標。