鋁電解工藝技術優化措施及技術發展

遲國偉

（蘭州鋁業有限公司，甘肅 蘭州 730086）

自建國以來，我國鋁電解工業正隨著時間的推移而獲得迅速發展，我國也從原有的電解鋁進口國變成位于世界前列的高產大國。由于我國鋁工業產業結構有諸多不合理之處，氧化鋁供應不到位，少數企業對氧化鋁這一電解鋁的生產原料進行把控，這就使得我國電解鋁的生產面臨較大的限制。20世紀80年代以來，我國積極學習和借鑒國際超大型焙鋁電解技術，在容量鋁電解槽方面取得較為出色的成績，使得我國大容量鋁電解槽技術水平能夠與國際企業一較高下。盡管如此，我國鋁電解工藝技術還存在許多不足之處。企業需要大力發展科學技術，積極轉型，加強對鋁電解工藝技術的研究與創新，才能確保企業實現可持續發展。

1 鋁電解工藝技術優化的必要性

在現代鋁工業生產中常見的一種方法是水晶石氧化鋁融鹽電解法，其所采用的主要設備就是鋁電解槽。這一方法是將冰晶石作為電解質，碳素材料分別稱為其陰陽兩極，再通入直流電，電流會陸續通過兩極、電解質與鋁液層。為確保冰晶石熔融，確保電解溫度恒定，就要通入直流電，冰晶石在熔融的過程中會產生電化學反應，從而產生鋁液。在陰極處產生的鋁液會隨著電解工藝的開展而產生更多的鋁，將其以合理的方式吸出、運輸、鑄造，經過一系列工序之后，就會成為人們所需的商品[1]。對于生產企業而言，目前的生產技術管理比較落后，而且技術有待升級，這就需要加強對鋁電解工藝技術的優化。

2 我國鋁電解技術發展現狀

2.1 發展速度快

自20世紀70年代末，我國正式引進160KA中間下料預焙槽技術后，我國的鋁電解技術就開始正式進入到發展軌道之中。我國將鋁電解槽熱電磁力特性、磁流體數學模型作為研究的重點，尤其在工藝、材料等方面展開了非常深入、細致的研究工作。大型鋁電解槽開發和相關工程的應用在20世紀90年代開始嶄露頭角，以280、320KA為主的特大型電解槽技術可以確保我國的鋁電解技術與世界接軌。

2.2 大型鋁電解槽開發深度不足

不過，我國大型鋁電解槽的開發深度還有待提升，這樣就會導致其在實際運行的過程中的各項指標與國際依然存在較大的差距，主要是運行環境比較惡劣，負荷大，存在較大的安全隱患。鋁電聯營在發展中存在的問題比較大。大容量電解槽會產生極大的用電負荷，這些負荷將集中在同一個生產系列之上，一旦出現某些變化，就會對電網和電廠帶來影響，還會影響到供電的安全性和可靠性。我國大型電解槽通常很難達到預期的使用壽命，容易出現破損。究其原因，普遍認為是由陰極炭素材料質量不過關造成，此外，對電解槽的設計、筑爐材料與質量、生產與操作等一系列因素同樣會影響到其使用壽命。在對陰極破損的處理上，我國尚缺乏完善的技術，對于其破損的機理與規律掌握有限。隨著電解槽容量的不斷擴大，這一問題會變得更加突出[2]。

2.3 缺乏先進的生產技術

當前，我國大型預焙鋁電解槽的應用時間并不長，而且經驗不足，在焙燒啟動時還存在電流分布不均勻的問題，這樣就會導致能源消耗不斷增大。電解槽的物理場極容易出現波動，不容易維持熱平衡，電解槽的電阻值也容易受到干擾，一旦出現陽極效應，就不容易熄火。此外，電解槽具有很大的慣性，如果出現波動或者其他不正常情況，不能在很短的時間內恢復正常運轉。

3 鋁電解工藝技術優化措施

3.1 對原材料的優化

為了進一步提高鋁電解工，使其能夠在生產的過程中發揮出更加重要的作用，就要確保各項技術指標符合要求，還要加強對原材料氧化鋁質量的把控，了解氧化鋁中的雜質含量，并及時把握其物理性能。隨著鋁電解工藝規模的不斷擴大，鋁電解槽的容量也在不斷增加，采用電子計算機控制技術進行點式加料，可以有效提高生產效率。要進一步提高氧化鋁的物理性能，就要選擇合適的方法。在進行鋁電解工藝生產時，所選擇的氧化鋁通常要介于砂狀和粉狀之間。通常，要保證氧化鋁中的雜質氧化硅和氧化鐵的含量符合生產工藝的要求。確定氧化硅含量不超過0.05%，大于0.008%；確定氧化鐵含量不超過0.02%，大于0.007%，就可以說明氧化鋁完全符合要求，就可以將其品質定為一級。如果氧化硅和氧化鐵的含量不在這一區間范圍內，就應將其品質定為二級。超出規定含量的氧化鋁不能應用到鋁電解工藝生產之中[3]。

3.2 對鋁電解槽結構的優化

為了保證鋁電解工藝技術不斷發展，就要對大容量鋁電解槽的結構進行優化。鋁電解槽陽極的斷面與電流的密度有關，而且密度的高低將會直接關系到鋁電解槽的生產成本。為了減少對電能造成的浪費，一般不會選擇具有較高電流密度的陽極。

在選擇陽極和陰極的碳塊尺寸時，要確保其能夠互相匹配，結構合理，使鋁電解槽的內部保溫層厚度符合要求。大容量鋁電解槽的陽極電流密度一班不要超過0.78A/cm，同時也不能小于0.75A/cm。為了進一步保護鋁電解槽的內部保溫結構性能，需要鋪設一層耐火性良好的顆粒型材料，厚度不要超過2mm，這樣就可以達到有效的防護效果。在眾多耐火材料中需要考慮到材料的性能和價格，選擇性價比較高的材料作為耐火材料，通常會選擇泡沫混凝土制成的圈梁結構材料。也可選擇石墨化炭塊作為材料，這一材料具有較為出眾的導熱性能，其導熱率會比其他材料高出四倍，其缺點在于成本比較高。不過即使表面積比較小，也不影響石墨化炭塊正常發揮作用，這一材料可以成為爐幫結殼，使電流運行效率更高，還可以降低制作成本。因此，在鋁電解槽中，一般會選擇石墨化炭塊作為其陰極的主要材料。

3.3 延長鋁電解槽的使用壽命

為了進一步延長大型鋁電解槽的使用壽命，要積極開發大型電解槽壽命綜合技術。要提高電解槽的運轉效率，建立多物理場綜合仿真優化系統。

要結合生產過程中的相關數據，確定電解槽的內襯材料，并保證電解槽的功能得到進一步優化，同時還要遵循筑爐與焙燒啟動的工藝規程要求施展相關技術，并加強對內襯的保護。

3.4 大型鋁電解槽工藝技術優化

我國大型鋁電解槽許多工藝技術還有待進一步優化，尤其是特大槽的啟動到投入并不能完全遵循傳統經驗。盡管我國許多企業開始采用焦粒焙燒啟動技術，而且取得了一定的成效，不過依然還存在許多問題。在對大型鋁電解槽工藝技術進行優化時，需要結合物理場的仿真系統所產生的相關數據和技術，及時了解鋁電解槽從啟動到正常運行這一系列過程中的演變規律，了解鋁電解槽的運行特點，從而有效制定完善的生產工藝技術流程與規章制度。要積極改進現有的焦粒焙燒啟動工藝技術，充分結合大型鋁電解槽的特點，使這一工藝技術能夠得到進一步優化。要積極完善電解槽啟動后的一系列管理，保證電解槽能夠及時恢復正常運轉，延長電解槽的使用壽命。

根據電解槽的特性，積極開發新型工藝技術，確保電確保電機槽的能量和物料更加平衡，并采用穩定控制技術和維護技術以提高電解槽的性能[4]。積極應用先進的計算機技術優化計算過程，實現對控制系統的升級。

4 鋁電解工藝的發展方向

4.1 實現綠色環保生產

鋁電解工藝在不斷發展的過程中，要逐步邁向綠色環保生產方向，其生產條件需要滿足環保的各項要求，這就需要廣大鋁電解企業需要不斷加強對設備和技術的更新與改造。近幾年來，雖然關于鋁電解的市場需求正在不斷擴大，但現有的鋁電解工藝生產還存在許多問題，不能達到綠色環保的要求。這就需要各大企業必須要在升級技術的過程中積極將技術與環保相結合，及時淘汰落后的生產工藝技術，積極研究和開發新的工藝技術。

4.2 鋁電解直流電流供電質量的綜合技術開發

在鋁電解生產的過程中，需要高度重視供電整流系統的改進。許多鋁電解企業會采用硅二極管整流技術，這樣就無法保證瞬時恒定直流得到有效供給。

由于鋁電解中的陽極效應和供電系統會產生難以避免的電壓波動，就會導致電能消耗量不斷增加。可采用先進的智能控制，確保直流電流更加穩定，減少不必要的電能消耗。要實現綠色用電，減少諧波帶來的干擾，使供電更加安全可靠。

4.3 降低電解槽無功能耗綜合技術開發

為了進一步降低電解槽的無功能耗，就要加強對電解槽周圍和陽極母線的焊接與壓接質量進行專門的研究，積極開發新的工藝和技術，有效降低母線壓接和壓降。要加強對陽極澆注材料與工藝的研究，積極應用新型材料。在筑爐方面，要對其材料和相關工藝進行專門的研究，并通過有效的試驗了解陰極的組件是否符合要求，積極優化筑爐工藝技術。要對新型陰極炭塊、鋼棒連接手段進行開發和研究。加強對新生產工藝的研究，不斷完善大型槽技術。需要說明的是，電解槽的無功能耗問題始終是重中之重，如果不能解決這一問題，就會增加電能消耗，因此，需要不斷完善相關技術。

5 結語

綜上所述，我國鋁電解工藝技術雖然有所進步，但依然存在許多不足，廣大鋁電解企業需要積極加強對工藝技術的改造和創新，在擴大生產規模的同時，使鋁電解工藝技術能夠發揮出更加重要的作用。