低溫鋁電解、鋁電解工藝與控制技術的研究

周 亮

（西部水電有限公司，青海 西寧810000）

鋁是一種常見的自然資源，自然界中分布廣泛，在諸多金屬元素中，鋁為首位。以往的鋁金屬是基于化學法制曲，最初是基于霍爾-埃魯法來制曲鋁，從1886 年誕生以來，成為近百年工業煉鋁的唯一方法。但是，隨著社會對鋁資源需求度不斷提升，此種制鋁方法的缺陷逐漸暴露出來，開始尋求更加前沿的低溫鋁電解工藝，力求在提升制鋁效率同時，減少能源損耗和環境污染，賦予鋁生產企業持久發展動力。

1 鋁電解生產工藝流程

1.1 鋁電解生產工藝流程

鋁電解工藝生產中，結合現有市場上企業的生產工藝來看，主要是以冰晶石-氧化鋁融鹽電解法，基于鋁電解槽實現，將炭素材料作為兩級，冰晶石-氧化鋁熔體充當電解質，從陽極將強大直流電導入，基于電解質和鋁液層導出陰極[1]。直流電導入其中，其目的是為了基于電流熱能促進冰晶石熔化，維持恒定電解溫度。同時，實現電化學反應，從陰極上將鋁離子中的電子析出，獲取鋁液，陽極上陽離子放電生成混合氣體，包括一氧化碳和二氧化碳，并借助集氣凈化吸收來排入空氣中。陰極上獲取液態鋁，伴隨著電解過程逐步增加鋁量，在電解槽中使用真空抬包吸出，運輸到鑄造車間，通過配料、凈化和過濾等環節最終制取鋁錠。工業電解槽中，95%的冰晶石和2%～5%氧化鋁構成了電解質，電解溫度控制在940℃～970℃范圍內，同時將電解質密度控制2.1g/cm3，鋁液密度則是2.3g/cm3，由于密度差異出現了上下分層情況。

1.2 低溫鋁電解工藝概述

相較于傳統的鋁電解工藝，低溫鋁電解工藝是一種控制電解生產溫度在800℃～900℃范圍內的電解工藝，是過熱度和初晶溫度的綜合。在具體電解生產中，為了降低電解質溫度，所選擇的方法有降低電解質初晶溫度，以及降低過熱度。鋁熔點為650℃，電解質溫度達到700 即可實現電解。此種低溫鋁電解工藝優勢鮮明，可以大大提升電解中電流效率，將電解質溫度控制在特定范圍內，可以起到節能降耗作用。而實現這一目標，則需要注重電解鋁材料的選用，以氧化鋁為主，此種材料成本低、吸水能力強，便于運輸和保存，值得推廣應用。

2 低溫鋁電解工藝

2.1 氧化鋁超濃相輸送控制技術

此項技術在實際應用中，電解煙氣凈化媳婦煙氣后，載氟氧化氯基于氣力輸送方式輸送到電解槽料倉，其中包括打料罐、壓力緩沖罐、下料溜槽風機、輸送管路和各個閥門等多部分。濃相輸送系統運行的外部條件，有壓力罐、壓縮空氣和輸送管路等，基于系統各閥門有效控制，將新鮮氧化鋁輸入到新鮮氧化鋁倉，這個過程中要調整好固氣比例[2]。

氧化鋁超濃相輸送控制技術智能化水平較高，輸送過程分為三個階段智能控制：①充料環節。將新鮮氧化鋁送入打料罐中，控制充料閥、排空閥、下料風機和下料閥。②加壓環節。加壓過程中，打料罐中充滿新鮮氧化鋁，對罐內加壓處理，為輸送提供支持，可以提升輸送效率。③輸送環節。輸送新鮮氧化鋁到氧化鋁倉，控制輸送閥、壓力平衡閥、助吹閥和物料出口閥。

氧化鋁濃度模糊控制，基于氧化鋁濃度和槽電阻關系曲線上實現，由于低溫鋁電解工藝特性，選擇自適應加料模糊控制方式，將濃度較低一側率電阻曲線為標準濃度值，基于關系曲線了解低氧化鋁濃度區很少會出現沉淀，隨著槽電阻曲線斜率增加，便于計算機實時監測控制。此種控制方式，基于槽電阻升降過程中斜率變化情況，用于判斷氧化鋁濃度，以此為依據控制周期轉換。氧化鋁濃度較低，電壓升高后進入增量加料周期，電壓下降同時，逐步進入到正常的加料周期電壓維持不變；減量周期，氧化鋁濃度下降，促使電解槽依據加料周期維持氧化鋁濃度在合理范圍內，實現電解槽有效控制。

2.2 電解質優化技術

低溫鋁電解中，需要選擇多種原材料，包括非傳統低溫電解和傳統低溫電解兩種，前者非氧化鋁作為原料進行低溫鋁電解生產，后者則是氧化鋁為原料進行低溫鋁電解生產。結合現代鋁生產工藝相關要求，在滿足鋁生產需求的前提下，盡可能提升電流效率、減少能耗，而使用低溫鋁電解工藝，可以大大提升電流效率。低溫鋁電解工藝主要是講氧化鋁作為原料，不同狀態下進一步細化電解質，包括輕電解質、懸浮氧化鋁電解質以及重電解質，通過降低電解質溫度來滿足低溫鋁電解生產需要，而實現這一目標則是基于低熔點電解質。

氧化鋁作為原材料，淘汰鋁鹽材料，具有不容易吸水、便于存儲和運輸的優勢，通過改變電解質構成來優化鋁電解槽結構，通過電解產生二氧化碳和氧氣，更符合節能降耗相關要求，對于社會可持續發展意義深遠。結合低溫鋁電解實驗相關要求，多是在冰晶石體系中進行，熔體構成包括AlF3、NaAlF6以及Al2O3，并加入一定量的LiF 和CaF2等添加劑，滿足生產工藝需求[3]。

低溫鋁電解生產中，提升電流效率是一個主要目標，所以所選擇的摩爾比值應盡可能在高電流效率區，摩爾比值為2.32 時電流效率處于較高水平，可以在生產中選用。需要注意的是，電流效率和電解溫度之間聯系密切，隨著電解溫度下降，電流效率反向增加，在相應范圍內隨著電解溫度降低10 度，會增加電流效率1%到2%左右，在達到一定值后變化逐漸趨于穩定。電解溫度不斷下降，電解質年度增加會降低電導率，在電解槽中有大量沉淀存在，阻礙電解槽生產活動。鋁工業生產中，應選擇鋁電解工藝的點解溫度在910℃～930℃范圍內，降低電解質初晶溫度，滿足低溫鋁電解工藝生產需要。

3 低溫鋁電解工藝的控制技術

一般情況下，使用低溫鋁電解工藝，應契合實際情況選擇合適的控制技術。九區控制技術，是結合初晶溫度、電解槽電解溫度和過熱度測量數據，在平面上將電解槽的九種狀態劃分為九個區域，其中5 區的電解質各項指標均為理想值。九區控制技術包含控制程序與儀表測量系統構成，其中儀表測量系統，是用于對電解質過程各項指標檢測，結合實驗結果來設置九區控制模型[4]。

結合電解溫度/過熱度測量，確定電解操作屬于哪一個區，為各個區設置專門的診斷程序，調整槽電壓，促使電解操作朝著第五區運動。其目標是為了盡可能的接近或到達第五區，使用計算機設置相應程序輔助控制，通過收集和分析冰晶石多功能分析儀表測量數據，計算槽電壓調整量，便于清晰、直觀的了解到電解槽運行狀態。

控制過熱度指標，本質上是物質平衡控制，第五區為中心區域，也是電解槽最佳區域，而第一、第四和第七區則是低溫區，需要相關人員對電解槽及時檢修和排查，促使電解槽盡快進入到第五區；第三、第六和第九區是高溫區，要求對電解槽及時排查，促使電解槽盡快脫離高溫區進入第五區。

因此，結合電解槽電壓升降同初晶溫度、電解溫度、過熱度之間關系，控制電解槽熱平衡，并基于增減適量的電解槽氟鹽量，用于電解槽電解質成分調整。實行主要控制方式，調整槽電壓，過熱度條件允許情況下，適當的升降槽電壓，設定電壓升降限度，實現低溫鋁電解工藝生產全過程的有效控制，提升生產效率和質量。

4 結論

總的說來，低溫鋁電解工藝作為一種低能耗、高效率的工藝，相較于常規工藝，對鋁生產流程優化改進，可以有效提升生產效率，減少鋁生產過程中的能源損耗和環境污染，在保障生產全過程安全的前提下，助力人類社會可持續發展。