鋁電解生產“4221”精準管控技術路線研究與應用

葛貴君

（內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司，內蒙古 通遼 029200）

2008年經濟危機后，國內鋁電解行業開始推行低電耗技術路線（該技術路線特點為高鋁水、高保溫料、高分子比、低電壓、低極距），到2011年被國內絕大多數鋁電解企業采用，運行至今已10年。該技術路線雖然能夠實現較低的鋁液交流電耗，但也存在生產低效運行、設備運轉率差，電解槽運行穩定性差和周期短，工人勞動量陡增和勞動強度極大等諸多弊端。對此，國內某鋁電解企業堅持以人民為中心的發展思想，遵循“生產經營長期安全穩定運行就是最大效益”的管理理念，于2016年8月組建技術創新團隊開始攻關，經過五年時間對現有300kA、350kA、400kA電解系列進行技術路線創新探索與實踐，最終形成鋁電解生產“4221”精準管控技術路線（“4221”即四低兩高兩不撈一適度，“四低”指低鋁水平、低陽極覆蓋料、低分子比、低槽溫，“兩高”指高電解質水平、高過熱度，“兩不撈”指不撈炭渣、不撈換極塊，“一適度”指適度極距）。經實踐證明，該技術路線在有效提高鋁電解生產安全性、穩定性的基礎上，實現了低能耗水平下的高電流效率生產，同時大幅降低工人勞動量和勞動強度，顯著提高設備運轉效率和生產作業質量，有效延長電解槽壽命，經濟效益和社會效益顯著，并為該企業打造智能鋁廠掃清工藝技術缺乏精準管控這一最大障礙。

本文重點介紹了該企業鋁電解生產“4221”精準管控技術路線的研究過程、理論基礎、核心要義及主要成效，為我國鋁電解行業技術創新發展提供了有益的經驗和啟示。

1 研究應用過程

1.1 第一階段：解決鋁電解生產長期穩定高效運行問題

鋁電解生產長期穩定運行是提高電流效率、延長槽壽命、減少煙氣排放的最基本前提。2016年8月起，該企業針對現有300kA、350kA、400kA電解系列生產運行中存在的槽噪壓高、工人勞動量大和勞動強度高、作業安全風險系數高等問題，通過適度提高設定電壓（見圖1）、釋放極距，電解槽穩定性明顯增強，陽極電流均勻分布，脫極、頂角明顯減少；通過撤減陽極覆蓋料，陽極鋼爪氧化腐蝕有效減少，工人勞動量和勞動強度明顯降低。

圖1 300kA、350kA、400kA電解系列平均電壓變化曲線（單位：V）

1.2 第二階段：開展鋁電解生產技術路線創新試驗驗證

2019年7月起，該企業在300kA、350kA、400kA電解系列各選取連續10臺電解槽，進行“低鋁水平”生產試驗，同時繼續撤減陽極覆蓋料，提高電解質水平（見圖2）。2019年11月起，總結“低鋁水平”生產試驗實踐經驗，在三個電解系列全面推廣應用。隨著鋁水平持續降低（見圖3），爐底干凈、爐膛規整，實現電解槽“大塊不產生，小塊自溶解”的管理狀態，工人換極作業中撈塊工作量大幅降低。經試驗驗證，該企業初步形成了鋁電解生產“212”技術路線（“212”即“兩低一高兩不撈”，“兩低”指低鋁水平、低陽極覆蓋料，“一高”指高電解質水平，“兩不撈”指不撈炭渣、不撈換極塊）。

圖2 300kA、350kA、400kA電解系列電解質水平變化曲線（單位：cm）

圖3 300kA、350kA、400kA電解系列鋁水平變化曲線（單位：cm）

1.3 第三階段：優化固化鋁電解生產技術路線創新成果

2020年3月起，該企業在總結鋁電解生產“212”技術路線良好實踐的基礎上，研究采用“分子比、槽溫低位控制”和“過熱度中高位控制”精準管控模式，深入推進技術路線創新。2021年4月，通過總結提煉，最終形成了鋁電解生產“4221”精準管控技術路線。2021年1-7月份，該企業三個電解系列通過應用鋁電解生產“4221”精準管控技術路線，電流效率達到94.5%以上（整流效率97.8%以上），鋁液交流電耗達到13100kwh/t Al以下，原鋁低鐵鋁率達到80%以上，原鋁99.85鋁率達到50%以上，并逐步邁向“四個一致”高效運行（即單一系列所有電解槽技術標準一致、運行狀態一致、經濟指標一致、槽壽命基本一致）。

2 理論基礎

2.1 低鋁水平

鋁水平高度是影響電解槽熱平衡的重要因素，其結果反應在爐膛形狀及爐底潔凈程度上。鋁水平的控制和調整是控制電解槽能量平衡的重要手段之一，對電解槽穩定運行至關重要。鋁電解生產過程中鋁水平高度保持要與其他技術條件合理匹配，應盡可能控制平穩，防止偏高或偏低。實踐證明，鋁水平偏高比偏低危害性更大[1]。如若長期保持較高鋁水平，爐底出現沉淀或結殼，引起爐膛畸形，處理起來十分困難，療程很長。

低鋁水平，能夠有效降低鋁液散熱量，改善等溫線分布，契合現代大型預焙電解槽“側部散熱型、底部保溫型”設計的基本思想。既可以避免爐膛畸形（伸腿過長、過厚，爐底沉淀多、結殼多），有效降低鋁液面上下波動，減少鋁的二次反應，改善電解槽熔體流動場，又可以在有限的電壓下，增加有效極距，提高電解槽穩定性，實現高電流效率生產。同時，較好的電解槽熱場、熔體流動場，可以使電解槽溫度均勻、陰極熱應力均衡，不易出現破損，提高陰極內襯使用周期，延長電解槽壽命。

2.2 低陽極覆蓋料

陽極覆蓋料（又稱極上保溫料）是維持電解槽熱平衡的重要因素之一，具有減小電解槽熱量散失、防止陽極氧化、降低碳鋼接觸電壓降等作用。高陽極覆蓋料厚度，可以減少電解槽上部散熱，雖有利于電解槽低電壓運行，但不利于降低電解質溫度，并且會提高陽極鋼爪溫度，使病變陽極不易被發現，極大增加陽極脫落風險，以及工人勞動量和勞動強度。此外，從能量平衡和熱平衡角度考慮，現代大型預焙電解槽隨著電流強度增大、散熱面積減少，將導致側部散熱降低和槽幫減薄，進而影響電解槽穩定性[2]。因此，經綜合考慮應在保持低陽極覆蓋料厚度，陽極覆蓋料厚度以保證陽極不氧化即可。

2.3 低分子比

分子比（又稱摩爾比）是電解質中的氟化鈉（NaF）與氟化鋁（AlF3）的分子數量的比值，分子比低有利于降低電解溫度，提高電流效率。從表1可以看出，當過量氟化鋁（AlF3）質量分數在10%以上時，電流效率可達到94.5%以上。電解槽使用較高的氟化鋁（AlF3），對提高電流效率有明顯效果。同時，隨著氟化鋁（AlF3）增加，電解質對石墨材料的濕潤角減小，有利于陽極氣體排放，提高炭渣分離效果，減少陽極極化；電解質與鋁液界面張力增加，有利于鋁從電解質中匯集，迅速降低電解質粘度，改善電解質循環性質。從表1和表2[3]可以看出，當電解質中氧化鋁和氟化鈣總量在5%-10%時，過量氟化鋁（AlF3）質量分數10%所對應的分子比為2.30。據此，該企業將分子比控制標準確定為不超過2.30。

表1 工業電解槽使用不同電解質成分和添加劑時，電解槽電流效率和其他技術經濟指標對比

表2 NaF/AlF3分子比換算表

分子比過低，會給鋁電解生產造成不利影響，進而降低電流效率。從圖4[4]可以看出，當加入氟化鋁（AlF3）的摩爾分數超過33%時，電解質溫度降低較大，電解質不穩定，生成單冰晶石NaAlF4等，揮發損失急劇增大，此時的分子比為2.03。據此，考慮到電解質溫度及電解質中其他添加劑的影響，該企業將分子比控制下限確定為2.20。

圖4 NaF-AlF3二元系相圖（Solheim and Sterten）

2.4 低槽溫

電解槽槽溫與電流效率密切相關，隨著槽溫升高，電流效率下降。根據Kvanda對10個不同系列工業電解槽的統計，槽溫降低5℃～6℃，電流效率提高1%[5]。對運行良好的電解槽，降低槽溫將使其處于冷行程，造成槽底形成大量沉淀，槽膛不規整，氧化鋁溶解速率降低，效應系數增加，極距降低，槽電壓噪聲大，鋁液面不穩定，鋁損失增加[6]。因此，要實現電解槽低槽溫穩定運行，首先要避免電解槽冷行程問題。經對鋁水平高度、極距、分子比、陽極覆蓋料厚度和鋰鉀鹽含量等因素進行綜合考慮，該企業將槽溫控制標準確定為940℃～950℃。

2.5 高過熱度

過熱度可控制電解槽側部爐幫和底部結殼的生成和熔化，電解槽炭素內襯上凝固的側部爐幫可對內襯起到保護作用，電解質通過毛細管作用可爬移到金屬鋁液的底部去溶解底部沉淀。較高的過熱度有利于電解質較快溶解氧化鋁。

國際著名鋁冶金專家豪平（Haupin）對電流效率大量數據統計分析表明，電解槽的電流效率更依賴于過熱度[7]。從圖5[7]可以看出，過熱度既保持足夠高又不損失電流效率的范圍為10℃～15℃。從圖6[8]可以看出，過熱度小，電流效率高；過熱度增加10℃，電流效率降低1.2%～1.5%。但過熱度過低，底部電解質將凝固，生成底部結殼。陽極下方的陰極區內生成底部結殼，只會增大陰極電壓降，并使鋁液中產生水平電流，后者與垂直磁場作用，將導致電解槽不穩定，增大鋁損失。

圖5 過熱度對電流效率的影響

圖6 電流效率與電解質過熱度的關系(180kA)

2.6 高電解質水平

電解質水平是槽內電解質量多少的標志，電解質水平高，則電解質量大，可使電解槽具有較大的熱穩定性，電解溫度波動小，有利于氧化鋁溶解。而隨著氧化鋁濃度自我平衡能力和調節能力的增強，可有效實現低效應系數生產，同時顯著增強供電負荷降低時電解槽抗風險能力。但電解質水平過高，將會增大槽電阻，影響原鋁質量。經實踐探索，該企業將電解質水平保持在18cm～20cm。

2.7 不撈炭渣、不撈換極塊

低分子比、低槽溫、高過熱度的技術條件下，炭渣產生量少，炭渣與電解質分離良好，火眼通暢，產生的炭渣直接在火眼和電解質表面燃燒，可實現“不撈炭渣”。

低陽極覆蓋料的覆蓋層薄，在低分子比的技術條件下，電解質形成殼面疏松易打，更換陽極時開殼掉落的結殼塊薄、小，在電解槽自我平衡和調節下，結殼塊被快速“消化”，爐底沉淀結殼實現動態平衡，可實現“不撈換極塊”。

2.8 適度極距

極距是電解槽最主要的工藝參數之一，極距大小對電流效率產生直接影響。圖7[6]是較為典型的電解槽極距與電流效率之間關系的實驗研究結果。從圖7可以看出，在較小的極距范圍內，電流效率會隨極距的增加而增加；當超過一定極距大小后，電流效率就沒有大的變化。從實驗研究和實踐證明，在極距小于4cm的情況下，電流效率很難突破92%。因此，結合該企業生產實踐，要保證電流效率達到94.5%以上，應保持極距在4.5cm以上。

圖7 電解槽的極距大小變化對電流效率的影響

3 核心要義

3.1 該技術路線中“低鋁水平”和“適度極距”是實現鋁電解生產穩定高效運行的核心

經實踐證明，“低鋁水平”可以保持電解槽爐底潔凈，使陰極導電均勻，陰極和內襯破損自然減少，實現電解槽穩定運行，極大延長電解槽壽命。“適度極距（4.5cm以上）”可以使電解槽保持低噪壓和良好火苗狀態，保持電解槽長期穩定運行，實現高電流效率生產。

3.2 該技術路線中“低陽極覆蓋料”和“低分子比”是大幅降低工人勞動量和勞動強度的核心

經實踐證明，“低陽極覆蓋料”和“低分子比（2.30以下）”可以大幅降低工人勞動量和勞動強度，把工人從繁勞中解放出來，使其工作輕松、心情愉悅，進而解決本質安全和員工流失問題。與此同時，“低陽極覆蓋料”可進一步優化電解槽熱場，形成規整爐膛，提高電流效率；“低分子比（2.30以下）”可使電解質形成的殼面疏松易打，炭渣易分離，電解質流動性好，實現高電流效率生產。

3.3 該技術路線中“高過熱度”和“低槽溫”是改善鋁電解生產工況的核心

經實踐證明，“高過熱度（10℃～15℃）”可以有效改善電解質流動性，保證打殼下料口通暢，使煙氣及時排出，有利于有組織排放管理，同時可以有效降低煙氣產生量，減少無組織排放，改善生產作業環境，確保工人職業健康。“低槽溫（940℃～950℃）”可以有效降低作業現場環境溫度，提高工人作業舒適度，同時降低設備表面溫度和設備故障率，提高設備運行安全性和可靠性。

4 主要成效

（1）鋁電解生產“4221”精準管控技術路線的研究與應用，有效解決了長期困擾該企業的“工人勞動量大和勞動強度高”問題，由于勞動量和勞動強度大幅降低、作業現場環境有效改善，使企業員工的尊嚴感、安全感和幸福感得到極大提高，充分體現了“人民至上、生命至上”的價值追求，符合以人民為中心的發展思想。

（2）鋁電解生產“4221”精準管控技術路線的研究與應用，遵循“生產經營長期安全穩定運行就是最大效益”的管理理念，通過保持鋁電解生產長期安全穩定高效運行，極大提升了工人作業安全系數，提高了生產作業質量，實現了電流效率94.5%以上（整流效率97.8%以上）、鋁液交流電耗13100kWh/t.Al以下，電解槽壽命2500天以上，經濟效益顯著。

（3）鋁電解生產“4221”精準管控技術路線的研究與應用，在保證鋁電解生產長期安全穩定高效運行的基礎上，進一步提高了有組織排放管理水平，有效降低了無組織排放，有效減少了危險廢物產生，有利于持續改善地區生態環境，符合“生態優先、綠色發展”理念，社會和環境效益顯著。

（4）鋁電解生產“4221”精準管控技術路線的研究與應用，使該企業鋁電解生產邁向“四個一致”高效運行（即單一系列所有電解槽技術標準一致、運行狀態一致、經濟指標一致、槽壽命基本一致），為其在鋁行業智能制造勢在必行的形勢下，全面打造智能鋁廠掃清了技術管理上的障礙。同時，為解決當前鋁行業高鋰、鉀含量電解質體系提供了可行性方案，具有重要的現實意義和長遠意義。

5 結語

目前，國內多數鋁電解企業片面追求極限低鋁液交流電耗這個單一指標，造成工人勞動量陡增和勞動強度持續增大，設備無法最大限度發揮效能，導致企業本質安全管理和工人流失率高、素質低的問題始終無法得到有效解決。同時，鋁電解行業主流的低電壓技術路線，存在著電流效率低（92%以下），設備故障率高、運行效率低，電解槽運行穩定性差和周期短等諸多問題。該企業鋁電解生產“4221”精準管控技術路線的研究與應用，正是在為解決上述問題、推動鋁行業技術進步和未來發展進行的有益探索與實踐，值得引起整個鋁行業思考。