高鋰電解質對鋁電解生產的影響及改善策略

楊建平，楊 珅

(酒鋼集團東興鋁業隴西分公司，甘肅 定西 748100)

0 引 言

在電解鋁的生產過程中，鋰鹽起到至關重要的作用，鋰鹽能夠有效降低電解質的初晶溫度和電解質密度，同時能夠降低鋁的溶解度，提高導電率，促進電解質流動，并起到分離炭渣的效果。但是，鋰鹽量不斷增多，使電解生產槽溫度降低，會導致氧化鋁溶解度降低，爐底不斷地產生沉淀，造成爐膛惡化，穩定性受到破壞，使電解工藝操作難度加大，電解鋁生產技術條件難以保持。因此，在電解鋁生產過程中，必須嚴格控制電解質中的鋰鹽含量，使其保持在一定范圍內，并保持科學合理的技術條件，與鋰鹽匹配合理，為電解鋁生產安全、平穩地進行創造條件。

1 高鋰電解質對鋁電解生產的影響

1.1 高鋰電解質對電解質溫度的影響

在電解質生產過程中，氟化鋰對電解生產有較大影響，其原因在于氟化鋰的性質在電解生產中表現明顯。其中，氟化鋰能夠顯著降低電解質的初晶溫度，而初晶溫度的變化可以對電解質的流動性和揮發性產生影響，同時，也影響鋁液的分離，并對電解溫度產生決定性影響。據科學研究發現，氟化鋰如果含量為1 %，則電解質初晶溫度就降低8 ℃。現階段，電解質中氟化鋰含量普遍在1 %～6 %，由于氟化鋰含量的增加，使電解質熔點浮動過大，浮動差在40～45 ℃，導致鋁電解溫度差較大，通常在900～960 ℃，對鋁電解生產穩定影響較大。

1.2 氟化鋰對氧化鋁溶解性能的影響

據科學研究發現，在電解質中，氟化鋰含量與氧化鋁濃度呈反比關系，氟化鋰每增加1 %，氧化鋁濃度則降低3 %。在電解生產過程中，這種關系表現得更為顯著，隨著氟化鋰含量的增加，鋁電解質槽沉淀的生成更為明顯，通常情況下，氟化鋰含量增加1 %，氧化鋁濃度則降低5 %。同時，由于氟化鋰含量的遞增，電解溫度逐漸下降，對氧化鋁溶解具有較大影響，造成氧化鋁和電解質凝固沉淀，嚴重影響了鋁電解質槽的穩定性，阻礙了正常電解生產工藝的進行，增加能源消耗，降低生產效率。

1.3 氟化鋰對鋁電解質槽壽命的影響

在電解生產過程中，隨著電解質中氟化鋰含量增加，對電解質溫度和氧化鋁濃度均造成較大影響，使鋁電解質槽沉淀增加，嚴重影響了鋁電解質槽的穩定性。由于鋁電解質槽爐幫普遍較薄，在一些位置并沒有設計爐幫來保護側內襯，導致電解質溶體不斷地沖刷側內襯，一些電解質溶體與側內襯材料發生化學反應，使得側內襯縫隙內的材料發生疏松等現象，導致側內襯破損，不得不進入大修周期，對鋁電解質槽壽命造成較大影響。

該文選取某廠電解槽壽命跟蹤數據，從表1可見，該廠電解生產啟動3年后，停槽數量成直線上升，從2018年的3臺增加到2019年的18臺，2020年居高不下，達到17臺，導致電解槽年大修費用呈倍數增長，由2018年的450萬元增加到2019年的2 700萬元和2020年的2 550萬元，造成年噸鋁生產成本由2018年的11.60元增加到2019年的65.59元和2020年的65.72元。從該廠跟蹤數據可知，氟化鋰對電解槽壽命具有較大的影響。

表1 電解槽鋰鹽變化與電解槽壽命數據跟蹤(啟動時間：2015年)Tab.1 Data of lithium content and electrolyzer service time(start from 2015)

1.4 氟化鋰對電解生產管理的影響

電解生產過程中，隨著氟化鋰含量的增加，造成爐膛沉淀堆積，爐膛條件惡化，生產穩定性受到嚴重影響，施工工藝波動性較大，對電解生產管理帶來負面影響。某廠2018年上半年技術條件合格率情況，見表2。

表2 2018年(1-6月)系列技術條件合格率變化情況Tab.2 Acceptable technical conditions in 2018(Jan.-Jun.)

1.5 氟化鋰對電導性能的影響

在電解生產過程中，氟化鋰和電解質電導率呈正相關，但電解質中氟化鈣含量和分子比大小對這種關系有較大影響，而且，在電解生產時，氟化鈣和氟化鋰的交互關系可降低電導率。當氟化鈣分子比增高時，氟化鋰對電導率的影響會降低。因此，在實際生產過程中，要有效控制氟化鋰和氟化鈣的含量，經科學研究發現，氟化鈣含量在3 %～6 %時較為理想，而氟化鋰應控制在1 %～3 %，能夠最大限度地提高電導率的幅度。

1.6 氟化鋰對電流效率的影響

在氟化鋰含量遞增的情況下，鋁電解質槽氧化鋁沉淀越積越多，對電解槽工藝生產條件產生較大影響，使電流效率低下，提高了能量消耗。經科學實驗發現，隨著氟化鋰含量的增加，對鋁電解質槽的影響越大。在含量達到7 %時，電解質凝固點變低，電解質出現失衡現象。在含量達到8 %～10 %時，爐膛極端惡化，工藝條件受到嚴重影響。在含量達到3 %～5 %時，爐膛沉淀最少，電解質電流效率最好，電解質槽的工藝條件最佳，能量消耗最小。

1.7 氟化鋰對氟化鹽消耗的影響

電解質中氟化鋰含量高，可以有效降低過剩氟化鋁。據科學研究發現，1 %的氟化鋰能有減少2.1 %的過剩氟化鋁，過剩氧化鋁量減少會導致氟化鹽濃度與活度下降，揮發減少。此外，氟化鋰較高的電解質一般溫度較低，也有利于過剩氟化鋁的揮發。從以上關系可知，富鋰電解質體系電解系列氟化鹽消耗量一般較傳統電解質體系電解系列明顯低。

2 高鋰電解質在鋁電解生產過程中的改善策略

2.1 控制過熱度

在電解質中氟化鋰含量過高時，可以通過調整電解工藝技術條件來降低影響。一般情況下，調整電解工藝主要集中在熱度控制上。經過實踐研究發現，過熱度控制在8 %～15 %，可以使鋁電解質槽的能量達到平衡，爐膛內部的工藝條件良好，使電解生產電流效率得到提高，鋁電解槽維持較好的穩定性。通過實踐研究發現，電解質中的氟化鋰達到6 %時，過熱度要定期進行測量，并依據測量結果對工藝條件進行調整，以確保鋁電解質槽的正常運行。

2.2 調整電解工藝技術條件

電解生產過程中，工藝生產條件對溫度要求較低，同時電解溫度較低，而過熱度卻需要維持一定的高度，在生產過程中導致鋁電解槽內沉淀增加。為了有效避免這種不利影響的發生，可以采用上調分子比來提高初晶溫度，從而有效提高氧化鋁的溶解性能，把過熱度控制在理想的范圍內。

氧化鋰含量增加導致氧化鋁溶解能量下降，產生大量的氧化鋰沉淀。為有效應對沉淀造成的負面影響，可以定期定時對鋁電解質槽內沉淀進行測量，根據槽內沉淀情況制定應對措施。為提高鋁電解槽的穩定性，可以通過提高氟化鋰含量，從而對爐幫的形成實施影響。另外，可以通過稀釋高鋰電解質的方法，以置換富含氧化鋰的電解質。

2.3 提升工藝操作質量

可以利用多種渠道，對碳渣進行打撈，使電解質清亮度得到提升。為有效散熱，可以調整爐面整形標準，對電解質槽邊散熱帶及時進行清理，以提升槽側面散熱功能。在換極作業時，加強精細化管理，同時對槽內沉淀及時進行清理，確保鋁電解槽的穩定性，保持良好的工藝技術條件。對陽極表面進行保溫處理，可選用大塊料，以確保保溫料的結構均勻性，通過多層覆蓋，以提高保溫料的保溫效果。

2.4 利用槽大修置換電解質

當鋁電解質槽設計壽命到期或者槽內沉淀過多時，就必須停產進行大修。在實際生產過程中，一般利用鋁電解質槽大修的時機，對高鋰電解質進行全面置換，以此來改善電解質體系。在鋁電解質槽新啟動時，氟化鋰含量較低，確保了槽內的穩定性，使槽內工藝生產條件達到理想狀態，降低了生產消耗，提高了電解效率。

2.5 添加低鋰鹽氧化鋁

在電解生產過程中，可以摻入低鋰鹽氧化鋁來有效抑制氧化鋰的增長。在實際添加時發現，不同的氧化鋁廠生產的氧化鋁，鋰的質量分數不等，在實際使用過程中，需要在確定質量分數的基礎上，進行合理添加，以有效降低氧化鋰的增長速度，同時，對于有效降低槽內溫度，提高電導性能，提升氧化鋁的溶解度均具有積極的影響。

2.6 對氧化鋁下料控制系統進行升級換代

在電解生產過程中，如果電解質中氟化鋰持續增高，可以精確控制氧化鋁濃度，以避免因為溫度過低造成氧化鋁溶解不佳而產生大量沉淀，有效規避氧化鋰對槽內生產工藝條件和槽內穩定性的影響。例如，某電解鋁廠通過對氧化鋁下料控制系統進行升級換代，使控制系統對氧化鋁濃度變化及時采取有效應對措施，同時，在鋁電解質槽內安裝了打殼錘頭，確保氧化鋁溶解后能定時定量地流入電解質中，從而有效地避免了堵料的發生，使槽內工藝生產維持在穩定狀態下，確保了電解生產的順利進行。

3 結 語

綜上所述，在鋁電解生產過程中，高鋰電解質對鋁電解槽的壽命和穩定性，以及對電解質的溶解度和電流效率等，都具有重要影響。當氧化鋰含量超過3 %時，隨著含量的遞增，對電解生產的影響越大。為此，必須對過熱度進行有效控制，對電解工藝技術條件進行調整，同時，采取有效措施，提高工藝操作質量。在鋁電解槽實施大修時，進行置換電解質作業，及時對氧化鋁下料控制系統進行升級換代，并在電解生產過程中，添加適量低鋰鹽氧化鋁，有效降低槽內溫度，提高電導性能，實現鋁電解生產低溫、高效地進行。