浅谈影响电解铝电流效率的因素及影响程度

浅谈影响电解铝电流效率的因素及影响程度

刘立明

中国铝业青海分公司青海西宁810100

摘要：电解过程反应机理复杂。影响因素很多，参照上述分析，同时结合我厂生产的实际经验，在保持较高电流密度、低氧化铝浓度、适中的电解温度及适当偏高的铝水平的条件下，可以有效的提高电流效率。针对铝电解槽的物理场仿真和优化技术逐步精确，开发大容量槽、低电压技术是当今铝电解工业的发展趋势。

关键词：电解铝；电流效率；影响程度；

降低电解槽电耗的一个重要研究课题方向就是改善铝电流效率，电流效率和槽电压能够直接影响吨铝直流电耗，吨铝直流电耗数值高低标志着电解槽是否运行良好。

一、概述

电流效率是电解铝生产过程中的一项非常重要的技术经济指标，它在一定程度上反映着电解铝生产的技术和管理水平。一定的生产条件下，电流效率的高低取决于实际产铝量。因为在电解过程中。一方面金属铝在阴极析出，另一方面又以各种原因损失掉，所以电流效率总是不能达到100％，即实际铝产量总是要比理论铝产量低。目前，国内先进铝电解技术的电流效率一般可达92％～94％，而国外的电流效率已高达95％。因此，加强铝电解工艺技术的研究，优化生产技术条件，减少铝的损失，是提高电流效率与经济效益的根本途径。在实际电解铝生产过程中，槽内部的阴极析出金属铝和由于各种原因所导致铝损失掉一部分是时刻同时发生，实际上产出的铝量总会低于理论量，故电流效率总是低于100%。通过淘汰老旧技术、引进新技术，可减小铝的额外损失，能够有效提升电解的电流效率。通过研究分析发现，有多种因素会影响铝电解槽电流效率，如氧化铝浓度、温度、电解质水平、极距、阴极电流密度、炉底压降、电解焙烧等。

二、影响电解铝电流效率的因素及影响程度

1.影响电解铝电流效率的因素。一是电解槽工作电压的高低可以通过极距的高低来定性确定，虽然在一定的极距范围内，电解槽电流效率和极距成正比，但当极距超过一定值后，因极距增加而产生的焦耳热量将明显增加，电解温度提升，粘度也明显变小，加快了对流循环，促使铝的二次返溶增大，故电流效率几乎不再提高，电流效率随极距的增加变化不显著。经研究发现，极距的小幅变化就会引起槽电压较大变化，例如在大型预焙槽上，每缩短极距0.01m，大约可以降低电压达0.30~0.33V，电压降几乎占整个槽电压的1/3，低极距的节能潜力巨大，其他工艺技术条件（如：槽膛内形规整、两极状况良好、电解质水平和铝水平合理匹配）处于较为理想状态时，铝电解槽保持适当的低极距可以有效提高电流效率。极距过大，导致增高槽电压、增加电耗，增加热量，槽子转热而诱导病槽出现等，造成铝液波动；极距过小会引起局部短路，严重地拉低了电流效率。当前铝电解用极距一般为4.2~4.5cm。二是电解槽中盛装有铝液和电解质等成分，因各自成分具有不同的密度而导致出现溶液分层现象，各液层的厚度代表了其相应的水平。合理的铝液高度是电解槽获得好的技术经济指标必不可少的技术条件，工作中电解质水平经常维持在20~25cm，大型预溶槽的铝水平一般维持在18~20cm。电解槽稳定性和散热性也受铝水平的影响，铝水平会减小热损失，降低增强铝液的波动，提高槽内水平电流分量，电解槽的稳定性易被破坏，但炉底沉淀不易生成，因此保持铝水平的合理稳定是非常必要的。维持一定的铝水平、电解质水平的作用是：①形成了一层良好的散热通道，利用此散热通道，多余热量会被快速传到阳极四周，从而均衡了槽内各处的温度。②阴极炭块上不会因此放电析出铝离子，阻止了大量的碳化铝的产生，减小了炉底压降。③适当厚度的铝液层相当于一层缓冲层和保温层作用，可保证炉底温度不因骤热骤冷而致早期破损。④磁场作用可被适当厚度的铝液层大量削弱。⑤直接在炭块上放电析出会破坏炭块，铝水平、电解质水平阻止了放电，保护了炉底炭块。⑥维持一定量的铝液水平，磁场中的水平电流被减弱，减弱了铝液循环频率，使铝液不剧烈滚动。⑦炉底上的高低不平，铝液层可填充填平，有利于均匀炉底电流分布。⑧铝液的高度会影响伸腿的高度。因此，根据电解槽槽龄和电解工艺的技术条件保持电解槽内合理的铝液高度可有效提升电流效率，促进生产。

2.主要影响程度分析。电解槽的过热度、电解温度均可对电流效率产生严重影响，铝在电解质中的溶解度及溶解后的铝溶液的扩散速度均受温度影响，低温可以降低扩散到阳极氧化区的速度，减少电流效率的损失。①将会减小铝在电解槽中的溶解度，亦即减小。②会增大熔体的粘度，减小电解质的循环速度，导致扩散层的厚度变大。③扩散系数也减小。因此，降低电解槽中的电解温度后值减小，意味着减弱了铝的二次反应，减小了铝的损失，提升了电流效率。当电解槽运行稳定时，尽可能的维持较低的电解温度，一般可以获得最好的电流效率，有研究表明：电解时每降低10℃，将提高电流效率达1%~5%。电解质的初晶温度决定了电解温度的大小，并且要确保电解过程能够顺利进行，电解质初晶温度与电解温度差值即为过热度，一般至少为5℃，否则就会导致电解质粘度和密度增大，电解质浓缩、氧化铝溶解度降低、导电率下降。这时会使电解槽内产生大量沉淀、槽底电压降增加。有可能会混淆铝液和电解质熔体相，加剧铝的溶解氧化损失，使电流效率急剧下降。因此，向电解槽内添加适量氟化锉、氟化镁，改善电解质的组成，均可降低电解质的初晶温度，进而维持电解槽在低温状态运行。

三、处理措施

1.通过改造阴极结构来降低水平电流。（1）变截面钢棒技术。变截面钢棒技术是对阴极钢棒进行改造，达到减小电解槽的水平电流，降低电解槽的垂直磁场，最终达到减小铝水波浪，降低电压、节能的目的。其变截面阴极钢棒结构。进行阴极组装后，对该结构的铝液体层水平电流进行计算，水平电流平均值相对于传统阴极结构下减少了70%以上。（2）阴极钢棒组装斜扎技术。阴极钢棒组装斜扎技术在导流槽研究的基础上，在阴极钢棒组装时，留有一段斜面不扎，用绝缘材料进行填充，达到降低电解槽的水平电流，抑制电解槽的垂直磁场，减小铝液波动。其水平电流分布。进行阴极组装后，对该结构的铝液体层水平电流进行计算，水平电流平均值相对于传统阴极结构下减少了60%以上。

2.提高电解槽筑炉技术和焙烧启动技术，降低电解槽早期破损几率。通过提高筑炉材料质量、提高筑炉质量；制定科学合理的焙烧启动制度，并做好过程管理，降低电解槽早期破损几率。

3.加强电解槽生产工艺技术条件管理。优化工艺技术条件、加强电解槽的管理等措施，保持槽况的稳定；避免冷槽、热槽、破损槽的产生。优化计算机控制程序，保持合理的氧化铝浓度、合理的过热度，减少电解槽的波动，减少二次反应，降低水平电流的产生。

电解铝过程机理复杂，影响因素多，但随着铝电解工艺技术研究的深入及过程控制、操作管理水平的提高。在保持较高电流密度、低氧化铝浓度、适中的电解温度、适中的电解质分子比及适当偏高的铝水平等生产技术条件下，可以通过强化电流等措施有效提高电流效率及电解槽的单位面积产能，同时有效降低电力、阳极、氟化盐等消耗，提高铝电解企业的经济效益与竞争力。

参考文献：

[1]黄海波，邱仕麟.富锂氧化铝对铝电解生产的影响[J].轻金属，2017

[2]王永良等.铝液界面波动对铝电解槽阳极电流及槽电压影响的仿真研究[J].轻金属，2017