遲國(guó)偉

（蘭州鋁業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730086）

自建國(guó)以來(lái)，我國(guó)鋁電解工業(yè)正隨著時(shí)間的推移而獲得迅速發(fā)展，我國(guó)也從原有的電解鋁進(jìn)口國(guó)變成位于世界前列的高產(chǎn)大國(guó)。由于我國(guó)鋁工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有諸多不合理之處，氧化鋁供應(yīng)不到位，少數(shù)企業(yè)對(duì)氧化鋁這一電解鋁的生產(chǎn)原料進(jìn)行把控，這就使得我國(guó)電解鋁的生產(chǎn)面臨較大的限制。20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)積極學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)際超大型焙鋁電解技術(shù)，在容量鋁電解槽方面取得較為出色的成績(jī)，使得我國(guó)大容量鋁電解槽技術(shù)水平能夠與國(guó)際企業(yè)一較高下。盡管如此，我國(guó)鋁電解工藝技術(shù)還存在許多不足之處。企業(yè)需要大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，積極轉(zhuǎn)型，加強(qiáng)對(duì)鋁電解工藝技術(shù)的研究與創(chuàng)新，才能確保企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 鋁電解工藝技術(shù)優(yōu)化的必要性

在現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)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(shè)備就是鋁電解槽。這一方法是將冰晶石作為電解質(zhì)，碳素材料分別稱為其陰陽(yáng)兩極，再通入直流電，電流會(huì)陸續(xù)通過(guò)兩極、電解質(zhì)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生鋁液。在陰極處產(chǎn)生的鋁液會(huì)隨著電解工藝的開展而產(chǎn)生更多的鋁，將其以合理的方式吸出、運(yùn)輸、鑄造，經(jīng)過(guò)一系列工序之后，就會(huì)成為人們所需的商品[1]。對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)而言，目前的生產(chǎn)技術(shù)管理比較落后，而且技術(shù)有待升級(jí)，這就需要加強(qiáng)對(duì)鋁電解工藝技術(shù)的優(yōu)化。

2 我國(guó)鋁電解技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展速度快

自20世紀(jì)70年代末，我國(guó)正式引進(jìn)160KA中間下料預(yù)焙槽技術(shù)后，我國(guó)的鋁電解技術(shù)就開始正式進(jìn)入到發(fā)展軌道之中。我國(guó)將鋁電解槽熱電磁力特性、磁流體數(shù)學(xué)模型作為研究的重點(diǎn)，尤其在工藝、材料等方面展開了非常深入、細(xì)致的研究工作。大型鋁電解槽開發(fā)和相關(guān)工程的應(yīng)用在20世紀(jì)90年代開始嶄露頭角，以280、320KA為主的特大型電解槽技術(shù)可以確保我國(guó)的鋁電解技術(shù)與世界接軌。

2.2 大型鋁電解槽開發(fā)深度不足

不過(guò)，我國(guó)大型鋁電解槽的開發(fā)深度還有待提升，這樣就會(huì)導(dǎo)致其在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo)與國(guó)際依然存在較大的差距，主要是運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，負(fù)荷大，存在較大的安全隱患。鋁電聯(lián)營(yíng)在發(fā)展中存在的問(wèn)題比較大。大容量電解槽會(huì)產(chǎn)生極大的用電負(fù)荷，這些負(fù)荷將集中在同一個(gè)生產(chǎn)系列之上，一旦出現(xiàn)某些變化，就會(huì)對(duì)電網(wǎng)和電廠帶來(lái)影響，還會(huì)影響到供電的安全性和可靠性。我國(guó)大型電解槽通常很難達(dá)到預(yù)期的使用壽命，容易出現(xiàn)破損。究其原因，普遍認(rèn)為是由陰極炭素材料質(zhì)量不過(guò)關(guān)造成，此外，對(duì)電解槽的設(shè)計(jì)、筑爐材料與質(zhì)量、生產(chǎn)與操作等一系列因素同樣會(huì)影響到其使用壽命。在對(duì)陰極破損的處理上，我國(guó)尚缺乏完善的技術(shù)，對(duì)于其破損的機(jī)理與規(guī)律掌握有限。隨著電解槽容量的不斷擴(kuò)大，這一問(wèn)題會(huì)變得更加突出[2]。

2.3 缺乏先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)

當(dāng)前，我國(guó)大型預(yù)焙鋁電解槽的應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng)，而且經(jīng)驗(yàn)不足，在焙燒啟動(dòng)時(shí)還存在電流分布不均勻的問(wèn)題，這樣就會(huì)導(dǎo)致能源消耗不斷增大。電解槽的物理場(chǎng)極容易出現(xiàn)波動(dòng)，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(xiàn)陽(yáng)極效應(yīng)，就不容易熄火。此外，電解槽具有很大的慣性，如果出現(xiàn)波動(dòng)或者其他不正常情況，不能在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 鋁電解工藝技術(shù)優(yōu)化措施

3.1 對(duì)原材料的優(yōu)化

為了進(jìn)一步提高鋁電解工，使其能夠在生產(chǎn)的過(guò)程中發(fā)揮出更加重要的作用，就要確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合要求，還要加強(qiáng)對(duì)原材料氧化鋁質(zhì)量的把控，了解氧化鋁中的雜質(zhì)含量，并及時(shí)把握其物理性能。隨著鋁電解工藝規(guī)模的不斷擴(kuò)大，鋁電解槽的容量也在不斷增加，采用電子計(jì)算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)式加料，可以有效提高生產(chǎn)效率。要進(jìn)一步提高氧化鋁的物理性能，就要選擇合適的方法。在進(jìn)行鋁電解工藝生產(chǎn)時(shí)，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(zhì)氧化硅和氧化鐵的含量符合生產(chǎn)工藝的要求。確定氧化硅含量不超過(guò)0.05%，大于0.008%；確定氧化鐵含量不超過(guò)0.02%，大于0.007%，就可以說(shuō)明氧化鋁完全符合要求，就可以將其品質(zhì)定為一級(jí)。如果氧化硅和氧化鐵的含量不在這一區(qū)間范圍內(nèi)，就應(yīng)將其品質(zhì)定為二級(jí)。超出規(guī)定含量的氧化鋁不能應(yīng)用到鋁電解工藝生產(chǎn)之中[3]。

3.2 對(duì)鋁電解槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

為了保證鋁電解工藝技術(shù)不斷發(fā)展，就要對(duì)大容量鋁電解槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。鋁電解槽陽(yáng)極的斷面與電流的密度有關(guān)，而且密度的高低將會(huì)直接關(guān)系到鋁電解槽的生產(chǎn)成本。為了減少對(duì)電能造成的浪費(fèi)，一般不會(huì)選擇具有較高電流密度的陽(yáng)極。

在選擇陽(yáng)極和陰極的碳?jí)K尺寸時(shí)，要確保其能夠互相匹配，結(jié)構(gòu)合理，使鋁電解槽的內(nèi)部保溫層厚度符合要求。大容量鋁電解槽的陽(yáng)極電流密度一班不要超過(guò)0.78A/cm，同時(shí)也不能小于0.75A/cm。為了進(jìn)一步保護(hù)鋁電解槽的內(nèi)部保溫結(jié)構(gòu)性能，需要鋪設(shè)一層耐火性良好的顆粒型材料，厚度不要超過(guò)2mm，這樣就可以達(dá)到有效的防護(hù)效果。在眾多耐火材料中需要考慮到材料的性能和價(jià)格，選擇性價(jià)比較高的材料作為耐火材料，通常會(huì)選擇泡沫混凝土制成的圈梁結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱率會(huì)比其他材料高出四倍，其缺點(diǎn)在于成本比較高。不過(guò)即使表面積比較小，也不影響石墨化炭塊正常發(fā)揮作用，這一材料可以成為爐幫結(jié)殼，使電流運(yùn)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(huì)選擇石墨化炭塊作為其陰極的主要材料。

3.3 延長(zhǎng)鋁電解槽的使用壽命

為了進(jìn)一步延長(zhǎng)大型鋁電解槽的使用壽命，要積極開發(fā)大型電解槽壽命綜合技術(shù)。要提高電解槽的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，建立多物理場(chǎng)綜合仿真優(yōu)化系統(tǒng)。

要結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定電解槽的內(nèi)襯材料，并保證電解槽的功能得到進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)還要遵循筑爐與焙燒啟動(dòng)的工藝規(guī)程要求施展相關(guān)技術(shù)，并加強(qiáng)對(duì)內(nèi)襯的保護(hù)。

3.4 大型鋁電解槽工藝技術(shù)優(yōu)化

我國(guó)大型鋁電解槽許多工藝技術(shù)還有待進(jìn)一步優(yōu)化，尤其是特大槽的啟動(dòng)到投入并不能完全遵循傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)。盡管我國(guó)許多企業(yè)開始采用焦粒焙燒啟動(dòng)技術(shù)，而且取得了一定的成效，不過(guò)依然還存在許多問(wèn)題。在對(duì)大型鋁電解槽工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要結(jié)合物理場(chǎng)的仿真系統(tǒng)所產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)和技術(shù)，及時(shí)了解鋁電解槽從啟動(dòng)到正常運(yùn)行這一系列過(guò)程中的演變規(guī)律，了解鋁電解槽的運(yùn)行特點(diǎn)，從而有效制定完善的生產(chǎn)工藝技術(shù)流程與規(guī)章制度。要積極改進(jìn)現(xiàn)有的焦粒焙燒啟動(dòng)工藝技術(shù)，充分結(jié)合大型鋁電解槽的特點(diǎn)，使這一工藝技術(shù)能夠得到進(jìn)一步優(yōu)化。要積極完善電解槽啟動(dòng)后的一系列管理，保證電解槽能夠及時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)電解槽的使用壽命。

根據(jù)電解槽的特性，積極開發(fā)新型工藝技術(shù)，確保電確保電機(jī)槽的能量和物料更加平衡，并采用穩(wěn)定控制技術(shù)和維護(hù)技術(shù)以提高電解槽的性能[4]。積極應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)化計(jì)算過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的升級(jí)。

4 鋁電解工藝的發(fā)展方向

4.1 實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保生產(chǎn)

鋁電解工藝在不斷發(fā)展的過(guò)程中，要逐步邁向綠色環(huán)保生產(chǎn)方向，其生產(chǎn)條件需要滿足環(huán)保的各項(xiàng)要求，這就需要廣大鋁電解企業(yè)需要不斷加強(qiáng)對(duì)設(shè)備和技術(shù)的更新與改造。近幾年來(lái)，雖然關(guān)于鋁電解的市場(chǎng)需求正在不斷擴(kuò)大，但現(xiàn)有的鋁電解工藝生產(chǎn)還存在許多問(wèn)題，不能達(dá)到綠色環(huán)保的要求。這就需要各大企業(yè)必須要在升級(jí)技術(shù)的過(guò)程中積極將技術(shù)與環(huán)保相結(jié)合，及時(shí)淘汰落后的生產(chǎn)工藝技術(shù)，積極研究和開發(fā)新的工藝技術(shù)。

4.2 鋁電解直流電流供電質(zhì)量的綜合技術(shù)開發(fā)

在鋁電解生產(chǎn)的過(guò)程中，需要高度重視供電整流系統(tǒng)的改進(jìn)。許多鋁電解企業(yè)會(huì)采用硅二極管整流技術(shù)，這樣就無(wú)法保證瞬時(shí)恒定直流得到有效供給。

由于鋁電解中的陽(yáng)極效應(yīng)和供電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生難以避免的電壓波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致電能消耗量不斷增加?？刹捎孟冗M(jìn)的智能控制，確保直流電流更加穩(wěn)定，減少不必要的電能消耗。要實(shí)現(xiàn)綠色用電，減少諧波帶來(lái)的干擾，使供電更加安全可靠。

4.3 降低電解槽無(wú)功能耗綜合技術(shù)開發(fā)

為了進(jìn)一步降低電解槽的無(wú)功能耗，就要加強(qiáng)對(duì)電解槽周圍和陽(yáng)極母線的焊接與壓接質(zhì)量進(jìn)行專門的研究，積極開發(fā)新的工藝和技術(shù)，有效降低母線壓接和壓降。要加強(qiáng)對(duì)陽(yáng)極澆注材料與工藝的研究，積極應(yīng)用新型材料。在筑爐方面，要對(duì)其材料和相關(guān)工藝進(jìn)行專門的研究，并通過(guò)有效的試驗(yàn)了解陰極的組件是否符合要求，積極優(yōu)化筑爐工藝技術(shù)。要對(duì)新型陰極炭塊、鋼棒連接手段進(jìn)行開發(fā)和研究。加強(qiáng)對(duì)新生產(chǎn)工藝的研究，不斷完善大型槽技術(shù)。需要說(shuō)明的是，電解槽的無(wú)功能耗問(wèn)題始終是重中之重，如果不能解決這一問(wèn)題，就會(huì)增加電能消耗，因此，需要不斷完善相關(guān)技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)鋁電解工藝技術(shù)雖然有所進(jìn)步，但依然存在許多不足，廣大鋁電解企業(yè)需要積極加強(qiáng)對(duì)工藝技術(shù)的改造和創(chuàng)新，在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的同時(shí)，使鋁電解工藝技術(shù)能夠發(fā)揮出更加重要的作用。