趙 成

（陜西美鑫產(chǎn)業(yè)投資有限公司，陜西 銅川 727000）

20世紀(jì)50年代以來，我國鋁生產(chǎn)工藝迅速發(fā)展，如今已構(gòu)建了一條較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈，為我國經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)提供了有力的鋁材支持。新時期，我國鋁產(chǎn)量已躍居全球前列，但我國電解鋁生產(chǎn)工藝仍處在相對落后的水平，電解鋁生產(chǎn)不僅會產(chǎn)生極大的能源消耗，還會對生態(tài)環(huán)境造成一定程度的破壞。因此，推進(jìn)對電解鋁生產(chǎn)工藝的優(yōu)化研究，對降低電解鋁生產(chǎn)能耗、提升電解鋁生產(chǎn)環(huán)保水平有著十分積極的意義。近年來，雖然我國相關(guān)企業(yè)不斷提高對電解鋁生產(chǎn)工藝優(yōu)化研究的重視程度，但在實踐中仍面臨諸多問題，不僅要考慮如何降低生產(chǎn)能耗，還要考慮生產(chǎn)電壓的穩(wěn)定性，以免對電解槽熱吸收、產(chǎn)品質(zhì)量等造成不利影響[1]。因此，技術(shù)人員需要對各項因素進(jìn)行綜合分析，有針對性地解決實際操作中遇到的各類問題，達(dá)到理想的優(yōu)化效果。

1 電解鋁行業(yè)現(xiàn)狀

電解鋁產(chǎn)業(yè)廣泛分布于我國內(nèi)蒙古、新疆、云南、山東等地區(qū)，在各地區(qū)電力成本差異因素的影響下，近年來，以上地區(qū)憑借自身的電力成本優(yōu)勢，電解鋁產(chǎn)能占比不斷提升，而之前的電解鋁大省河南的電解鋁產(chǎn)能逐步由國內(nèi)首位下降至第四位。受成本、資源等一系列因素的影響，電解鋁行業(yè)大多分布在西部資源相對豐富的地區(qū)，占比約63.1%。現(xiàn)階段，我國電解鋁產(chǎn)業(yè)用電來源主要為火電，占比超過80.0%，通過火電生產(chǎn)1.0 t電解鋁對應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳在11.2 t左右，由此可見，長期通過火電生產(chǎn)電解鋁，會對生態(tài)環(huán)境造成較為嚴(yán)重的破壞。

電解鋁行業(yè)作為一個高耗能行業(yè)，電力消耗尤為突出，這也是電解鋁生產(chǎn)中成本消耗最大的一環(huán)。隨著國際能源價格不斷提高，一些能源緊缺地區(qū)的電解鋁產(chǎn)業(yè)逐步退出電解鋁生產(chǎn)舞臺。面對市場競爭日趨白熱化的電解鋁行業(yè)，廣大企業(yè)希望通過優(yōu)化電解鋁生產(chǎn)工藝達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。其中，部分企業(yè)的生產(chǎn)工藝優(yōu)化效果并不顯著，難以在控制能耗的同時確保產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到要求；一些企業(yè)則在電解鋁生產(chǎn)實踐中提出通過強(qiáng)化電流應(yīng)對電壓不足的問題，然而，由于整流系統(tǒng)性能難以達(dá)到相關(guān)要求，優(yōu)化效果不盡如人意。從根本上而言，因為電壓與電流效率呈正相關(guān)，所以必須構(gòu)建電壓與電流的協(xié)調(diào)關(guān)系，這就要依托復(fù)雜的數(shù)字建模才能實現(xiàn)，難度較大。此外，還有一些企業(yè)試圖通過加大管理力度推進(jìn)對電解鋁生產(chǎn)流程的優(yōu)化整合，達(dá)到了一定的效果，但尚未實現(xiàn)根本性突破。總體而言，因為如今我國電解鋁生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝研發(fā)上投入的資金仍有限，所以電解鋁生產(chǎn)能耗優(yōu)化效果仍不夠明顯。

2 電解鋁的原理

2.1 電解鋁的原材料

電解鋁生產(chǎn)用到的原材料主要包括以下3種：（1）原料，即氧化鋁，其熔點、沸點分別為2 050、3 000 ℃，具有極佳的流動性，可溶于水晶石熔體，不溶于水；（2）熔劑，即氧化鹽，主要包括氟化鋁、氟化鎂、氟化鈉、氟化鈣、水晶石等；（3）陽極材料，也就是預(yù)焙炭塊。

2.2 電解鋁的生產(chǎn)原理

如今的電解鋁生產(chǎn)實踐仍廣泛應(yīng)用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法來制鋁，用到的生產(chǎn)設(shè)備主要為鋁電解槽，化學(xué)反應(yīng)公式可概述為：

在電解鋁生產(chǎn)實踐中，電解槽要長期處在溫度偏高，電流、磁場、腐蝕性都較強(qiáng)的生產(chǎn)環(huán)境中。在電解槽中，溶劑為處在熔融狀態(tài)下的冰晶石，溶質(zhì)為氧化鋁，陰陽極為碳素材料。將電解槽與直流電連接后，將溫度調(diào)控在合理范圍內(nèi)，在此過程中，電解槽中會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并在陰極上形成鋁液，在陽極上形成二氧化碳、一氧化碳等污染性氣體，經(jīng)由一系列處理，最終澆筑獲得鋁錠[2]。在此期間，連接直流電一方面是為了借助直流電的熱能，使水晶石轉(zhuǎn)化成熔融狀態(tài)，同時處在恒定的電解電流下；另一方面是為了促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。

需要注意的是，在電解鋁生產(chǎn)實踐中，液體電解質(zhì)是促成電解過程順利開展的一大前提。液體電解質(zhì)即冰晶石—氧化鋁均勻熔融體，冰晶石在其中的占比約為85.0%。冰晶石中包含的氟化鈉與氟化鋁物質(zhì)的量之比被稱作分子比。在電解鋁生產(chǎn)實踐中，電解質(zhì)分子比應(yīng)調(diào)控在合理范圍內(nèi)。另外，從理論層面而言，在電解鋁生產(chǎn)實踐中，冰晶石不會被消耗，但實際上，因為冰晶石中的氟化鋁會被電解液中的水分分解或者產(chǎn)生一定的揮發(fā)，同時氟化鈉受電解槽吸收、機(jī)械損耗等因素的影響，也會產(chǎn)生相應(yīng)的損耗。

2.3 電解槽的結(jié)構(gòu)

電解鋁生產(chǎn)中的電解槽主要由陽極炭塊組、碳陰極、側(cè)壁、槽殼以及導(dǎo)電母線等構(gòu)成。（1）陽極炭塊組，包括陽極炭塊、鋼爪、鋁導(dǎo)桿等部分，其中，鋁導(dǎo)桿最重要，其對陽極母線可發(fā)揮有效的固定作用。在電解槽中，陽極電流密度與電流呈負(fù)相關(guān)。為了使電解槽中生產(chǎn)出更多的鋁，需要以相對低的電耗開展生產(chǎn)。（2）碳陰極。在電解鋁生產(chǎn)實踐中，陰極作為一種容器，主要由陰極導(dǎo)電棒、碳素內(nèi)襯、邊部炭塊及底部炭塊等構(gòu)成，主要用于盛放熔融狀態(tài)下的電解液[3]。需要注意的是，應(yīng)于底部炭塊下設(shè)置耐火材料。另外，碳陰極還可用于電流傳導(dǎo)。（3）側(cè)壁。作為陽極電解槽中的重要組成部分，側(cè)壁的構(gòu)成材料與炭塊一致。在生產(chǎn)實踐中，側(cè)壁要具備可靠的絕緣性、導(dǎo)熱性，以此發(fā)揮保護(hù)層的作用。（4）槽殼以及導(dǎo)電母線。在電解鋁生產(chǎn)實踐中，電解槽的槽殼與導(dǎo)電母線呈串聯(lián)關(guān)系，連接直流電后，電流從導(dǎo)電母線傳輸至槽殼。

3 電解鋁生產(chǎn)存在的技術(shù)不足

3.1 技術(shù)水平有待提升

當(dāng)前，我國獨立開展的電解鋁生產(chǎn)技術(shù)研究仍處在發(fā)展階段，不論是相關(guān)技術(shù)條件還是實踐經(jīng)驗，均較為缺乏，在研究探索中遇到了諸多難題，加之相關(guān)科研人員對特大型鋁電解槽技術(shù)的研究還有待深入，導(dǎo)致電解鋁生產(chǎn)技術(shù)在電解鋁生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用效果仍不盡如人意，電解鋁生產(chǎn)流程、產(chǎn)品的相關(guān)指標(biāo)還難以達(dá)到行業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 工藝設(shè)備技術(shù)落后

如今，電解鋁生產(chǎn)企業(yè)對新型工藝設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用效果還有待提升，尤其是在一些電解鋁生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，對相關(guān)陰極破損原理、規(guī)律等掌握不足，難以有效延長電解槽的使用周期，導(dǎo)致電解槽難以遵照特定使用年限正常生產(chǎn)，設(shè)備損壞率過高。此外，在焙燒過程中，多見電流分布不均勻現(xiàn)象，會產(chǎn)生極大的能量消耗，導(dǎo)致運行期間電解槽物理場受到不穩(wěn)定影響，無法有效調(diào)控?zé)崞胶?，再加上電解槽電阻有著高度的敏感性，極易受到外部因素的影響，電解槽出現(xiàn)的慣性及陽極效應(yīng)難以得到有效調(diào)控。所以，一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，便會對電解鋁生產(chǎn)的有序開展造成不利影響。

3.3 電流效率不足

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷深入，近年來，鋁產(chǎn)品價格呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。在此情形下，出于對電能使用成本的考慮，越來越多電解鋁生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)實踐中廣泛采用低電壓工藝，受電解槽設(shè)計不合理、技術(shù)不完善、操作水平不足等一系列因素的影響，電解槽整體效率難以得到保證，特別是隨著電解槽使用時間的延長，爐底狀態(tài)不斷惡化，陰極大幅磨損，石墨抗沖蝕能力減弱，導(dǎo)致安全風(fēng)險不斷加大，不利于電解鋁生產(chǎn)的有序開展。

4 電解鋁生產(chǎn)工藝的優(yōu)化

4.1 開展自動化生產(chǎn)管理

如今，電解鋁生產(chǎn)實踐主要將大量電解槽串聯(lián)在一起，以建立一個生產(chǎn)系列，并基于此開展生產(chǎn)工作。受直流電流影響，電解槽中會迅速形成各種反應(yīng)，包括電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)以及物理反應(yīng)等，并在這些生產(chǎn)體系中產(chǎn)生相互聯(lián)系且富于變化的電場、磁場、溫度場、熔體流動場等物理場。由于電解槽中的高溫熔體有著突出的腐蝕性，同時難以對其濃度、溫度等相關(guān)指標(biāo)開展實時檢測，為了及時獲取有價值的數(shù)據(jù)，需要在生產(chǎn)實踐中對電解槽狀況、熱平衡、物料平衡等指標(biāo)開展有效調(diào)控。在此過程中，自動化技術(shù)可提供有力支持。換言之，在如今的信息時代背景下，企業(yè)可利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)有效提升指標(biāo)調(diào)控能力，達(dá)到節(jié)約人力成本、節(jié)能減排、減少生態(tài)污染等目的[4]?；诖?，企業(yè)需要不斷推進(jìn)自身的信息化、自動化建設(shè)，通過強(qiáng)化員工的信息化意識，培養(yǎng)員工的實踐操作能力，有效發(fā)揮信息化技術(shù)在重要指標(biāo)調(diào)控中的自動化作用，并及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中潛在的安全風(fēng)險，保障電解鋁生產(chǎn)的安全有序開展。

4.2 提高電壓電流效率

首先，平均電壓優(yōu)化。平均電壓優(yōu)化也就是對工作電壓進(jìn)行調(diào)控，讓母線電壓、分?jǐn)傠妷罕３衷谙鄬ζ偷碾妷核健Ｒ驗殡娊怃X生產(chǎn)中的整體工作電壓并非單一電壓，而是由大量不同電壓體系構(gòu)成，所以應(yīng)借助多級優(yōu)化形式對其開展降壓優(yōu)化。第一步應(yīng)調(diào)節(jié)效應(yīng)時間，同時通過加大效應(yīng)間隔，有效減小效應(yīng)系數(shù)作用。同時，電解槽結(jié)構(gòu)會受到電壓中母線電壓的影響，因此，可從接觸面壓降切入，在確保立柱母線、卡具等部分接觸面有效清潔的基礎(chǔ)上，將電壓調(diào)控至10 mV內(nèi)。此外，在平均電壓優(yōu)化過程中，鑒于整體生產(chǎn)操作受到分子比低的影響，應(yīng)選擇低分子比操作。結(jié)合電解鋁生產(chǎn)實際，第一步消除電解槽中的2.90分子比，確保電解槽穩(wěn)定后，將分子比有序調(diào)至2.85、2.80，有效提升電解鋁生產(chǎn)實踐中的電流使用效率，減少電能消耗。

其次，電流效率優(yōu)化。這一優(yōu)化過程要從指標(biāo)調(diào)節(jié)切入，依托溫槽智能調(diào)節(jié)，讓分子比與過熱度處在相對合理的區(qū)間。當(dāng)溫度偏高時，應(yīng)將分子比調(diào)至下限值水平，相反則應(yīng)保持在上限值水平。結(jié)合電解槽冷熱行程轉(zhuǎn)變規(guī)律，調(diào)節(jié)氟鹽添加量，將分子比控制在合理區(qū)間?，F(xiàn)階段，通過優(yōu)化電解工藝參數(shù)等相關(guān)技術(shù)，可將電解鋁生產(chǎn)實踐中的過熱度維持在相對偏低的數(shù)值。同時，陽極材料、氧化鋁等均可對電流效率產(chǎn)生一定影響。此外，在傳統(tǒng)生產(chǎn)實踐中，隨著電流效率的升高，鋁溶解損耗率會不斷增加，進(jìn)而降低電流效率。鑒于此，可從陽極強(qiáng)化切入，調(diào)節(jié)釘棒角度，將其控制在18～19 cm，調(diào)節(jié)外露尺寸，減少陽極壓降，達(dá)到提升電流效率的目的[5]。

4.3 應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)槽技術(shù)

相較于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)槽，新型結(jié)構(gòu)槽不論是在施工材料還是在結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，都表現(xiàn)出明顯的不同。在施工材料方面，新型結(jié)構(gòu)槽選取TiB2/C可濕潤陰極，電解槽側(cè)邊、底部選取具備良好保溫性能的材質(zhì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，在整體電解槽中構(gòu)建一個鋁液導(dǎo)流網(wǎng)絡(luò)，出鋁端構(gòu)建特定的蓄鋁池用于匯集鋁液，上部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)槽基本相同。在此基礎(chǔ)上，在焙燒期間，依托可靠的焦粒焙燒技術(shù)，保證爐膛中的溫度有序合理升高、電流分布有效均勻，使焙燒溫度滿足啟動要求。在啟動過程中，引入濕法無效應(yīng)啟動手段，下料1 h后，測得蓄鋁池出現(xiàn)鋁液，表明陰極表面濕潤性達(dá)標(biāo)，導(dǎo)流成功。在啟動過程中結(jié)合結(jié)構(gòu)槽特征，注入相應(yīng)的鋁液，確保在凸臺上方6～8 cm。在后續(xù)生產(chǎn)管理中，在相應(yīng)時間內(nèi)分不同階段對電壓進(jìn)行合理控制，同時開展好工藝參數(shù)調(diào)節(jié)工作，建立可靠的保溫型爐膛。最后還應(yīng)確保能量平衡，在保溫的基礎(chǔ)上，有效控制熱支出、熱收入。一方面，可通過調(diào)節(jié)覆蓋層成分、厚度或增強(qiáng)側(cè)部保溫等，達(dá)到減少熱支出的目的；另一方面，可通過提升電流強(qiáng)度，達(dá)到增加熱收入的目的[6]。

5 結(jié)語

為了推動我國電解鋁行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展，應(yīng)有效解決當(dāng)前電解鋁生產(chǎn)實踐中存在的技術(shù)水平偏低、工藝設(shè)備技術(shù)落后、電流效率不足等問題。在實踐中，從開展自動化生產(chǎn)管理、提升電壓電流效率、應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)槽技術(shù)等方面著手，可以切實推進(jìn)對電解鋁生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，創(chuàng)造更可觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益。