鋁電解生產技術(production technology in aluminium electrolysis)

鋁電解生產過程中電解槽的焙燒、啟動和常規生產的總稱。鋁電解生產技術的運作關系到電解槽壽命(正常生產階段約為3～5a)，并直接影響到電解槽的鋁產量、鋁質量和電耗等重要指標?，F代化的鋁電解廠都采用計算機進行監控。

鋁電解槽焙燒對電解槽焙燒的基本要求是：(1)緩慢地加熱碳陰極，使之逐漸達到操作溫度(1223～1253K)，避免在碳陰極中產生熱應力；(2)均勻加熱碳陰極工作表面，以盡量減少表面溫度梯度，避免產生表面熱應力；(3)以適當速度焦化瀝青粘結劑，使之具有良好的粘結性能；(4)對自焙陽極電解槽還要逐漸地焙燒陽極糊，使之形成完整而具有足夠高度的固體陽極，即所謂陽極錐體。

焙燒方法分為鋁液焙燒法、碳粒焙燒法和燃料焙燒法。究竟采用何種焙燒方法，應視電解槽型式和容量而定。

鋁液焙燒法 此法適用于預焙陽極槽和陽極已燒好的自焙陽極槽(大修后的和在槽外已燒好陽極的)。焙燒前，將陽極放置在距陰極表面約2cm高處。在槽膛四周首先加氟化鈣和一定量的新冰晶石，然后添加固體電解質塊和曹達或氟化鈉，最后將新冰晶石撒滿槽膛，如果是預焙陽極槽則覆蓋到陽極表面上。焙燒時先灌入鋁液，然后通入全額電流。大型預焙陽極槽焙燒時間約7～8d，自焙陽極槽焙燒時間約2～3d。

碳粒焙燒法 此法適用于新建鋁電解廠。在碳陰極表面上鋪一層碳粒和碳粉，然后將陽極座落到碳粒及碳粉上，在陽極四周裝入原材料，然后通電焙燒。通電時要逐漸加大電流，最后達到全額電流。如果通入電流增加太快，則易產生碳陰極局部過熱，影響槽壽命。要特別注意的是，裝入的碳粒和碳粉質量、粒度、厚度必須相同，否則會引起電流分布不均，碳陽極表面溫度梯度增大，嚴重影響槽壽命。焙燒時間通常為4～5d。

燃料焙燒法 此法適用于現代化大型預焙陽極槽。燃料焙燒裝置包括燃料供應系統(空氣和燃料管道)和溫度控制系統(熱電偶和保溫罩)。噴嘴可噴油或噴煤氣。

先不將陽極放入電解槽膛內，燃燒的火焰直接噴到碳陰極表面上。根據溫度上升進度和碳陰極表面溫度情況，及時控制燃料噴入量和調整噴嘴位置及數量。達到操作溫度后，快速取下燃料焙燒裝置，將陽極放到槽底并裝入原材料，結束焙燒。焙燒時間約為10d。

鋁電解槽啟動在焙燒終了后灌入并熔化電解質開始電解，直至電解生產轉入正常的操作。時間需要45～90d。一般分為啟動前期和啟動后期兩階段。

啟動前期 主要是熔化電解質，有兩種啟動操作方法，一種是先灌入鋁液，隨后熔化電解質，鋁液焙燒的電解槽適用此法；另一種是先熔化電解質并開始電解，隨后增補入鋁液，碳粒焙燒法適用此種啟動。

啟動時快速大量地向電解槽內灌入液體電解質，隨著電解質的灌入，逐漸地提升陽極，使槽電壓達到30～50V，并發生陽極效應。利用陽極效應期間產生的大量熱能，熔化電解槽中固體電解質塊和冰晶石等。當固體物料經40～60min熔化后，電解質水平達到35～40cm，溫度達到1273K左右時，便可加入少量氟化鋁，熄滅陽極效應。此時槽電壓約為7～8V。也可采用無陽極效應啟動法。隨著電解質的灌入，緩慢地提升陽極，避免發生陽極效應，最高電壓可達7V左右。槽內固體物料經過2～3d熔化完后，電解質水平達到35～40cm、溫度達到1273K左右即可結束啟動。

啟動后期 電解槽內逐漸建立起能量平衡和物料平衡。啟動后期主要特征是：(1)啟動后電解槽尚未充分加熱，所以在后期中電解槽應保持較高的電壓和陽極效應系數以維持較高的溫度；(2)電解槽的碳陰極強烈地吸收氟化鈉，導致電解質酸化和氧化鋁沉淀。因此，需要經常用氟化鈉或碳酸鈉調整電解質，使NaF／AlF₃摩爾比保持在2.7～2.8；(3)隨著電解槽轉入正常生產，溫度逐漸降低，槽膛四壁形成固體電解質結塊，此時槽內電解質水平下降，鋁液水平上升，最后形成穩定的結殼，建立起穩定的能量平衡和物料平衡。由此結束啟動后期。

鋁電解槽正常生產作業鋁電解槽經過焙燒和啟動后，便進入正常生產階段。為了獲得優良的生產指標需要進行常規作業和控制好生產技術參數。

常規作業包括(1)加料、(2)出鋁、(3)陽極作業等。

(1)加料。按一定時間打破電解槽槽面的電解質結殼，添加定量氧化鋁。有間斷加料和半連續加料兩種方式。前者通常用天車聯合機組、地面半龍門式聯合機組或地面行走的壓殼機、打殼機和加料機進行打殼加料。后者是用裝于電解槽縱向中央部位的自動打殼加料裝置進行打洞加料?，F代化大型預焙陽極槽已發展到按需要加料，接近連續加料。

(2)出鋁。大型電解槽通常每天出鋁一次，中小型槽每2～3d出鋁一次。出鋁量相當于出鋁周期內的產量。出鋁部位在電解槽端部或邊部。一般用真空抬包出鋁。

(3)陽極作業。在電解過程中，陽極底部被氧化燃燒。為使電解過程連續，需不斷向連續自焙陽極添加陽極糊，或定期用新的預焙陽極塊更換已消耗的舊預焙碳塊(殘極)。

鋁電解陽極有側插棒自焙陽極、上插棒自焙陽極和預焙陽極三種，這三種陽極的作業內容有各自的特點。側插棒白焙陽極槽陽極作業包括加陽極糊、接長陽極鋁殼、轉接陽極小母線、拔出最下一排陽極棒、提升陽極框架和釘入最上一排陽極棒。上插棒自焙陽極槽陽極作業包括加陽極糊、拔出距陽極底掌最小距離的舊陽極組合棒、將新的陽極組合棒插入到陽極上部和提升陽極框套。預焙陽極槽陽極作業包括更換陽極(殘極)、裝上新的預焙陽極和提升陽極母線。由于預焙陽極槽為多陽極槽，因此作業需更加精心。為保證預焙陽極的每個碳塊能均勻分擔電流，更換陽極碳塊操作應遵循的基本原則是：要錯開相鄰陽極碳塊的更換時間，并盡可能錯開遠些；另外，要使兩條母線梁上的新舊碳塊均勻分布，以達到母線電流分布和承擔陽極重量大致均衡。

生產技術參數控制 包括：(1)系列電流強度；(2)槽電壓；(3)極距；(4)電解溫度；(5)電解質成分；(6)電解質水平及鋁液水平；(7)槽膛內形；(8)陽極效應系數等。

(1)系列電流強度。根據電解槽容量、結構和工藝狀況確定系列電流強度。系列電流強度隨著電力供應情況，可作適當調整。但系列電流強度確定后，必須調整其他生產技術參數，使之與系列電流強度相適應，以求實現正常生產和獲得優異的生產指標。

(2)槽電壓。指陽極母線到陰極母線間的電壓降，用與電解槽并聯的直流電壓表來指示。槽電壓包括電解槽的極化電壓值和各部分導電電體的電壓降值。在工業生產上，為了核算單位鋁產量的電耗，需要計算電解槽的平均電壓。平均電壓包括槽電壓平均值、陽極效應的電壓分攤值和槽電壓表測量范圍以外的系列線路電壓降分攤值。槽電壓隨生產操作而變動，通?？刂圃?.9～4.5V。

(3)極間距。指電解槽陽極到陰極間的距離。在工業電解槽中，浸在電解質中的陽極表面都是陽極工作面，而槽底上的鋁液表面為陰極工作面。一般取陽極底掌到鋁液表面之間的垂直距離作為極間距。工業電解槽應在不影響電流效率的情形下，盡可能保持小的極間距，以便節省電能。預焙陽極電解槽上的陽極數目較多，應嚴格使其極間距一致，不應出現極間距太小或過大的情況，引起陽極電流分布不均而造成局部過熱，從而使電流效率降低。工業電解槽極間距一般保持為4～5cm。

(4)電解溫度。指電解質溫度。它是鋁電解生產中一項最重要的技術參數。電解溫度對電流效率和電耗的影響頗大，要求在適當低的電解溫度下進行生產。一般電解溫度在1223～1243K范圍內，大約高出電解質初晶點10～20K。在20世紀80年代，由于采用半連續加料技術和電子計算機控制生產，為低溫操作創造了條件，因而電解溫度得以相應降低。向電解質中添加氟化鎂或氟化鋰，以及降低冰晶石中NaF／AlF₃的比率，可以達到降低電解溫度的目的。

(5)電解質成分。通常為冰晶石、氧化鋁和氟化鋁。此外，還有加入氟化鎂、氟化鈣或氟化鋰等添加物。表示電解質中氟化鈉和氟化鋁含量之間的比例關系有摩爾比、質量比和游離氟化鋁量三種方式。中國通常用：NaF／AlF。摩爾比來表示。按照電解質摩爾比不同而分為中性電解質(摩爾比=3.0)、堿性電解質(摩爾比>3.0)、酸性電解質(摩爾比<3.0)等三類?，F代鋁工業通用酸性電解質，其摩爾比約為2.60。與其他兩類電解質相比，酸性電解質的優點是：初晶點較低，可降低電解溫度；鋁溶解度小，可提高電流效率。為了保持穩定的電解質成分，在正常生產過程中，應根據電解質分析結果，經常向槽內添加氟化鋁。

為降低電解溫度，有的工廠還設法保持電解質含氟化鈣約4％～8％、含氟化鎂3％～5％或含氟化鋰2％～3％。

工業電解質中氧化鋁濃度一般波動于2％～6％之問。采用自動半連續加料的電解槽氧化鋁濃度穩定在3％～4％，這對穩定生產有利。

(6)電解質水平及鋁液水平。指電解槽內電解質和鋁液兩層厚度。電解質熔液主要起溶解氧化鋁的作用，同時還起保持電解槽熱穩定性的作用，工業電解槽電解質水平通常保持16～20cm。電解質過高，陽極氣泡逸出阻力增大，電解質運動加劇，引起電流效率降低；電解質過低，則會造成氧化鋁沉淀增加，槽底電壓降升高，增加電能消耗。

工業電解槽在生產中經常保持一定厚度的鋁液，鋁液的作用是：保護槽底陰極碳塊，避免在槽底上大量生成碳化鋁而增加電阻；鋁液是熱的良導體，可使槽內各部分溫度趨于均勻；適當厚度的鋁液層能削弱磁場對生產的不良影響。鋁液水平因電解槽容量和結構而異。一般為20～30cm。磁場得到改善的現代化大型槽，鋁液水平可低至10～15cm。

(7)槽膛內形。為電解槽陰極空間。隨著電解過程接近正常，在陰極槽膛四壁逐漸生成一層電解質結殼。到正常生產階段，電解質結殼均勻地分布在電解槽側壁上，形成一個橢圓形的環。由這一圈結殼所形成的槽膛內壁形狀，稱為槽膛內形。這層橢圓形結殼是電和熱的不良導體，它能阻止電流從側壁通過和減少電解槽熱損失，同時還起著保護陰極四周和槽底的作用。由于結殼的生成使鋁液表面收縮，鋁液被擠到槽底中心部位而能提高電流效率。正常槽的槽膛內形應是邊部結殼勻稱地分布在陽極正投影的周圍，鋁液被擠在槽中央部位，具有這樣槽膛內形的電解槽，其電流效率一定是很高的。

(8)陽極效應系數。每晝夜分攤到每個槽上的陽極效應次數稱為陽極效應系數。陽極效應通常和陽極近層液中缺乏氧化鋁有密切關系。當發生陽極效應時，陽極上出現火花放電現象，槽電壓突然升到30V左右，加入氧化鋁并用鐵工具或木棒使陽極和陰極局部短路后，火花放電現象便可迅速消失。

當發生陽極效應時，與電解槽并聯的信號燈便會亮起來。當信號燈非常明亮(電壓高達50～100V)時，表示電解槽處于過冷行程狀態；當信號燈燈光暗淡(電壓只有10V左右)時，表示電解槽處于熱行程狀態；當信號燈燈光閃爍不定而忽明勿暗時，表示電解槽內發生局部短路；當電解槽按加料數量準時發生陽極效應時，表示生產正常。

陽極效應除具有上述反映電解槽的生產狀態的功能之外，它還有利于碳渣從電解質中分離，補充額外熱量用于熔解氧化鋁和控制槽底氧化鋁沉淀量。但發生陽極效應時，槽電壓突然升高，耗電量大增；槽溫升高，氟化鹽蒸發損失量增大；效應前后一段時間內電流效率明顯下降；系列電流強度往往會下降而影響系列其他電解槽產量。因此，正常生產時，應權衡利弊而選取適當的陽極效應系數。現代電解槽一般陽極效應系數為0.3～1次／(槽•晝夜)。

物料消耗 一般工業鋁電解槽生產lt鋁的物料消耗量為：氧化鋁1915～1940kg，冰晶石10～15kg，氟化鋁30～40kg，氟化鎂2～3kg，碳酸鋰2～3kg，碳陽極530～580kg碳糊(自焙陽極槽)或500kg碳塊(預焙陽極槽)。