再談我國鋁電解技術與國際先進水平的差別兼論鋁電解生產(chǎn)中的新技術

1、再談我國鋁電解技術與國際先進水平的差異兼論鋁電解生產(chǎn)中的新技術摘要：本文對我國電解鋁廠與國外電解鋁廠在主要技術方面的差距進行了分析，介紹了國外最 先進的鋁電解技術。闡述r我國電解鋁廠在技術方面所存在的問題。作者認為，采用國外最先 進的鋁電解技術研究成果，并結合我國國情開發(fā)自主知識產(chǎn)權的技術，可使我國鋁電解的技術 盡快地到達世界先進水平。關鍵詞：鋁電解：槽壽命：初晶溫度：過熱度；電流效率近些年來，我國鋁冶金工業(yè)有了飛速的開展，近期來自于國家發(fā)改委一個網(wǎng)上的信息：預計到 2005年底我國電解鋁的生產(chǎn)能力，將到達1000萬噸，其生產(chǎn)能力要比幾年前世界鋁老大的美國多 一倍還多。我國現(xiàn)在已經(jīng)成為了世界產(chǎn)

2、鋁大國，但不是強國。筆者在5年前，發(fā)表過一篇文章：“中 國鋁工業(yè)現(xiàn)狀與國外先進技術水平的差距” W,文章中提到的這個差距問題，現(xiàn)在不僅依然存在， 而且近幾年國外在鋁電解的某些理論和技術方面又有了新的進步和開展。一、陽極質量對于電解槽陽極質量上的差異，我們沒有數(shù)量上的概念，由于我們沒有健全的、與國外可供比 較的質量檢測方法、技術，也沒有可信的、可比照的數(shù)據(jù)，很難對這一問題作出準確的、定量的結 論。我個人認為我國鋁電解槽陽極的質量極不穩(wěn)定，好壞差異很大。由于供應的多渠道和質量檢測 手段落后、不完善，檢測技術與質量標準和國際不接軌，缺乏對原材料性能、結構和成份進行配料 等方面的工藝和技術研究，是造成

3、陽極質量差的根本原因。鋁電解槽炭陽極是用石油焦制成，鋁電解槽之所以用石油焦做陽極，是因為在所有來源廣、成 本低且純度高的炭素材料中，非石油焦莫屬。評價鋁電解槽炭陽極的質量指標有多個方面，如密度、 孔隙度、強度、電導率、導熱率、抗氧化性能、對CO2的反響性能、透氣率、抗熱沖擊性能等等。 在這些質量指標中，有些具有相關性，如電導率和導熱系數(shù)之間就有很強的相關性，這是所有固體 導電材料固有的特性。陽極炭塊導電性與導熱性的好壞，同陽極炭塊和石油焦本身的煨燒溫度、炭 塊密度和孔隙度大小有關。導熱性、導電性好的陽極炭塊必然有較好的抗氧化性能。對工業(yè)鋁電解 槽來說，比擬直觀的是看重炭陽極的導電、導熱性能和抗

4、氧化性能。因為這些性能好的陽極可以承 受更大的電流密度，陽極電壓降低，抵抗高溫氧化的能力強，陽極消耗少。這些優(yōu)點是鋁電解槽提 高電流效率、降低電能消耗的基本保障。二、電解槽的壽命我國鋁電解槽的壽命比國外電解槽的壽命短。這是人所共知的，也是我們天天講，年年講的老 問題，但至今沒能解決。為鋁電解生產(chǎn)來說，影響鋁電解槽壽命的原因是多方面的：有電解槽結構 設計的問題，有電解槽內(nèi)襯材料選擇與內(nèi)襯材料的合理結構設計的問題，有筑爐方法的問題，有筑 爐質量的問題，也有電解槽的焙燒啟動的方式、方法的問題，更有電解槽的早期技術管理和正常情 況下的電解工藝的選擇與操作的問題。應該說，上述各個過程和環(huán)節(jié)的好壞，都會影

5、響電解槽的壽 命。多年前，我國電解鋁廠引進了國外的鋁電解槽焦粒焙燒干法啟動的技術，取代了落后鋁液焙燒 技術。盡管焦粒焙燒并不是屬于我國自主知識產(chǎn)權的技術，但對我國電解鋁廠應該是一個技術上的 進步。值得關注的是，盡管我國引進和使用了這一較為先進的鋁電解槽焙燒技術，但槽壽命沒有明 顯的提高。以最早使用這一焙燒技術的白銀鋁廠為例，電解槽的壽命仍然在1500天左右。由此可見, 就我國電解鋁廠來說，僅僅以焦粒焙燒干法啟動取代鋁液焙燒，想大幅度提高我國鋁電解槽的壽命 的目的是不能實現(xiàn)的。從另一個方面這也說明了提高甩解槽的壽命是一個系統(tǒng)的工程問題。我個人 認為就我國電解鋁廠而言，電解槽內(nèi)襯材料的選擇和內(nèi)襯材

6、料結構設計、筑爐方法、筑爐質量，以 及電解槽啟動后的早期技術管理、正常的工藝技術操作等方面都存在不同程度的問題，都對電解槽 的壽命有影響。而我國電解鋁廠對這些方面的認識和了解不多，缺乏深入的研究。在談及提高電解 槽的壽命時，過去聽到比擬多的建議是使用石墨化和半石墨化的陰極炭塊、硼化鈦陰極涂層等技術。 誠然這些措施對電解槽的壽命的改善有好處，但它們并不是提高我國鋁電解槽壽命的根本措施。綜 上所述，總結過去的經(jīng)驗，可以認為，我國如果不從電解槽內(nèi)襯結構材料的選擇與結構設計、筑爐 方法、筑爐質量、焙燒和后動的方法和質量，早期技術管理以及合理的電解槽工藝制度等各個方面 上去研究、去改進、去提高，是不可能

7、到達國際上電解槽壽命250（）3000天的技術水平的。三、電流密度我國電解鋁廠的大型預焙陽極電解槽電流密度一般在O.7A/cm2左右，屬于低電流密度電解槽, 而國外同類型的大型預焙陽極電解槽的陽極電流密度一般在0.8 A/cn?以上。目前世界上最大的最先 進的法國AP50（500kA）電解槽的陽極電流密度為0.8A/cn?,新西蘭迪拜新系列的200kA電解槽的陽 極電流密度為0.88 A/cn?。這意味著，同樣大小電解槽在其它技術經(jīng)濟指標不變的情況下，以陽極 電流密度O.7A/cm2與0.8A/cm2相比，后者電解槽的產(chǎn)量比前者高14%,這無疑是會使鋁電解生產(chǎn) 的本錢大大降低。高電流密度電解槽

8、代表著先進的鋁電解槽設計和技術水平，過去我國電解鋁廠一 直認為，提高電解槽的電流密度最大的技術障礙是陽極質量問題，我國電解鋁廠陽極質量低，不能 承受更大的陽極電流密度。但最近的湖北華盛鋁廠60kA改成75kA小預焙陽極電解槽，使用國產(chǎn)陽 極，電流密度到達0.81A/cm2o實踐證明我國電解鋁廠，使用優(yōu)良的國產(chǎn)陽極炭塊，可以承受OSA/cn? 的陽極電流密度。四、電流效率不管從理論上，還是實踐上講，提高電流效率都是通過減小和降低電解槽中已經(jīng)電解出來的金 屬鋁的溶解量來實現(xiàn)的。因此提高鋁電解槽的電流效率基本上有4種方法：減少鋁液和電解質熔 體的攪動，即增加鋁液鏡面動力學的穩(wěn)定性；提高鋁電解槽的陰極

9、電流密度和盡量降低除陽極底 掌以下面積之外的陰極鋁液面積相對陽極底掌面積的比率，如，減少電解槽陽極到邊部的距離，或 在相同的大面和小面寬度下采用更大電流強度的電解槽。理論上如果在磁場影響和其它設汁參數(shù)不 變的情況卜.，大槽子應該比小槽子有更高的電流效率；減少鋁在電解質中的飽和溶解度，這與電 解質的成份和溫度有關；降低陰極鋁向電解質熔體中的溶解速度。應該說，在這4種方法中，前 兩個是與電解槽的設計和電解槽操作的穩(wěn)定性有關的，第三種方法那么完全是鋁電解槽操作的工藝條 件，即對電解成份和溫度的選擇有關的，而最后一種方法，即與電解槽的設計和電解槽的操作的穩(wěn) 定性有關，也與電解槽工藝條件的選擇有關。目前

10、，國際上電解鋁廠電流效率最高的電解槽當屬Pechiney在加拿大魁北克的325kA電解槽 系列，該電解槽系列年平均電流效率為96.0%,電耗13.0kWh/kgAL炭陽極凈耗0.397kg/kgAl（理 論值0.333kg/kg*Al）o目前世界上最大的5（）（）kA電解槽AP50,長18米,寬5米，陽極電流密度 0.8A/cnr,電流效率95.0%, 2003年4月公布的電流效率為95.9%,也接近96%。令人驚奇的是這 么高的電流效率是在973c（325kA槽）、963 （500kA槽）以及過熱度6. 8 （325kA槽）、9. TC （500kA 槽）的技術條件下取得的。這是當今國外采取

11、的高電解溫度、較高電解質初晶溫度、低過熱度、高電 解槽穩(wěn)定性、低電解質電阻、低過電壓、低效應系數(shù)、高電流效率的鋁電解槽工藝操作技術路線。 我國同類型的300kA電解槽的電流效率一般在93%左右，系列年平均電流效率很難突破94%,對于 其它類型的大型預焙陽極電解槽的電流效率也一般都徘徊在93. 5%左右。在我國電解鋁廠中，一直習慣于用傳統(tǒng)的低溫、低分子比來提高電流效率的方式組織生產(chǎn)。這 也不能說完全不對，實驗研究說明，低溫、低電解質分子比確實有降低鋁在電解質熔體中的溶解度 和溶解速度，減少鋁的溶解損失，顯著提高電流效率的作用。但低溫、低電解質分子比的負面作用 是，電解質成份的穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性大大

12、降低，由于電解質成份不穩(wěn)定性增加，容易產(chǎn)生沉淀，而 沉淀又不容易溶解，槽幫不結殼，伸腿過長、過大，造成水平電流大，槽電壓不穩(wěn)，鋁水擺動大， 效應系數(shù)多，電解質電阻大，反電動勢高等缺點。而不容易使低溫、低分子比操作到達理想的提高 電流效率的H的。此外，由于電解槽的熱穩(wěn)定性降低，電解槽陰極內(nèi)的電流分布不均，槽內(nèi)襯應力 不均勻，也容易降低電解槽的壽命。加拿大鋁冶金專家Utigard從鋁和電解質的外表張力、電導、相圖、過熱度、電解質成份的穩(wěn) 定性、熱穩(wěn)定性等各方面，綜合分析并得出了使電解槽實現(xiàn)穩(wěn)定的基本技術條件是，電解質溫度應 不低于955,對于添加有LiF的電解質的電解溫度應不低于940C。五、過熱

13、度對我國電解鋁廠來說，過熱度是一個新概念，所謂過熱度即電解質溫度與電解質初晶溫度之差。 一般認為，最好的電流效率是在不失去電解槽的穩(wěn)定性的情況，用盡可能低的電解溫度實現(xiàn)的。然 而過低的電解溫度容易在槽底產(chǎn)生沉淀和造成槽膛不規(guī)整，因而會引發(fā)槽子不穩(wěn)定。有些文獻報道，電解溫度每降低10,可使電流效率提高23%(34支實驗室的研究也說明， 降低電解溫度會使電流效率連續(xù)升高，但在工業(yè)電解槽上，當過熱度恒定時，電解溫度的高低對電 流效率幾乎是沒有什么影響。國際著名的鋁冶金專家豪平(Haupin)對大量的電流效率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計 分析說明，電解槽的電流效率更依賴于過熱度，而不是電解質溫度，其原因現(xiàn)在尚未搞清。最

14、初, 人們把較低過熱度對電流效率提高所取的效益歸結于，適當?shù)倪^熱度會使電解槽形成較好的槽幫結 殼。而最近Solheim研究指出，較低的過熱度可以在鋁陰極外表沉積一層冰晶石殼膜，因而可阻 止鋁的溶解損失，提高電解槽的電流效率。Haupin也同意這種觀點。然而過熱度太低時也會引起 過多的冰晶石沉積和沉淀，而導致電解槽的不穩(wěn)定。因此，最正確的電解質過熱度必須由實踐加以確 定。最正確的過熱度的大小應與電解質的分子比、電解質初晶溫度有關。分子比擬低時，需要適當提 高一點過熱度，因為在此時，電解質的初晶溫度的變化受電解質分子比變化的影響較大。H前國外 大型預焙陽極電解槽的過熱度一般在810,法國彼斯涅AP

15、50電解槽的電解質過熱度為9. 7, 電解質的初晶溫度953C,電解質的分子比2. 15,電流效率95.9%； AP35(350kA)電解槽，電解質 分子比2.12. 2,平均電解質初品溫度953. 7,過熱度7.8C,電流效率96.0%。由此可見，國 外大型預焙陽極電解槽電解質的過熱度一般都在810,并將這一數(shù)值作為電解槽的重要工藝技 術參數(shù)和控制指標。我國電解鋁廠目前也開始對這技術問題加以重視。我們與沈陽東英冶金工程 科技共同用自己開發(fā)和制造的儀器，對撫順鋁廠200kA系列電解槽電解質初晶溫度、電解 溫度和過熱度進行測量得出，電解質熔體的過熱度在920C之間，各電解槽電解質初晶溫度和過 熱

16、度的差異較大?？偟膩碚f，我國電解鋁廠電解質的初晶溫度較低，而過熱度較大，系列電解槽的 平均電流效率在93. 5%左右。參照法國彼斯涅鋁電解的操作經(jīng)驗，如果這種電解槽的平均過熱度能 降低到89C,其電流效率有可能上一個臺階。如果全國鋁廠都能將過熱度作為一個重要的工藝技 術參數(shù)加以控制并確定在81()的范圍內(nèi)，可以預見，我國電解鋁廠電解槽的電流效率將會打破 現(xiàn)在的水平，上升到一個新水平。六、工業(yè)鋁電解槽電解質初晶溫度和過熱度的測一一種由國內(nèi)的代理商代理，國外生產(chǎn)制造的工業(yè)鋁電解槽電解質熔體初晶溫度和過熱度的測定 儀已在我國的個別電解鋁廠演示。這種儀器的原理是基于一個內(nèi)插有熱電耦的金屬容器，置入電解

17、 槽熔體中，待容器中熱電耦傳感器指示的溫度到達穩(wěn)定后，即為電解質熔體的實際溫度時，將容器 連同內(nèi)部的電解質熔體取出讓其降溫冷卻，在冷卻過程的降溫曲線上出現(xiàn)拐點，此拐點的溫度即為 電解質的初晶溫度，而電解質熔體溫度與電解質熔體初晶溫度之差即為電解質熔體的過熱度。儀器 數(shù)據(jù)處理軟件會對數(shù)據(jù)進行快速運算處埋，并在極短的時間內(nèi)（數(shù)秒鐘）將數(shù)據(jù)處理完畢，然后將測 量結果以數(shù)字形式顯示在儀表表盤的顯示器上。國外產(chǎn)的這種電解質熔體初晶溫度和過熱度的測量儀器，價格較貴，據(jù)說在22萬元/臺以上， 且測量使用的溫度傳感器是一次性的，每測量次，所消耗溫度傳感器及其配件在60元左右，很不 適于中國國情?，F(xiàn)在一種具有自

18、主知識產(chǎn)權的新型鋁電解槽電解質熔體初晶溫度和過熱度測量儀在 沈陽面世，這種新型的測量儀器具有與上述一樣的測定原理，且溫度傳感器可屢次使用，屢次測量， 測量方法也簡便，測一個電解槽的電解質初晶溫度和過熱度僅需一分鐘左右的時間，其本錢僅是國 外產(chǎn)品的1/601/30,價格不到國外產(chǎn)品的1/3,性價比極高，適合我國國情，可望能在國內(nèi)電解鋁 廠推廣使用。加之相配套的鋁電解槽初晶溫度和過熱度計算機控制軟件的使用，必然使我國鋁電解 槽的技術工藝、電流效率和能耗指標到達國際先進水平。七、鋁電解槽初晶溫度和過熱度的控制技術在鋁電解生產(chǎn)過程中，取得好的技術經(jīng)濟指標和電解槽運行穩(wěn)定，是工業(yè)鋁電解生產(chǎn)追求的目 標，

19、這只有通過控制好電解槽的熱平衡和物料平衡才能實現(xiàn)，電解槽的熱平衡是通過調(diào)整電解槽的 極距、能量輸入來實現(xiàn)的。而電解槽的物料平衡是通過對氧化鋁和A1F3的合理加料制度來實現(xiàn)的。 但是對鋁電解槽來說，熱平衡和物料平衡是相互關聯(lián)，相互配合的。電解槽中添加A1F3對電解槽直接或間接的影響是使電解質的初晶溫度降低，過熱度升高。過 熱度增加又導致槽側部的散熱量增加，影響到熱平衡，使槽幫結殼及伸腿熔化，A1F3的濃度降低。 如果是極距增加，輸入到電解槽中的能量就會增加，直接的影響就是使電解質的溫度增加和過熱度 增加。電解質溫度增加時，也會使沉淀和槽幫結殼熔化，電解質的初晶溫度上升，這反過來乂使過 熱度降低和

20、電解槽側部熱損失減小。因此有可能由于極距的增加而導致的熱損失增加比預計的要小。 也就是說，電解槽熱平衡和物料平衡不是相互獨立的，而是相互關聯(lián)，相互影響的。電解槽的物料 平衡的穩(wěn)定（ALO,加料和A1F3成份穩(wěn)定）和熱平衡穩(wěn)定（溫度的穩(wěn)定）的控制是可以通過正確的電解 質初晶溫度和過熱度的控制戰(zhàn)略實現(xiàn)的。除了 A1。加料和濃度控制的軟件外，另一個可以穩(wěn)定控制 電解槽電解質分子比、電解溫度的計算機控制軟件也已經(jīng)開發(fā)出來。計算機控制軟件所監(jiān)控的目標有3個，初晶溫度下限、初晶溫度上限和過熱度。而實際實現(xiàn)的 控制目標為5個：初晶溫度下限，初晶溫度上限，電解溫度下限，電解溫度上限和過熱度。而最終 到達的目標

21、是，電解質成份的穩(wěn)定和電解溫度的穩(wěn)定，即真正的電解質分子比控制和溫度控制。這 是當代國際最先進的電解槽電子計算機控制技術。通過上述電解質成份（分子比）和電解溫度的穩(wěn)定控制，可以肯定，我國鋁電解槽的電流效率的 提高，電耗指標的下降，效應系數(shù)減少，陽極和氟化鹽消耗的降低，都將是明顯的。電解槽熱平衡 狀態(tài)的穩(wěn)定對電解槽的壽命也有好處。八、未來鋁電解技術的開展對未來鋁電解技術的開展，筆者曾在200L年中國有色金屬工業(yè)協(xié)會組織的“中國電解鋁工業(yè) 開展戰(zhàn)略及市場分析研討會”上闡述過自己的觀點。這些觀點與Thoustad. Haupin和Frank在2002 年的“LighlMelalAge”上發(fā)表的觀點基

22、本上是一致的。這幾位國際知名的鋁冶金專家和學者預言，2020年以前，電解槽的電流強度將到達500 600kA,槽電壓為3.94.0伏，電流效率到達96.597.0%,直流電耗將減少到12.（） 12. 5kWh/kg*Al,電解槽的陽極電流密度將到達0. 95A/cm2,而電解槽的壽命可達3000天。參考文獻:1馮乃祥，我國鋁工業(yè)現(xiàn)狀與國外先進技術水平的差距”。輕金屬，NO. 7, 2000.Haupin and Frank, Light Metal Age. June, 2002.3邱竹賢，鋁電解北京：冶金工業(yè)出版社，1980。Qiu Zhuxian. Aluminum. Vol.56. No.4. 1983.M. Leroy, ctal. Light Metals. 1987.A. Solheim. Light Metals. 2002. 225-230f7 V. Po