300kA铝电解槽分子比控制及降低AlF3消耗的措施

300kA铝 电解槽分子比控制及降低 AlF3消耗的措施

田海彤 吴永文

云南铝业股份有限公司，云南昆明， 650502

摘要：综述300kA电解槽分子比的选择原则和向电解槽添加氟化铝应注意的事项及在电解生产过程中氟化铝过量消耗的因素和降低氟化铝用量的措施。

关键词: 槽温 分子比 氟化铝

前言

铝电解生产过程中，低分子比电解质对提高电流效率有利，有研究表明，过剩的AlF₃增加2%，电流效率提高1%。但是随着分子比的降低，氧化铝的溶解性降低，电解质的导电能力减弱，从而影响电流效率的提高，所以，铝电解生产中不能一味追求低分子比生产。

氟化铝是电解生产过程中消耗量最大的添加剂，某厂吨铝氟化铝单耗在16kg左右，而其它一些好的公司吨铝氟化盐单耗可以做到13kg以下。因此分析铝电解生产过程中导致AlF₃消耗量大的原因,并采取有效措施降低AlF₃消耗量具有重要意义。

1 分子比的控制

1.1分子比的选择

在现代铝工业上，大多数采用强酸性电解质生产，氟化铝和碳酸钠是改善分子比和调节槽温的主要材料，碳酸钠主要用于电解槽启动初期建立牢固的炉帮和处理异常槽使用，正常生产过程中主要通过添加氟化铝来改善电解质成分，降低电解质初晶温度和分子比，低温、低分子比电解质有利提高电流效率。有研究表明，过剩的AlF₃增加2%，电流效率提高1%。随着分子比降低，电解质的初晶温度降低，电解温度也随着降低，电流效率提高，但是随着分子比的降低，氧化铝的溶解性降低，电解质的导电能力减弱，电阻增大，在槽电压设定不够的情况下，相当于降低电解槽的极距，电解槽的稳定性变差，从而影响电流效率的提高，阴极内衬吸收钠量增加，进而还会影响电解槽寿命；另一方面分子比越低，AlF₃的挥发性越强，如果烟气净化系统回收氟化盐效果不好，将导致氟化盐损失增大。所以，铝电解生产中不能一味追求低分子比生产，而要根据管理水平、氧化铝质量、槽型以及计算机控制水平等情况选择适宜的分子比，并通过各种技术手段和措施调节使分子比长期保持在规定范围内确保电解质工作性能良好。大型预焙槽长期生产实践表明，选择2.35~2.5的分子比可以确保电解槽长期平稳运行，并取得较高的电流效率。

1.2 分子比的控制

1.2.1 AlF₃添加量的决策方法

在生产操作管理过程中，通过长期的生产总结，AlF₃添加量的决策方法通常有以下三种方法：

1. 根据分子比CR变化确定AlF₃添加量；

2. 根据电解温度T变化确定AlF₃添加量；

3. 根据电解温度和分子比的关系式（T=65CR+795）在没有得到分子比分析结果时，由槽温反算分子比，及时分析分子比失控的原因，并制定分子比合理保持或调整对策。

在生产管理中，根据用上述方法获得的计算值，并参照生产实际情况将添加剂用量列成对照表，每次分析按结果与目标值的相差情况对照投入，如表1所示。与目标值相差太大的，进行多次调整，逐渐达到目标值。

表1 氟化铝添加参照表

另外，AlF₃的添加量还与槽龄有关，长期生产实践总结表明，吨铝AlF₃的消耗量随着槽龄的增长相应增加。

1.2.2 有效控制分子比的方法

为避免分子比大起大落，调整分子比时速度不宜过快，应平稳过渡，所加氟化铝=应按计划分批加入槽内，防止一天添加量过多。通过长期的生产实践总结表明：在下达或添加AlF₃时必须充分注意以下方面才能有效控制分子比，将分子比长期稳定控制在适宜的范围内。

（1）在确定目标添加量后，生产中对电解质分子比的调整一般采取快升慢降的原则，在降低分子比时，调整的速度不宜过快，应平稳过渡，应添加的氟化铝可按计划分批加入电解槽内，防止一次的添加量过多而影响电解槽的平稳运行，特别是启动后期管理，电解质温度达到目标值必须循序渐进，合理的温度下降梯度是建立良好炉帮的必要条件。

（2）不能向因电压摆而引起槽温高的电解槽中添加AlF₃。电压摆时间较长，工作电压一定较高，必然引起槽温上升-----据统计，电压摆在200min/日以上，摆幅在100mV左右，可使槽温上升8—12℃。不分析原因盲目向槽中添加AlF₃，结果使得过热度大幅上升，多余的热量将炉帮熔化，起了反作用。

（3）表面热而引起槽温升高时不能盲目添加AlF₃。如果是由于过热度降低引起的电解质收缩造成炉帮变厚，此凝固过程为放热反应，而且随着电解质量减少，使得单位电解质温度迅速升高，这种热我们称之为表面热，铝液温度无明显升高，分子比亦无明显上升现象，因过热度较大，产生表面热而导致槽温升高时，应及时提高电解质水平，而不要盲目压铝或添加AlF₃。

（4）禁止向分子比过低的电解槽添加氟化铝。生产实践证明，当分子比过低时，电解温度并不随着分子比的降低而降低，相反有升高的趋势，原因是多方面的，主要是由于分子比的降低造成电解质的电阻增大，炉底沉淀增多，造成电解槽热收入增加，引起槽温升高。

（5）下AlF₃指示量时应加强趋势管理和分析，注意槽子的滞后性。氟化盐对电解质分子比的调整存在着滞后性。加入到电解质中的氟化盐并不能立即调整分子比，而是“沉积”于内衬和侧部槽壳中，在一定条件下再释放出来（一般在3—5天的滞后时间）。

当然，以上各方面只是一个大致的原则。对于一台电解槽来说工艺参数是一个完整的体系，其中任何一个参数的改变都会引起其它参数的变化。如果一台电解槽处于异常状态，就需要对电解槽进行全面的分析。例如，当一台电解槽连续几天不加氟化铝而温度依然低于940℃时，我们就需要考虑铝水平是否过高、设定电压是否偏低、保温料是否太薄、火眼口是否过大、冒火现象是否突出、支烟管开度是否合理等因素。因此，我们还要对设定电压、保温料厚度、铝水平、基础管理等调整来确保电解温度控制在940—950℃，实现电解槽的平稳运行；出现低分子比高温状况时，要着重分析槽温，首先考虑温度的真实性，过热度偏大的原因，采取控分子比和调入在产铝的办法进行处理；当分子比过低时还应相应提高电压，避免压极距；而当电解槽出现高分子比低温时应加大出铝量增加过热度的同时适当添加氟化铝。

2降低AlF₃消耗的措施

2.1 AlF₃过量消耗的因素

铝电解生产过程中导致AlF₃过量消耗的因素通常有以下几个方面：

（1）AlF₃的挥发损失：生产实践表明，作为表温活性物质的AlF₃大多数集中于表面，即熔体表面AlF₃浓度大于内部浓度，故AlF₃挥发损失较大，而且温度越高，摩尔比越小，AlF₃的损失越大。

（2）机械损失：人为操作不当引起的机械损失，如人工添加AlF₃不到位，换极、出铝、捞炭渣作业过程中，将会或多或少地带走部分电解质，这都造成冰晶石和氟化盐的浪费。

（3）AlF₃与电解质中杂质成分的反应：氟化铝在电解槽中消耗最大，主要是挥发和飞扬损失以及在电解生产中所用的氧化铝、氟化盐和阳极中含有一定数量的杂质成分反应。如：H₂O,Na₂O,SiO₂,MgO,SO₂等，这些杂质均分解氟化铝和冰晶石，使电解质中氧化铝和氟化钠增加，分子比升高，其中H₂O，Na₂O,SiO₂影响最大，反应式如下：

2AlF₃+3H₂OAL₂O₃+6HF

3Na₂O+2AlF₃6NaF+Al₂O₃

4Na₃AlF₆+3SiO22Al₂O₃+12NaF+3SiF₄

(4)工艺波动：如氟化铝下料箱定位不准确，使氟化铝下料偏少或者不下料，以及手动添加质量不到位，导致槽温得不到有效控制，增加氟化铝用量。

2.2 降低氟化铝消耗的措施

为合理控制分子比，降低氟化铝消耗，通常应采取如下措施：

(1)确保电解槽的平稳运行；

(2)做到除换极、出铝及必要的测定之外尽量不开或少开启槽罩，以及开启时间的控制；

(3)做到作业中一个工段最多同时开启两台槽，而且作业完后及时盖好；

(4)对于氟化盐的机械损失，我们应不断改进添加方法，减少添加环节，减少甚至杜绝人工添加的次数；同时增强职工责任心，做到氟化盐从装料到加到槽子里的各个环节都精心操作，减少人为操作上带来的损失。

(5)提高烟气进化系统的集气、净化效率，使烟气带走的氟化盐返回到生产中去，减少氟化盐的补充量。

(6)定期检查氟化铝下料箱，根据下料情况，工段制定了隔天检查1次氟化铝下料，确保设备正常运行，保证氟化铝下料准确，为控制电解质温度做好保障。

（7）在平时的作业过程中，精心操作，减少效应系数及时间，及时熄灭效应，避免氟化铝的大量挥发。

3 结论

（1）铝电解生产中不能一味追求低分子比生产，而要根据管理水平、氧化铝质量、槽型以及计算机控制水平等情况选择适宜的分子比，并通过各种技术手段和措施调节使分子比长期保持在规定范围内，确保电解质工作性能良好。

（2）为避免分子比大起大落，调节分子比时速度不宜过快，应平稳过渡，所需氧化铝应按计划分批加入槽内。

（3）AlF₃的损失包括其本身的挥发和机械损失，与电解质中杂质的反应，电解工艺的不稳定也会导致AlF₃用量的增加。

（4）保证电解工艺的平稳、减少添加环节和减少电解烟气的外泄是降低AlF₃消耗的主要措施。

参考文献

[1] 李清．大型预焙槽炼铝生产工艺与操作实践[M]．中南大学出版社，2005．

[2] 刘业翔．李劼. 现代铝电解[M]．冶金工业出版社，2008．

[3] 梁学民，张松江．现代铝电解生产技术与管理[M]．中南大学出版社，2011．

[4] 杨昇，杨冠群，铝电解技术答问[M]．冶金工业出版社，2009．

[5] 沈泽方．铝电解[M]．全国有色轻金属冶炼统计信息学会，2003．

第一作者简介：田海彤，男，1982.12-，云南文山人，冶金工程师，从事铝电解生产管理和技术管理工作。