铝电解工艺与控制

铝电解生产工艺与控制指南第一部分热平衡分析与控制在霍尔-埃鲁法中，能量是以两种方式供入的，一种是是以电能的方式供入，另一种是以碳燃烧的热能方式供入。

电解槽的热平衡表达式为：Q热=W电+W碳-T△S-∑(H T-H298)电解槽热平衡各影响因素的具体分析如下：1.1 W电电能热收入主要与槽电压和系列电流密切相关，在电解生产过程的正常情况下我们应力争保持槽电压和电流平稳，并尽可能减少阳极效应次数和效应持续时间，以维持热收入基本稳定。

W电又是调节电解槽热平衡波动的最灵活，最方便的调控措施，因此生产中往往通过电流的变化来调整自然环境变化对电解槽热平衡体系的干扰，夏季适当降低部分电流，冬季适当提高部分电流以调整炉帮内外温差变化对电解槽散热能力的影响，从而保证炉帮基本稳定。

通过保温料厚度来调节季节变化不但时间滞后而且对换极作业的浓度控制提出了更高的要求。

对于原材物料的预热需求则采取短时间附加电压的方式来灵活的进行调节，这样可以提高对热平衡波动调节的针对性和及时性，个别槽的热平衡变化则通过设定电压的变更来灵活的进行调整。

因此对于电能的调整必须坚持以适应电解槽的热平衡的需要为原则，力求节约。

电流对热平衡的调整是系统的和长期的，不宜作频繁的变动，而电压对热平衡的调整则是灵活的和及时的，在其它条件不变的情况下电压对槽温的调节力度为日均电压提高10mv/天可以提高电解质和铝液温度3℃，而过热度提高必然增加热损失，电解槽热交换系数的典型值为500～1000W*m-2K-1,因此日均电压提高10mv实际只能提高1℃的槽温，但如果其它因素造成初晶温度降低或其它热损失增加则可能出现电压升高而槽温降低的异常现象。

通过设定电压来调整槽温是滞后的，而根据热平衡变化采取短时间大幅度的电压附加方式及时调整各因素对槽温的干扰更符合电解槽的热平衡波动特性。

1.2 W碳碳阳极的消耗也是电解槽热收入的重要来源，在950℃的电解生产环境下每公斤碳燃烧为CO2释放的热能约为7KWH，如果以240KA电解槽为例计算，每降低10kg/tAl的阳极尽耗，则相当于降低了22mv的日均槽电压，如果碳阳极全部生成CO则相当于降低了约7mv的日均槽电压。

因此我们要力争做到无炭渣生产以防止阳极和碳渣氧化而影响电解槽的热平衡，这同时也表明了捞炭渣作业对于热槽的意义。

1.3 T△ST△S项的主要影响因素是电流效率的变化，电流效率波动的主要形式表现为铝液的二次氧化，具体反应方程式为 2Al（液）+3CO2=AL2O3 +3CO 通过计算发现在电解生产条件下每损失一公斤铝液所释放的热能为4.3KWH，如果把它换算为对电压对槽热平衡的影响，则电流效率每降低1.0%则相当于提高了约14.3mv的日均槽电压，而电流效率每提高 1.0%则需要增加18.5mv的热支出，效率升降造成的热收支不对称是由于分别生成了CO和CO2的缘故。

电解槽电流效率受各方面因素的影响，是电解生产中最活跃的变化因素，也是最难预知和调控的因素。

1.4∑(H T-H298)该项实质上就是热交换中的热传导部分，而热对流和热辐射则合并为Q项内容。

热交换的热能就是预热电解过程中的氧化铝、碳阳极以及其他原材物料需要提供的热支出，其中影响最频繁的是氧化铝加料作业，影响最剧烈的是更换阳极作业。

虽然自法铝1975年开发点式下料技术以来加料作业的连续性得到了很大的提高，对热平衡的干扰已经日益减弱，但过欠量加工依然或大或小地影响着电解槽的热平衡。

理论计算表明，按240KA电解槽计算，下料量每日减少100kg则用于预热氧化铝的热支出将减少56KWH，假定同日效率降低0.5%则二次反应的潜热还要增加39KWH，相当于提高15mv电压所增加的热收入。

因此我们必须力争实现氧化铝的平稳添加和完全溶解，并通过过欠量加工形式的频繁转换来减弱过欠量加料对电解槽热平衡体系的干扰。

目前国外优秀的控制系统的控制效果为每1～2小时完成一次过欠周期，我们也要力争可靠的实现这一目标。

对氧化铝浓度控制影响最大的因素是电解质过热度的变化，因为过热度的变化直接造成炉膛的变化而干扰电解槽的热平衡，因为炉帮中的氧化铝与料箱添加的氧化铝存在800℃以上的温差。

因此我们有必要根据下料量的变化相应的调整电解槽的目标电压，通过设置加料附加电压来及时的调整下料量变化对热平衡的干扰，以保持电解槽热平衡的相对稳定。

换极作业是电解生产中最重要的影响因素。

它不但影响体系热平衡的稳定性，还影响体系磁场和流体运动的稳定性，而流体运动的不稳定又进一步增加了热平衡控制的困难。

国际上先进控制系统的解决办法是大幅度地提高换极后的附加电压，既可以增加热收入以满足新阳极预热的需要，另一方面又可以提高流体运动和槽电压的稳定性。

国内的传统做法则只是对换极敞开液面期间的热辐射损失进行补偿，而并没有对新阳极的预热进行补偿。

我们通过跟踪新阳极更换后的升温速率发现，新阳极的预热并不是以24小时为周期呈直线均匀上升的，而是以曲线形式不均匀变化的，在正常情况下八小时内要完成50%以上的吸热量，新阳极极距越低、导电越快、吸热速率越快，新阳极导电越慢则吸热速率越慢，其与新阳极的电流分布是密切相关的，因为新阳极的电流分布反映了新阳极的预热程度和安装高度信息。

如果新阳极按比热残极高0.5cm的标准安装，则在正常情况下把八小时后的阳极电流分布为全部阳极平均电流分布的50%以上，新阳极的吸热量则要达到60%左右，因此需要在换极后的八小时内进行相应的电压补偿。

图I法铝400KA试验槽换极后的电阻控制曲线图2法铝400KA试验槽换极后的过热度控制曲线图3南平铝业240KA电解槽换极后的电压控制曲线我们在240KA电解槽生产中的经验表明，长时间大幅度分阶梯式的电压补偿制度符合电解槽换极后的稳定性控制需要，其对于热平衡稳定性、流体运动和电压的稳定性以及电解质水平的控制都是适宜的，也符合理论和实践需要的。

对于电解槽的热平衡电压方式调整我们必须坚持以理论计算为依据，以实践检测数据为检验标准，以满足电解槽的热平衡需要为原则而取舍。

为了减少补充原材料对电解槽生产过程的热平衡干扰，我们不但对添加氧化铝要严格执行“勤加工、少加料”的控制思想，对氟化铝的添加也要执行这一管理要求，不因事小而为之。

同时对于生产过程中的堵料、缺料也要严格防范，尽可能的减少各种意外因素对电解槽热平衡的干扰。

根据以上分析，扎大面和扎角部作业明显违背了电解槽的热平衡和物料平衡管理思想，除非是电解槽出现了槽壳严重发红或者漏炉事故，在正常生产内条件下应该严格禁止，对中心下料预焙槽而言，扎大面和扎角部作业是对生产管理思想的背叛。

1.5 换极作业后的热平衡变化分析换极作业对电解槽的热平衡会产生较大的影响，换极后的槽温变化测量数据与换极热损失的理论计算是一致的。

理论计算双阳极的升温吸热量相当于60～80mv的工作电压，而冷阳极减少的表面热损失约为25～30mv的工作电压，按这样分析，更换双阳极会产生40mv左右的热平衡波动，这些热量是必须的，但这个吸热过程大致需要24小时左右才能完成，但其前八小时地吸热量一般占50%以上，因此我们换极后的前八小时内附加相当于20mv的日均设定电压与新阳极的吸热需求是基本一致的。

部分工艺人员认为换极后的大幅度附加电压增加了电能的消耗，但如果我们在增加换极后附加电压同时适当下降我们的设定电压，这样就既解决了电解槽换极后的稳定性问题，又解决了电耗对生产指标的制约，由于换极后新阳极不导电以及流体运动的变化，换极后的极距是电解生产过程中最小的阶段，如果换极后不进行适宜的电压补偿，不但会压缩极距，而且会由于极距降低电解质水平提高熔化炉面而影响电解槽的物料平衡控制。

换极后大幅度附加电压虽然有利于换极后的稳定，但对于高温槽而言则是有害的，因为换极作业大量的热损失对于高温槽而言是一个难得的热平衡调整机会，为了解决附加电压对高温槽的影响，我们采取了根据不同槽况区别对待的分阶梯附加电压方式，即高温槽只附加一个阶梯短时间的附加电压，以适应高温槽温度调节需要，正常槽则附加较长时间的两个阶梯的附加电压，以满足新阳极的吸热需求。

不同电解槽在换极后的温度变化是各不相同的，这是由于换极敞开电解质液面时间不同和电解质初晶温度及过热度不同的缘故。

敞开电解质液面肯定增加热损失，但其是次要因素，过热度不同才是温度变化的主要原因。

过热度高的电解质温度变化大，过热度低的电解质温度变化小，这是因为电解质凝固产生相变热的缘故。

据初步估算，电解质凝固150kg产生的相变热能使电解槽整个体系温度上升1℃。

如果仅相对于电解质和铝水而言会有3℃的变化。

通过对换极后的温度变化，我们可以推测和估计我们电解槽的初晶温度和过热度的合理保持范围。

经初步分析，如果分子比保持2.30～2.35，氧化铝浓度2～3％，初晶温度应该在940左右，这与理论计算的初晶温度也基本一致。

如果平均过热度保持10℃左右，我们的电解温度应保持在948～955℃。

电解质温度高于960℃的电解槽肯定过热度高，其换极后的降温幅值也必然大。

为了满足氧化铝溶解和炉帮稳定我们需要保持8～10℃的平均过热度，按照适宜的铝水平条件，电解槽中心温度与边部温度会存在6～8℃的温差，这要求必须提供4℃的平均过热度，氧化铝溶解在下料点局部还会产生4～5℃温差，因此保持8℃的过热度是必须的，保持10～12℃才能稳定生产。

而我们平时测量时没有考虑边部与中心以及过欠下料的温差，所以会看到5℃左右的过热度也能稳定运行，这其实是测量和计算中的误差造成的。

如果不考虑槽内不同位置对测量误差的影响，则保持6～8℃的过热度是平稳生产的需要，这与国外常常报导的7℃左右的过热度数据是基本相符的。

1.6. Q热由于各子项在电解生产期间是频繁波动变化的，因此电解槽的热平衡必然是相对的动态平衡。

相对于四个子项而言Q热是随之被动的、滞后的变化的，波动初期Q热的变化值小于四个子项之和，大部分的热能由电解槽热平衡体系先储存或者释放，从而表现为槽温和炉堂的频繁波动，最终实现动态热平衡。

但这个动态的热平衡不一定是我们需要的理想的热平衡状态，因为我们已经把理想的热平衡状态定格为6～8℃的过热度标准，因此我们还需要对电解槽的热平衡进行调整，以实现我们高效、低耗、优质、长寿的生产目标。

Q热实质上就是电解槽与大环境之间的热交换值，包括热对流和热辐射，而热传导则归入了∑(H T-H298)内。

Q热值的计算存在许多的变数而很复杂，既有电解槽热平衡体系变化的因素，也有大环境变化的因素，但主要受电解槽热平衡体系变化影响，主要包括炉帮的厚度变化，体系热交换系数变化，保温料厚度变化，换极作业液面敞开时间变化等等，其中体系热交换系数变化则主要包括铝水平、电解水平、流体流速。