铝电解槽炉底沉淀物的生成原因及控制措施

２０１５年１Ｏ月　第４４卷第５期（总第２５４期）　云南冶金　

ＹＵＮＮＡＮ　ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ　Ｏｃｔ．２０１５　

Ｖｏ１．４４．Ｎｏ．５（Ｓｕｍ２５４）　

铝电解槽炉底沉淀物的生成原因及控制措施　谭湘宁，矣红平，武明祖，李　钊　（云南铝业股份有限公司，云南昆明６５０５０２）　摘要：介绍了铝电解生产过程中电解槽炉底沉淀物产生的原因及对铝电解槽生产的影响，提出合适的处理　对策，对降低炉底压降、保证电解槽的稳定性、延长槽寿命、降低电耗有重要意义。　关键词：铝电解；炉底沉淀物；控制措施　中图分类号：ＴＦ８２１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６－０３０８（２０１５）０５＿ｏ０７４＿０３　

Ｔｈｅ　Ｃｒｅａｔｉｎｇ　Ｒｅａｓｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｆｕｒｎａｃｅ　Ｂｏｔｔｏｍ　Ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｉｎ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ　Ｃｅｌｌ　

ＴＡＮ　Ｘｉａｎｇ—ｎｉｎｇ，ＹＩ　Ｈｏｎｇ－ｐｉｎｇ，ＷＵ　Ｍｉｎｇ－ｚｕ，ＬＩ　Ｚｈａｏ　（Ｙｕｎｎａｎ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｋｕｎｍｉｎｇ，Ｙｕｎｎａｎ　６５０５０２，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｃｒｅａｔｉｎｇ　ｒｅａｓｏｎ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅ自ｆｅｃｔ　ｏｎ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ　ｃｅｌｌ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｅｌｅｃｔｍｌ—　ｙｓｉｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ＳＯ　ｔｈｅ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｍｅａｎｉｎｇ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｏｐ，ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ　ｃｅｌｌ，ｔｏ　ｐｒｏｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｃｅｌｌ　ｌｉｆｅ　ｔｉｍｅ，ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ；ｆｕｍａｃｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　

在铝电解生产过程中，电解槽炉底上少量的沉　淀物是很正常的，它能保护阴极炭块，但过多的沉　淀物对阴极有很大的危害，一方面它随流体流动而　磨损阴极，影响电解槽的寿命。另一方面生成　Ａｌ　ｃ，会增加槽电阻，使阴极上电流分布不均匀，　电解槽槽电压不稳定，增加电耗，所以铝电解生产　过程中要控制槽底沉淀物的生成，不断熔化过多的　沉淀物，才能降低炉底压降、规整炉膛，提高电流　效率和槽寿命，达到高效、低耗、长寿的目的。　１沉淀物形成的原因　铝电解槽炉底沉淀物一般含有冰晶石，２％氟　化铝，４０％氧化铝，３％氟化钙，２％Ａ１　Ｃ　，其中　还含有金属铝和杂质Ｓｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｉ和Ｐ以及　０．１％Ｆｅ混合物，凝固点为９５４℃＿１　Ｊ。炉底沉淀物　形成的原因主要有以下几个方面：　１．１分子比保持过低　分子比是铝电解生产过程中的重要技术控制参　数。经过理论分析和生产实践证明，降低分子比有　利于电解槽电流效率的提高　Ｊ。笔者所在的企业　系列电解槽采用多变量模糊智能控制技术后，氧化　铝浓度控制在较低的浓度范围（１．５％一２．５％），　在正常生产情况下，氧化铝不容易沉积生成沉淀。　但是，在实际生产过程中，有的电解槽分子比可能　偏离控制范围，在一段时间内处于过低分子比状　态，导致电解质初晶温度降低，电解质处于低温状　态。因为受到传质和传热限制，氧化铝扩散和溶解　速度变慢，不能立即溶解，很容易形成电解质和氧　化铝的冷凝团块，如果继续恶性循环发展，块状物　在流体的带动下沉到槽底，生成炉底沉淀。炉底沉　淀在铝水的覆盖下难以溶解，时间长则硬化成所谓　的结壳　。　

｝收稿日期：２０１４－－０４－－０２　作者简介：谭湘宁（１９７５一），男，湖南长沙人，有色冶金工程师，从事铝冶炼生产及管理。　

７４　谭湘宁，等铝电解槽炉底沉淀物的生成原因及控制措施　１．２电解质水平偏低　铝电解生产过程中，电解质既是氧化铝扩散和　溶解的介质场所，又起到调节槽温的作用，因此电　解质对电解生产有着非常重要的影响，电解质水平　是电解生产的一项重要参数。当电解槽工艺技术条　件失控，造成电解质水平偏低，引起电解质扩散、　溶解氧化铝的能力下降，通过定容下料器进入电解　槽中的氧化铝，有一部分溶解不掉而沉积到炉底形　成沉淀。　１．３电解槽铝量偏多　为了获得稳定高效的铝电解生产，电解槽内必　须保持适量的铝液水平　Ｊ。但是铝量过多，对电　解生产反而不好。一是增加整个电解槽的散热面　积，通过铝液散失的热量就大，会使槽底发冷，造　成电解质和氧化铝料的沉积；另外在电解槽有限的　容积空间内，挤占了电解质的空间，导致电解质水　平不容易控制，易使炉底生成大量沉淀和结壳。　１．４氧化铝浓度过大　当前铝电解生产系列均采用氧化铝浓度智能模　糊控制技术，通常将电解槽内的氧化铝浓度控制在　较低范围内。在无法适时采集氧化铝浓度的客观情　况下，只有依据槽电阻与氧化铝浓度之间的关系，　通过槽电阻的变化来调整氧化铝浓度。因此不能及　时、准确地反映电解槽内氧化铝浓度的实际情况，　特别在设备故障、人工作业的情况下，更容易造成　氧化铝浓度过高，使炉底生成沉淀。　１．５人工作业的影响　在电解生产过程中，电解槽定期或不定期的进　行一些人工作业，如：边部加工、阳极更换、出　铝、处理阳极效应、母线调整等。这一系列的人工　作业必然对铝电解生产过程电解槽的能量平衡、物　料平衡以及槽况的稳定性等方面带来干扰和影响，　尤其是阳极更换，通常定时投入到电解槽中的氧化　铝量都很大，电解槽在生产运行中无法及时对其溶　解消化，而未被溶解的氧化铝则逐渐沉积到炉底形　成沉淀物甚至结壳　Ｊ。遇到下料器漏料，添加氟　化铝、ＬｉＦ时操作质量不好会有大量的物料进入槽　内无法完全溶解沉到炉底，生成大量沉淀物，所以　操作质量对沉淀物的溶化速度影响特别大。　２沉淀物对铝电解生产的影响　电解槽底上的沉淀物会增加槽底压降，在熔融　状态下，软沉淀物的电导率为（１．０±０．２）Ｓ／ｃｍ，　大约为传统的熔融电解质电导率的一半　］，这样　增加电耗。虽然少量沉淀物更好地保护了阴极，但　是过量或结壳会导致电导率小，沉淀物周边阴极有　较大的电流密度，阴极易受到腐蚀，造成电解槽早　期破损，缩短槽寿命。其次，过量沉淀物易使炉膛　畸形，炉底角部长、严重时抵断阳极导杆，阴极电　流分布不均匀，电解槽稳定性差，图１变比曲线为　炉膛畸形引起电解槽电压波动的典型例子，同时导　致电流效率降低，电耗增加。　

４　４００　＞　乓４　２００　

丑］４　０００　３　８００　３　６００　５００　４５０　４００　３５０　２００　１５０　

图１某铝电解槽变比曲线　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｏｎｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ　ｃｅｌｌ　

３控制炉底沉淀物的对策　炉底沉淀物形成的主要原因在于工艺技术条件　保持不合理，操作质量达不到要求，使电解槽走向　冷行程后预防处理不及时的后果。炉底沉淀物一旦　大量产生，就要及时采取有效措施，及时将过多的　沉淀物熔化，避免炉底结壳的产生。　３．１保持适宜的技术条件　１）槽温、分子比保持不能过低。尤其是分子　比不能低于２．３，使电解质有较大的溶解氧化铝的　能力，槽温和分子比过低，氧化铝溶解度和溶解速　度降低，炉底偏冷，炉底沉淀增多；但槽温、分子　比过高，虽然可增强氧化铝的溶解能力，但也会使　炉帮熔化变薄，增大水平电流，降低电流效率，阴　极容易破损。一般来说槽温控制在９３５—９５５℃，　分子比控制在２．３～２．５０比较合理，这样既能保证　沉淀物不会增加，易于熔化多余的沉淀物，又能提　高电流效率，提高电解槽稳定性，降低电耗，延长　槽寿命。　２）适宜的电解质水平和铝液水平。铝液水平　过高，电解槽侧部散热过多，炉底散热也大，处于　冷趋势，也不利于沉淀物的熔化；而铝液水平过　低，炉帮无法形成，铝液流速大，二次反应增加，　导致电流效率降低。电解质水平过低，溶解氧化铝　能力低，热容量小，易形成冷槽，形成更多沉淀；　而电解质水平过高，虽然氧化铝溶解能力强，但会　７５　２０１５年１０月　第４４卷第５期（总第２５４期）　云南冶金　

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化爪，影响铝液质量，且电解质水平过高，阳极气　体不易排出，影响电流效率。因此，选择合理的铝　液水平和电解质水平尤为重要，一般情况下铝液水　平保持在２５—２８　ｃｍ，电解质水平保持在１８～２２　ｅｌＴＩ比较合适。　３）稳定的ＬｉＦ含量。ＬｉＦ虽然能降低电解质　的初晶温度，提高导电率，降低电解质压降，但是　ＬｉＦ能使氧化铝的饱和溶解度降低。所以一般Ｌｉ盐　含量控制在１．５％一２．５％之间，否则炉底沉淀会　增加，更不要谈熔化沉淀物了。　４）保持适量的保温料。在阳极炭块、炉面上　覆盖适量的保温料，可起到降低槽上部热损失，调　节电解槽能效热平衡的作用，使电解槽炉底温度稳　定，以促使电解质初晶温度等温线降至阴极炭块　之下。　３．２建立标准化的电解槽作业制度　电解生产过程中的人工作业或多或少地对电解　槽的物料平衡和能量平衡产生影响，依托ＩＳＯ９００１　质量管理体系的要求，建立一套标准化的铝电解槽　作业操作控制制度，从精细化管理人手，避免和减　少电解槽人工作业活动所引起的槽况波动。尤其在　更换阳极和物料添加这两项重要作业环节中，不可　避免地会将相当数量的氧化铝、面壳块等物料带入　电解槽中，从而造成氧化铝浓度偏高，未溶解的物　料落人槽底形成沉淀或结壳。因此必须严格执行标　准化作业，从作业准备、作业时间、适宜的作业工　具、相互的配合协调等方面来减少人工操作所带来　的影响。　３．３熔化多余的沉淀物　熔化炉底多余的沉淀物，首先要规整炉膛，以　形成坚固的炉帮。通过先进的计算机控制系统，使　氧化铝浓度保持在１．５％一２．５％，合理调整工艺　技术参数来提高物料的溶解能力，保证电解操作质　７６　量，不让过多的物料进入槽内沉降到炉底，使电解　槽处于平稳状态。其次就是要把过热度适当提高，　把冰晶石熔化后，混合物化开，使冰晶石熔化后漂　到电解质层，但由于氧化铝的熔点比较高，氧化铝　在铝液层无法熔化，氧化铝通过铝液流动被带到电　解质层进行电化学反应电解成铝。其它杂质ｓｉ、　Ｃｒ、Ｎｉ和Ｐ、Ｆｅ等进人铝液内被真空包抽走，生　成的碳化铝有一部分渗进阴极炭块内，有一部分进　入到铝液层或电解质层。最后就是在处理过程中要　监控好电解槽槽况，对电解槽进行方钢、炉底、槽　壳温度的测量跟踪，避免出现沉淀物“熔化过头”　的现象，增加电解槽的安全风险。