调整下料间隔对铝电解其他工艺参数的影响.doc

调整下料间隔对铝电解工艺参数的影响
李 贤 刘民章
（青海桥头铝电股份有限公司 青海 西宁 810100）
摘 要：调整电解槽的下料量可平衡电解槽各项技术条件，从而达到稳定电解生产的目的。充分了解电解槽下料量对电解质成份的影响，总结生产过程中下料间隔的调整方法，对于把握电解槽槽况的发展趋势以及对电解质成份的调整将会起到较好的作用。
关键词：铝电解；NB间隔；过热度；炉膛内型；初晶温度
Effect of adjusting feeding interval on
technical parameters for aluminium electrolysis
LI Xian LIU Min-Zhang
（Qinghai Qiaotou Aluminium & Power co.,LTD Qinghai Xining 810100）
Abstract：Adjusting the feeding volume of electrolyzer can balance the technical conditions, so as to achieve the purpose stabilizing electrolytic production.
It will play a better role for grasping the tend of electrolyzer and the adjustment of electrolyte composition by fully understanding the effect of feeding quantity on electrolyte composition and summed up the adjustment method of the interval in production process。
Keywords：aluminium electrolysis；NB interval；overheated degree；inside shape of furnace tank；initial crystallizing temperature
某公司240kA大型预焙阳极电解槽，虽然在设计上采用了中间点式下料，优化了A12O3下料方式 ，还装置了1.8L筒式下料器4点下料，并两两交错打壳下料。但实际生产中几乎所有（除新启动）电解槽炉底都出现不同程度的沉淀和结壳，而过多沉淀和结壳就破坏了电解槽的稳定运行，影响了技术参数、电解质的性质、炉膛内型等各项参数之间的关系。通常，在电解生产情况下，各项技术参数的调整不是独立的，而是相互关联与相互影响的。因此，为了实现电解槽稳定高效运行，必须搭配好与电解槽相匹配的技术参数，所以调整好NB间隔，控制好氧化铝的下料量对生产有着重要的实际意义。
1 NB间隔及下料量的计算
NB就是正常下料（normal below英文的缩写）,所谓加料基准时间间隔是指加料器容量除以单位时间设计的氧化铝消耗量而言，采用加料基准时间间隔的加料为正常加料，在一定的时间内添加氧化铝，其时间间隔比正常加料时间间隔较短（过量加料），而其余添加氧化铝的时间间隔较长（欠量加料），NB间隔就是第一次正常下料与第二次正常下料的时间间隔。
根据中间下料预焙槽的工艺要求及下料制度的规定，计算每次下料的量：已知电流强度240kA，下料周期为89s，设电流效率为94％，氧化铝单耗指标为1930kg／t·A1。下料量可由下式计算：

式中：Q--下料量，kg;
0.3356 ----铝的电化当量，常数， g/A.h；
I----电流强度，kA；
η---- 电流效率，%；
s----氧化铝单耗，kg/t.A1；
C----下料周期，S。
四个下料点，两两交错打壳下料每次下料约为3.6kg，一个下料点下料量为1.8kg，现在铝电解所用的料全部是载氟氧化铝和新鲜氧化铝的混合料，由于载氟氧化铝和新鲜氧化铝存在很大的不均匀性，所以每一个下料点实际的下料量在1.5kg～2.0kg之间。
2 调整NB间隔对槽况的影响
2.1 对电解温度的影响
电解温度是电解生产最重要的指标之一，电解质温度正常与否对电解槽的工作指标有决定性的影响。各种添加剂对初晶温度有着很大的影响。从表1可以看出，在各种添加剂中LiF对初晶点降低值的影响最大，MgF2次之，以下为BaCl2、A1F3、A12O3 、NaC1。可见Al2O3也可降低电解质初晶温度，且仅次于A1F3。A12O3的溶解反应过程要消耗一定的热量。氧化铝供给不足时，电解质中缺乏氧化铝易发生阳极效应，阳极效应频繁发生时，槽温明显升高，电解质的挥发就增大，使得电解质中A1F3的含量减少，分子比升高，过热度增大，物料的损失增加；氧化铝供给过多可避免阳极效应发生，降低分子比可适当调整过热度，促进氧化铝的溶解，但槽温过低易造成电解质过黏，分子比过低易造成电解质溶解氧化铝能力减小，容易产生沉淀。要想使氧化铝有很好的溶解，就必须保持适宜的过热度。在比较合适的分子比下保持较合适过热度，某公司电解过热度一般保持在8～12℃。
表1 添加剂对电解质初晶点的影响
Tab.1 Effect of additives on electrolyte initial crystallizing temperature
体 系
初晶点/℃
共晶点
/℃
共晶组成
（摩尔分数）/%
共晶组成
/%
初晶点降低值/℃（1%添加剂）-1
Na3AlF6
添加剂
Na3AlF6
添加剂
Na3AlF6
添加剂
Na3AlF6-Al2O3
(简单共晶系)
1011
-
962.5
80.3
19.7
89.4
10.6
4.6
Na3AlF6-CaF2
(简单共晶系)
1011
-
946
50.0
50.0
72.9
27.1
2.4
Na3AlF6-NaCl
(简单共晶系)
1009
801
740
10.6
89.4
30.0
70.0
3.8
Na3AlF6-LiF
(简单共晶系,并不连续溶区)
1010
848
694
15.0
85.0
59.6
40.4
7.8
Na3AlF6-MgF2
1011
-
最低点
920
62.3
37.7
84.8
15.2
6.0
Na3AlF6-NaF
(简单共晶系)
1009
995
888
9.0
91.0
33.0
67
1.8
Na3AlF6-AlF3
1009
-
690

81.0
37.0
63
5.0
Na3AlF6-KF
1010
-
890
744
44.9
8
55.1
92
75
24.3
25
75.7
4.8
3.6
Na3AlF6-BaCl2
(简单共晶系)
1010
962
710
45.8
54.2
46
54
6.5
2.2 对电解质性质的影响
氧化铝含量对电解质的性质如密度、熔点、导电度、黏度有影响，特别对电解质的导电度影响。从下图中可以看出，A1F3、A12O3 、MgF2、CaF2都能使电解质的导电率降低，其中氧化铝对导电度影响最强，而LiF、NaCl和NaF使电解质的导电率提高。电解质的导电率随着氧化铝浓度的增大而减小。各种添加剂对电解质导电性的影响见图1。
存在于电解质中的炭粒使电解质的电压降增大，悬浮在电解质里的一些胶状氧化铝以及随原料带来的氧化物杂质也使电阻率增大，其综合的影响使电解质的电导率大约降低0.12～0.18/Ω-1.cm-1。
目前几乎所有铝电解企业都实践、探讨降电压工艺。工业生产中电解质的电压降约占槽电压的30%，所以在电解生产中应采取必要的措施提高电解质的导电度，这对于降低电解质压降，提高电流效率，降低电耗具有重要的意义。所以适当调整NB间隔、控制好氧化铝的下
料量，严格控制氧化铝浓度，才能改善炉底状况以及电解质的导电率。

图1 各种添加剂对电解质导电性的影响
Fig.1 Influence of various additives on conductibility of electrolyte
2.3 对炉膛内型的影响
氧化铝供给不足时，电解质中缺乏氧化铝易发生阳极效应。阳极效应频繁发生时，槽温明显升高，对规整的炉膛会造成一定的破坏。而规整的炉膛是槽寿命、电解槽稳定运行的基本条件。因此以炉膛为中心，其他参数的调整都应为炉膛服务；氧化铝供给过多可避免阳极效应发生，电解质成分发生变化，电解质发粘氧化铝溶解能力下降而炉底产生大量的沉淀，增加炉底压降，还有沉淀在磁场的作用下移动到角部阳极底下，角部阳极处热量和磁场比中间阳极就差，消化氧化铝的能力就差，这样很容易出现角部肥大的现象，出现炉膛不规整，破坏了电解槽的正常运行，对更换角部阳极操作带来不便。氧化铝浓度高，电解质对阳极的润湿变好，有利于碳渣的分离。当电解质中碳渣较多时，电解质表面漂浮着一层碳渣，使加入电解槽内的氧化铝无法溶解到电解质中。氧化铝浓度控制范围应设置在既不易产生阳极效应，又不易产生沉淀的一个较小的变化范围内。氧化铝浓度的均衡是实现低耗高效生产的关键。长期的生产实践表明，氧化铝浓度保持在1.5～3.0％是实现低效应和炉底无沉淀的最优浓度，调整NB间隔可使槽电压和分子比满足低浓度生产的要求。
3 根据电解槽的实际状况准确把握调整NB间隔
240kA预焙阳极电解槽在设计上氧化铝浓度控制在2%～3%之间，而目前国内外最先进的氧化铝浓度控制在很窄的低浓度区域（1.8～2.5%），也有效避免了电解过程中沉淀的产生和阳极效应的发生，并获得了理想的物料平衡控制效果，同时对热平衡的稳定形成“良性互动”关系。目前，某公司电解车间大部分电解槽内氧化铝浓度波动范围已控制在2.0%～2.74%之间，平均氧化铝浓度2.54%，合格率已达到90%以上。对氧化铝浓度进行抽样分析结果见表2。
表2 氧化铝浓度分析表
Tab.2 Analysis for alumina concentration
槽 号
312
316
318
323
326
327
329
氧化铝浓度（%）
2.28
2.28
2.46
3.10
2.74
2.00
2.28
在实际电解生产中，氧化铝浓度范围很难控制，主要原因是在强调氧化铝浓度时忽略了其他条件的制约，氧化铝浓度在影响着其他技术条件的同时，也被其他条件所制约着。调整NB间隔的目的就是利用氧化铝对电解质成分、能量平衡、槽膛的影响，去适应低氧化铝浓度的生产。要保证所做出的调整能改善电解槽的运行状况，而不是加剧电解槽向不利方向发展。
3.1 调整NB间隔所依据条件
调整NB间隔首先要保证下料口火眼敞开，保证下料器下出的氧化铝能顺利进入电解质中；保证电解质表面没有碳渣堆积；保证中间壳面与电解质表面有定的距离，使氧化铝能分散到下料口附近的电解质表面，利于氧化铝的快速溶解。
3.2 根据电解槽的历史曲线分析调整NB间隔
3.2.1 当欠量周期偏长时，首先要判断NB间隔是否偏短，如果偏短则适当延长NB间隔，然后再判断电解槽是否有转热的趋势；如果槽电压比较稳定，而NB间隔又基本合理，则很可能是电解槽转热的表现，如果电解槽转热，首先要延长NB间隔，然后观察设定电压，如果设定电压偏高于目标电压，则优先降低电压，保持理论的氟盐消耗添加量，如果设定电压与目标电压偏差不大，则要加大氟盐添加量来抑制热趋势。
3.2.2 当欠量周期偏短时，首先要判断NB间隔是否偏长，如果偏长则适当缩短NB间隔，然后再判断电解槽是否有转冷的趋势；如果电压比较稳定摆动幅值有增大趋势，而NB间隔又基本合理，则很可能是电解槽转冷电解质溶解能力不足的表现，如果电解槽转冷，首先要适当缩短NB间隔，防止效应突发，然后观察氟盐添加量，如果氟盐添加量偏大，则优先降低氟盐添加量，然后小幅度提高设定电压抑制冷趋势，如果氟盐添加量本来就较小，则要适当提高槽电压并加大出铝量来抑制冷趋势。
3.3 电解槽出现电压摆现象时的NB间隔调整
电解槽出现电压摆现象的原因有以下几个方面：炉膛不规整，个别阳极底下沉淀过多，个别阳极底掌下有大结壳块，换极时个别阳极放的过低，抬母线过程中个别阳极下滑，阳极底掌由于沉淀过多或碳渣聚集过多导致的长包等现象，这些都有可能产生电压摆。其中炉膛不规整是造成电压摆最常见现象，要了解这种电压摆的一些特征，一般有好几块相邻阳极的电流分布都高，阳极电流分布摆幅大，这种有可能是边部过空导致水平电流过大造成的。如果是这几块相邻阳极的电流分布都高且摆幅不是很大，就有可能是阳极底掌出现了问题。沉淀过多，结壳过多时适当延长NB间隔。
4 结语
通过合理的调整NB间隔，改善炉底状况，降低炉底压降，提高电解槽技术参数稳定性，进一步提高电解槽的稳定性运行和电流效率，实现电解槽在低氧化铝浓度下电解生产。 而工业电解铝生产追求电解槽在一个较窄的范围内控制、较低的氧化铝浓度下生产。
参考文献：
[1]邱竹贤．预焙槽炼铝(第三版)[M]．北京：冶金工业出版社，2005．

作者简介：李贤，男，青海省民和县人，1980年5月出生，2005年毕业于青海大学机械系冶金工程专业，青海桥头铝电股份有限公司技术中心，助理工程师，主要从事铝电解工艺技术研发工作。
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通讯地址：青海省西宁市大通县宁张路70号 青海桥头铝电股份有限公司技术中心

刘民章，男，陕西省大荔县人，1961年10月出生，1983年毕业于陕西机械学院铸造工艺及设备专业，青海桥头铝电股份有限公司技术中心，高级工程师，主要从事铝加工研发工作。
联系电话：Tel:[phone]（办公）；移动电话：[phone]
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