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1、现代铝电解技术发展浅析,报告人：田应甫 周雪娇 重庆科技学院 冶金与材料工程学院 重庆 2015年5月8日,1,主要内容,前言,1,中国铝电解目前存在的技术难题,3,现代铝电解技术发展浅析,4,中国铝电解技术现状,2,前言,从2003年起，我国已是全球最大原铝生产国。2014年中国原铝产量达到2438万吨，约占全球产量的48%。 ， 系列电解槽的容量已达到500KA，600KA的超大型槽已试验成功,2014年全国铝锭交流电耗降为13596Kwh/t-Al1，成为世界上铝电解能耗最低的国家。 但是，中国铝电解技术并不是尽善尽美。随着电解槽超大型化，仍有许多技术瓶颈需要突破。,1 中国铝电解技术现
2、状 1.1 中国铝电解槽 中国上世纪70年代末从日本引进160KA大型预焙槽后，经过约15年消化吸收，于上世纪90年代中期开发成功了具有我国自主知识产权的200KA、240KA、280KA、300KA大型预焙槽。近十年中，中国的铝电解槽设计技术已有具大发展，300KA至500KA超大型预焙槽已成为我国电解铝的主产槽型，2013年底，我国又试验成功了600KA超大型预焙槽。,1.2 电解槽的操作管理 随着中国铝电解槽的大型化和产量提高。铝电解槽的操作管理水平也有大幅度提高，集中表现在大型预焙槽运行稳定性和劳动生产率的大幅度提升。现在无论多大的电解槽及系列、再未出现过连续病槽的状况，电解槽完全处于
3、设计的技术条件范围内长期稳定运行，劳动生产率从上世纪八十年代不足20吨/人年，提高到目前的500吨/人年左右，个别系列已突破600吨/人年，达到世界先进水平。,1.3 电解槽的控制水平 铝电解槽的自动化控制，经过近30年研究，已从引进的160KA槽的电压调整，定时下料的简单控制，开发成功了低氧化铝浓度自适应控制技术，使大型预备铝电解槽实现了槽温稳定、炉膛稳定、炉底干净、运行稳定，并有效地将阳极效应系数控制到0.1次/槽日以下。有些槽基本实现了无效应操作。目前，电解槽控制技术已在向槽热量自适应方向发展。,1.4 铝电解节能技术及能耗 近年来，中国成功开发出了具有显著节能效果的异性阴极、双阴极钢板
4、等一系列阴极节能技术，开槽阳极、穿孔阳极等阳极节能技术，使我国铝电解能耗达到了世界先进水平，比世界平均铝电解能耗低1000Kwh/t-Al左右。,1.5 铝电解原材物料消耗 电解槽的控制水平、操作管理水平的提高，使我国电解槽能长期处于较低的槽温下稳定运行，长时间不出现病槽，生产中物料挥发、高温烧损大大减少，生产每吨铝的各种物料大大降低。如氧化铝消耗达到了1920Kg/t-Al以下，阳极毛耗达到490Kg/t-Al以下，氟化盐消耗达到20Kg/t-Al以下。电解槽寿命已从10年前的不足1500天达到目前平均2300天。既降低了阴板材料消耗，也大大降低了修槽废料的产生。,2 中国铝电解目前存在的技
5、术难题 从中国目前已运行的大型及超大型预备槽看， 首要问题是电解电流效率不高。大部分生产系列电解槽运行槽电压在3.90V到4.0V之间。电流效率在90%到92%之间，与国外相比，电流效率相差3到5个百分点； 其次是电解槽寿命虽有较大提高，但仍不及国外同类型槽寿命； 第三是电解槽设计技术，尤其在磁场、热场、力场的模拟计算方面，与国外存在较大差距，这也许是电流效率不高的主要原因；,第四是电解槽控制技术不完善，仅仅依靠系列电流和槽电压两个在线参数，很难准确反映电解槽运行的实际状态； 第五是电解槽运行状态仿真模拟及在线技术发展滞后，人们无法知晓电解槽内部实际状态； 第六是废槽衬的无害化处理，资源的综合
6、利用技术跟不上电解铝工艺的发展，使得大多槽废料成了企业的心病； 第七是电解槽大型化的隐忧，无限大型化的优势在哪？有没有投资、能耗、管理和运行优势？,3 现代铝电解技术发展浅析 中国铝电解技术总体不落后于外国，但仍有许多技术问题需要大力开展科研创新，将中国铝电解技术推向更加高端，为此，下面做些粗浅分析 3.1 深入物理场研究 从现代大型预焙槽技术发展看，电解槽的物理场不再是传统的“三场”，而是“六场”，即电场、磁场、热场、力场、流场和浓度场。而且，对物理场的认识也不再局限于“稳态、均一和固定”的思维中，而是必须以“非稳态、非均一、非固定”的观点，思考物理场在电解槽运行中的状态2。,电场：不仅要考
7、虑阳极电流分布、阴极电流分布，必须研究电流在电解质层、铝液层中流向及分布，研究阴极炭块中的电流流向及阴极钢棒中电流的分布，更要研究阳极电流分布的非均一性、非稳定性、非固定性，电解槽炉底沉淀或结壳对铝液层及阴极炭块中电流走向及分布的影响3，从而设计出电场更趋于理想分布的电解槽来，提出更能保证理想电场状态的操作、管理方法来。,磁场：磁场由电场产生，但电场理想并不等于磁场理想。不同方向的电流分布将产生不同方向的磁场和磁场强度。所以，磁场的大小不仅取决于电流的大小，而且取决于电流的方向。磁场的研究首先必须深入研究槽内电场的分布和走向，得到确切的槽内磁场状况，才能做出槽周母线正确的配置来。第二必须重视水
8、平磁场对电流效率的影响研究。水平磁场是引起铝液流动、旋转的根源，也许正是它造成了电流效率低下的主要因素。第三：必须深入研究完善的磁场仿真计算模型，开发计算程序，使得计算结果与实际状况准确相符。,热场：电解槽基本是一个单一供热体，其热量主要来源于电能。近年来电解槽低极距、低槽电压的运行，彻底颠覆了长期固守的大型预焙槽“散热性”理念，由此铝电解节能明显。但电解槽的热场研究不仅仅是节能，更与电解槽寿命有密切关系，正是这方面的研究比较薄弱。大型和超大型电解槽必须高度重视槽寿命，就必须加强电解槽热量传输，热场分布的研究，使电解槽在运行中总能保持任何点上温度均匀，热量平衡，能够形成规整的炉膛，保证高效长寿
9、命。应加强新材料（如石墨化阴极）、新技术（如阴极钢棒磷生铁浇注）等应用后的炉底热场研究，使炉底压降降低能在节能上体现出来。,力场：电解槽主要受重力、电磁力、热应力和液体运动冲击力综合作用，重力和热应力主要引起电解槽变形和内衬破损；电磁力主要引起熔体运动，干扰电解槽平稳运行；冲击力冲刷炉膛，也使铝液形成漩涡，甚至飞溅。力场研究不能仅局限在电解槽外部钢结构变形上，必须与电场、磁场、热场及电解槽内衬寿命结合起来，电解槽运行状态结合起来，才能做出最合理的电解槽结构设计来。,流场：流场主要研究电解槽中熔体（电解质液和铝液）的流动方向、速度以及由各点熔体流动方向和速度不同而形成的熔体表面形态。目前在铝液流
10、速上做了较深入的研究，在流动方向上也做了不少工作，但在铝液表面形态研究上做的较少。现代大型预焙槽炉膛面积大，熔体流动范围大，容易产生铝液表面起伏。阳极和阴极电流分布的变化将产生不平衡的垂直、水平（X方向、Y方向）磁场力，使铝液产生湍流、旋转，这些严重影响电解槽平稳运行和电流效率，研究它，对电解槽的设计改进和生产指导意义重大。流场目前主要通过模拟计算，测试手段相对落后，研究高精度流场测试设备势在必行。,浓度场：浓度场是近年提出的新的物理场概念，主要指电解质中的氧化铝浓度分布，氧化铝在电解质中的溶解模式及溶解速度。现代大型预备槽容量越来越大，电解槽的宽度虽增加不多，但长度越来越长。点式下料方式，将
11、氧化铝从固定点投入液态电解质中，经热扩散和电解质流动快速分散。氧化铝的浓度场与电解质的流场直接相关，可根据电解质流动建立氧化铝浓度模型，计算各点氧化铝浓度和溶解速度，找出最佳下料点，控制大型槽的“微”阳极效应4，也可以此研究铝在电解质中的溶解模式，降低铝的溶解损失。,六场耦合研究：研究表明，电解槽的六场呈现出相互耦合的密切关系，电场是其他物理场形成的根源，电场产生磁场，热场；磁场和热场产生力场，热场和力场产生流场，流场和热场产生浓度场，六场的耦合关系决定着电解槽的运行状态、电流效率、能耗和槽寿命。从理论上讲，六场应能进行耦合求解，但更多地耦合关系目前知之甚少，正是需要研究之处。,3.2 电解槽
12、运行状态的在线仿真模拟计算 目前，电解槽的模拟只做到电场稳态分布的状况，但实际中阳级、铝液、阴极中的电流分布均不是均匀稳态，模拟的结果与实际相去甚远。生产中很需要了解电解槽的实时状态，要实现这点，必须获得运行的电解槽在线的阳极、铝液层中、阴极电流的实时分布，如果我们能获得这些实时数据，根据物理场耦合关系就可以仿真模拟出实时的炉膛状况，铝液的流场状况，铝液与电解质液的交界面状态，也可以定位出阳极电流过大过小、阴极炉底沉淀或结壳的位置，既可以为生产管理提供切实指导，也可检验设计的合理性。,目前，阳极电流和阴极电流实时分布的在线检测设备开发并已获得了一定成功，中南大学李贺松教授已开发出了实时仿真模拟
13、软件，可将电解槽实时铝液表面，炉膛实时形状，炉底实时状况在计算机上在线显示，这些开创性工作极有意义，需加大研究力度，将现代铝电解槽推向数值化时代。,3.3 铝电解槽的现代控制 电解槽的自动化控制，目前仅作到了氧化铝相对浓度的自适应。其他许多与热平衡，物料平衡相关的运行参数还需靠人工调整管理。近年来，有学者提出了“多参数自动寻优”、 “各目标协同优化临界稳定”控制模型5，但由于目前能直接在线采集的参数仅有槽电压和系列电流，远远达不到上述模型的要求，要实现这些目的，必须有更多的参数（如电解质成分，电解质温度，电解质水平，铝水平等）在线输入。所以，铝电解的现代控制技术，必须优先在在线参数获取上要有突
14、破，有了更多参数，才能树立更先进的控制理念，建立更完善的控制模型，做出更优化的控制程序，达到更可靠的控制目的。,3.4 铝电解大数据综合应用 电解槽的运行中，槽控机采集了大量的信息、数据，这些信息和数据既反映了电解槽当时的运行状况，也是之前运行状况的演变结果，更是之后运行状况的必然趋势，但目前，对这些海量数据，并未让其发挥充分作用，仅起到表征当时状况。随着大数据时代的开启，按照电解槽运行特性，建立相关数据解析模型，定时对这些数据解析，获得电解槽运行状况的变化规律，发展趋势，并返回自动调节，可使电解槽长期自适应控制，稳定高效运行。,3.5 全密闭节能减排电解槽开发 目前的电解槽上部并未做到全密闭
15、，许多部位向外排放含毒烟气。烟气净化系统目前可以将烟囱排放的烟气净化得非常好，但无法净化无组织排放的烟气，仍使氟化盐消耗较高并严重污染环境。李贺松与田应甫等共同申请了全密闭电解槽结构发明专利6（如图1），目前我们正在与重庆四维环保公司，阿坝铝厂共同设计，准备在360KA槽上试验，若获得成功，有望将氟化盐消耗降到10kg/t-Al以下；可进行电解槽上部保温；电解槽烟气量大大降低后，减少净化设备投入，降低净化风机耗电；烟气中的SO2、CO2浓度会提高，为以后烟气脱硫，CO2捕集等开辟方向。,3.6 新型阴极材料应用 大型或超大型电解槽内衬投资巨大，必须把电解槽寿命当成头等大事之一来对待。虽然目前我
16、国电解槽寿命已超过2000天，但应追求槽寿命3000天以上。电解槽的筑炉材料是影响槽寿命的重大因素之一。我国已有多家阴极炭素厂生产出了比电阻低，抗氟化盐侵蚀极强的优质石墨化阴极，并大量出口国外，但中国却用之甚少。石墨化阴极由于吸电解质量少，热膨胀小，所以对电解槽的力场稳定性极好，有助于延长槽寿命。国外广泛使用的冷揭糊具有高温“柔性”微膨胀，电解槽焙烧启动初期，阴极炭块高温收缩，冷捣糊的微膨胀将弥补炭块收缩而不形成缝隙；当电解槽运行一段时间后阴极炭块产生膨胀时，由于冷揭糊的膨胀是柔性的，可以被炭块的硬性膨胀压缩，起到缓冲炭块膨胀应力，使炭块与扎糊之间更加紧密。这些对延长槽寿命极为有利，建议广泛推广使用。,3.7 电解槽废槽衬综合利用 目前研究废阴极炭块提纯的试验较多，也有少量的工业应用生产线，但大规模应用并未形成，这方面研究需进一步加强，以解决日益严重的环境污染问题。 废槽衬中的耐火材料部分虽说污染不严重，但也不能重复利用，仍然是一大废料，建议开展高铝（含氧化铝70%以上）耐火材料（保温砖、耐火砖等）作为电解槽内衬的应用研究，如果强度、保温性可满足，使
