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[摘 要]采用点式下料、Al2O3浓度控制技术的基础上，对槽电压、分子比、电解温度、AE系数等工艺技术条件进行综合研究，提出铝电解“一高四低”工艺技术，并与传统的工艺进行了对比，结果表明该技术可大幅度提高电流效率，降低电耗。
[关键词]点式下料；Al2O3浓度；电解温度；电流效率；分子比；槽电压
中图分类号：TM714.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）39-0002-01
1 前言
随着Al2O3点式下料与Al2O3浓度控制技术的不断发展，铝电解过程的电流效率不断提高，吨铝电耗不断下降。Al2O3点式下料技术是在电解槽中间多点（一般2～6点）小容量加料，每点每次Al2O3加料量1～2kg，加料基準间隔时间60～150s。Al2O3浓度控制技术是利用槽电阻与Al2O3浓度的关系曲线，跟踪槽电阻变化，计算槽电阻对于时间斜率值，根据槽电阻斜率大小确定Al2O3加料对策，以控制槽内Al2O3浓度在1.5%～3.5%的范围内。
2 槽电压、电流效率与电耗关系
高的槽电压，可以提高电流效率，同时也增加电耗；而电流效率提高也可以降低电耗。国内铝电解行业往往注重通过槽电压降低电耗，而忽略提高电流效率也可降低电耗，因此采用低槽电压，但实际上达不到降低电耗的目的。国际上铝电解广泛采用高槽电压，尽可能得到高电流效率，达到降低电耗的目的。
现在问题的关键是槽电压如何提高以达到大幅度提高电流效率的目的。从电解槽能量输入与输出分析：能量输入部分仅有槽电压；能量输出则有产铝（电流效率）和热损失两部分，而且这两部分均直接与电解温度有关，其中：热损失与电解温度成正比，而电流效率与电解温度成反比。因此，只要解决好槽电压与电解温度的关系，即提高槽电压，维持电解温度不变或者还有下降。从电解槽能量平衡角度考虑，提高槽电压相当增加槽能量输入，电解温度维持不变，则热损失输出基本维持不变，这样多输入的能量就用于提高电流效率，增加产能。因此上述问题又归结到槽电压与电解温度的关系上。
3 电解温度与电流效率的关系
研究表明：正常条件下，电解温度每降低10℃，则电流效率提高1.5%～2.0%。在平果铝160kA系列生产槽上，选择电解温度梯度为5℃其槽况基本相同的正常生产槽，进行电解温度与电流效率的测试。电流效率测试方法采用气体分析法：分析电解气体中CO2浓度测定电解槽瞬时电流效率（Z）。
综上所述，影响电流效率最直接、最重要的因素是电解温度，电解温度的高低在很大程度上反映出电流效率的高低，即电解温度低，则电流效率高；反之，电解温度高，则电流效率低，为了提高电流效率，降低电耗，电解槽应实现低电解温度的稳定控制。
4 槽电压、分子比、电解温度三者的关系
4.1 电解质分子比与电解温度的关系
降低电解温度的途径有：①降低电解温度与初晶温度之差，即电解质的过热度；②降低电解质初晶温度。
点式下料技术已成功解决降低电解质的过热度问题。采用4个1.81L筒式下料器的试验槽比采用4个15kg-Al2O3风动下料器的原生产槽，电解质的过热度降低～10℃，即电解温度降低～10℃。
降低电解质初晶温度的方法有：①加氟化盐，如LiF、MgF2等；②降低电解质分子比，即加AlF3。前者虽然能降低电解质初晶温度，但对于电流效率影响比较复杂，因此，普遍采用降低电解质分子比方法来降低电解质初晶温度。
在研究电解质分子比与初晶温度关系的过程中，主要考虑Al2O3浓度和CaF2含量，因此，现场大量取样后，首先化验分析，筛选出Al2O3为2.0%左右、CaF2为4.0%～6.0%的电解质样，然后分析确定其分子比，最后理化测试其初晶温度。
平果铝厂电解质的分子比与初晶温度的对应关系。电解质分子比与初晶温度成线性对应关系，而且分子比每降低0.1，初晶温度大约降低3～4℃；当分子比控制在2.2～2.4范围时，对应的初晶温度约为923～930℃。
国外普遍采用低分子比电解质进行铝电解生产，一般控制在2.30左右。
4.2 槽电压与分子比的关系
槽电压实际上是指槽设定电压，采用低分子比电解质进行电解生产，有利于电流效率提高，而且分子比每降0.1，则电流效率提高0.5%，同时，低分子比有利于降低电解温度，大幅度提高电流效率。但是低分子比将引起电解质电阻增加，如在槽设定电压不变的条件下，相当于电解槽极距降低，影响其电流效率的提高。因此，在降低电解质分子比的同时必须提高电解槽设定电压。
5 阳极效应研究
阳极效应（AE）对电解过程稳定性破坏极大。AE发生后，电解温度从正常值950℃左右上升到980℃左右，而且要80～100min才能恢复到正常值。如果AE系数选择为1.0，仅AE的影响就降低电流效率0.6%～0.8%。除此之外，一个AE增加吨铝电耗400kW·h，如果考虑电流效率降低影响，一个AE增加吨铝电耗500kW·h左右。但AE对电解过程也起如下作用：清洗工作阳极表面；净化熔体电解质，分离炭渣；消化槽底Al2O3沉淀；跟踪槽内Al2O3浓度（AE时Al2O3浓度为1%左右）。铝电解过程采用点式下料和Al2O3浓度控制技术后，后两个作用不明显。
国外先进铝电解生产技术均采用低AE系数，一般在0.1～0.3左右。国内铝电解AE系数都在1.0以上。贵铝二电解AE系数原日本轻金属株式会社（以下简称日轻）设计为1.0，早期生产时1.3左右。通过采用Al2O3浓度控制技术，目前国内AE系数已控制在0.5～0.7范围。
E系数设定值选择主要取决于阳极炭块质量和Al2O3物料特性。其中阳极炭块质量尤为重要，特别是低分子比、低电解温度的电解过程，电解质粘度增加，炭渣分离不易。因此，在阳极炭块质量好的条件下，AE系数可以设定较低，否则，设定较高值。砂状Al2O3溶解性好，粉状Al2O3溶解性差，因此，电解过程使用砂状Al2O3，AE系数可以设定较低值，否则，AE系数设定较高值。
国内比国外铝电解吨铝阳极净耗多30～50kg，比理论值多110～130kg，国外报道[8]：410kg阳极净耗可以在电解过程中保持平衡，即比理论值多出的70～80kg阳极在电解过程中可以氧化燃烧掉。实际上，国内铝电解每天要人工现场捞炭渣30～50kg。因此AE系数不宜设定太低，否则，熔体电解质中夹杂大量炭渣，影响正常生产。虽然AE系数不宜设定太低，但AE发生后持续时间可以重新考虑。AE持续时间越长，对电解槽破坏性越大，对电流效率和电耗的不利影响也越大。因此，AE持续时间可由原来设定5～9min缩短为2～5min。
6 结束语
①Al2O3点式下料与Al2O3浓度控制技术在电解槽上的应用使得“一高四低”工艺技术得以实现，即没有Al2O3点式下料与Al2O3浓度控制技术就没有“一高四低”工艺技术。
②电解温度是影响电流效率最重要因素，电流效率与电解温度成反比，即电解温度每降低10℃，则电流效率提高2.0%左右。
③铝电解“一高四低”工艺技术条件是以低电解温度为核心，建立在“以低电解温度求得高电流效率，从而达到降低吨铝电耗的目的。”的指导思想基础上的。
④铝电解“一高四低”工艺技术是一套完整的、配套的工艺技术，而且缺一不可。
⑤电解槽采用“一高四低”工艺技术可以大幅度提高电流效率，降低吨铝电耗。试验表明：电流效率可以达到94.27%，吨铝电耗降到13257kW·h。
参考文献
[1] 周铁托，潘阳生，陈永康，王有来.铝电解工艺技术综合研究[J].轻金属，2016
[2] 戴小平.160KA预焙铝电解槽工艺与控制技术综合优化的研究[D].中南大学，2015
[关键词]点式下料；Al2O3浓度；电解温度；电流效率；分子比；槽电压
中图分类号：TM714.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）39-0002-01
1 前言
随着Al2O3点式下料与Al2O3浓度控制技术的不断发展，铝电解过程的电流效率不断提高，吨铝电耗不断下降。Al2O3点式下料技术是在电解槽中间多点（一般2～6点）小容量加料，每点每次Al2O3加料量1～2kg，加料基準间隔时间60～150s。Al2O3浓度控制技术是利用槽电阻与Al2O3浓度的关系曲线，跟踪槽电阻变化，计算槽电阻对于时间斜率值，根据槽电阻斜率大小确定Al2O3加料对策，以控制槽内Al2O3浓度在1.5%～3.5%的范围内。
2 槽电压、电流效率与电耗关系
高的槽电压，可以提高电流效率，同时也增加电耗；而电流效率提高也可以降低电耗。国内铝电解行业往往注重通过槽电压降低电耗，而忽略提高电流效率也可降低电耗，因此采用低槽电压，但实际上达不到降低电耗的目的。国际上铝电解广泛采用高槽电压，尽可能得到高电流效率，达到降低电耗的目的。
现在问题的关键是槽电压如何提高以达到大幅度提高电流效率的目的。从电解槽能量输入与输出分析：能量输入部分仅有槽电压；能量输出则有产铝（电流效率）和热损失两部分，而且这两部分均直接与电解温度有关，其中：热损失与电解温度成正比，而电流效率与电解温度成反比。因此，只要解决好槽电压与电解温度的关系，即提高槽电压，维持电解温度不变或者还有下降。从电解槽能量平衡角度考虑，提高槽电压相当增加槽能量输入，电解温度维持不变，则热损失输出基本维持不变，这样多输入的能量就用于提高电流效率，增加产能。因此上述问题又归结到槽电压与电解温度的关系上。
3 电解温度与电流效率的关系
研究表明：正常条件下，电解温度每降低10℃，则电流效率提高1.5%～2.0%。在平果铝160kA系列生产槽上，选择电解温度梯度为5℃其槽况基本相同的正常生产槽，进行电解温度与电流效率的测试。电流效率测试方法采用气体分析法：分析电解气体中CO2浓度测定电解槽瞬时电流效率（Z）。
综上所述，影响电流效率最直接、最重要的因素是电解温度，电解温度的高低在很大程度上反映出电流效率的高低，即电解温度低，则电流效率高；反之，电解温度高，则电流效率低，为了提高电流效率，降低电耗，电解槽应实现低电解温度的稳定控制。
4 槽电压、分子比、电解温度三者的关系
4.1 电解质分子比与电解温度的关系
降低电解温度的途径有：①降低电解温度与初晶温度之差，即电解质的过热度；②降低电解质初晶温度。
点式下料技术已成功解决降低电解质的过热度问题。采用4个1.81L筒式下料器的试验槽比采用4个15kg-Al2O3风动下料器的原生产槽，电解质的过热度降低～10℃，即电解温度降低～10℃。
降低电解质初晶温度的方法有：①加氟化盐，如LiF、MgF2等；②降低电解质分子比，即加AlF3。前者虽然能降低电解质初晶温度，但对于电流效率影响比较复杂，因此，普遍采用降低电解质分子比方法来降低电解质初晶温度。
在研究电解质分子比与初晶温度关系的过程中，主要考虑Al2O3浓度和CaF2含量，因此，现场大量取样后，首先化验分析，筛选出Al2O3为2.0%左右、CaF2为4.0%～6.0%的电解质样，然后分析确定其分子比，最后理化测试其初晶温度。
平果铝厂电解质的分子比与初晶温度的对应关系。电解质分子比与初晶温度成线性对应关系，而且分子比每降低0.1，初晶温度大约降低3～4℃；当分子比控制在2.2～2.4范围时，对应的初晶温度约为923～930℃。
国外普遍采用低分子比电解质进行铝电解生产，一般控制在2.30左右。
4.2 槽电压与分子比的关系
槽电压实际上是指槽设定电压，采用低分子比电解质进行电解生产，有利于电流效率提高，而且分子比每降0.1，则电流效率提高0.5%，同时，低分子比有利于降低电解温度，大幅度提高电流效率。但是低分子比将引起电解质电阻增加，如在槽设定电压不变的条件下，相当于电解槽极距降低，影响其电流效率的提高。因此，在降低电解质分子比的同时必须提高电解槽设定电压。
5 阳极效应研究
阳极效应（AE）对电解过程稳定性破坏极大。AE发生后，电解温度从正常值950℃左右上升到980℃左右，而且要80～100min才能恢复到正常值。如果AE系数选择为1.0，仅AE的影响就降低电流效率0.6%～0.8%。除此之外，一个AE增加吨铝电耗400kW·h，如果考虑电流效率降低影响，一个AE增加吨铝电耗500kW·h左右。但AE对电解过程也起如下作用：清洗工作阳极表面；净化熔体电解质，分离炭渣；消化槽底Al2O3沉淀；跟踪槽内Al2O3浓度（AE时Al2O3浓度为1%左右）。铝电解过程采用点式下料和Al2O3浓度控制技术后，后两个作用不明显。
国外先进铝电解生产技术均采用低AE系数，一般在0.1～0.3左右。国内铝电解AE系数都在1.0以上。贵铝二电解AE系数原日本轻金属株式会社（以下简称日轻）设计为1.0，早期生产时1.3左右。通过采用Al2O3浓度控制技术，目前国内AE系数已控制在0.5～0.7范围。
E系数设定值选择主要取决于阳极炭块质量和Al2O3物料特性。其中阳极炭块质量尤为重要，特别是低分子比、低电解温度的电解过程，电解质粘度增加，炭渣分离不易。因此，在阳极炭块质量好的条件下，AE系数可以设定较低，否则，设定较高值。砂状Al2O3溶解性好，粉状Al2O3溶解性差，因此，电解过程使用砂状Al2O3，AE系数可以设定较低值，否则，AE系数设定较高值。
国内比国外铝电解吨铝阳极净耗多30～50kg，比理论值多110～130kg，国外报道[8]：410kg阳极净耗可以在电解过程中保持平衡，即比理论值多出的70～80kg阳极在电解过程中可以氧化燃烧掉。实际上，国内铝电解每天要人工现场捞炭渣30～50kg。因此AE系数不宜设定太低，否则，熔体电解质中夹杂大量炭渣，影响正常生产。虽然AE系数不宜设定太低，但AE发生后持续时间可以重新考虑。AE持续时间越长，对电解槽破坏性越大，对电流效率和电耗的不利影响也越大。因此，AE持续时间可由原来设定5～9min缩短为2～5min。
6 结束语
①Al2O3点式下料与Al2O3浓度控制技术在电解槽上的应用使得“一高四低”工艺技术得以实现，即没有Al2O3点式下料与Al2O3浓度控制技术就没有“一高四低”工艺技术。
②电解温度是影响电流效率最重要因素，电流效率与电解温度成反比，即电解温度每降低10℃，则电流效率提高2.0%左右。
③铝电解“一高四低”工艺技术条件是以低电解温度为核心，建立在“以低电解温度求得高电流效率，从而达到降低吨铝电耗的目的。”的指导思想基础上的。
④铝电解“一高四低”工艺技术是一套完整的、配套的工艺技术，而且缺一不可。
⑤电解槽采用“一高四低”工艺技术可以大幅度提高电流效率，降低吨铝电耗。试验表明：电流效率可以达到94.27%，吨铝电耗降到13257kW·h。
参考文献
[1] 周铁托，潘阳生，陈永康，王有来.铝电解工艺技术综合研究[J].轻金属，2016
[2] 戴小平.160KA预焙铝电解槽工艺与控制技术综合优化的研究[D].中南大学，2015