铝电解生产技术(production technology in aluminium electrolysis)

铝电解生产过程中电解槽的焙烧、启动和常规生产的总称。铝电解生产技术的运作关系到电解槽寿命(正常生产阶段约为3～5a)，并直接影响到电解槽的铝产量、铝质量和电耗等重要指标。现代化的铝电解厂都采用计算机进行监控。

铝电解槽焙烧   对电解槽焙烧的基本要求是：(1)缓慢地加热碳阴极，使之逐渐达到操作温度(1223～1253K)，避免在碳阴极中产生热应力；(2)均匀加热碳阴极工作表面，以尽量减少表面温度梯度，避免产生表面热应力；(3)以适当速度焦化沥青粘结剂，使之具有良好的粘结性能；(4)对自焙阳极电解槽还要逐渐地焙烧阳极糊，使之形成完整而具有足够高度的固体阳极，即所谓阳极锥体。

焙烧方法分为铝液焙烧法、碳粒焙烧法和燃料焙烧法。究竟采用何种焙烧方法，应视电解槽型式和容量而定。

铝液焙烧法   此法适用于预焙阳极槽和阳极已烧好的自焙阳极槽(大修后的和在槽外已烧好阳极的)。焙烧前，将阳极放置在距阴极表面约2cm高处。在槽膛四周首先加氟化钙和一定量的新冰晶石，然后添加固体电解质块和曹达或氟化钠，最后将新冰晶石撒满槽膛，如果是预焙阳极槽则覆盖到阳极表面上。焙烧时先灌入铝液，然后通入全额电流。大型预焙阳极槽焙烧时间约7～8d，自焙阳极槽焙烧时间约2～3d。

碳粒焙烧法   此法适用于新建铝电解厂。在碳阴极表面上铺一层碳粒和碳粉，然后将阳极座落到碳粒及碳粉上，在阳极四周装入原材料，然后通电焙烧。通电时要逐渐加大电流，最后达到全额电流。如果通入电流增加太快，则易产生碳阴极局部过热，影响槽寿命。要特别注意的是，装入的碳粒和碳粉质量、粒度、厚度必须相同，否则会引起电流分布不均，碳阳极表面温度梯度增大，严重影响槽寿命。焙烧时间通常为4～5d。

燃料焙烧法   此法适用于现代化大型预焙阳极槽。燃料焙烧装置包括燃料供应系统(空气和燃料管道)和温度控制系统(热电偶和保温罩)。喷嘴可喷油或喷煤气。

先不将阳极放入电解槽膛内，燃烧的火焰直接喷到碳阴极表面上。根据温度上升进度和碳阴极表面温度情况，及时控制燃料喷入量和调整喷嘴位置及数量。达到操作温度后，快速取下燃料焙烧装置，将阳极放到槽底并装入原材料，结束焙烧。焙烧时间约为10d。

铝电解槽启动   在焙烧终了后灌入并熔化电解质开始电解，直至电解生产转入正常的操作。时间需要45～90d。一般分为启动前期和启动后期两阶段。

启动前期   主要是熔化电解质，有两种启动操作方法，一种是先灌入铝液，随后熔化电解质，铝液焙烧的电解槽适用此法；另一种是先熔化电解质并开始电解，随后增补入铝液，碳粒焙烧法适用此种启动。

启动时快速大量地向电解槽内灌入液体电解质，随着电解质的灌入，逐渐地提升阳极，使槽电压达到30～50V，并发生阳极效应。利用阳极效应期间产生的大量热能，熔化电解槽中固体电解质块和冰晶石等。当固体物料经40～60min熔化后，电解质水平达到35～40cm，温度达到1273K左右时，便可加入少量氟化铝，熄灭阳极效应。此时槽电压约为7～8V。也可采用无阳极效应启动法。随着电解质的灌入，缓慢地提升阳极，避免发生阳极效应，最高电压可达7V左右。槽内固体物料经过2～3d熔化完后，电解质水平达到35～40cm、温度达到1273K左右即可结束启动。

启动后期   电解槽内逐渐建立起能量平衡和物料平衡。启动后期主要特征是：(1)启动后电解槽尚未充分加热，所以在后期中电解槽应保持较高的电压和阳极效应系数以维持较高的温度；(2)电解槽的碳阴极强烈地吸收氟化钠，导致电解质酸化和氧化铝沉淀。因此，需要经常用氟化钠或碳酸钠调整电解质，使NaF／AlF₃摩尔比保持在2.7～2.8；(3)随着电解槽转入正常生产，温度逐渐降低，槽膛四壁形成固体电解质结块，此时槽内电解质水平下降，铝液水平上升，最后形成稳定的结壳，建立起稳定的能量平衡和物料平衡。由此结束启动后期。

铝电解槽正常生产作业   铝电解槽经过焙烧和启动后，便进入正常生产阶段。为了获得优良的生产指标需要进行常规作业和控制好生产技术参数。

常规作业包括(1)加料、(2)出铝、(3)阳极作业等。

(1)加料。按一定时间打破电解槽槽面的电解质结壳，添加定量氧化铝。有间断加料和半连续加料两种方式。前者通常用天车联合机组、地面半龙门式联合机组或地面行走的压壳机、打壳机和加料机进行打壳加料。后者是用装于电解槽纵向中央部位的自动打壳加料装置进行打洞加料。现代化大型预焙阳极槽已发展到按需要加料，接近连续加料。

(2)出铝。大型电解槽通常每天出铝一次，中小型槽每2～3d出铝一次。出铝量相当于出铝周期内的产量。出铝部位在电解槽端部或边部。一般用真空抬包出铝。

(3)阳极作业。在电解过程中，阳极底部被氧化燃烧。为使电解过程连续，需不断向连续自焙阳极添加阳极糊，或定期用新的预焙阳极块更换已消耗的旧预焙碳块(残极)。

铝电解阳极有侧插棒自焙阳极、上插棒自焙阳极和预焙阳极三种，这三种阳极的作业内容有各自的特点。侧插棒白焙阳极槽阳极作业包括加阳极糊、接长阳极铝壳、转接阳极小母线、拔出最下一排阳极棒、提升阳极框架和钉入最上一排阳极棒。上插棒自焙阳极槽阳极作业包括加阳极糊、拔出距阳极底掌最小距离的旧阳极组合棒、将新的阳极组合棒插入到阳极上部和提升阳极框套。预焙阳极槽阳极作业包括更换阳极(残极)、装上新的预焙阳极和提升阳极母线。由于预焙阳极槽为多阳极槽，因此作业需更加精心。为保证预焙阳极的每个碳块能均匀分担电流，更换阳极碳块操作应遵循的基本原则是：要错开相邻阳极碳块的更换时间，并尽可能错开远些；另外，要使两条母线梁上的新旧碳块均匀分布，以达到母线电流分布和承担阳极重量大致均衡。

生产技术参数控制   包括：(1)系列电流强度；(2)槽电压；(3)极距；(4)电解温度；(5)电解质成分；(6)电解质水平及铝液水平；(7)槽膛内形；(8)阳极效应系数等。

(1)系列电流强度。根据电解槽容量、结构和工艺状况确定系列电流强度。系列电流强度随着电力供应情况，可作适当调整。但系列电流强度确定后，必须调整其他生产技术参数，使之与系列电流强度相适应，以求实现正常生产和获得优异的生产指标。

(2)槽电压。指阳极母线到阴极母线间的电压降，用与电解槽并联的直流电压表来指示。槽电压包括电解槽的极化电压值和各部分导电电体的电压降值。在工业生产上，为了核算单位铝产量的电耗，需要计算电解槽的平均电压。平均电压包括槽电压平均值、阳极效应的电压分摊值和槽电压表测量范围以外的系列线路电压降分摊值。槽电压随生产操作而变动，通常控制在3.9～4.5V。

(3)极间距。指电解槽阳极到阴极间的距离。在工业电解槽中，浸在电解质中的阳极表面都是阳极工作面，而槽底上的铝液表面为阴极工作面。一般取阳极底掌到铝液表面之间的垂直距离作为极间距。工业电解槽应在不影响电流效率的情形下，尽可能保持小的极间距，以便节省电能。预焙阳极电解槽上的阳极数目较多，应严格使其极间距一致，不应出现极间距太小或过大的情况，引起阳极电流分布不均而造成局部过热，从而使电流效率降低。工业电解槽极间距一般保持为4～5cm。

(4)电解温度。指电解质温度。它是铝电解生产中一项最重要的技术参数。电解温度对电流效率和电耗的影响颇大，要求在适当低的电解温度下进行生产。一般电解温度在1223～1243K范围内，大约高出电解质初晶点10～20K。在20世纪80年代，由于采用半连续加料技术和电子计算机控制生产，为低温操作创造了条件，因而电解温度得以相应降低。向电解质中添加氟化镁或氟化锂，以及降低冰晶石中NaF／AlF₃的比率，可以达到降低电解温度的目的。

(5)电解质成分。通常为冰晶石、氧化铝和氟化铝。此外，还有加入氟化镁、氟化钙或氟化锂等添加物。表示电解质中氟化钠和氟化铝含量之间的比例关系有摩尔比、质量比和游离氟化铝量三种方式。中国通常用：NaF／AlF。摩尔比来表示。按照电解质摩尔比不同而分为中性电解质(摩尔比=3.0)、碱性电解质(摩尔比>3.0)、酸性电解质(摩尔比<3.0)等三类。现代铝工业通用酸性电解质，其摩尔比约为2.60。与其他两类电解质相比，酸性电解质的优点是：初晶点较低，可降低电解温度；铝溶解度小，可提高电流效率。为了保持稳定的电解质成分，在正常生产过程中，应根据电解质分析结果，经常向槽内添加氟化铝。

为降低电解温度，有的工厂还设法保持电解质含氟化钙约4％～8％、含氟化镁3％～5％或含氟化锂2％～3％。

工业电解质中氧化铝浓度一般波动于2％～6％之问。采用自动半连续加料的电解槽氧化铝浓度稳定在3％～4％，这对稳定生产有利。

(6)电解质水平及铝液水平。指电解槽内电解质和铝液两层厚度。电解质熔液主要起溶解氧化铝的作用，同时还起保持电解槽热稳定性的作用，工业电解槽电解质水平通常保持16～20cm。电解质过高，阳极气泡逸出阻力增大，电解质运动加剧，引起电流效率降低；电解质过低，则会造成氧化铝沉淀增加，槽底电压降升高，增加电能消耗。

工业电解槽在生产中经常保持一定厚度的铝液，铝液的作用是：保护槽底阴极碳块，避免在槽底上大量生成碳化铝而增加电阻；铝液是热的良导体，可使槽内各部分温度趋于均匀；适当厚度的铝液层能削弱磁场对生产的不良影响。铝液水平因电解槽容量和结构而异。一般为20～30cm。磁场得到改善的现代化大型槽，铝液水平可低至10～15cm。

(7)槽膛内形。为电解槽阴极空间。随着电解过程接近正常，在阴极槽膛四壁逐渐生成一层电解质结壳。到正常生产阶段，电解质结壳均匀地分布在电解槽侧壁上，形成一个椭圆形的环。由这一圈结壳所形成的槽膛内壁形状，称为槽膛内形。这层椭圆形结壳是电和热的不良导体，它能阻止电流从侧壁通过和减少电解槽热损失，同时还起着保护阴极四周和槽底的作用。由于结壳的生成使铝液表面收缩，铝液被挤到槽底中心部位而能提高电流效率。正常槽的槽膛内形应是边部结壳匀称地分布在阳极正投影的周围，铝液被挤在槽中央部位，具有这样槽膛内形的电解槽，其电流效率一定是很高的。

(8)阳极效应系数。每昼夜分摊到每个槽上的阳极效应次数称为阳极效应系数。阳极效应通常和阳极近层液中缺乏氧化铝有密切关系。当发生阳极效应时，阳极上出现火花放电现象，槽电压突然升到30V左右，加入氧化铝并用铁工具或木棒使阳极和阴极局部短路后，火花放电现象便可迅速消失。

当发生阳极效应时，与电解槽并联的信号灯便会亮起来。当信号灯非常明亮(电压高达50～100V)时，表示电解槽处于过冷行程状态；当信号灯灯光暗淡(电压只有10V左右)时，表示电解槽处于热行程状态；当信号灯灯光闪烁不定而忽明勿暗时，表示电解槽内发生局部短路；当电解槽按加料数量准时发生阳极效应时，表示生产正常。

阳极效应除具有上述反映电解槽的生产状态的功能之外，它还有利于碳渣从电解质中分离，补充额外热量用于熔解氧化铝和控制槽底氧化铝沉淀量。但发生阳极效应时，槽电压突然升高，耗电量大增；槽温升高，氟化盐蒸发损失量增大；效应前后一段时间内电流效率明显下降；系列电流强度往往会下降而影响系列其他电解槽产量。因此，正常生产时，应权衡利弊而选取适当的阳极效应系数。现代电解槽一般阳极效应系数为0.3～1次／(槽•昼夜)。

物料消耗   一般工业铝电解槽生产lt铝的物料消耗量为：氧化铝1915～1940kg，冰晶石10～15kg，氟化铝30～40kg，氟化镁2～3kg，碳酸锂2～3kg，碳阳极530～580kg碳糊(自焙阳极槽)或500kg碳块(预焙阳极槽)。