1、低温低电压铝电解新工艺 铝电解能耗铝电解能耗=2980 kWh/t-Al槽平均电压槽平均电压 电流效率电流效率电流效电流效率率90%91%92%93%94%95%直流直流电耗电耗 槽平均电压：槽平均电压：4.25V槽温：槽温：960电流效率：电流效率：89.5%直流电耗：直流电耗：14150槽电压：槽电压：3.95V槽温：槽温：940电流效率：电流效率：92.5%直流电耗：直流电耗：12700槽电压：槽电压：3.85V槽温：槽温：935电流效率：电流效率：93%直流电耗：直流电耗：12330临界稳定技术新工艺的新思路为什么降低极距没有降低电流效率！CO2和Al在两极之间的溶解浓度分析关于Al和
2、CO2二次反应的最新认识 2Al（液）+3CO2（气）=Al2O3（固）+3CO（气）一方面是阳极气体CO2在电解质中溶解及其小气泡向阴极界面扩散与铝液接触发生二次反应，另一方面是阴极产品铝液在电解质中溶解并向阳极界面扩散与CO2接触发生二次反应。但到底谁是二次反应的控制性环节呢？已经明确的是CO2气体在电解质中的溶解度是很小的，只有10-510-6mol/cm3，所以阴极铝主要是被所CO2气泡氧化的。因此如何控制阳极气泡的逆向扩散是低温低电压新工艺的核心内容，那么我们现在来分析CO2气体在电解质中的行为，以提高对CO2气体CO2在传统电解工艺中的行为 当过热度和氧化铝浓度较高的时候，阳极与电
3、解质的界面张力较小，CO2在电解质中的溶解度增大，更主要的是阳极底掌下的气泡直径小、CO2在电解质中的浮升力小，在电解质运动过程中CO2气泡向铝液界面逆向扩散的机率大幅度提高，因此当过热度和氧化铝浓度较高的时候，CO2的溶解和气泡逆向扩散是二次反应的控制性环节。在电压稳定的前提下，提高极距的实质作用是提高阳极气泡与铝液界面的距离，减少CO2气泡接触铝液界面诱发二次氧化的机率，提高极距对Al和CO2的溶解与扩散并没有根本的影响。因为Al和CO2的溶解和扩散主要取决于铝液和电解质的流速和电解质对二者的溶解能力，决定于溶解度和浓度差。CO2在低温低电压新电解工艺中的行为 当过热度和氧化铝浓度较低的时
4、候，阳极与电解质的界面张力较大，CO2在电解质中的溶解度降低，更主要的阳极底掌下的气泡直径增大、CO2在电解质中的浮升力提高，在电解质运动过程中CO2气泡向铝液界面逆向扩散的机率大幅度降低，CO2对二次反应的影响减弱，Al的溶解与扩散转变为二次反应的控制性环节。当过热度、氧化铝浓度和分子比都较低的时候，Al和CO2在电解质中的溶解度都较小，所以在流体运动和电压稳定的条件下电流效率大幅度提高。因此低温低电压新工艺的成功主要取决于两点：一是降低氧化铝浓度和过热度，适当提高电流密度，以得到足够大的阳极气泡并且不诱发效应，二是保持槽电压稳定以降低铝液和电解质的流速。CO2表面积与Al2O3浓度的关系A
5、l2O3浓度与电流效率的关系过热度与电流效率的关系电流效率与极距和Al的溶解度的关系没想到200KA槽的电压可以达到如此低！槽电压还有进一步降低的潜力！电解槽的稳定性是当今铝业界十分关注的问题。电解电解槽的稳定性是当今铝业界十分关注的问题。电解槽的不稳定性的表现之一是电压摆动。目前有两种不稳定槽的不稳定性的表现之一是电压摆动。目前有两种不稳定性被人关注，性被人关注，一是磁流体动力（一是磁流体动力（MHDMHD）的不稳定性，一种是操作和）的不稳定性，一种是操作和下料制度引起的不稳定性。前者国际上使用求解电解槽小下料制度引起的不稳定性。前者国际上使用求解电解槽小扰动磁流体系统的特征值即可分析稳定性
6、，评价时使用最扰动磁流体系统的特征值即可分析稳定性，评价时使用最大扰动增长率，扰动的增长率越小电解槽越稳定。大扰动增长率，扰动的增长率越小电解槽越稳定。第二种不稳定性一般称为第二种不稳定性一般称为“躁声躁声”，它是操作或下料，它是操作或下料制度不当引起的，特别是在更换阳极、出铝等作业和特别制度不当引起的，特别是在更换阳极、出铝等作业和特别是在酸性电解质条件下如下料不更会引起界面的波动，它是在酸性电解质条件下如下料不更会引起界面的波动，它的评定值是微欧姆或纳米欧姆的评定值是微欧姆或纳米欧姆。电解槽的稳定性电解槽的稳定性 如何解决低极距与电压稳定性的矛盾呢？电压不稳定的直观原因是铝液变形造成极距不
7、均匀，而铝液变形分为离心力变形和电磁力变形。离心力变形是由流速场决定的，主要取决于水平磁场和垂直电流，其对铝液变形的影响相对较小；电磁力变形是由电磁场决定的，主要取决于垂直磁场和水平电流。当一台槽的磁场设计完成以后，电解槽的稳定性则基本取决于极距和阴阳极内部水平电流分布的均匀性，其中铝液内的水平电流是造成电压不稳定的罪魁祸首。如果只有垂直磁场，没有水平电流，再大的垂直磁场也不会产生向上的电磁力，但阴阳极碳块内部的水平电流是客观存在的，唯一能改变的是由于炉底沉淀和结壳所产生的水平电流，这就是我们提高现有电解槽稳定性进一步降低槽电压的努力方向。电压波动和铝液变形的原因分析320KA320KA流场测
8、试流场测试铝液界面变形 006#槽界面最大波动 3.4cm 910#槽界面最大波动 1.5cm原因分析：不同的炉底状况是产生不同的熔体流速和界面变形的根本原因，当然还有不同的槽电压和电流效率。如何解决炉底沉淀和结壳的困扰呢？沉淀和结壳有很大的区别。沉淀是电解质对氧化铝的溶解不及时的结果，其中有过热度偏低、分子比偏低的原因，更主要的是各种操作对过热度和分子比的干扰，比如换极、加料等等；结壳是沉淀溶解不及时的结果，如果炉底阴极表面温度长期偏低，沉淀中的冰晶石成分在电解槽的热平衡波动中大部分返回到电解质中，留在结壳中的基本上是氧化铝，成分分析表明结壳中的氧化铝约占70%左右，而沉淀中的氧化铝只有40
9、%左右，冰晶石约占50%。结壳沉积的时间越长，氧化铝含量越高，比表面积越小，溶解越困难。炉底沉淀和结壳怎么溶解呢？炉底沉淀的溶解速率可用一级传质方程式表达：溶解速率kA（C饱和C）K-传质系数（随电解槽的测量位置不同而不同）A-电解质与沉淀有效界面面积；C饱和-氧化铝的饱和浓度；C-电解质中的实际氧化铝浓度。要想溶解沉淀又不降低电流效率，唯一的办法就是降低氧化铝浓度。炉底结壳是不可能直接溶解的，结壳只有首先软化为沉淀才能铝液运动来回到铝液与电解质的接触界面，从而被电解质溶解。生产中大家还发现炉底沉淀还与炉帮状况密切相关，炉帮好的槽其炉底也非常干净，炉帮薄的槽炉底沉淀和伸腿都难以控制，这又是为什
10、么呢？炉底沉淀和结壳与炉帮状况的关系 理想的炉帮不但能提高电解槽的热平衡能力，而且提高了阴极电流密度和垂直电流分量，从而提高阴极表明温度和沉淀的自溶解能力，因此炉帮厚实的电解槽，其炉底状况也很容易保持。炉帮状况差的电解槽，不但热平衡能力差，阴极电流密度低、垂直电流分量小，而且由于炉帮状况不稳定，当炉帮溶化的时候，炉帮中的部分氧化铝在运动过程中沉入炉底形成沉淀，当处理炉底沉淀的时候，往往是炉底沉淀还没有溶解，炉帮就率先溶化了，这样的电解槽将长期处于沉淀多、伸腿长、炉帮薄、效率低、电压高的状况，因此没有一个理想的炉膛，就不可能实现低温低电压新工艺，就不可能有低电压和高效率的结果。炉膛的作用：炉膛的
11、作用：绝缘保护层，延长槽寿命绝缘保护层，延长槽寿命减少水平电流分量，稳定槽况减少水平电流分量，稳定槽况改善热平衡自调能力改善热平衡自调能力提高电流效率提高电流效率（d d底掌底掌 d d周边周边，底掌底掌 周边周边）理想的炉膛是提高电流效率的根本保证 K电流效率电流效率1 0.3356d阴极阴极怎样建立炉膛：尽早建立（过渡期内形成）高分子比（CR 2.9，结永久性坚硬炉帮）降CR同时 1、降过热度 2、降AE系数 3、降电压 4、保温 5、降温度怎样维持炉膛：1.稳定槽内液体电解质量和在产铝量（保持炉底基本干净，把好出铝关）2.稳定电解质的分子比和过热度（避免电解质成分和初晶温度的频繁波动）3
12、.贯彻“零效应”管理思想（绝对不发生阳极效应是不可能的，“零效应”是指主观上不人为等待效应，并努力降低效应系数和效应持续时间）4.保持低浓度生产（提高电解质对氧化铝和沉淀的溶解能力，从而为降低电解质过热度和促进炉帮形成创造条件）5.降低换极操作对电解槽的干扰（完善换极作业后的能量补偿和极距补偿制度，提高操作质量促进新阳极及时导电并防止阳极病变，为实现电压稳定和过热度稳定创造条件）铝电解生产中热平衡的主要影响因素：1、效应（5分钟，25V，温度升高30，因此要把效应 持续时间控制于一分钟以内，温度攀升5 左右）2、大计量投料产生沉淀（大量投料会造成下料点局部温度、过热度和氧化铝浓度的大幅度变化，
13、我们要力争保持加料前后温降2以内）3、操作热损失造成热平衡和过热度波动，（AC前后温降7.1，补偿后降3.4，出铝后温升56 。）4、分子比、电流与电压频繁变化。热平衡的稳定是维持炉膛稳定的首要条件能量平衡在电解生产过程中的变化阳极“长包”问题与低电压和低过热度的关系 出铝作业 “边出铝边降极边出铝边降极”方法方法 降低能耗 不影响浓度控制 减少效应发生率 避免脱极可能性是那些因素在影响电解槽的平衡呢？出铝过程中快速降电压出铝作业对热平衡的影响 换极作业对热平衡的影响：应该把换极附加电压有效延长到时间6-8小时，同时把换极附加电压提高到120150毫伏，然后分34个阶梯逐步下降，根据过热度的变
14、化和新阳极逐步导电的特性逐步降低附加电压，从而保持电解质过热度和极距基本稳定。（理想目标把电解质温度波动控制与3以内）新极安装高度控制在510毫米内，促进新阳极尽快达到全电流。（目标是实现新极在1820小时内达到全电流）法铝400KA试验槽换极后的电阻控制曲线法铝400KA试验槽换极后的过热度控制曲线法铝400KA试验槽换极后的伸腿变化曲线换极前的铝液液面变形状况换极后的铝液液面变形状况换极前的铝液流速变化状况XX铝厂240KA电解槽换极后历史曲线XX铝厂300KA电解槽24小时历史曲线氧化铝下料量对热平衡的影响 对热平衡影响最频繁的是氧化铝加料作业，最剧烈的是更换阳极作业。虽然自法铝1975
15、年开发点式下料技术以来加料作业的连续性得到了很大的提高，但理论计算表明，按240KA电解槽计算，下料量每日减少100kg则用于预热氧化铝的热支出将减少56KWH，假定同日效率降低0.5%则二次反应的潜热还要增加39KWH，相当于提高15mv电压所增加的热收入。因此我们必须力争实现氧化铝的平稳添加和完全溶解，并通过过欠量加工形式的频繁转换来减弱过欠量加料对电解槽热平衡体系的干扰保持下料点火眼畅通的必要性 1、下料点的火眼有利于加强局部的热交换能力，提高下料点的电解质流速，有利于氧化铝的预热和溶解。2、下料点的火眼能使氧化铝在电解质表面铺展和分散，扩大氧化铝在电解质中接触界面，扩大了热交换界面，甚
16、至以单个颗粒溶解，从而提高了氧化铝的溶解速率并减弱了冷料对电解质过热度的影响。3、有利于碳渣从火眼喷出，保持电解质洁净。怎样在低过热度条件下保持下料点火眼畅通1、要保证打击头的直径。2、还要设计科学的打壳深度，合理的打壳深度应该是距离铝液表面810cm，使氧化铝直接进入快速流动的电解质内，提高其扩散能力，3、增加打壳次数，破碎电解质表面结壳并加强搅拌，4、减少火眼不畅通时的每次打壳下料量，弥补低过热度电解质对氧化铝溶解能力的不足。最佳浓度范围最佳浓度范围 1.52.5%AL203%饱和区R效应区效应区不敏感区可控区低氧化铝浓度控制技术与物料平衡采用饥饿式浓度控制思想，保持欠量周期转换到过量周期
17、周期时浓度不低于1.5%，过量周期转换到欠量周期周期时浓度不高于2.5%电解质的主要功能有三个方面：一是在较低的温度下溶解氧化铝；二是连接阴阳极传导电流；三是使铝在阴极上优先析出并隔离阴极和阳极的产品，防止电流效率损失。电解质添加剂的选择则必须满足电解质的基本功能，而且要防止在铝析出之前优先析出，因此添加剂的选择一定程度上受到了限制。在霍尔-埃鲁法铝电解生产中冰晶石作为主要的溶剂从来没有动摇，现实生产中的添加剂则包括氟化钠、氟化铝、氟化钙、氟化镁和氟化锂，理论界的研究也主要局限于这几种。主要的研究结果如下图：我们对电解质功能与成分的认识各种添加剂对氧化铝溶解速率的影响各种添加剂对电解质表面张力
18、的影响各种添加剂对电解质密度的影响各种添加剂对电解质电导率的影响低氧化铝浓度的是新工艺的基础：1、有利于氧化铝和炉底沉淀的溶解，主要是提高氟离子与铝氧离子的相对数量，提高了氟离子的扩散动力，提高氧化铝的溶解速率，从而有利于溶解氧化铝和炉底沉淀，有利于降低炉底水平电流改善槽内磁场和铝液运动，为电解生产连续进行提供一个稳定的工作环境。由于低分子比和低过热度工艺都降低电解质的氧化铝饱和浓度，因此，低氧化铝浓度显得格外重要。2、有利于提高电解质与阳极的界面张力，降低阳极气体表面积，加速气体逸出，从而提高电流效率。根据添加剂特性研究结果和炉底沉淀成分分析，在现有的工业氧化铝质量状况下，氟化铝是最理想的添
19、加剂，它的优越性主要表现在以下几个方面：一是对电解质初晶温度的相对影响较小而且适宜大量添加。二是对电解质与铝液之间的界面张力影响最大，有利于降低铝在电解质中的溶解损失。三是有利于降低电解质的密度。四是在溶解度不变的前提下基本不影响氧化铝的溶解速度。氟化铝唯一缺点是降低了电解质的导电率，而氟化理的主要优点恰恰是有效提高电解质的导电率，氟化铝和氟化锂的组合是一对完美的组合添加剂，唯一遗憾的是氟化锂的价格与我们的工业化还有一定的距离。氟化铝是最理想的添加剂XX铝厂240KA电解槽控制历史曲线我们对铝水平的认识高铝水作用主要有以下几个方面高铝水作用主要有以下几个方面：1、高铝水能增大水平电流与铝液表面
20、的距离和缩小水平电流的夹角，减弱水平电流产生的电磁力，减小铝液变形，提高铝液的安定性，从而降低极距和电压。2、高铝水有利于加强边部散热，降低电解质过热度，促进炉帮和伸腿的发育。3、造成电解槽角部和两小头的伸腿增大是高铝水的最大隐患。适当提高铝水是我国的槽型设计决定的。虽然国际上大型预焙槽的铝水平都处于20cm左右，但从以下磁场和流速数据分析，我们就能够理解为什么要提高铝水平。230KA槽型磁场Bz,Gs铝液流速cm/s国外某设计方案3.34.2国内某设计方案9.1715.85 150KA预焙槽的稳定性极限铝水平和稳定性极距的变化关系我们对低过热度的认识 1、低过热度往往是高铝水工艺成功的必然结
21、果 2、电解质粘度偏高是低过热度的显著特征3、低过热度工艺对提高电流效率具有积极的意义 4、低过热度降低了电解质对氧化铝的溶解度和溶解速率 低过热度的实现1、低过热度技术是一门非常精细的管理技术，需要可靠的浓度控制能力和热平衡控制能力；2、低过热度是建立炉帮的必然条件，保持810的过热度是可以实现的，但对于我们国内的氧化铝质量和电解质成分而言，1012 更有利于平稳生产；3、加大对换极作业的热补偿力度，才能提高对低过热度的控制能力；4、保持下料点火眼畅通，提高下料点局部对氧化铝的溶解能力，为降低过热度创造条件；5、保持下料系统稳定并实现均匀下料。强化电流，增大电流密度 低电压、高电流效率的电解
22、工艺，电解槽的热收入会明显降低，除了加强电解槽的保温措施外，另外一个办法就是强化电流，这样既解决了电解槽的热收入问题，又有效提高了企业的产能和经济效益。提高电流密度虽然对极距有一定影响，但可以通过适当提高铝水平来弥补提高电流强度不但可以提高企业的产能，还有利于提高电流效率，最直观的解释就是在铝液镜面不变的条件下提高了单位面积的铝液产量，从而减少了单位产量的铝液溶解损失。电流密度与电流效率的关系电流/A0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 10.0 d阴/A.cm-20.070.140.210.280.350.420.560.70 0.840.9
23、81.121.40 d阳/A.cm-20.190.390.590.780.981.181.571.972.362.763.153.94 两电流度/A.cm-20.120.240.360.480.60 0.72 0.96 1.20 1.44 1.68 1.92 2.40 电流效率/%-93-89-25.81.0528.7 41.80 7267.773.874.57173.6反电势/V0.40.80.951.0 1.3 1.4 1.6 1.65 1.85 1.7 1.8 1.8 电流密度与电流效率的关系我们对铝电解生产工艺的认识1.缩短过欠量加工周期是对“勤加工少下料”的继承和发展；2.一个合理的
24、电压摆动幅值，是低过热度控制的特征；3.应该把调整分子比和降低氧化铝浓度作为处理炉底问题的主要手段，从而保持槽内铝液总量相对稳定；4.保持低氧化铝浓度和电压平稳，从而保持过热度的相对稳定；5.电压不稳定主要是阳极电流分布不均匀，实质是阴极电流分布不均匀，根源是水平电流，归根到底是炉底和炉膛的问题；6.炉底沉淀是电解质对氧化铝的溶解能力不足的问题，炉底结壳和伸腿是阴极表面温度偏低的问题，必须区别对待；7.下料量的变化是电解槽热平衡变化的先驱信号，应当根据下料量的变化信息来及时调整氟盐、下料间隔和电压；8.分子比调整必须坚持快升慢降的原则，要在实践中逐步掌握分子比变化与温度变化滞后的时间差，分析变化趋势；我们对铝电解生产工艺的总结 选择选择=结果结果汇报结束汇报结束 谢谢观看谢谢观看！欢迎提出您的宝贵意见！欢迎提出您的宝贵意见！
