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1、再谈我国铝电解技术与国际先进水平的差异兼论铝电解生产中的新技术摘要：本文对我国电解铝厂与国外电解铝厂在主要技术方面的差距进行了分析，介绍了国外最 先进的铝电解技术。阐述r我国电解铝厂在技术方面所存在的问题。作者认为，采用国外最先 进的铝电解技术研究成果，并结合我国国情开发自主知识产权的技术，可使我国铝电解的技术 尽快地到达世界先进水平。关键词：铝电解：槽寿命：初晶温度：过热度；电流效率近些年来，我国铝冶金工业有了飞速的开展，近期来自于国家发改委一个网上的信息：预计到 2005年底我国电解铝的生产能力，将到达1000万吨，其生产能力要比几年前世界铝老大的美国多 一倍还多。我国现在已经成为了世界产
2、铝大国，但不是强国。笔者在5年前，发表过一篇文章：“中 国铝工业现状与国外先进技术水平的差距” W,文章中提到的这个差距问题，现在不仅依然存在， 而且近几年国外在铝电解的某些理论和技术方面又有了新的进步和开展。一、阳极质量对于电解槽阳极质量上的差异，我们没有数量上的概念，由于我们没有健全的、与国外可供比 较的质量检测方法、技术，也没有可信的、可比照的数据，很难对这一问题作出准确的、定量的结 论。我个人认为我国铝电解槽阳极的质量极不稳定，好坏差异很大。由于供应的多渠道和质量检测 手段落后、不完善，检测技术与质量标准和国际不接轨，缺乏对原材料性能、结构和成份进行配料 等方面的工艺和技术研究，是造成
3、阳极质量差的根本原因。铝电解槽炭阳极是用石油焦制成，铝电解槽之所以用石油焦做阳极，是因为在所有来源广、成 本低且纯度高的炭素材料中，非石油焦莫属。评价铝电解槽炭阳极的质量指标有多个方面，如密度、 孔隙度、强度、电导率、导热率、抗氧化性能、对CO2的反响性能、透气率、抗热冲击性能等等。 在这些质量指标中，有些具有相关性，如电导率和导热系数之间就有很强的相关性，这是所有固体 导电材料固有的特性。阳极炭块导电性与导热性的好坏，同阳极炭块和石油焦本身的煨烧温度、炭 块密度和孔隙度大小有关。导热性、导电性好的阳极炭块必然有较好的抗氧化性能。对工业铝电解 槽来说，比拟直观的是看重炭阳极的导电、导热性能和抗
4、氧化性能。因为这些性能好的阳极可以承 受更大的电流密度，阳极电压降低，抵抗高温氧化的能力强，阳极消耗少。这些优点是铝电解槽提 高电流效率、降低电能消耗的基本保障。二、电解槽的寿命我国铝电解槽的寿命比国外电解槽的寿命短。这是人所共知的，也是我们天天讲，年年讲的老 问题，但至今没能解决。为铝电解生产来说，影响铝电解槽寿命的原因是多方面的：有电解槽结构 设计的问题，有电解槽内衬材料选择与内衬材料的合理结构设计的问题，有筑炉方法的问题，有筑 炉质量的问题，也有电解槽的焙烧启动的方式、方法的问题，更有电解槽的早期技术管理和正常情 况下的电解工艺的选择与操作的问题。应该说，上述各个过程和环节的好坏，都会影
5、响电解槽的寿 命。多年前，我国电解铝厂引进了国外的铝电解槽焦粒焙烧干法启动的技术，取代了落后铝液焙烧 技术。尽管焦粒焙烧并不是属于我国自主知识产权的技术，但对我国电解铝厂应该是一个技术上的 进步。值得关注的是，尽管我国引进和使用了这一较为先进的铝电解槽焙烧技术，但槽寿命没有明 显的提高。以最早使用这一焙烧技术的白银铝厂为例，电解槽的寿命仍然在1500天左右。由此可见, 就我国电解铝厂来说，仅仅以焦粒焙烧干法启动取代铝液焙烧，想大幅度提高我国铝电解槽的寿命 的目的是不能实现的。从另一个方面这也说明了提高甩解槽的寿命是一个系统的工程问题。我个人 认为就我国电解铝厂而言，电解槽内衬材料的选择和内衬材
6、料结构设计、筑炉方法、筑炉质量，以 及电解槽启动后的早期技术管理、正常的工艺技术操作等方面都存在不同程度的问题，都对电解槽 的寿命有影响。而我国电解铝厂对这些方面的认识和了解不多，缺乏深入的研究。在谈及提高电解 槽的寿命时，过去听到比拟多的建议是使用石墨化和半石墨化的阴极炭块、硼化钛阴极涂层等技术。 诚然这些措施对电解槽的寿命的改善有好处，但它们并不是提高我国铝电解槽寿命的根本措施。综 上所述，总结过去的经验，可以认为，我国如果不从电解槽内衬结构材料的选择与结构设计、筑炉 方法、筑炉质量、焙烧和后动的方法和质量，早期技术管理以及合理的电解槽工艺制度等各个方面 上去研究、去改进、去提高，是不可能
7、到达国际上电解槽寿命250（）3000天的技术水平的。三、电流密度我国电解铝厂的大型预焙阳极电解槽电流密度一般在O.7A/cm2左右，属于低电流密度电解槽, 而国外同类型的大型预焙阳极电解槽的阳极电流密度一般在0.8 A/cn?以上。目前世界上最大的最先 进的法国AP50（500kA）电解槽的阳极电流密度为0.8A/cn?,新西兰迪拜新系列的200kA电解槽的阳 极电流密度为0.88 A/cn?。这意味着，同样大小电解槽在其它技术经济指标不变的情况下，以阳极 电流密度O.7A/cm2与0.8A/cm2相比，后者电解槽的产量比前者高14%,这无疑是会使铝电解生产 的本钱大大降低。高电流密度电解槽
8、代表着先进的铝电解槽设计和技术水平，过去我国电解铝厂一 直认为，提高电解槽的电流密度最大的技术障碍是阳极质量问题，我国电解铝厂阳极质量低，不能 承受更大的阳极电流密度。但最近的湖北华盛铝厂60kA改成75kA小预焙阳极电解槽，使用国产阳 极，电流密度到达0.81A/cm2o实践证明我国电解铝厂，使用优良的国产阳极炭块，可以承受OSA/cn? 的阳极电流密度。四、电流效率不管从理论上，还是实践上讲，提高电流效率都是通过减小和降低电解槽中已经电解出来的金 属铝的溶解量来实现的。因此提高铝电解槽的电流效率基本上有4种方法：减少铝液和电解质熔 体的搅动，即增加铝液镜面动力学的稳定性；提高铝电解槽的阴极
9、电流密度和尽量降低除阳极底 掌以下面积之外的阴极铝液面积相对阳极底掌面积的比率，如，减少电解槽阳极到边部的距离，或 在相同的大面和小面宽度下采用更大电流强度的电解槽。理论上如果在磁场影响和其它设汁参数不 变的情况卜.，大槽子应该比小槽子有更高的电流效率；减少铝在电解质中的饱和溶解度，这与电 解质的成份和温度有关；降低阴极铝向电解质熔体中的溶解速度。应该说，在这4种方法中，前 两个是与电解槽的设计和电解槽操作的稳定性有关的，第三种方法那么完全是铝电解槽操作的工艺条 件，即对电解成份和温度的选择有关的，而最后一种方法，即与电解槽的设计和电解槽的操作的稳 定性有关，也与电解槽工艺条件的选择有关。目前
10、，国际上电解铝厂电流效率最高的电解槽当属Pechiney在加拿大魁北克的325kA电解槽 系列，该电解槽系列年平均电流效率为96.0%,电耗13.0kWh/kgAL炭阳极净耗0.397kg/kgAl（理 论值0.333kg/kg*Al）o目前世界上最大的5（）（）kA电解槽AP50,长18米,宽5米，阳极电流密度 0.8A/cnr,电流效率95.0%, 2003年4月公布的电流效率为95.9%,也接近96%。令人惊奇的是这 么高的电流效率是在973c（325kA槽）、963 （500kA槽）以及过热度6. 8 （325kA槽）、9. TC （500kA 槽）的技术条件下取得的。这是当今国外采取
11、的高电解温度、较高电解质初晶温度、低过热度、高电 解槽稳定性、低电解质电阻、低过电压、低效应系数、高电流效率的铝电解槽工艺操作技术路线。 我国同类型的300kA电解槽的电流效率一般在93%左右，系列年平均电流效率很难突破94%,对于 其它类型的大型预焙阳极电解槽的电流效率也一般都徘徊在93. 5%左右。在我国电解铝厂中，一直习惯于用传统的低温、低分子比来提高电流效率的方式组织生产。这 也不能说完全不对，实验研究说明，低温、低电解质分子比确实有降低铝在电解质熔体中的溶解度 和溶解速度，减少铝的溶解损失，显著提高电流效率的作用。但低温、低电解质分子比的负面作用 是，电解质成份的稳定性、热稳定性大大
12、降低，由于电解质成份不稳定性增加，容易产生沉淀，而 沉淀又不容易溶解，槽帮不结壳，伸腿过长、过大，造成水平电流大，槽电压不稳，铝水摆动大， 效应系数多，电解质电阻大，反电动势高等缺点。而不容易使低温、低分子比操作到达理想的提高 电流效率的H的。此外，由于电解槽的热稳定性降低，电解槽阴极内的电流分布不均，槽内衬应力 不均匀，也容易降低电解槽的寿命。加拿大铝冶金专家Utigard从铝和电解质的外表张力、电导、相图、过热度、电解质成份的稳 定性、热稳定性等各方面，综合分析并得出了使电解槽实现稳定的基本技术条件是，电解质温度应 不低于955,对于添加有LiF的电解质的电解温度应不低于940C。五、过热
13、度对我国电解铝厂来说，过热度是一个新概念，所谓过热度即电解质温度与电解质初晶温度之差。 一般认为，最好的电流效率是在不失去电解槽的稳定性的情况，用尽可能低的电解温度实现的。然 而过低的电解温度容易在槽底产生沉淀和造成槽膛不规整，因而会引发槽子不稳定。有些文献报道，电解温度每降低10,可使电流效率提高23%(34支实验室的研究也说明， 降低电解温度会使电流效率连续升高，但在工业电解槽上，当过热度恒定时，电解温度的高低对电 流效率几乎是没有什么影响。国际著名的铝冶金专家豪平(Haupin)对大量的电流效率数据的统计 分析说明，电解槽的电流效率更依赖于过热度，而不是电解质温度，其原因现在尚未搞清。最
14、初, 人们把较低过热度对电流效率提高所取的效益归结于，适当的过热度会使电解槽形成较好的槽帮结 壳。而最近Solheim研究指出，较低的过热度可以在铝阴极外表沉积一层冰晶石壳膜，因而可阻 止铝的溶解损失，提高电解槽的电流效率。Haupin也同意这种观点。然而过热度太低时也会引起 过多的冰晶石沉积和沉淀，而导致电解槽的不稳定。因此，最正确的电解质过热度必须由实践加以确 定。最正确的过热度的大小应与电解质的分子比、电解质初晶温度有关。分子比拟低时，需要适当提 高一点过热度，因为在此时，电解质的初晶温度的变化受电解质分子比变化的影响较大。H前国外 大型预焙阳极电解槽的过热度一般在810,法国彼斯涅AP
15、50电解槽的电解质过热度为9. 7, 电解质的初晶温度953C,电解质的分子比2. 15,电流效率95.9%； AP35(350kA)电解槽，电解质 分子比2.12. 2,平均电解质初品温度953. 7,过热度7.8C,电流效率96.0%。由此可见，国 外大型预焙阳极电解槽电解质的过热度一般都在810,并将这一数值作为电解槽的重要工艺技 术参数和控制指标。我国电解铝厂目前也开始对这技术问题加以重视。我们与沈阳东英冶金工程 科技共同用自己开发和制造的仪器，对抚顺铝厂200kA系列电解槽电解质初晶温度、电解 温度和过热度进行测量得出，电解质熔体的过热度在920C之间，各电解槽电解质初晶温度和过 热
16、度的差异较大。总的来说，我国电解铝厂电解质的初晶温度较低，而过热度较大，系列电解槽的 平均电流效率在93. 5%左右。参照法国彼斯涅铝电解的操作经验，如果这种电解槽的平均过热度能 降低到89C,其电流效率有可能上一个台阶。如果全国铝厂都能将过热度作为一个重要的工艺技 术参数加以控制并确定在81()的范围内，可以预见，我国电解铝厂电解槽的电流效率将会打破 现在的水平，上升到一个新水平。六、工业铝电解槽电解质初晶温度和过热度的测一一种由国内的代理商代理，国外生产制造的工业铝电解槽电解质熔体初晶温度和过热度的测定 仪已在我国的个别电解铝厂演示。这种仪器的原理是基于一个内插有热电耦的金属容器，置入电解
17、 槽熔体中，待容器中热电耦传感器指示的温度到达稳定后，即为电解质熔体的实际温度时，将容器 连同内部的电解质熔体取出让其降温冷却，在冷却过程的降温曲线上出现拐点，此拐点的温度即为 电解质的初晶温度，而电解质熔体温度与电解质熔体初晶温度之差即为电解质熔体的过热度。仪器 数据处理软件会对数据进行快速运算处埋，并在极短的时间内（数秒钟）将数据处理完毕，然后将测 量结果以数字形式显示在仪表表盘的显示器上。国外产的这种电解质熔体初晶温度和过热度的测量仪器，价格较贵，据说在22万元/台以上， 且测量使用的温度传感器是一次性的，每测量次，所消耗温度传感器及其配件在60元左右，很不 适于中国国情。现在一种具有自
18、主知识产权的新型铝电解槽电解质熔体初晶温度和过热度测量仪在 沈阳面世，这种新型的测量仪器具有与上述一样的测定原理，且温度传感器可屡次使用，屡次测量， 测量方法也简便，测一个电解槽的电解质初晶温度和过热度仅需一分钟左右的时间，其本钱仅是国 外产品的1/601/30,价格不到国外产品的1/3,性价比极高，适合我国国情，可望能在国内电解铝 厂推广使用。加之相配套的铝电解槽初晶温度和过热度计算机控制软件的使用，必然使我国铝电解 槽的技术工艺、电流效率和能耗指标到达国际先进水平。七、铝电解槽初晶温度和过热度的控制技术在铝电解生产过程中，取得好的技术经济指标和电解槽运行稳定，是工业铝电解生产追求的目 标，
19、这只有通过控制好电解槽的热平衡和物料平衡才能实现，电解槽的热平衡是通过调整电解槽的 极距、能量输入来实现的。而电解槽的物料平衡是通过对氧化铝和A1F3的合理加料制度来实现的。 但是对铝电解槽来说，热平衡和物料平衡是相互关联，相互配合的。电解槽中添加A1F3对电解槽直接或间接的影响是使电解质的初晶温度降低，过热度升高。过 热度增加又导致槽侧部的散热量增加，影响到热平衡，使槽帮结壳及伸腿熔化，A1F3的浓度降低。 如果是极距增加，输入到电解槽中的能量就会增加，直接的影响就是使电解质的温度增加和过热度 增加。电解质温度增加时，也会使沉淀和槽帮结壳熔化，电解质的初晶温度上升，这反过来乂使过 热度降低和
20、电解槽侧部热损失减小。因此有可能由于极距的增加而导致的热损失增加比预计的要小。 也就是说，电解槽热平衡和物料平衡不是相互独立的，而是相互关联，相互影响的。电解槽的物料 平衡的稳定（ALO,加料和A1F3成份稳定）和热平衡稳定（温度的稳定）的控制是可以通过正确的电解 质初晶温度和过热度的控制战略实现的。除了 A1。加料和浓度控制的软件外，另一个可以稳定控制 电解槽电解质分子比、电解温度的计算机控制软件也已经开发出来。计算机控制软件所监控的目标有3个，初晶温度下限、初晶温度上限和过热度。而实际实现的 控制目标为5个：初晶温度下限，初晶温度上限，电解温度下限，电解温度上限和过热度。而最终 到达的目标
21、是，电解质成份的稳定和电解温度的稳定，即真正的电解质分子比控制和温度控制。这 是当代国际最先进的电解槽电子计算机控制技术。通过上述电解质成份（分子比）和电解温度的稳定控制，可以肯定，我国铝电解槽的电流效率的 提高，电耗指标的下降，效应系数减少，阳极和氟化盐消耗的降低，都将是明显的。电解槽热平衡 状态的稳定对电解槽的寿命也有好处。八、未来铝电解技术的开展对未来铝电解技术的开展，笔者曾在200L年中国有色金属工业协会组织的“中国电解铝工业 开展战略及市场分析研讨会”上阐述过自己的观点。这些观点与Thoustad. Haupin和Frank在2002 年的“LighlMelalAge”上发表的观点基
22、本上是一致的。这几位国际知名的铝冶金专家和学者预言，2020年以前，电解槽的电流强度将到达500 600kA,槽电压为3.94.0伏，电流效率到达96.597.0%,直流电耗将减少到12.（） 12. 5kWh/kg*Al,电解槽的阳极电流密度将到达0. 95A/cm2,而电解槽的寿命可达3000天。参考文献:1冯乃祥，我国铝工业现状与国外先进技术水平的差距”。轻金属，NO. 7, 2000.2 Haupin and Frank, Light Metal Age. June, 2002.3邱竹贤，铝电解北京：冶金工业出版社，1980。4 Qiu Zhuxian. Aluminum. Vol.5
23、6. No.4. 1983.5 M. Leroy, ctal. Light Metals. 1987.6 A. Solheim. Light Metals. 2002. 225-230f7 V. Potocnik, Measurement Techniques for Pot Analysis, The 21 International Course on Process Metallurgy of Aluminum, Norway. May 27. 2002.New Aluminum Reduction Technology in the World andGap between Our C
24、ountry and Leading CountriesFENG Naixiang, PENG Jianping(School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang H 0()04, China)Abstract: In present paper, the new aluminum reduction technology in the world was introduced, and the gap between our country and some leading countries was discussed. It was proposed that the aluminum electrolysis technology would be advanced to world level by using and developing the model technology.Key words: aluminum electrolysis; cell life; liquidus temperature; superheat; current efficiency