預焙鋁電解槽工藝技術條件的選擇與保持1圖1-6預焙陽極鋁電解槽2凝固電解質（邊部結殼）陰極電解質（液態(tài)）鋁液陽極陽極31電解質成分

傳統鋁電解工藝采用2.6以上的分子比，并主要依靠添加CaF2、MgF、LiF等添加劑來改善電解質成份。直到氧化鋁點式下料和煙氣干法凈化裝置的應用，現代預焙鋁電解槽才趨向于采用較低分子比的電解質進行生產。

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添加AlF3、CaF2、MgF2的共同特點共同優(yōu)點：

——增大鋁液與電解質間的界面張力，降低鋁的溶解損失

（按wt%計，AlF3

>

MgF2>

CaF2）——降低初晶溫度（MgF2>

CaF2>

AlF3）共同缺點：

——降低電解質的導電率（AlF3>

MgF2>

CaF2）——降低氧化鋁的溶解度（AlF3>

MgF2>

CaF2）

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添加AlF3（降低分子比）與添加CaF2／MgF2的不同特點MgF2、CaF2：

——增大電解質與炭間界面張力，能降低電解質在陰極炭塊中滲透

有利于炭渣分離

可能不利AE控制（不利氣泡排出）

——增大電解質粘度，不利于炭渣分離（與上條特性矛盾）

不利于鋁珠與電解質分離（有損電流效率）

不利于較大幅度降低溫度——增加電解質的密度（8%以下時,MgF2>

CaF2，8%以上時，則反之）

——不僅降低氧化鋁溶解度，而且還降低氧化鋁溶解速度——促進邊部結殼生長AlF3：

——降低電解質與炭間界面張力（優(yōu)點、缺點正好與MgF2／CaF2相反）

——降低電解質粘度（正好與MgF2／CaF2相反）——降低電解質密度（正好與MgF2／CaF2

相反）——雖對降低氧化鋁溶解度，但對氧化鋁溶解速度幾乎無直接影響

——增大電解質揮發(fā)損失（無煙氣凈化時，損失大）6

添加LiF的作用優(yōu)點：降低初晶溫度（LiF>

MgF2>

CaF2>AlF3)

提高導電率降低電解質密度缺點：降低氧化鋁的溶解度和溶解速度價格較昂貴利用LiF可降低初晶溫度和提高電導率的特點，可強化電流（每增加1%LiF，電流可提高1.25%，同時基本維持過熱度不變，電耗可降低）。但總的來講，含鋰的電解質其電流效率不如高AlF3的好，主要是沉淀問題。780年代以來，國外現代化大型預焙槽上流行使用分子比為2.1～2.3的電解質，不添加其他添加劑。理論和實踐表明電解質分子比降低，電流效率提高——每加1%AlF3，就增加電流效率0.5%。但分子比過低（AlF3含量過高）則：（1）減小了電解質導電率；（2）減小了氧化鋁溶解度；（3）增大了電解質的揮發(fā)損失；（4）增大了Al4C3的溶解損失（陰極和內襯的腐蝕增大）；（5）易生成鋁的低價氟化物而增加鋁損(減低電效）

（6）操作困難，對控制要求高。因此，不能穩(wěn)定保持的低分子比并非能得到高電流效率的結果。82電解質溫度與過熱度

一般認為，溫度每降低10℃，電流效率能提高2%左右。但現代鋁電解槽的生產實踐也有相互矛盾之處，主要表現在采用較高溫度（960℃）與采用較低溫度（945℃）運行的同類型槽生產系列，電流效率無明顯區(qū)別。因此，有學者認為，溫度不一定對電流效率有決定性影響，而是過熱度比電解質溫度更重要。我們認為另一個重要原因是運行于較低電解質溫度的電解槽的穩(wěn)定性較難控制，因此容易抵消溫度降低的好處。為保持合適的過熱度，顯然隨電解質分子比的降低，最佳電解質溫度值應該降低，但這種降低應以不使電解槽的運行穩(wěn)定性明顯變差（包括不使氧化鋁濃度控制明顯變差）為前提。93槽工作電壓

國際上各大鋁公司的一些預焙槽的槽電壓、電流效率和電耗數據如下表所示。各大鋁業(yè)公司大型預焙槽的槽電壓在4.16～4.43V之間不等。10世界各大鋁公司預焙鋁電解槽的有關生產數據鋁公司電流（kA）槽電壓(V)電流效率(%)電耗(kWh/kg·Al）加拿大鋁公司3004.4393.014.2

美國鋁業(yè)公司1801954.174.3694.193.0～94.013.213.7～14.2新美鋁公司2004.2594.0～95.013.4意大利鋁公司1554.3592.514.0瑞士鋁業(yè)公司1804.2295.213.2澳大利亞聯邦鋁公司1904.2395.813.2迪拜鋁業(yè)公司2004.3695.513.6埃及鋁業(yè)公司1604.3294.013.7希徳羅鋁公司1692304.364.2393.496.313.913.3凱撒鋁公司1551954.214.1695.094.713.213.1

彼施涅鋁公司1802104.244.2693.8～95.293.013.2～13.413.7雷諾公司1554.3792.514.1德國聯合鋁公司1804.3893.214.0南非鋁業(yè)公司1654.3595.413.611當分子比和電解質溫度降低時，由于電解質電導率變小，若槽工作電壓不相應提高則實際上縮小了極距。而在工業(yè)電解槽上，極距從正常極距（4cm）降低1cm，電流效率約降低4%，因此保持足夠高的極距是取得高電流效率的前提條件。針對大型預焙槽進行理論計算表明，若要保持極距不變，則分子比每降低0.1，設定工作電壓應提高約50mV。因此，若分子比在2.6時的工作電壓為4.0V,則當分子比調整為2.3時，設定工作電壓應調整為4.15V方可保持極距不縮小。這與生產實際情況相符。12

雖然工作電壓的提高也有增大電耗的不利一面，但計算表明，電壓提高50mV，只要能使電流效率提高1%，則可維持噸鋁電耗基本不變。此外，采用新的智能模糊控制技術后，異常電壓和效應分攤電壓的減少可使槽平均電壓增加的幅度小于槽工作電壓的增加幅度。

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我們的智能模糊控制試驗曾表明，分子比從2.6降至2.3時，雖然工作電壓增加了150mV，但平均電壓卻只增加了100mV左右，為4.2V左右，而電流效率卻可提高3%以上，所以電耗也明顯降低。

144氧化鋁濃度氧化鋁濃度范圍的選擇與電解質組成、下料方式以及下料控制策略密切相關。雖然槽電壓與氧化鋁濃度的關系表明在氧化鋁濃度3.5%～4.0%左右存在槽電壓最低值，但氧化鋁濃度與電流效率的關系卻存在很大的爭議。

15槽電阻氧化鋁濃度16為了適應低分子比和低電解溫度時氧化鋁飽和溶解度低（分子比2.35，溫度945℃時為7%）以及各種按需下料控制策略對電阻斜率的要求（低氧化鋁濃度時，槽電阻對氧化鋁濃度的變化反映敏感），氧化鋁濃度工作區(qū)不得不設置在較低的范圍以利于氧化鋁濃度控制和減少生成沉淀的可能性。但過低的氧化鋁濃度顯然升高了槽電壓或降低了極距，這對能耗或電流效率指標不利。因此新近的觀點認為，對于氧化鋁濃度的控制，只要能穩(wěn)定地控制在既不容易產生效應，又不會導致沉淀產生的區(qū)域，便達到了控制目的。若分子比低于2.5，這樣的區(qū)域一般認為位于1.5～3.5%的范圍內。175陽極效應系數

國外先進的預焙槽，由于其環(huán)保和技術經濟指標的要求很高，因此普遍采用低效應系數操作，但這也是和國外鋁廠優(yōu)良的陽極碳塊質量、氧化鋁物料特性有很大關系。據最近的報導，國外鋁廠的陽極效應系數在0.05～0.3之間。在其它條件相對穩(wěn)定的情況下，陽極效應系數的選擇主要取決于陽極碳塊質量和氧化鋁物料的特性。其中陽極碳塊質量最為重要，特別在低分子比、低溫度的電解過程中，電解質粘度增大，碳渣不易分離。我國大型預焙鋁電解廠考慮到陽極碳塊質量與國外先進水平有較大差距，且生產使用溶解性能不佳的國產中間狀氧化鋁，因此，保持的陽極效應系數較高（一般要求不大于0.3次／槽·日，平果鋁等要求在0.5～0.6）。186現代工藝技術條件對自動控制和人工操作維護的新要求

根據上述特點可知，采用現代工藝技術條件后，若自動控制技術跟不上、人工操作維護依然為傳統的經驗型與粗獷型，則無法長久平穩(wěn)地保持現代工藝技術條件。196.1對分子比控制的要求

采用低分子比操作后，熔融電解質組成（強酸性）與凝固的電解質組成（接近中性）差別大，因此分子比與熱平衡的相互影響與相互作用要比高分子比狀態(tài)下強烈得多；低分子比狀態(tài)下的調整分子比操作會引起分子比和熱平衡出現較長時間和較大幅度的“慣性”變化過程。

20添加一定量氟化鋁后分子比、電解質溫度、過熱度以及槽幫厚度變化量隨時間變化曲線

21控制好分子比，首先要重視人工定期檢測分子比和槽溫，密切注視分子比和熱平衡的變化，其次要用系統的和動態(tài)的觀點，找準引起分子比變化的原因和趨勢，不能只看每一靜態(tài)值或單靠調整氟化鋁的添加量來調整分子比。每調整一次分子比便要等待電解槽進入一個相對較平穩(wěn)的過程，然后再考慮下一次調整。如果兩次下調分子比的操作沒有拉開足夠的時間間隔，那么這兩次操作對槽溫和分子比的影響便會疊加在一起，電解槽的熱平衡便會發(fā)生震蕩。226.2對電解槽穩(wěn)定性維護的要求

隨著分子比、電解質溫度和氧化鋁濃度變低，電解質的電阻率變大且對這些工藝參數的波動變得更敏感，因此電壓容易波動，電解槽的自平衡能力和穩(wěn)定性較差，對外界干擾變得敏感。因此，在現代工藝技術條件下電解槽穩(wěn)定性維護的難度大，要求高。為此，一方面要求控制系統能較深入地解析槽電阻波動特征，并及時地對異常情況進行報警；另一方面要根據槽電阻波動特征采取相應的控制對策。在人工維護的方面，要特別關注電解槽的穩(wěn)定性情況，當電阻針振嚴重時，應著重檢查陽極電流分布情況，并注意是否有效應來臨的趨勢。當電阻擺動嚴重時應注意檢查爐膛的規(guī)整情況及鋁液水平。23目前，我們的智能模糊控制技術將槽電阻波動分為“電阻針振”和“電阻擺動”兩種基本的類型，前者對應電阻的高頻波動（頻率在1／30Hz以上）；后者對應電阻的低頻波動（頻率在1／30Hz以下）。24高頻噪聲、低頻噪聲及低頻信號的分離256.3對氧化鋁濃度控制的要求

采用現代工藝技術條件后，電解質中氧化鋁飽和濃度變小，允許的氧化鋁濃度變化范圍顯著變小，下料稍多則易出現沉淀，下料稍少則易出現效應，因此氧化鋁濃度能否穩(wěn)定地控制在1.5%～3.5%的低濃度區(qū)域是保證現代工藝技術條件在電解槽上得以實現的最關鍵因素。

從人工操作維護的方面考慮，應盡量減少對電解槽的人為干擾。要改變過去的經常性進行邊加工的習慣；對于爐底沉淀的處理，應盡可能通過適當調整技術條件達到逐步消除沉淀的目的，例如采取適當提高設定電壓、適當增加出鋁量、加強保溫等措施，使電解槽通過自身的調節(jié)去消除沉淀。26氧化鋁濃度控制技術的發(fā)展：80年代法國提出了一種在鋁業(yè)界有重要影響的專利技術。該技術采用“欠量下料”與“過量下料”交替進行的下料方式，通過跟蹤槽電阻變化曲線來判斷和控制氧化鋁濃度。我國直到目前，多數槽控機生產單位還在套用這種方法。27欠量過量欠量過量欠量槽電阻下料速率簡單的“欠量—過量”交替下料技術基本原理28

簡單的“欠量—過量”交替下料技術的缺點：電解槽始終處于“振蕩”狀態(tài)；電壓調節(jié)不及時，且變化范圍太大；出現異常槽況時，易出現控制失誤。29異常槽況易導致控制失誤的原因是，除了氧化鋁濃度外，還有許多其他的因素會引起槽電阻的變化：①槽電阻的變化還由極距、電解質水平、電解質組成等參數的變化引起；②下料器向槽中添加的物料有時會部分地堆于槽面（成為槽面保溫料），而有時槽面保溫料可能塌陷；③加入槽中的物料的溶解過程存在滯后并伴隨有沉淀的產生，尤其是采用低分子比、低溫這種技術條件后，由于氧化鋁在電解質中的飽和溶解度和溶解速率大大降低，沉淀更易產生，而發(fā)生沉淀的比例與沉淀的溶解速率不可預料；④由物料與電解質凝固構成的爐膛的厚度隨槽溫、電解質組成等因素的變化而變化，從而也引起氧化鋁濃度的變化；⑤陽極工作、出鋁、人工維護等人工作業(yè)帶入槽中的物料量難以正確地估計和通報；⑥下料器的計量存在一定的誤差，或者下料器故障。30

為了克服常規(guī)的“欠量—過量”交替下料控制技術的缺點，提高氧化鋁濃度控制的精確性和可靠性，我們開發(fā)了一種專家模糊控制算法，該算法根據對槽況的綜合分析來判斷和控制氧化鋁濃度。綜合分析的內容不僅包括槽電阻的變化情況分析，還包括物料平衡估算，陽極效應等異常槽況判斷，陽極效應預報，槽況穩(wěn)定性分析，下料控制中可能出現的種種異常情況分析等。然后根據槽況綜合分析的結果選擇適宜的下料控制模式，在必要時調整控制規(guī)則及控制器的動態(tài)特性以便使電解槽盡快地回復到最佳的工作區(qū)間，并在通過槽況分析獲得氧化鋁濃度工作點偏低或偏高的結論時，修正下料模糊控制的設定值。316.4對極距和熱平衡控制的要求

（1）常規(guī)的控制方法：常規(guī)控制方法是將槽電阻維持在以人工設定值為中心的非調節(jié)區(qū)內（即目標控制區(qū)域內），因此常稱為槽電阻控制。說明：生產中為了直觀，設定電阻一般以設定電壓的形式給出。上限目標值下限下降陽極提升陽極32

（2）常規(guī)控制方法的問題：

維持槽電阻在設定區(qū)域并非槽電阻控制的真正目的。槽電阻調節(jié)的真正目的是：一方面維持正常的極距；另一方面維持理想的熱平衡。但是，因為槽電阻與很多種目前尚不能在線檢測的參數有關，所以它與極距和電解質溫度并無確定的對應關系，將電阻控制在目標控制區(qū)域內并不意味著能維持最佳的極距和熱平衡。因此，在傳統的控制方法下，當電解槽狀態(tài)或運行條件發(fā)生變化時，往往需要手動輔助調節(jié)或人工調整設定值及其上、下限（即調整目標控制區(qū)域）。33（3）由計算機控制系統自動修正設定電壓（目標控制區(qū)域）是否可能？是否必要？對于一個生產系列，全體電解槽的設定電壓越是穩(wěn)定和一致，則說明該生產系列越是穩(wěn)定和一致。因此最理想的情況是，設定電壓的基準值幾乎不需要計算機來經常變換。由于生產條件的波動以及不穩(wěn)定和異常槽況的出現總是難免的，因此若計算機具備在一定范圍內自動調整設定電壓的能力，對于及時恢復正常槽況是非常有益的。隨著管控一體化的實現和管理數據化的加強，逐步加大計算機自動調整設定電壓的“力度”是完全可能的。計算機能在多大范圍內和以多大的敏感度調整設定電壓，主要取決于計算機對槽況（熱平衡和穩(wěn)定性）的判斷能力。而這種判斷能力一方面取決于能否獲得足夠的判據，另一方面取決于槽況診斷軟件的優(yōu)劣。34（4）從人工操作維護方面來考慮：首先要求操作管理人員理解槽電壓與分子比等工藝參數間的關系，能根據電解槽整體技術條件正確地給定設定電壓.并且要求操作管理人員理解智能模糊控制系統的設定電壓自修正和電壓調節(jié)策略，保證“人機默契配合”，避免人工的隨意干預。此外很重要的一點是，必須嚴格要求工人按技術標準執(zhí)行人工操作工序，提高操作質量，減少對熱平衡的干擾。356.6對陽極效應系數控制的要求首先要選擇一套適宜的下料控制策略（設效應等待還是不設效應等待？）。在人工操作維護方面，最重要的是改變過去的高效應系數（0.8～1.2）操作觀念，擺正槽況與效應的關系，克服“長時間不來效應會造成槽況不好”的觀點，樹立“只要槽況正常便不必來效應”的新觀念。367結語（1）最佳工藝技術條件并非是一種固定不變的模式，各國、各廠可以有自己的特色。各廠應根據自己的設備條件、原料條件、作業(yè)人員的水平等因素綜合考慮自身條件下的“最佳值”（2）“四低一高”是