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基于电解铝生产中的低电压管理实践研究

发表时间：2020/1/8 来源：《科技新时代》2019年11期作者：刘川

[导读] 原铝的生产是工业冶金中十分重要的一环。人们在日常生活中离不开各种铝制品。如今生产原铝大部分采用的都是电解法。

刘川
        广西百矿铝业有限公司广西百色市田阳县533000
        摘要：原铝的生产是工业冶金中十分重要的一环。人们在日常生活中离不开各种铝制品。如今生产原铝大部分采用的都是电解法。在电解的过程中，在电流的大小不变的情况下，要加强低电压的管理。提升生产过程中的稳定性，节约电能。在本文中，笔者首先对电压偏差这一概念进行了介绍，并对其产生的原因和对应的控制策略进行了研究。
        关键词：铝电解生产；电压偏差；低电压管理
        前言
        电解法生产铝的过程中，对电压和电流的控制是十分重要的，如果能够采取合适的方式对能耗进行有效的控制，那么就可以达到提升电流使用效率降低平均电压的目的。如今，铝电解过程中电流的使用效率已经达到了百分之九十五左右。为了在此基础上继续提升效率，还应该加以低电压管理技术。
        1电压偏差
        在实际的生产过程中，管理者首先应该结合电解槽的运行状况和其他设备的参数等来将电压设置在合理的范围内，在确保电解槽能够正常工作的前提下降低电压。然后，再根据设置的电压值通过计算机计算出电解槽实际的工作电压。因为，虽然设置了电压的值但是在实际的生产过程中，由于各方面原因的限制，实际的电压值和设置的电压值往往存在一定的差值，这个差值就称为电压偏差。电压偏差是衡量电解槽稳定性的重要参数，该值越小那么说明电解槽越稳定。
        2电压偏差原因分析
        2.1电解槽保温性差
        当电解槽内的有效电压值较小时，电解槽内的温度会有所下降。在温度下降时，电解槽内的电解质会出现收缩现象，颜色也会伴随着收缩而加深，粘稠度增加流动性也会下降。在这种情况下，气体的导度会降低，即阳极产生的气体难以排出。在电解槽进入冷行程时，电解槽会进入热能快速损耗的模式，这会导致电解槽的热收入不足。因此，为了将电解槽内的热平衡维持在一个较高的水平，就必须合理的将电压控制在有效范围内，以抑制电解槽进入冷行程。
        2.2技术条件不合理
        前文已经指出，当电解槽内的电压降低时，就会导致热量的快速散失。因此，要适当的提高电解槽内的电压大小，将电解槽内的工作技术进行调整。否则，电解槽的自动控制机制就会主动的将电解槽内的电压进行提升，使得实际电压高于预定的电压，即产生电压偏差，使得电解槽的稳定性降低。
        2.3换极、出铝等作业质量差
        电解法生产原铝的过程中，为了对电解槽内的情况进行控制，有时候需要采用人工的方式来更换阳极材料、添加保温材料等。这些步骤都时必不可少的，但是客观上来说这些过程会对电解槽的工作状态造成干扰。尤其是当人工操作的技术不得当时，会增加电压偏差。
        3电解铝生产中的电压管理措施
        3.1低电压技术
        为了加强电解过程中对降低工作电压的控制，近年来有越来越多的新型技术被运用到电解制铝的工艺中。下面介绍四种使用最广泛的技术：①异型阴极节能技术。该技术的技术核心在于使用阴极带有凸台的异形电极，在铝电解的生产过程中对流动的铝液进行阻隔，降低铝液的流动速度。以此来降低电解槽内的电压。②阻流块节能技术。该技术的核心与第一种技术很相似，通过在电解槽中添加阻流块来降低铝液的流动速度，可以同时降低电解极距和电解质电压。③双阴极钢棒节能技术。该技术在使用的过程中要对电解槽进行一定的改动，要在阴极区域钢棒的位置增加一个贯穿槽，并在这个贯穿槽中增加绝缘材料，以此增加钢棒与炭块之间的接触面积，可以有效提升阴极钢棒的导电性能。④保温型节能槽的应用。
        3.2电压的管理措施
        ⑴降低极化电压
        在铝电解的过程中，两极之间可能会形成电池电动势，为了对该电动势进行克服可以考虑采用极化电压的方法，同时还可以通过促进氧化铝的分解来产生外加电压。为了进一步降低极化电压，要可以通过添加氟化钙和氟化铝等物质来减小阳极区域的电流密度，并增加电解槽内的氧化铝的浓度。

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        ⑵减小阳极压降
        阳极区由于导电物质本身存在电阻而会导致电压的降低。可以通过增加铸铁和炭块之间的接触面积来降低电压降。在接触点可以覆盖氧化铝并提升铁和碳之间的温度来进一步降低电压降。
        ⑶减小电解质电压降
        电解质由于存在电阻所以也会消耗一部分电压，在实际的生产过程中，可以通过减小极距的方式来减小电流密度，并提升电解质的导电性。
        ⑷降低阴极电压降
        要想降低阴极区域的电压降可以采用四种方式进行改善：①及时将电解槽底部的沉淀进行移出。②对电解槽的结构进行调整和改善，增加其稳定性和耐腐蚀的能力。③为降低两极的电压消耗，可以采用品质更好的石墨块。④增加阴极区域的底边边长，采用双阴极棒来增加接触面积，减小电流导程。
        ⑸降低槽内外母线电压降
        电解槽的种类很多，每一个种类的形状和结构都有所不同。在不同性质的金属导体的接触点之间存在较大的电阻，这些地方降低了电压的大小，而且会消耗过多的电能。因此要改善接触点的导电性，降低电压降。
        4电解铝生产中的低电压管理实施案例
        4.1低电压技术的实施
        ⑴槽控制系统升级
        铝电解的过程中，可能会由于各种原因导致电解槽的电压降低，电解槽内电压降低之后就会导致电解槽的稳定性受到影响。因此，要将电解槽的控制系统进行升级。控制系统的主要作用就是对电解槽的电压进行监控，并当电压值降低时自动增加电压。防止由于电压降低太多而使生产受到影响。
        ⑵改进生产条件
        前文已经指出，如果电解槽内的电压值降低那么就会对电解的过程造成很大的影响。为了避免这种现象的出现，有必要对现有的生产条件进行改善。要对电解槽中的溶质的溶解性、电解质的导电能力等进行严密的监控，以保证电解槽的稳定运行。
        ⑶采用炭碗间开槽阳极
        阳极炭块和承载炭块的钢爪之间存在一定的电阻。这种电阻对电解存在较大的影响。而且，这部分电阻的大小受到很多因素的影响。例如，碳棒和钢爪本身的性能，钢柱的浇筑质量和铁的成分等。在设计时，一定要对这些因素进行严格的把控，同时还可以考虑在炭碗之间开槽，保证炭碗之间的连通性。
        ⑷改进电解槽保温性能
        电解槽应该具有良好的保温性能，这样在电压降低的情况下就能够延缓电解槽内电解质温度的降低。所以，要在现有的基础上改善电解槽的保温性能，在最大程度上降低热量的损失。需要注意的是，还需要对电解产生的烟气的流动速度进行控制。
        ⑸保证系列电流能量平衡
        有焦耳定律可以知道，热量的产生主要和电流的大小有关。因此，除了防止电解槽内温度的降低之外，还应该对电解槽内的电流进行检测。当电流的值有明显的降低时，就应该适当的提升电流的大小，来确保电解槽内的能量平衡。
        ⑹保持理想规整炉膛
        良好的炉膛内型，能够为降电压奠定基础。因此，要对现有的炉膛进行检修，确保其具有规整的外形。
        4.2经济效益
        ⑴节电效益方面
        某企业在根据以上改进方法对现有的生产工艺进行改善后，取得了良好的收益。具体来说，电能节省能力有明显的提升，厂区内全年可以节约电力8800万kW·h，直接经济收益达到了3168万元。
        ⑵增产效益方面
        通过技术改造后，该厂单槽日产量增加量达到36kg。按照每吨铝的利润为一千元进行计算，全年可以提产3532吨。经济效益十分可观。
        ⑶社会效益方面
        技术改造的收益不仅体现在企业的经济效益上，而且对社会也是有积极影响的。由于电能的消耗更少，所以由于生产电力而造成的能源消耗和环境污染也明显降低。这有利于促进企业和社会的可持续发展。
        5结语
        综上所述，在电解制铝的过程中，会有很多情况对生产效益造成影响。为此，技术人员应该对现有的设备和生产工艺进行调整。在提升电解槽的稳定性的前提下，降低能耗，提升生产效益。
        参考文献
        [1]汤学智.电解铝大型预焙槽生产工艺路线与技术管理研究[D].兰州理工大学,2017.
        [2]李航.电解铝低碳生产方案及可行性研究[D].北方工业大学,2019.