国家发改委工信部要求到2015年单位国民生产总值能源消耗要比“十五”期末降低20%左右，国家经济建设将要走“以提高资源的利用率，依靠科技促进发展”的经济路线。而铝电解是高能耗企业，电解槽是该类企业中最大的能耗设备，降低吨铝直流电耗是节能有效途径，影响吨铝电耗的主要因素从吨铝直流电耗的计算公式(直流电耗=2.98×平均电压÷电流效率)可以看出：平均电压与电流效率的良好匹配是降低吨铝直流电耗的关键。如何在既定的电解质体系下，使电解槽稳定保持最低设定电压，并确保电解槽维持较高的电流效率，从而使直流电耗保持最佳状态。
1电解温度对电流效率的影响
电解槽的电解温度系指电解质的温度，它是生产极为重要的技术参数，铝的二次损失随电解温度的升高而增加，温度每升高10℃，则电流效率降低约1%，所以在生产中力求降低电解温度，尽可能保持低温生产，有利于电流效率的提高(2)。
电解温度的高低主要取决于电解质的初晶温度，因为电解温度总是高于初晶温度10℃左右，而初晶温度的高低主要取决于电解质的组成，即电解质体系构成。表1给出了我公司电解质体系近年来的变化及所对应的槽温情况。
表1 近年来电解质体系的变化及槽温情况表
从表1中可以看出2011-2014年电解质的成分在不断发生变化，电解质中的氟化锂、氟化钾、氟化钙含量在逐年增加，电解质初晶温度也在逐年降低，电解温度也有原来的945℃左右下降到如今的925℃左右，如图1所示电解温度的降低为电流效率的提高提供了条件。
图1 2011年-2014年电流效率变化曲线图
通过以上分析，在降低初晶温度的前提下降低电解槽的电解温度，可以提高电解槽的电流效率，从而获得较好的经济指标。
2 电解槽的极距对电流效率的影响
极距是阳极底掌到阴极铝液镜面的之间的距离(3)。它既是电解过程中的电化学反应区域，又是维持电解槽温度的热源中心，对电解槽的电流效率和电解温度有着直接影响。这里只对电化学反应的影响进行阐述。
当极距增大时，相同量的气体所搅拌的电解质量增加，使搅拌的强度减弱，阴极铝液镜面附近电解质中的Al3+向阳极附近扩散和转移的距离增加，减少了铝的二次反应，从而提高了电流效率;减小极距相当于缩短Al3+离子向阳极附近扩散和转移的距离，电流效率会明显降低，极距减小到临界点时，阳极产生的气体直接接触铝液镜面，生成的铝直接被氧化，电流效率为零。
300KA预备阳极电解槽由20组阳极炭块组成，数目较多，每块阳极保持在同一水平距离的难度很大，我们采取对每块阳极进行测量，然后分别去掉一组极距最高的和最低的，之后进行平均，从而估算我公司的阳极极距情况(图2)。
图2 阳极极距测量表
在2012年12月我公司对电解槽的极距情况进行测量，我公司电解槽的极距为5.75cm，而设计极距在4.5 cm左右。极距过高会增加槽电压，增加能耗，而控制极距只能靠降低设定电压来实现。因而电解槽的极距较高为平均电压的降低提供了条件。
为了在不影响电流效率的情况下，我公司采用逐步降低设定电压的办法，缓慢降低设定电压。
从表中可以看出，我公司的工作电压在2012年曾一度降低到3.960V，而电流效率仅有91.49%。之后，又对设定电压进行回调，截止2014年11月份我公司的年平均工作电压为3.977V，完成电流效率为92.56%。
表2 电流效率与工作电压情况表
从以上情况来看，设定电压的改变是极距变化的主要体现，设定电压过高电流效率会适度增加，但是会增加电能的损耗，设定电压过低则极距过低，对电流效率造成一定的影响，电流效率明显降低，总体来看，我公司在目前电解质体系下，设定电压在3.940左右较为合适。
3 添加剂对电流效率的影响
铝电解常用的添加剂有氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂、碳酸钠。这几种常用添加剂都具有降低电解质初晶温度的优点，这对铝电解生产极为有利，其共同缺点是降低氧化铝在电解质中的溶解度和溶解速度;在导电方面，除氟化锂外，其他添加剂均使电解质的导电度降低(4)。
而我公司目前的电解质体系中主要添加剂成分如下表3：
表3 电解质体系中主要添加剂成分表
氟化锂、氟化钙含量均较高。其原因是氧化铝中的锂、钙含量较高，致使电解质中的氟化锂、氟化钙明显超过正常值。
在我公司这种现象自2012年底开始体现(见表1)，至2013年下半年，锂含量达到7-8%，钙含量也达到7-8%，添加剂的总量超过了12%的界限(2)。电解槽运行情况具体表现为：槽温一度降低到910℃;电解质颜色发红、流动性较好;电解质溶解氧化铝能力极差，炉底产生大量沉淀，电解槽效应多发;电解质对氟化铝的添加量变化不敏感，电解质分子比显示偏高;电解槽炉底压降开始升高，波动较多，运行状况明显变差。
针对这一特殊现象，在翻阅大量资料之后发现，没有针对这一情况的具体介绍。之后，我公司对氧化铝的品种进行调整，即将省内氧化铝与省外氧化铝进行混合使用，其比例在6:4，随后，电解质中的锂、氟化钙含量随之缓慢降低，电解温度也有所回升，同时和中南大学合作，对槽控机的控制系统进行了升级改造，使槽控机对氧化铝浓度的控制更加科学化，合理化，使氧化铝浓度控制在2%左右，各项技术指标也得到好转。
经过这两年来的曲折证明，电解质中的锂含量在2%以下，对电解质的性质有明显改善;超过6%，电解质溶解氧化铝的能力会受到很大影响。此时的氧化铝浓度控制要更加准确，要加强设备的管理和人员的巡视;分子比的控制在添加氟化铝的同时要兼顾锂离子、钾离子、钙离子的综合影响。
4 电解槽铝水平对电流效率的影响
铝水平过高或过低对电解过程都有影响。铝水平过高，散热量过大，会使槽底发冷，沉淀增多，结壳较厚;铝水平过低，阳极侵入电解质中太深，使电解质温度升高，炉膛扩大，电解质水平升高，阳极气体排出困难，阴极铝液稳定性差，电解槽容易出现电压摆动。
大型预焙铝电解槽的热容量较大，但与160KA电解槽相比存在磁场平衡能力相对较差，阳极电流和阴极电流分布相对不均衡，电解质温度分布相对不均匀。故我公司300KA预焙阳极电解槽适应较高铝水平。较高的铝水平其主要作用就是为了稳定磁场，它填平了槽底上高洼不平之处，使电流比较均匀地通过槽底，水平电流大大减小，降低了针振和电压摆发生的机率与幅度;较高的铝水平具有良好的导电性能，具有使阳极电流和阴极电流分布比较均衡的作用;较高的铝水平使电解槽内温度分布比较均匀，使阳极底部热量能够及时地散发出去，有利于调节、降低槽温，减弱二次反应。
相反，铝水平过高会使电解槽发生冷槽，炉底压降上升，电解槽波动增加，炉膛急剧萎缩等，反影响电解槽的健康运行，从而影响电解槽的电流效率。
表4 某公司2011年至2014年铝水平、质水平以及电流效率变化表
我公司在建厂初期铝水平保持在18-20cm，电流效率在91.5%左右，之后对铝水平逐渐提高，电流效率也随之提高，但是在平均电压逐年降低的情况下，质水平也在逐年降低，进入2013年质水平出现严重萎缩现象，平均值低至16.5cm。为了稳定电解质水平并兼顾设定电压以及电流效率，在2014年初，我公司对电解槽进行小幅撤铝，铝水平稳定在29.5cm，质水平也有所提高。经过几年的调整，在目前的设定电压下，我公司铝水平保持在29.5cm左右，质水平相对稳定，电流效率稳定在92.5%以上。
5 结论
在电解质的锂含量达到5-6%、钙含量在7-8%的复杂电解质体系的情况下：
(1)电解温度不能过低，应保持在925-935℃较为合适。
(2)极距应保持在5.5左右，平均电压在3.970-3.980V，电流效率相对较高，但过高、过低均都会对原铝直流电耗造成影响。
(3)添加剂的总量大于12%，特别是锂、钙含量较高时，氧化铝的溶解度会受到很大影响，氟化铝添加要考虑其综合影响，氧化铝控制不易太高，控制在2-2.5%较为合适，避免炉底沉淀的发生，从而稳定电解槽炉膛。
(4)300KA预焙阳极电解槽适应保持较高铝水平，铝水平保持在29.5cm左右，对电解槽的热稳定、磁场稳定、铝液的稳定均有很大好处。通过以上主要技术条件的匹配，电流效率会稳定在92.5%以上，从而会取得较好的直流电耗指标。
参考文献
[1] 邱竹贤.预焙槽炼铝.冶金工业出版社，2005
[2] 李清.大型预焙阳极电解槽生产工艺与操作实践.中南大学出版社，2005
[3] 田应甫.大型预焙电解槽生产实践.中南大学出版社，1997
[4] 尹恩生.160KA中心下料预焙阳极电解槽生产工艺与管理.中南工业大学出版社，1997
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编辑：中冶有色技术网
来源：河南豫港龙泉铝业有限公司
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