铝电解工艺技术优化措施及发展方向

时间：2024-11-02

张素芬

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁沈阳 110166）

在现代化的铝工业生产当中，最常见的制备方法是利用冰晶石的氧化铝融盐电解法，主要用到的设备是铝电解槽。制备原理是将冰晶石作为电解质，利用碳素材料作为阴极和阳极，通过强大的直流电将电流从阳极导入，阴极倒出，中间经过电解质和铝液层。通入直流电的目的是为让冰晶石达到熔融的状态，同时保证恒定不变的电解温度，另一方面，也是为了实现冰晶石的电化学反应，从而得到铝液[1]。在阴极上获取到的铝液会随着电解工艺的不断进行，产生大量的铝，再经过电解槽中周期性的真空抬包被吸出，并运送到铸造车间当中，再经过配料和进化等工序，最终得到商品铝锭。目前，电解铝的生产中，数量、规模、资金等方面都存在着较大的差异，因此对于生产企业来说，其升级和改造正面临着巨大的挑战。同时由于生产技术管理的落后，也严重制约着电解铝的生产和发展。

1 铝电解工艺技术优化措施

1.1 铝电解工艺原材料优化

为了使铝电解工艺的生产过程更加稳定，保证其各项技术指标能够达到相关的技术要求，对于其原材料氧化铝来说，除了要对其杂质含量进行严格的把控外，还要对其物理性能进行特殊的要求[2]。随着铝电解工艺规模的逐渐扩大，铝电解槽的容量也在逐渐增加，并且点式加料的电子计算机控制技术也得到了更加广泛的应用，因此对于氧化铝材料的物理性能要有更加优化的选择方法。表1为不同氧化铝类型及其对应特征。

在铝电解工艺生产过程中，尽可能选用砂状和粉状两者之间的氧化铝，其次是砂状氧化铝。通常情况下，对于氧化铝的化学组成限制只要求氧化铝中的杂质氧化硅和氧化铁的含量在生产工艺的规定范围内即可。氧化硅的含量为0.008 ～ 0.05%，氧化铁的含量为0.007 ～ 0.02%。将完全符合要求的氧化铝作为一级品，杂质中氧化硅和氧化铁的含量达到规定上限的成为二级品，超出规定的氧化铝不能进行铝电解工艺上产。

1.2 铝电解槽结构优化

为了让铝电解工艺技术能够满足其自身发展，对于建设技术先进、经济效益高的大规模、大容量的铝电解槽是十分必要的。因此对于铝电解槽的电、磁、电、力等进行优化是十分必要的。铝电解槽阳极的断面是由经济电流的密度决定的，其密度的大小直接影响着铝电解槽的生产成本[3]。由于电能资源的费用较高，因此不宜选用电流密度较高的阳极。而阳极和阴极的碳块尺寸选择要做到合理匹配、结构紧凑，从而保证铝电解槽的内部有足够的保温层厚度。大规模的铝电解槽的阳极电流密度应选择在 0.75 ～ 0.78A/cm2。

为了使铝电解槽的内部保温结构不被破坏，要在耐热砖与保温砖之间铺设一层耐火的颗粒材料，且厚度应在1.5mm到2mm之间，以此提高更好的防护屏障效果。由于耐火材料中，图耐火砖的性能较为良好，但价格十分高昂，因此选用一种泡沫混凝土捣制而成的圈梁结构，该材料具有较好的耐热性，且价格相对较低。

从图1可以看出，在电解的温度下，导热性能最好的为石墨化碳块，其导热率高出其它材料的2 ～ 4倍。该材料的缺点在于价格相对较高，但通过研究发现，即使是在电解槽表面积较小的情况下，石墨化碳块也可以生成炉帮结壳[4]。因此，又可以大幅度的降低铝电解槽的制作成本，并且有助于提高电流的效率，使得铝电解工艺获取到的经济效益远远超过石墨化碳块的成本，因此石墨化碳块可以作为铝电解槽中最好的阴极材料。

2 铝电解工艺发展方向

目前，绿色化的环保生产已经成为工业领域中的一项硬性指标，尤其是在“供测给”的经济改革实施以来[5]。为了使铝电解工艺的生产条件能够符合相关环保的规定，对于铝电解企业的升级和改造是十分必要的，同时这也将成为铝电解工艺未来发展的目标和方向。通过对近几年的铝产品市场进行研究发现，铝电解的消费量以及市场需求正在不断的扩大，而存在的问题在于铝电解工艺中的生产方式和相关技术存在严重的不足，因此很难保证在绿色环保的要求下达到规定的生产量。只有找到了正确的突破口，才能真正做到将环保与生产同时达标的良性发展。而突破口就在与要将经济结构的调整作为契机，对于已经落后的生产工艺技术进行逐步的淘汰，并积极研发新的铝电解工艺技术，以此才能真正实现铝电解工艺生产、环保等效益上的丰收，同时还可以实现铝电解企业的全面转型。