1 前言

電解生產(chǎn)中，穩(wěn)定的熱平衡是電解槽長周期高效率的條件，而如何使已設計好的槽子保持良好的熱平衡，影響因素很多，而良好的外部供電系統(tǒng)以及最佳的工藝技術條件是最為關鍵的因素，在外部供電系統(tǒng)基本穩(wěn)定的情況下，保持合理的生產(chǎn)技術條件，又成為電解槽熱平衡穩(wěn)定的主要因素。

2 供電系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定是保持電解熱平衡的基礎

(1)外部供電：鋁電解生產(chǎn)是-種連續(xù)的、不間斷的、電流強度不能隨意調(diào)整的生產(chǎn)工藝過程。供電能力的長期平穩(wěn)對鋁電解企業(yè)是至關重要的，也是保證鋁電解生產(chǎn)長周期平穩(wěn)運行的關鍵。供電能力的不穩(wěn)定導致鋁電解生產(chǎn)負荷變化，電流強度忽高忽低，必然導致電解槽波動，最終破壞電解槽的熱平衡，使合理的電解生產(chǎn)工藝技術條件遭到破壞。引起電解槽電流效率下降，無謂增加電耗和企業(yè)的產(chǎn)品成本。但是在一般情況下，如果沒有天災或人為破壞，電力供應都是比較穩(wěn)定的。

(2)內(nèi)部電阻變化：一般電解槽熱平衡的變化，在供電系統(tǒng)比較平衡的情況下，主要是凋整極距來控制電解槽電阻的(電解質(zhì)電阻包括電路電阻、極化電阻、效應電阻以及電解質(zhì)電阻)，在電解槽電阻中，只有電解質(zhì)電阻是可變的，在極距允許的一定范圍內(nèi)，可以通過調(diào)整極距改變電解質(zhì)R質(zhì)來維持生產(chǎn)負荷改變前已確定的熱平衡基本不變，建立生產(chǎn)負荷改變后的熱平衡。

3 影響電解槽能量平衡的因素

3. 1 影響電解槽能量平衡的因素主要有

(1)氧化鋁加料的影響;

(2)更換陽極;

(3)陽極效應;

(4)出鋁;

(5)電解質(zhì)成分的變分;

(6)電流效率的變化。

3.2 增大電流保持原有電解槽熱平衡的方法在原有電解槽上提高電流，采取的措施不外乎，第一，通過加大陽極提高電流;第二，采用石墨化陰極和碳化硅側塊，加大鋼爪和減少氧化鋁覆蓋層，增加熱損失以保持側部結殼和熱平衡;第三，改善電解質(zhì)成分和降低極距來減少內(nèi)熱。

3. 3 側部結殼困難困擾鋁電解工作者在實踐中早巳發(fā)現(xiàn)大電解槽側部結殼十分困 難，但沒有得到應有的重視，生產(chǎn)者只知道調(diào)整分子比，設計者對電解槽熱平衡研究不夠，所以沒有解決側部結殼這個最致命的問題，不僅側部不結殼或極薄，有的更大的電解槽槽殼溫度高達400℃。目前我廠已投產(chǎn)的230kA電解槽是將槽殼置于操作樓板之下，以加大陰極的對流散熱。國外AP-50預焙槽的槽殼溫度表明即或有強有力的通風，加強對流的情況下，其槽殼中部的溫度仍比兩端的溫度高8～10度，由此可見，大型電解槽沒有必要追求短的槽間距，省了母線和土建費用，槽壽命卻變短了。230kA和320kA槽最高溫度和平均溫度、槽殼鋼板外壁溫度分布見表1、表2。從表中數(shù)據(jù)分析，由于槽子所選材料及設計問題，槽殼鋼板外壁溫度過高(超過400℃)，散熱不好。

4 生產(chǎn)過程中技術條件對槽熱平衡的影響

在生產(chǎn)操作過程中，技術條件成為影響槽熱平衡的關鍵因素，在設計工作已完成，各種砌筑材料都已選定、并且安裝好的槽子，本身的熱平衡已經(jīng)確定，如何保持這種熱平衡，是生產(chǎn)者水遠追求的目標，穩(wěn)定良好的熱平衡，是保持電解槽各項技術指標的關鍵，反過來，合理優(yōu)化的生產(chǎn)技術條件又是穩(wěn)定槽子熱平衡的基礎。在實際操作中，影響槽子熱平衡的因素很多，如電解質(zhì)成分、更換陽極、出鋁、氧化鋁加料量、陽極效應、電壓等，如何將各種因素有機的結合在一起，形成一套可行的、合理的生產(chǎn)標準，盡可能小的破壞槽子的熱平衡，使槽子始終處于穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài)。下面就將各種因素簡要分析如下：

(1)電解質(zhì)成分：現(xiàn)代大型槽由于散熱面變窄，所以對側部散熱的要求很高，如何能減少熱收入、減輕側部散熱壓力呢?從改善電解質(zhì)成分來看，添加鋰鹽是一個很好的途徑，另外適當降低極距也可以收到一定的效果。添加鋰鹽從理論上講可以降低電解質(zhì)初晶溫度，提高電解質(zhì)的導電率和電流效率。電解質(zhì)分子比的變化對于越先進、容量越大的電解槽就越敏感，這也是側部破損快的原因之一。據(jù)文獻介紹，在230kA電解槽添加鋰鹽可以提高電解質(zhì)的導電率和電流效率開增加產(chǎn)量，同時降低電耗和減少氟的排放量，見下表。

從上表可以看出，在不同AlF3濃度的情況下，加入LiF的電解槽比沒有加鋰鹽的槽子導電率和電流效率都有不同程度的提高，單槽日產(chǎn)量增加，同時電耗有所降低，氟的排放量減少，爐底沉淀增加。

電解質(zhì)成分在不斷發(fā)生變化，最顯著的是分子 比升高。升高原因一是原料中雜質(zhì)的影響，二是電解質(zhì)的揮發(fā)，最主要是AlF3的揮發(fā)(AlF3的沸點最低-1260℃)。電解質(zhì)分子比越大，電解質(zhì)溫度越高，AlF3的揮發(fā)越大。調(diào)節(jié)電解質(zhì)成分主要根據(jù)化學分析報告，分子比太高，應補充AlF3，分子比過低，應及時補充Na2CO3，使得保持一個合理的分子比。

4. 2 更換陽極

陽極更換是破壞電解槽熱平衡的大敵。因為實踐證明，再好的磁場母線設計，也經(jīng)不起每天更換陽極的折騰，因為更換陽極要降低槽溫，此時易于產(chǎn)生沉淀，新?lián)Q上的陽極瞬間吸收熱量，同時陽極底掌粘上一層電解質(zhì)又降低了電解質(zhì)過熱度，如果電解質(zhì)內(nèi)熔體循環(huán)流動條件較好，則可以補充上熱量，可是，現(xiàn)代大型預焙槽磁場補償非常好，電解質(zhì)流速較低，熱量不能及時供應，造成不能及時熔化陽極下面粘著的一層固體電解質(zhì)，弄不好陽極就長包。

根據(jù)挪威的AP-18槽測定的更換陽極后新陽極溫度和相鄰舊陽極內(nèi)部溫度的變化情況來看，更換40小時后，陽極底掌的溫度才接近平衡，更換陽極新舊陽極的溫度均有較大的影響。因此，電流上升的程度也必定與溫度上升基本一致，所以更換陽極對電解的熱平衡破壞很大。

4. 3 陽極效應

國外環(huán)保已從氟化物轉向溫室氣體，從以往的用陽極效應來調(diào)整槽子的槽況觀念，轉到瞄準零效應。因為，陽極效應的產(chǎn)生不但產(chǎn)生大量的CF4氣體還要產(chǎn)生其他的害處，但下料多時易產(chǎn)生沉淀，引起電流極不均勻。根據(jù)測定發(fā)現(xiàn)，陽極電流大的地方，陰極電流反倒很低，效應電壓高了和時間長了側部爐幫化光，不僅破壞了熱平衡，而且引起水平電流，造成電解槽鋁液波動，電流效率降低，并大量浪費電能，如160kA電解槽，效應電壓20V，每分鐘耗電53kWh。所以零效應最為理想。

當今發(fā)展起來的氧化鋁濃度自適應控制技術，雖可較好控制陽極效應發(fā)生次數(shù)，但陽極效應著實會給運行的電解槽帶來一些好處，諸如消除爐底沉淀，潔凈電解液(排除炭渣)，清理陽極底掌，自調(diào)節(jié)槽內(nèi)熱平衡等，同時發(fā)生效應時的各種數(shù)據(jù)可提供槽子運行狀態(tài)的信息。

根據(jù)陽極效應對槽子的作用，應保持合理的陽極效應系數(shù)，控制效應時間，以保證槽子的熱平衡，同時減少溫室氣體的產(chǎn)生，節(jié)約電能，目前，大型預焙槽的陽極效應系數(shù)控制在0.3次/槽·日以下。

4. 4 電壓　　在電流恒定的條件下，電壓是凋節(jié)電解槽能量干衡最重要最易實現(xiàn)的手段之一。因此，電壓管理實質(zhì)是電解槽平衡的主要管理。實際生產(chǎn)中，通過變更設定電壓施行對槽電壓進行變更，但實質(zhì)是增減極距來變更電解質(zhì)電壓降，只是基于V=PI+b的線性函數(shù)關系，而b為常數(shù)，P為每移動單位常數(shù)陽極位置的電壓增量，它與設計有關，但主要取決于電解質(zhì)電阻。電解質(zhì)電阻與電解質(zhì)成分的過熱度(高于電解質(zhì)熔點的溫度)有關，還與電解質(zhì)的潔凈度有關。電解質(zhì)中碳渣含量大、懸浮固體Al203量大，則電解質(zhì)電阻也大。當槽電壓恒定，但爐底陰極電壓增高時，或電解質(zhì)電阻變大時，極距就會被壓縮，從而引起病槽。為了使電壓真正與極距呈現(xiàn)確定的線性對應關系，在實際中應盡量保證陽極陰極電壓降，電解質(zhì)的電阻接近設計值，并使這些項目穩(wěn)定。

根據(jù)生產(chǎn)的實際情況，對電壓應進行上升或降低的調(diào)整，凋整幅度-般不能太大，在電壓較高時，每次調(diào)0.1V，在電壓較低時，每次調(diào)0.02V，電壓在4.00～4，20左右時，調(diào)O.03～0.05V。對于病槽每次調(diào)整幅度可在0.20-～0. 50V范圍內(nèi)。在槽子恢復過程中，應根據(jù)情況及時調(diào)整，盡量使槽子熱量收支平衡，避免槽況惡化。在調(diào)整電壓的同時，必須施行其他調(diào)整熱平衡的措施(如調(diào)整吸出量和增減極上保溫料)，不能單靠變壓來維持熱平衡，特別要注意，盡量保持槽子的平穩(wěn)運行，嚴禁在無干擾的情況下每天變動槽子參數(shù)。

4.5氧化鋁濃度的變化

大型預焙槽對氧化鋁濃度的要求很嚴，一般要使槽內(nèi)氧化鋁濃度達到2.5%～3.5%。缺料時，發(fā)生陽極效應;加入的料過量，將產(chǎn)生沉淀，所以Al203濃度保持的好壞，直接影響槽子的熱平衡。

中心加料與邊部加料不同，邊部加料時，需打開槽邊部殼面，為了減少加料給槽子造成的大量熱損失，往往采用較長的加料間隔，一般是2小時或更長的時間，每次加入料量相對較大，加入的料在當時少部分溶解，大部分以固體形式凝結在槽邊沿部位，暫時作為槽幫的-部分，然后慢慢溶解，因此，邊部加料有兩個作用，一是向液體電解質(zhì)中補充氧化鋁;二是補充槽幫。

中心下料槽加料只起向液體電解質(zhì)中補充Al2O3的作用。要求每次加入的量必須在短時間內(nèi)(Al2O3顆粒穿過液體電解質(zhì)層的時間)完全溶解，不允許沉于爐底。解決的途徑：一是選擇溶解性能好的砂狀Al2O3;二是采取低氧化鋁濃度;三是選擇電解質(zhì)最激烈的點作為投料口;四是盡可能縮短加料間隔，每次投入的料量相對較少，并做到定時定量加料。日前應用的自適應控制下料，其控制原理為：借用電解質(zhì)電阻隨濃度變化的關系，用槽電阻的變化間接判斷Al203濃度，進而自動調(diào)節(jié)加料間隔，做到按需下料。

4.6極上保溫料

極上保溫料是維持電解槽熱平衡的重要因素。極上保溫料主要起保持槽子熱量的作用，但它也可作為調(diào)節(jié)熱支出的手段。通過增減極上保溫料厚度，調(diào)節(jié)電解槽熱支出。我國第一個160kA中間下料預焙槽，極上保溫料為160～180mm，如果有過剩的熱量輸入，可通過減薄極上保溫料來增大散熱，避免槽溫升高。冬季還可加厚極上保溫料來加強槽子保溫。據(jù)日輕研究所測定，全極每減薄10mm極上保溫料，多放出的熱量相當于0.06～0.09V電壓所產(chǎn)生的熱量(160kA)。正常槽極上保溫料加得不足，自然會導致槽子走向冷態(tài)，不然，必須升高槽電壓來維持熱平衡，勢必造成高耗電能。當出現(xiàn)輸入熱量不平衡時，可適當增減厚度，作為調(diào)節(jié)的手段之-，但不能只考慮這一種手段，必需與槽電壓、鋁水高度調(diào)整配合實施。

5 電解槽熱平衡與合理技術條件應保持高度統(tǒng)一性

電解槽熱平衡的保持，必須要有合理的生產(chǎn)技術條件做為基礎，而槽子各部位，特別是側部的散熱的問題的解決，即保證熱量從側部從容散出，保證有一個永久性和適宜性狀的結殼或伸腿，是槽子本身設計應該解決的問題。在實際生產(chǎn)中，只有通過摸索，找出一套適應已設計好熱平衡的電解槽的技術條件，最大限度的進行補償設計中的不足，以獲取最大的電流效率和經(jīng)濟效益是鋁電解企業(yè)和科技工作者追求的目標。電解槽熱平衡與技術條件的合理保持是相輔相成的，兩者相互作用，相互影響，必須保持高度的統(tǒng)一性。