关于大型预焙电解槽过热度控制的探讨摘要：在国际上，有的电解工作者提出了对铝电解槽的过热度的控制，而且取得了不错的效果，国外许多先进铝厂电解槽过热度控制在8—10℃，效率达到95%以上，而我国对过热度的控制还不够重视，一般控制在15—20℃，本文针对过热度控制的要点，详细控讨了怎么样通过调整物料平衡和热平衡控制好过热度。
关键词：过热度初晶温度电解质成分极距热平衡物料平衡一、我国工艺技术控制现状从我国引进日轻160KA大型电解槽后，逐步开发了“四低一高”的铝电解生产工艺制度，并为现代电解槽工艺技术管理所广泛采用。
“四低一高”也就是低电解温度，低分子比，低AE系数、低氧化铝浓度，高极距。
随着电解槽设计软件的不断开发更新，电解槽的磁场设计得到了很好的改善，所以现在也有“五低一高”的理论，也就是低电解温度、低分子比、低AE系数、低氧化铝浓度和低铝水平，高极距。
无论“四低一高”还是“五低一高”工艺制度，都是要求用尽可能低的电解温度实现的高的电流效率。
低温电解一直指导着我们的生产，有些文献报道，电解温度每降低10℃，可使电流效率提高1％～2％。
实验研究表明，降低电解温度会使电流效率连续升高，然而，过低的电解温度容易在槽底产生沉淀和造成槽膛不规整，易引发槽子不稳定，从而影响电流效率，造成能耗的增加。
而且从目前的电解质体系来说，要想达到低温电解且保持电解过程稳定高效进行，还有待改善电解质成分，不断优化电解质体系。
二、过热度控制的提出国际著名的铝冶金专家Haupin对大量的电流效率数据的统计分析表明[1]，电解槽的电流效率更依赖于过热度，而不是电解质温度。
在国际上，有的电解工作者提出了对过热度的控制，国外有的大型电解槽过热度控制在8—10度，而且取得了不错的效果。
过热度是电解质温度与电解质初晶温度之差，我国一般控制在15—20度左右，一直以来我们对过热度的控制并没有引起足够的重视。
下表是法国彼斯涅电解槽的一些技术数据情况统计表：从上表可以看出，尽管电解质的初晶温度高，但只要控制好电解质的过热度，仍能得到很高的电流效率，这也是我们提出对电解质过热度控制的原因，从电解发展情况来说，以后控制好电解质的过热度，可能会是电解槽大幅提高电流效率的突破点。
三、最佳过热度的机理Solheim研究指出[1]，较低的过热度可以在铝阴极表面沉积一层冰晶石壳膜，因而可阻止铝的溶解损失，提高电解槽的电流效率。
然而过热度太低时也会引起过多的冰晶石沉积和沉淀，而导致电解槽的不稳定，最佳的过热度的大小应与电解质的分子比、电解质初晶温度有关。
分子比较低时，需要适当提高一点过热度，因为在此时，电解质的初晶温度的变化受电解质分子比变化的影响较大。
四、过热度的控制方法过热度的控制，主要是要控制好电解槽物料平衡和热平衡。
物料平衡也就是要做好电解质成分的调整，控制好电解质的初晶温度；做好电解槽的热平衡也就是控制好极距（热收入）和控制好热量的损失。
a、控制好电解质成分电解温度的高低对电流效率和电能消耗有很大影响，而电解质的初晶温度随其成分变化而变化，影响电解质初晶温度较大的成分有分子比、氧化铝和氟化钙等。
1、分子比的影响冰晶石是电解质中主要成分，中性冰晶石其熔点为1008℃，但在工业生产中，我们都采用酸性电解质进行生产，下面是含有8%Al2O3，4—6%CaF2的电解质[2]其初晶温度和分子比的变化情况：从上表可以看出，分子比降低，其初晶温度也相应的降低，但分子比愈低，氧化铝的熔解度也相应降低，使槽内产生大量沉淀，影响电解正常生产。
2、氧化铝浓度的影响氧化铝熔点为2050℃，但当氧化铝熔解在冰晶石熔体中，不但不增加电解质的熔点，反而使熔点降低。
据实验证明[2]：当冰晶石中熔解有4.8%（重量）的氧化铝时，其熔点为938℃，在分子比2.4—2.6，4-6%CaF2的电解质体系中,当含有8% Al2O3时，其熔点为940-950℃,当Al2O3含量降到5%时,初晶温度为955-960℃,当Al2O3含量降到1.3-2%时,初晶温度为970-975℃。
3、 CaF2含量的影响随着CaF2的增加，电解质的初晶温度降低，但工业上只在通电装炉时加上适量CaF2，正常生产一般不添加，因为构成电解质的原料和氧化铝中都含有CaO 杂质，CaO 在电解过程中与冰晶石作用生成CaF2，所以在工业电解质中并不添加CaF2，也能保持电解过程中CaF2的稳定。
总的来说，电解质的初晶温度随分子比的降低而降低，随氧化铝浓度的降低而增加，随氟化钙的增加而降低；而氟化钙的一般不作添加，槽内氟化钙含量较稳定，其含量主要受原材料影响，对电解质的初晶温度影响也较小。
那么对电解质初晶温度的影响最大的可能就是AlF 3和Al 2O 3了。
近年来，随着科技的发展，我国自行开发出了测量电解质初晶温度的仪器，某电解厂对电解质的初晶温度做了详细的测量[3]：9209309409509609701.1 1.12 1.14 1.16 1.181.2 1.22 1.24 1.26分子比初晶温度图1、分子比和初晶温度散点关系图从图1可以看出，相同的分子比值，其初晶温度也有很大的差别，分子比与初晶温度的线性不明显。
我们对同一分子比的数值进行平均后得到图2：9259309359409459509559601.12 1.13 1.14 1.15 1.161.17 1.18 1.19 1.2 1.21分子比初晶温度图2、分子比与初晶温度趋势图通过图2我们可以看出，电解质的初晶温度还是按分子比降低初晶温度降低的规律在变化，随分子比的升高而升高，随分子比的降低而降低。
940942944946948950952954135791113151719212325272931333537394143图3、Al2O3过欠加工与初晶温度趋势图从图3可以看出，在过量加工时，电解质的初晶温度呈下降趋势，欠量加工时，初晶温度逐步上升，在下一个过量加工期内电解质的初晶温度又呈下降趋势。
至于为什么会出现同一分子比值初晶温度相差过大，结合图1、图2、图3可以得出：初晶温度的影响受AlF3和Al 2O 3的添加影响很大，现在大型预焙槽都采用AlF3和Al 2O 3自动下料系统，AlF3和Al 2O 3的加料制度对电解质的初晶温度影响很大，当AlF3和Al 2O 3下料时，电解质中的AlF3和Al 2O 3量增加，初晶温度降低；随着物料不断的消耗和挥发，电解质中的Al 2O 3和AlF3量减少，初晶温度升高。
也就是说电解槽的下料加工制度，使电解质中的AlF3和Al 2O 3浓度在一个范围内变化，从而使初晶温度的保持也是一种动态的相对变化，在加料制度不变的情况下，其变化范围应是相对稳定的。
这就造成同一分子比时初晶温度有所不同。
另外不同电解槽的电解质成分不同、电解质质量不一样，即使在分子比相同时，初晶温度也会有所不同，这也可能也是造成图1这种现象的原因之一。
b 、热平衡的控制在加工下料制度不变的情况下，电解质成分相对稳定，初晶温度相对稳定的情况下，控制好过热度的高低，主要取决于电解槽热平衡，也就是说热收入和热损失决定着过热度的高低。
1、 热损失控制要减少电解槽的热损失量，可以增大槽底部和阴极钢棒导出部位的保温能力，加强槽面特别是阳极碳块上的保温。
图4、槽面氧化铝覆盖层厚度对热损失量的影响槽底的保温性能与槽底的保温结构有关，这是电解槽的设计因素，8.817.626.435.24452.8510152025氧化铝覆盖层厚度/cm单位面积热损失量/M J .(m 2.h )-1而在生产中，我们一般通过调整阳极上氧化铝保温料的厚度来减少热损失，从图4可以看出[4]，随着氧化铝保温料厚度的增加，电解槽的热损失大大的减少。
工业上在正常生产电解槽上，阳极上保温料厚度一般保持在18—20cm左右，只要管理到位，这部分对过热度的影响应该能尽量减小。
2、热收入控制热散失和电解槽设计以及日常生产作业管理有很大的关系，而电解温度的高低又很大程度上取决于热收入的高低，也就是说电解温度的高低，极距的高低起着决定性的作用。
在电流恒定的情况下，极距越高，则电解槽的热收入就越多，我们通过调节极距来调整电解槽的热收入，从而达到对过热度的控制。
以前四低一高理论认为，电解生产的极距尽可能的高，高的极距才有高的电流效率，但在生产中发现，极距对电流效率的影响，只有在极距较低时才较明显，而在极距超过一定的限度后，虽然极距增大，但电流效率提高不多。
所以我们在对极距的控制上要尽量控制在电流效率高且极距达到过热度控制要求的位置为宜，以免能耗的增加。
通过控制电解槽的物料平衡和热平衡，从而实现对过热度的控制。
电解槽的物料平衡可以通过对电解质成分也就是Al2O3和AlF3的合理加料制度来实现；电解槽的热平衡是通过凋整电解槽的极距也就是能量输入以及减少热散失来实现。
但是对铝电解槽来说，热平衡和物料平衡是相互关联，相互配合的。
电解槽中物料添加时使电解质的初晶温度降低，过热度升高。
过热度增加又导致槽侧部的散热量增加，影响到热平衡，使槽帮结壳及伸腿熔化，AlF3的浓度降低。
如果极距增加，输入到电解槽中的能量就会增加，直接的影响就是使电解质的温度增加和过热度增加。
电解质温度增加时，也会使沉淀和槽帮结壳熔化，电解质的初晶温度上升，这反过来又使过热度降低。
所以我们在控制时要综合的考虑。
五、结语（1）要控制较好的过热度，就要控制好分子比，做好AlF3的添加；（2）要控制较好的过热度，要制定科学合理的Al2O3下料制度；（3）要控制较好的过热度，要做好电解槽的保温，减少热损失量；（4）要控制较好的过热度，就要保持合理的极距，调整好电解槽的热收入。
参考文献：[1]冯乃祥，彭建平.再谈我国铝电解技术与国际先进水平的差别兼论铝电解生产中的新技术[2]铝电解，贵州铝厂职业教育学院内部教材.1998[3]秦卫中，铝电解生产中电解质初晶温度变化分析。
第五届铝电解专业委员会2005年学术交流会论文集，2005.9[4]邱竹贤,预焙槽炼铝[M](第三版).冶金工业出版社.2005。
