焦慶國(guó)，汪艷芳，李昌林，包生重，侯光輝

（中國(guó)鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041）

自從埃耳-霍魯電解法產(chǎn)生以來(lái)，電流效率一直是衡量鋁電槽生產(chǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)，電流效率高低可以很好的體現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，衡量生產(chǎn)管理優(yōu)劣，反映產(chǎn)能和電耗等。但由于鋁電解槽內(nèi)有一定量鋁液當(dāng)作陰極，當(dāng)期出鋁效率并非電解槽真實(shí)電流效率，如不能測(cè)算真實(shí)電流效率而只考慮出鋁效率，則會(huì)造成無(wú)計(jì)劃的非進(jìn)度出鋁，嚴(yán)重時(shí)破壞電解槽的熱平衡，影響電解槽穩(wěn)定性。

測(cè)算電流效率的方法主要有三種：盤存法、回歸法和氣體分析法。盤存法適用于測(cè)算長(zhǎng)期電流效率，回歸法用于測(cè)算短期內(nèi)電流效率，氣體分析法適用于測(cè)算瞬時(shí)電流效率[1]。本文主要對(duì)盤存法特別是加銅盤存法進(jìn)行研究分析，從選槽標(biāo)準(zhǔn)、加銅量、計(jì)算公式和第二次盤存時(shí)間等方面找出影響盤存結(jié)果因素，優(yōu)化加銅盤存法工藝操作，為企業(yè)測(cè)算電流效率提供參考。

1 盤存法介紹

盤存法測(cè)算電流效率是通過(guò)一定時(shí)期內(nèi)鋁電解槽在產(chǎn)鋁變化與出鋁電流效率進(jìn)行校正計(jì)算所得。該方法又分為兩種：簡(jiǎn)易盤存法和中間元素稀釋盤存法。

（1）簡(jiǎn)易盤存法

通過(guò)測(cè)量鋁電解槽內(nèi)爐幫厚度、伸腿高度以及多點(diǎn)鋁水平等物理尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)單幾何計(jì)算出槽內(nèi)在產(chǎn)鋁量。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，易操作，且不對(duì)原鋁質(zhì)量造成影響。缺點(diǎn)是計(jì)算誤差大，勞動(dòng)量大，對(duì)電解槽熱平衡有一定影響。

（2）中間元素稀釋盤存法

在電解槽內(nèi)加入一定量中間元素，使其均勻熔于原鋁液中，通過(guò)分析其在鋁液內(nèi)前后濃度差來(lái)測(cè)算槽內(nèi)在產(chǎn)鋁量。通常采用的中間元素有銅、銀、鋅和硅等金屬。該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)算準(zhǔn)確性強(qiáng)，勞動(dòng)量小，缺點(diǎn)是對(duì)原鋁質(zhì)量有一定的影響[2]。

由于銀價(jià)格較貴，其性價(jià)比差；原鋁液自身硅含量較高，且槽內(nèi)影響硅元素因素較多，計(jì)算精確度差；鋅的熔點(diǎn)較低，具有一定的揮發(fā)性，也可排除。因此，目前盤存采用以銅元素為主。

2 加銅盤存法工藝優(yōu)化

文獻(xiàn)[3][4]對(duì)加銅盤存在產(chǎn)鋁方法的基本操作和注意要點(diǎn)作了較為詳細(xì)描述，其主要操作為：在樣本槽出鋁后進(jìn)行本底銅取樣，然后分別在出鋁端和煙道端加入稱量好的銅，等待銅全部熔化并均勻擴(kuò)散到整個(gè)槽內(nèi)時(shí)再次取樣分析，最后通過(guò)計(jì)算公式計(jì)算出該槽的在產(chǎn)鋁量。為了更加準(zhǔn)確的確定槽內(nèi)在產(chǎn)鋁量，為測(cè)算電流效率做好準(zhǔn)備，本文作者根據(jù)近年來(lái)加銅盤存的工藝實(shí)踐，對(duì)該方法提出了進(jìn)一步優(yōu)化方向。

2.1 選槽標(biāo)準(zhǔn)

為準(zhǔn)確評(píng)估測(cè)算系列電解槽電流效率，在選擇加銅盤存槽時(shí)應(yīng)選擇槽況穩(wěn)定，出鋁效率平穩(wěn)，槽齡適中、鋁水平高度具有代表性電解槽進(jìn)行。同時(shí)，由于銅元素對(duì)原鋁質(zhì)量有一定影響，選取電解槽數(shù)量應(yīng)控制在5%--10%之間。

2.2 加銅量確定

根據(jù)重熔鋁錠化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)（見表1），重熔鋁錠Al99.70b的含銅量不得大于0.01%，現(xiàn)系列生產(chǎn)中電解槽內(nèi)原鋁中銅含量普遍在0.002%～0.004%，原則上加銅量不得超過(guò)合格重熔鋁錠標(biāo)準(zhǔn)，但由于其濃度差只有3--5倍，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，盤存結(jié)果準(zhǔn)確率較低。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于選槽比例較小為10%左右，在重熔鋁錠的熔配過(guò)程中可以有效稀釋。因此為使分析數(shù)據(jù)效果放大，建議將濃度差加大到10倍以上，以確保單槽盤存的準(zhǔn)確度。以500kA電解槽為例，其槽內(nèi)在產(chǎn)鋁量約為35噸左右，本底銅含量以0.003%計(jì)算，將濃度擴(kuò)大10倍以上為0.03%，其加銅量應(yīng)在10.5千克左右。

表1 重熔鋁錠Al99.70b化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)

2.3 計(jì)算公式優(yōu)化

根據(jù)盤存元素稀釋法原理，可以推導(dǎo)出公式（1），在考慮稀釋元素加入量時(shí)，可以推導(dǎo)出公式（2）。兩者計(jì)算結(jié)果均為出鋁前槽內(nèi)在產(chǎn)鋁量，通過(guò)結(jié)果驗(yàn)證，兩者結(jié)果差約為加入稀釋元素重量，誤差約1‰。此兩公式均未考慮兩次取樣時(shí)間段內(nèi)原鋁實(shí)時(shí)產(chǎn)出的增加量，為了更加準(zhǔn)確盤存槽內(nèi)在產(chǎn)鋁量，作者將實(shí)時(shí)產(chǎn)出增加量代入公式（2）中，可以推導(dǎo)出公式（3），公式（3）計(jì)算結(jié)果為出鋁后在產(chǎn)鋁量。通過(guò)結(jié)果驗(yàn)證，公式（2）減掉相同出鋁量后與公式（3）的結(jié)果誤差約1%。因此，建議采用公式（3）作為在產(chǎn)鋁計(jì)算依據(jù)。

式中：M1—槽內(nèi)在產(chǎn)鋁量，kg；Q—加入銅的重量,kg；C0—盤存前銅含量，%；

C1—盤存結(jié)束銅含量，%；I—盤存期電流強(qiáng)度，A；t—兩次取樣時(shí)間間隔，h；

η—電流效率（%）；兩次取樣時(shí)間內(nèi)平均電流效率，由于此數(shù)是未知的，可以以系列年平均值計(jì)算；因?yàn)樵诤藢?shí)電流效率時(shí)，該值兩者相同，不影響最后計(jì)算結(jié)果。

2.4 取樣時(shí)間與次數(shù)確定

目前大部分企業(yè)取樣以加銅后24小時(shí)一次樣分析為主，這樣的操作一旦有誤，則會(huì)造成整個(gè)測(cè)算工作失敗。根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，銅在鋁液中4小時(shí)后其熔化和濃度擴(kuò)散就已完成。因此，第二次出鋁前追加取樣次數(shù)不會(huì)影響分析數(shù)據(jù)，建議將取樣次數(shù)分為3次，時(shí)間分別為加銅后8小時(shí)，16小時(shí)和24小時(shí)，然后取三次分析結(jié)果的平均值，以確保整個(gè)測(cè)量工作的準(zhǔn)確性。表2為某企業(yè)500kA2068#三次取樣分析加銅盤存數(shù)據(jù)表。

表2 某企業(yè)500kA2068#槽加銅盤存數(shù)據(jù)表

2.5 測(cè)算單位高度鋁水量

由于采用加銅盤存法槽臺(tái)數(shù)比例較小，因此需要通過(guò)對(duì)盤存槽的鋁水平與在產(chǎn)鋁量的對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)算出全系列電解槽在產(chǎn)鋁量。從表2可以看出，加銅盤存槽在加銅前對(duì)鋁水平高度進(jìn)行了測(cè)量，當(dāng)測(cè)算出該槽在產(chǎn)鋁量時(shí)，則可測(cè)算出系列該槽型單位高度鋁水量。以表2數(shù)據(jù)為例，該槽單位高度鋁水量為：34321÷26.75=1283(kg/cm)。因此，可以通過(guò)測(cè)量其他未參與加銅盤存槽的鋁水平估算在產(chǎn)鋁量。

2.6 第二次盤存時(shí)間確定

由于增加了加銅量，銅元素在電解槽內(nèi)濃度衰減周期增長(zhǎng)。圖1為某電解槽30天內(nèi)的濃度變化圖，從圖中可知，一個(gè)月后其銅濃度仍在0.02%以上，如果此時(shí)進(jìn)行第二次加銅盤存，其濃度差較小，影響分析精度。以此推算，該槽約在80天左右才可衰減到0.01%以下，因此建議第二次加銅盤存時(shí)間以90天為宜。

圖1 某槽30天內(nèi)銅濃度衰減圖

3 測(cè)算電流效率

盤存法測(cè)算電流效率原理是相對(duì)簡(jiǎn)單的，但測(cè)量精度要求很高。因此，必須嚴(yán)密控制操作步驟，做好過(guò)程記錄，做到專人負(fù)責(zé)，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。主要工作有：做準(zhǔn)兩次加銅盤存在產(chǎn)鋁量；記錄兩次盤存期內(nèi)電解槽實(shí)際出鋁量。

根據(jù)兩次加銅盤存量變化值和期間實(shí)際出鋁量，測(cè)算出該槽真實(shí)電流效率，具體計(jì)算見公式（4）。

公式（4）：

η=[∑m+(M2-M1)]＊103/0.3356×24×It×100%

式中：η—電流效率（%）；∑m—盤存期間累計(jì)出鋁量，kg；

M2—第二次加銅盤存在產(chǎn)鋁量,kg；M1—第一次加銅盤存在產(chǎn)鋁量,kg；

I—盤存期系列電流強(qiáng)度，A；t—兩次盤存時(shí)間間隔，天。

4 結(jié)語(yǔ)

加銅盤存法是準(zhǔn)確測(cè)算鋁電解槽真實(shí)電流效率的有效方法之一，本文通過(guò)確立選槽標(biāo)準(zhǔn)、提高加銅量、增加取樣次數(shù)，完善計(jì)算公式和推遲第二次盤存時(shí)間等措施，對(duì)加銅盤存法工藝進(jìn)行了全面的優(yōu)化，為測(cè)算一定時(shí)期內(nèi)電解槽真實(shí)電流效率提供依據(jù)，幫助技術(shù)人員按照產(chǎn)多少出多少的原則控制出鋁指示量，保持鋁水平的相對(duì)穩(wěn)定，為電解槽長(zhǎng)期平穩(wěn)高效生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。