一种使用富锂氧化铝的铝电解方法
【专利摘要】一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，涉及一种铝电解，特别使用富锂氧化铝的铝电解方法的改进。其特征在于其电解过程中，按建立的富锂氧化铝中Li2O含量、电解质中LiF含量及分子比CR的数学模型进行相关的工艺条件控制。本发明的方法，通过建立氧化铝中Li2O含量与电解质中LiF平衡浓度之间的关系模型，氧化铝中Li2O调控模型以及不同LiF含量的电解工艺调控方法模型。系统提供了合理使用富锂氧化铝来达到原铝生产节能降耗的方法和措施，综合形成了使用富锂氧化铝的铝电解节能生产方法。该方法应用效果良好，可较大幅度降低生产电解铝能耗和生产过程氟化铝消耗。
【专利说明】一种使用富锂氧化铝的铝电解方法
【技术领域】
[0001]一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，涉及一种铝电解，特别使用富锂氧化铝的铝电解方法的改进。
【背景技术】
[0002]随着国内铝土矿铝硅比持续降低，氧化铝中的锂含量不断上升，富锂氧化铝的产量占到了我国矿石生产氧化铝总量的60%。富锂氧化铝使用导致电解质中LiF含量不断增加，电解温度持续走低，电解槽炉底沉淀增多、稳定性变差，电解槽正常生产难以为继，能耗大幅度升高，个别企业电解铝能耗上升500kwh/t-Al。富锂氧化铝带来的问题已十分严重，影响广泛，传统电解工艺方法难以应对当前富锂氧化铝的铝电解生产，迫切需要开发出合理使用富锂氧化铝的铝电解节能方法解决当前生产难题。
[0003]而使用含Li2O较低的氧化铝原料的电解企业，其能耗指标一直在较高难以大幅降低，主要是其电解质导电性能较差造成槽电压居高不下。结合我国富锂氧化铝产量较大的有利因素，合理配比使用富锂氧化铝，可以在不增加成本的前提下提高电解质导电性能，大幅降低槽电压和强化电流，在不损失产量的情况下降低单位产品能耗。这也需要有合理使用富锂氧化铝的铝电解节能生产方法来实现这个目标。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种应用效果良好，可较大幅度降低生产电解铝能耗和生产过程氟化铝消耗的使用富锂氧化铝的铝电解方法。
[0005]本发明的目的是通`过以下技术方案实现的。
[0006]一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程中，按建立的富锂氧化铝中Li2O含量、电解质中LiF含量及分子比CR的数学模型进行相关的工艺条件控制。
[0007]本发明的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程中，富锂氧化铝中Li2O含量是按下列数学模型控制的:
w(Li2O)氧化?=0.577X [2X (Μ氧化铝+B) Xw(LiF)电解质+3.714ΧΑ] τΜ氧化铝。
[0008]本发明的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程中，电解质中LiF是按下列数学模型控制:w(LiF)电解质=KX [1.733XM氧化招Xw(Li2O)氧化招—3714X w (Li)招液]7 {M氟化盐+M氧化招X [0.452 Xw (Na2O)氧化招+0.638 Xw (K2O)氧化招+0.393 X w (CaO)氧化?+0.15 Xw (MgO)氧化0.133 Xw (Li2O)氧化?]}。
[0009]本发明的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程中，分子比CR 是按下列数学模型控制:CR=3.334+0.0942 X LiF%-0.0446XKF%+0.0098 XMgF2%-0.007OX Δ T-0.0895XΑ0_0.0452X t。
[0010]本发明的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程控制氧化铝原料中的Li2O质量含量为0.03%~0.10%。
[0011]本发明的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程控制所用电解质中的LiF质重含量为2.5-5.8%。
[0012]本发明的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程电解质分子比为2.50~2.70。
[0013]本发明的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程电解质水平为16~20cm，铝水平为20~24cm。
[0014]本发明的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程氧化铝中Li2O含量为0.05%~0.08%，其电解质LiF含量为2.5~4.5%，电解质温度为930~945°C ；普通平底槽平均槽电压为3.90~3.95V。
[0015]本发明的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，通过建立氧化铝中Li2O含量与电解质中LiF平衡浓度之间的关系模型，氧化铝中Li2O调控模型以及不同LiF含量的电解工艺调控方法模型。系统提供了合理使用富锂氧化铝来达到原铝生产节能降耗的方法和措施，综合形成了使用富锂氧化铝的铝电解节能生产方法。该方法应用效果良好，可较大幅度降低生产电解铝能耗和生产过程氟化铝消耗。
【具体实施方式】
[0016]一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，建立了富锂氧化铝中Li2O含量与电解质中LiF平衡浓度的经验模型:w(LiF)电解质=KX [1.733XMftftlg Xw(Li2O)氧化招一3714Xw(Li)?液]7 {Μ氟化盐+M氧化招 X [0.452 Xw (Na2O)氧化?+0.638 Xw (K2O)氧化?+0.393 Xw (CaO)氧化招+0.15 Xw (MgO)氧化0.133 Xw (Li2O)氧化?]}。
[0017]其中K取值范围在0.3~0.9之间。将使用混合富锂氧化铝后氧化铝原料中Li2O含量控制在0.03~0.10%，对应的电解质中的LiF含量可控制在2.5-5.8%。
[0018]开发了富锂氧化铝中Li2O含量调控方法:w (Li2O)氧化招=0.577 X [2 X (Mftftlg+B) Xw(LiF)电解质+3.714XA] +M`氧化招。
[0019]A表示吨招带走的Li量，B表示吨招消耗氧化招补充电解质的质量。
[0020]可将几种不同Li2O含量的氧化铝混配使用，可达到既节能又降低采购成本的目的。
[0021 ] 开发不同LiF含量下铝电解工艺调控方法:
CR=3.334+0.0942XLiF%-0.0446XKF%+0.0098 XMgF2%-0.0070 X ΔΤ-0.0895 X AO-0.0452 Xt
AT为过热度，V ；t为1%氧化铝完全溶解时间，min ；A0为氧化铝类型，取值I~3 ; 适用范围:分子比CR 2.0~3.4，LiF O~10%，MgF2 O~4%，KF O~6%。
[0022]虽然由富锂氧化铝带入电解质中LiF含量的增加，会导致电流效率降低，通过富锂铝电解工艺调控技术方法，仍有150-600kW.h/tAl的节能幅度。
[0023]高锂低温状态下富锂氧化铝的铝电解节能生产方法:该类型电解生产系列(甘肃、青海、山西、河南等地一些小型电解系列)随着氧化铝原料带入锂盐在电解质中持续富集，电解质中锂盐含量已经达到4~5%左右。此时，电解工艺仍沿用传统的“低温高效”技术路线，电解系列出现电流效率降低，氧化铝浓度升高，噪声增大，过热度自动升高，炉帮变薄，炉底沉淀增加等问题，严重影响到电解生产正常运行和良好指标的保持。
[0024]本发明解决该问题的工艺技术方法是在合理使用富锂氧化铝原料基础上，利用富锂氧化铝的氧化锂含量调控方法调整富锂氧化铝中锂元素含量来稳定电解质中LiF浓度，通过调整电解质分子比来提高电解质导电性能，降低槽电压，获得稳定良好的电解生产经济指标。
[0025]以某160KA电解系列为例阐述方法【具体实施方式】。
[0026]该160KA系列槽型有原有设计型(普通平底型)、大修后应用新型结构电解槽、大修后应用双钢棒阴极电解槽。实施前系列平均电压为3.95^4.00V,电流效率为89.0-90.0%，直流电耗为13200~13250kWh/t，铝锭综合电耗为14019kW.h/tAl。阳极电流密度0.78A/cm2,阳极效应系数0.01~0.06次/槽日，氟化铝单耗18~20kg/t，氧化铝单耗1925~1935 kg/t，阳极毛耗485~495 kg/t，阳极净耗425~430 kg/t。
[0027]首先调配富锂氧化铝中Li2O含量使之〈0.10%，使电解质中LiF浓度不再继续上升，保持在5.8%以下。
[0028]其次提高电解质分子比，分子比由2.30~2.40提高至2.50~2.70，由此提高电解质导电性能以提高极距，加强电解槽稳定性，降低槽电压和形成高分子比炉帮提供条件。还可以由此提高电解质氧化铝溶解能力以减少炉底沉淀消除水平电流，提高电流效率。
[0029]电解质分子比调整方式为停止或减少氟化铝添加量，分子比保持在2.50~2.70。电解质水平控制在18~22cm，最佳为19~21cm，铝水平控制在18~26cm，最佳为2(T24cm ；电解温度控制在925~935°C之间。普通槽侧部温度平均值降低值220~260°C之间，最高值不高于320°C。新型结构电解槽侧部温度平均值在200~230°C，高点温度不超过280°C。双钢棒槽侧部温度平均值在180~210°C，高点温度值不超过250°C，局部过高点可以通过人工干预修补等方式 加以处理。
[0030]通过微调电解质分子比、过热度、铝液水平高度以及设定电压和电解槽保温等技术条件来实现电解质成分的稳定和适宜的过热度，达到能量平衡稳定，电流效率较高且槽电压稳定在较低水平的目的。
[0031]实施后电流效率同比提高1.08%，直流电耗同比降低164kW.h/tAl，氟化铝单耗同比降低1.61kg，阳极毛耗同比降低3.62kg。
[0032]锂含量持续升高状态下富锂氧化铝铝电解节能生产方法:该类型电解生产系列随着氧化铝原料进入电解系列的锂盐处于升高趋势，同时在变动初期已经认识到这个趋势，并利用富锂氧化铝的铝电解技能技术开展积极应对，生产系列没有出现大的波动与反复，保持较为良好的工艺技术参数和经济指标。
[0033]以某300KA为例阐述【具体实施方式】。
[0034]该系列槽型有普通平底槽和新型结构槽，阳极电流密度为0.716A/cm2，氧化铝原料长期大部分使用进口氧化铝，后换用富锂氧化铝，随着富锂氧化铝使用，其电解质LiF含量呈逐步上升趋势。
[0035](I)调配使用富锂氧化铝，使氧化铝中Li2O含量稳定在0.03~0.07%，对应电解质中LiF浓度在2.5~4.7%。
[0036]( 2 )通过及时调整了电解质成分，其电解温度下降趋势较缓。而且随着电解质成分的调整，其电导率上升幅度较大，为系列强化电流增产降耗提供了可能性。
[0037](3)根据锂盐、钾盐含量的变化，采用了高导电电解质体系和强化电流工艺技术方法。实施期间，锂钾含量持续上升，LiF含量已经从推广之前的2.2%累积上升至4.2%左右。[0038](4)在实施过程持续调整电解质控制成分，通过强化电流和调整散热分布，在保持电解质稳定性和能量需要条件下持续开展低电压路线。
[0039]实施中采取了通过降低极距来降低槽电压以换取强化电流空间的方法。从实际效果来看结果很理想。极距从4.4cm降低至4.1cm,电流强度由初始280KA强化至300.4KA,阳极电流密度为0.755A/cm2，槽电压仍维持在3.934V，能量平衡保持完好。
[0040]实施后系列槽电压由4.05V分阶段降至3.94V，电流强度由280KA强化至300.4KA，直流电耗则下降了 136 KWh/tAl，综合考虑强化电流带来的综耗降低和提产效果，其经济效益仍非常明显和突出。
[0041 ] 较低锂盐状态下富锂氧化铝铝电解节能生产方法
国内有很多电解系列(广西、云南、山东、东北、新疆)采用砂状氧化铝或中间状氧化铝，其电解质中LiF含量较低，技术特点为三高一低(高电压、高电流效率、高电流密度和低分子比)。由于能量价格上升和铝价低迷，也可使用富锂氧化铝的铝电解节能生产方法来降低能耗。
[0042]以某企业200KA为例阐述【具体实施方式】。
[0043]该系列槽电压4.12V，电流效率为92%，吨铝直流电耗13345kwh。
[0044](I)调整其生产所用氧化铝原料来源，将氧化铝中Li2O含量从原来〈0.01%提高至目前0.05~0.08%，低成本增加其电解质中LiF含量。
[0045](2)将其电解质LiF含量由1.5%逐步调整至4.0~4.5%之间，配合逐步适当提高分子比，使分子比 保持在富锂氧化铝电解质工艺需要的范围内，电解质温度由955~965°C降至930~940°C。
[0046](3)采用降低槽温和降低电压配合的工艺，利用高导所释放极距压缩极距5_8mm，辅之阳极、卡具、炉底和阳极效应系数的降低，使槽电压逐步降低至3.90~3.95V，开展富锂氧化铝高导电解技术推广应用。
[0047](4)加强保温减少散热同时适当强化电流以弥补能量减少和产量下降。
[0048]实施后槽工作电压从4.08V降低到3.88V，吨铝直流电耗从13060kwh降低到12650kwh,吨铝节约氟化盐消耗2.6kg。
[0049]需指出的是，虽然吨铝直流电耗有所下降，但由于进行了一些电流强化，其产量并未减少。因此，富锂氧化铝高导电解技术应用，不仅利于节能和资源综合利用，同时利于环境保护和降低生产成本，有着很好的经济效益和社会效益。
【权利要求】
1.一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程中，按建立的富锂氧化铝中Li2O含量、电解质中LiF含量及分子比CR的数学模型进行相关的工艺条件控制。
2.根据权利要求1所述的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程中，富锂氧化铝中Li2O含量是按下列数学模型控制的: w(Li2O)氧化?=0.577X [2X (Μ氧化铝+B) Xw(LiF)电解质+3.714ΧΑ] τΜ氧化铝。
3.根据权利要求1所述的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程中，电解质中LiF是按下列数学模型控制: W(LiF)电解质=KX [1.733ΧΜ氧化招Xw(Li2O)氧化销—3714Xw(Li) $液]—{Μ氟化盐+M氧化银 X [0.452 X w (Na2O)氧化?+0.638 Xw (K2O)氧化?+0.393 Xw (CaO)氧化?+0.15 Xw (MgO)氧化? —0.133 Xw (Li2O)氧化铝]}。
4.根据权利要求1所述的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程中，分子比 CR 是按下列数学模型控制:CR=3.334+0.0942XLiF%-0.0446XKF%+0.0098XMgF2%-0.0070X ΔΤ-0.0895XAO-0.0452Xt。
5.根据权利要求1所述的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程控制氧化铝原料中的Li2O质量含量为0.03%~0.10%。
6.根据权利要求1所述的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程控制所用电解质中的LiF质重含量为2.5-5.8%。
7.根据权利要求1所述的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程电解质分子比为2.50~2.70·。
8.根据权利要求1所述的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程电解质水平为16~20cm，铝水平为20~24cm。
9.根据权利要求1所述的一种使用富锂氧化铝的铝电解方法，其特征在于其电解过程氧化铝中Li2O含量为0.05%~0.08%，其电解质LiF含量为2.5~4.5%，电解质温度为930~945°C ;普通平底槽平均槽电压为3.90~3.95V。
【文档编号】C25C3/20GK103820812SQ201310671354
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】李旺兴, 邱仕麟, 黄海波, 李昌林, 王俊青, 李强, 候光辉, 张延利 申请人:中国铝业股份有限公司