摘 要：该文从建立电解槽在线仿真优化和管控一体化系统，合理采用低氧化锂含量的氧化铝，探索高密度耐火砖和防渗砖等稳定保持阴极耐火防渗材料的质量，提高阴极炭块石墨含量，开发新型惰性阴极技术，研究高锂盐电解质中金属锂的提取新技术以及炉帮控制技术等方面，简要论述了进一步发展500kA铝电解槽平稳运行优化技术进步方向。
关键词：在线仿真；管控一体化；氟化锂；筑炉材料；可湿润阴极；异形阴极；锂提取；测控炉帮厚度；
wettable cathode; special shaped cathode; extraction of lithium;measuring and controlling furnace thickness;
当今500～600kA大型铝电解槽已实现了系列化生产运行，这首先得益于持续改进的电解槽设计优化技术，其核心技术为物理场模拟仿真优化计算与系统平衡设计。
为了使大型铝电解槽实现平稳优化运行，在生产系统推进物理场检测与系统优化平衡控制的技术进步有着重要意义。
1 电解槽在线仿真优化系统
酒钢集团甘肃东兴铝业有限公司（以下简称“东兴铝业”）在嘉峪关地区的三个500kA电解系列由沈阳铝镁设计研究院设计，采用了当代最先进的电解槽物理场仿真优化设计系统，为电解槽平稳运行打下了良好的“先天”基础。
电解槽在实际生产运行过程中，逐渐暴露出一些“后天”问题，物理场不同程度地偏离优化平衡状态，主要表现为：
由于使用的氧化铝原料中含有碱金属氧化物，使电解质碱金属氟化物含量累计值越来越高，其中氟化锂3.81～4.59%、氟化钾1.42～1.95%、氟化钙5.94～6.50%、氟化镁0.89～0.97%，使电解质初晶温度、电解温度降低，一定过热度下的氧化铝溶解性变差，合理过热度和炉帮难以持续保持，炉底温度降低，阴极等温线上移，沉淀和结壳增多，加上当地温差较大（热天与冷天温差50℃，有时还有大风）以及实际选择的筑炉材料性能与施工质量差异等问题，热场、电场和磁场等物理场分布不均、变化较大，而这些均超出“先天”优化设计基础。
因此，企业有必要建立服务于生产线上的电解槽物理场仿真优化系统，以生产运行实际测量数据为真实的边界条件，实时仿真和优化，实现生产槽持续稳定运行，并有效推进技术装备持续改进。
这是一项持续发展的事业，需要加强产学研联合作为和有志的专业技术人员不断地专注努力。
2 电解槽管控一体化系统
完整的管控系统包括ERP、管控一体化和单体设备自控等三大层面，管控一体化发挥着中坚不可或缺的重要作用，堪比企业的“神经网络系统”，向企业高级管理层及时全面输送真实数据，实施监控管理各生产系统及单体设备的有效运行，支撑着企业现代化减员增效机制和电解槽系列的稳定运行。拟实现以下目标：
建立信息集成平台，实时采集数据，实现多种信息介质（电力、动力、水诸能源及设备运行信号等）的集中监控和统一使用。
建立多级生产指挥中心，实行集中管理，对电解系列实现扁平化管理。
方便相关人员掌握生产技术指标、质量、设备运行状态、原材料库存、物流、能耗、产品成本等信息，实现企业资源集中管理、高效调度。
各级管理者随时随处可通过网络进入系统，动态掌握生产技术、设备、库存、调度和成本等信息，查看权限内实时生产情况，可及时向上级汇报和检查下级工作，完成各项工作。
通过管控一体化系统实时获取真实、有效信息，形成大数据库，及时生成准确的生产报表，使管理人员从烦琐事务中解脱出来，更专注于基础信息分析和研究，从中发现存在的问题或隐患，通过各种图形和报表分析，发现生产技术等各数据之间的隐含关系，为决策提供更有价值的基础信息，实现大数据增值化，保证对高级管理层的决策支持。
管控一体化系统持续探索铝电解业务流程优化重组和科学管理架构，提高电解铝系列整体管理水平。科学管理架构的扁平化和信息的透明、公开、统一，减少各部门工作的重复性，使生产技术等组织结构更紧凑、灵活、快捷和高效，使电解槽生产均衡稳定运行，快速动态调度，提高生产效率，减低生产成本，规范生产管理方式，改善生产决策环境，实现铝电解系列的生产管理现代化。
借助互联网+、云计算等大数据资源挖掘，使管控一体化系统成为开放式、安全可靠和支撑铝电解系列发展的可持续优化系统。
3 优化材料性能
3.1 合理采用低氧化锂含量的氧化铝
由于运费原因，就近采购河南等高氧化锂含量的氧化铝，电解质中富集的氟化锂含量高达4～5%以上，引起电解质初晶温度过低，影响了槽况、槽龄和生产技术经济指标。
为了发挥氟化锂的优点，可使用不含锂盐的进口氧化铝或使用进口铝土矿生产的氧化铝以及广西地区的低锂含量氧化铝，将电解质中的氟化锂含量降到2～3%，并持续加以控制过程中，可以兼顾运输等成本因素和锂含量的经济合理平衡。
3.2 稳定保持阴极耐火防渗材料的质量
如果阴极下面的防渗料层存在材质本身问题或施工质量问题，则起不到所需要的防渗、耐火和一定的热平衡保温作用，出现防渗料及下面的保温砖、硅钙板烧结，引起阴极内衬体积膨胀，导致炉底隆起和变形，造成阴极炭块断裂、分层和阴极钢棒倾斜与弯曲，电解槽阴极热场、力场、电场和磁场性能发生重大逆转，使槽寿命降低，生产技术经济指标变差。
为此，除了确保防渗料材质本身质量或施工质量以外，还可探索采用其它材料。
3.2.1 高密度耐火砖
在电解槽砌筑内衬工艺过程中，采用高密度、低气孔率的粘土质耐火砖代替传统的防渗料或普通粘土质耐火砖；
高密度、低气孔率的粘土质耐火砖要求其显气孔率13～15%，体积密度不小于2.3g/cm3；
为了更加便于施工和减少砖缝数量，可选用300×150×65mm等较传统规格（230×113×65mm）大一些的高密度、低气孔率的粘土质耐火砖。
3.2.2 防渗砖
据悉，国外使用的一种防渗砖见图1所示，为SIMONSEN公司代理，其化学成分为SiO268%、Al2O326%、Fe2O3≤ 2.5%，体积密度2.2g/cm³ 。
图1 Alubar-1100防渗砖
3.3 提高阴极炭块石墨含量
为进一步减少含钠电解质氟化物侵入和渗透过50%石墨含量的阴极炭块而过多地侵蚀到阴极炭块之下的耐火、保温层，进一步降低炉底电压降，推进节能降耗、高效长寿的铝电解技术创新，有待进一步提高阴极炭块的石墨含量，逐渐研究完善的全石墨阴极炭素筑炉新工艺。这需要研究相应的热场、力场、电场和磁场以及优化配置相应结构材料，匹配以合适的制作、施工工艺。
3.4 开发惰性阴极新技术
在传统惰性阴极材料技术中，有TiB2-C震动成型复合层、涂层、等离子法喷镀TiB2层和熔盐电沉积TiB2层等多种技术[1]，逐步解决硼化钛表面材料坚固耐久性等技术问题，这不仅可保持TiB2惰性阴极性能，还也有望解决更长久地保持平面阴极和异形阴极形状提供了新的解决途径，可望形成铝工业又一个创新技术。
4 研究高锂盐电解质中金属锂的提取新技术
现有许多电解槽子的电解质富集了高达4～6.2%以上的氟化锂，大于3%以上的氟化锂则在电解质中起到不良影响，可以探索将这部分过量的金属锂从电解质中提取出来，变害为利[2]。
5 炉帮控制技术
形成和维持足够厚的稳固炉帮，对防止产生侧部电流，稳定铝水运动，减少铝的二次反应损失，提高电流效率，阻挡电解质侵蚀侧部炭块，延长电解槽寿命均具有极其重要的作用。
参考有关文献，结合实际数据，可建立炉帮厚度计算式：
δ=α（T1-Ts）/（Tb -T1）-β（mm）
式中：
α—炉帮厚度计算系数α，与导热性能有关。
Tb —电解质温度，℃；
T1—初晶温度，℃；
Ts —槽壳温度，℃；
β—侧衬材料、伸缩缝及钢板厚度之和，mm。
为了及时掌握炉帮厚度信息，换阳极时用专用工具测量炉帮厚度，利用测量的有关数据计算炉帮厚度计算系数α值，在日常生产中，对槽壳温度等计算式中有关数据进行测量，辅助计算炉帮厚度，超限时检查炉帮厚度，理论结合实际，持续做好维护炉膛工作。
可以在换每块阳极之前测量T1、Ts、Tb，在换每块阳极时测量δ，计算每块阳极对应区域的电解槽α；在每次换阳极时校准该处α值，在一个换阳极周期中，定时（如每天）通过测量T1、Ts、Tb，计算炉帮厚度，炉帮厚度过薄时加以检查，采取有效措施，完善炉帮厚度。
将有关测算程式设计为计算机软件，并融入管控一体化系统会更有利于这方面的工作。
稳定适当炉帮厚度，可从以下几个方面努力。
5.1 稳定保持低窄过热度
根据炉帮厚度算式可知，降低过热度是增加炉帮厚度的最重要途径。因此，需稳定保持低窄过热度，一般将过热度控制在5～10℃的低窄区间为宜。
5.2 适当加强侧部散热
降低槽壳侧部温度Ts，加强侧部散热。
5.2.1 增加侧部散热片散热性能
据介绍，增加散热面积一倍多，槽壳表面温度降低70-90℃[3]。因此，增加散热面积有助于电解槽形成合理的炉帮。
散热片结构包括固定、活动式。可在不好形成炉帮的部位增加活动式散热片面积，以调节散热量，从而调节炉帮厚度。
5.2.2 采用调控降温系统
通过调控降温介质（媒油、空气等），形成所需要的槽壳温度。进一步可将降温介质（媒油、空气等）余热回收利用。
在不影响受理结构前提下，可以在水平筋板上开散热孔，加强空气流动性，降低槽壳侧壁温度。
5.2.3 增大侧部散热性能
加强槽侧部结构散热性能，使系数α增大，有利于炉帮形成。
减小侧块与槽壳之间伸缩缝，采用导热系数较大的填充料（填实）。
保持完好侧块，有利于保持较高的α系数。
需要特别注意的是，在测控炉帮厚度的同时，要关注初晶温度不能过低，尤其是高锂盐含量的电解质，分子比要适当高，以确保初晶温度、电解温度及炉底温度适当高，以维持一个稳定合理的炉膛。
6 结语
为及时做好创新创业，需要产学研相更加密切结合，积极努力争取到更多的科技专项支持，做好科技发展计划，尽快开展实验研发、工业试验与产业化应用，对科技发展有贡献的有关人员进行相应奖励，推动科技进步，有力支撑企业可持续发展。
