铝电解工业及技术发展动态

2023年1月14日铝电解工业及技术发展动态李劼中南大学

·冶金科学与工程学院内容提要

1发展概况2铝电解关键技术3未来新技术开发重点铝电解工业的技术发展动态1.发展概况21世纪中国铝电解工业的崛起2002年起，中国原铝产量位居世界第一，成为世界炼铝大国目前，中国总产量占全球的1/3强。年份/万吨2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年中国596660.5781.19351255.913601284.6全球总产量2789.52919.73127.433973736.23925.43624.3单位:万吨铝电解工业的技术发展动态

中国快速跨入世界炼铝强国400kA铝电解槽生产系列电解厂房电解铝厂整体技术及技术经济指标达到世界先进，一些节能技术堪称国际领先；拥有电价或资源优势的企业快速扩张；特别是电力、煤炭类大型企业集团产业链向铝业延伸；铝产业集中度显著提高。铝电解工业的技术发展动态1.发展概况中国炼铝技术及装备进入海外市场其中在印度、伊朗、哈萨克斯坦等国的铝电解工程项目已成功投入运行。伊朗阿拉克铝厂

产能：110kt/a

系列电流：200kA投产时间：2006年哈萨克斯坦电解铝厂

产能：250kt/a

系列电流：320kA

投产时间：2007年铝电解工业的技术发展动态1.发展概况

中国铝电解能耗指标整体进入国际先进水平中国电解铝工业2001～2009年吨铝电耗(kWh/t-Al)

铝电解工业的技术发展动态1.发展概况年份200120022003200420052006200720082009吨铝直流电耗140851391513833136721352513524134131325813118吨铝综合交流电耗154181520415030146831457514697144881432314171表3我国电解铝工业电耗平均指标单位：kWh/t-Al近十年吨铝综合电耗降低1000千瓦时以上。全国铝电解平均单位能耗指标提前达到国际原铝协会制定的2010年节能目标：14600千瓦时/吨。

全球铝电解工业面临的共同挑战能源危机：铝电解是“电老虎”（中国消耗全国发电总量6%以上，取消优惠电价导致中国大批企业生存困难）；低碳经济：吨铝CO2排放量6750～7500kg（我国目前电解铝产能2062万吨，电解铝排放量约占全国总碳排放量的1.7%，如果执行全球碳排放协议，我国每年需支付11.62～12.91欧元碳排放费）。市场竞争：除了同业竞争外，钢铁、各种复合材料、新型材料均虎视眈眈，期望挤占铝材市场。铝电解工业的技术发展动态1.发展概况

中国铝电解工业面临的更大挑战产能过剩：09年产能2062万吨、产量1285万吨，闲置产能38%（近800万吨），而在建和拟建产能超过300万吨）。同期国外产能增速也很大：

①海湾地区即将投产和扩建与新建产能282万吨（海湾铝工业会议公布）铝电解工业的技术发展动态铝厂名称合资方产能（万吨）工程进度Emal(沙特阿拉伯经济开放区)迪拜铝业公司和Mubadala开发公司70万吨/年（2期工程）正在建设Emal(沙特阿拉伯经济开放区)迪拜铝业公司和Mubadala开发公司140万吨/年(2期工程中)2008年1月签署理解备忘录。预计2010年开工。Jazan（沙特阿拉伯）中铝（Chalco）和马来西亚SaudiBinladinGroup（SBG）72万吨/年2007年11月签署理解备忘录。预计2011-2012年投产。1.发展概况

中国铝电解工业面临的更大挑战②印度、俄罗斯、冰岛、马来西亚、加拿大等在建、拟建产能544.5万吨。铝电解工业的技术发展动态铝厂国家/地区公司新/扩建t/y合计t/y投产期Jharsuguda-1Jharsuguda-2AdityaMahan齐力铝业SalcoBoguchankskIrkutskIsalHelguvikKitinat印度/Orissa印度/Orissa印度印度马来西亚/Sarawak马来西亚俄罗斯俄罗斯冰岛冰岛加拿大VedantaVedantaHindalcoHindalcoPressMetalBerhadCahayMataSarawakBerhadUCRusalUCRusal力拓-加铝美国世纪铝业公司力拓-加铝550,0001,250,000260,000360,000115,000550,000600,000750,000扩建280,000150,000扩建150,000550,0001,250,000260,000360,000115,000550,000600,000750,000460,000150,000400,000Q2,20092010-2011Q2,2011Q2,2011Q3,2009Q4,2010Q2,2009Q2,2009Q2,2010Q4,2010Q2,2010合计5,015,0005,445,0001.发展概况

中国铝电解工业面临的更大挑战铝电解工业的技术发展动态电价持续攀升。用电成本占生产成本的45%左右，比发达国家公认的警戒线（≤25%）高出20%。单位电价平均涨0.05元对原铝成本的“负贡献”冲抵了我国铝电解工业十年电解节电对成本的“正贡献”。产业政策调控。铝电解产业被列为“双高”产业。2009年初《有色金属产业调整振兴规划》中提出了未来三年铝电解行业节能要求：将原铝直流电耗降到12500kWh以下（并作为产业准入门槛），同时提出要通过前沿技术研发，力争降至12000kWh/t-Al。目前国外最好吨铝直流电耗为12800kWh左右。中南大学等开发的铝电解节能新技术可实现12000kWh（新槽）～12400kWh（系列平均）。目前正在加紧开发能实现12000kWh以下的节能新技术。1.发展概况全球铝电解工业代表性技术：力拓加铝-彼施涅：在全世界有450万吨产能采用AP-350，AP360，AP370和即将上市的AP-400KA和AP500KA；挪威海德鲁铝业：HAL-300KA和HAL-420KA，前者在中东卡塔尔铝厂新建585,000吨迪拜铝业:DX370KA,在中东新建一个700,000吨铝厂，最终规模1400,000吨中国〖包括中铝国际（沈阳院）和（贵阳院）300～500kA、中南大学（湖南中大冶金设计公司）400～500kA、东北大学（设计院）400～500kA〗。共同特点：大容量（≥300kA）高电效（电流效率>93%）低电耗（吨铝直流电耗<13300kWh)低排放（阳极效应系数<0.05）高寿命（槽龄>2500天）铝电解工业的技术发展动态1.发展概况我国技术与国外技术的区别：我国技术的电解槽单位产能较低。以阳极电流密度来衡量，国外代表性技术的阳极电流密度0.95A/cm2,正向着1A/cm2

发展。我国普遍0.73-0.75A/cm2。中南大学的“电流强化与高效节能综合技术”使一些铝厂的电流密度向着0.83A/cm2发展；新近大型槽设计也开始采用0.83A/cm2左右，但依然与国外先进技术有15%以上差距（意味着单位面积产能低15%以上）。我国技术实际应用中的电流效率偏低。国外先进技术在95%以上，而我国许多铝厂尽管公开报道值较高，但实际在91～93%。我国最新技术的能耗指标国际领先。新建系列国家准入门槛：吨铝直流电耗＜12500kWh/t-Al。铝电解工业的技术发展动态1.发展概况2.铝电解关键技术

数十年来形成的铝电解关键技术铝电解槽物理场仿真与优化技术（现代大型电解槽设计技术）计算机控制技术物料输送、烟气净化与环境保护技术低电压铝电解新技术——依然是“十二五”重大课题。铝电解工业的技术发展动态

近年来我国形成的重要节能技术铝电解槽是复杂的大型高温冶金反应器（反应介质——电解质熔体、以及产出的铝液温度高达930～960℃）；当电解槽容量（电流强度）大于一定程度（80kA）后，电解槽中的电解质和铝液熔体在强大的电磁力的作用下产生强烈的运动，从而形成复杂的“电、磁、热、流、力”多种物理场分布及其交互作用；如果不能对物理场进行优化设计，使它们处于理想的分布状态，就无法获得理想的技术经济指标，甚至无法正常运行；电解槽容量越大，多物理场交互作用越强，优化设计难度越大。预焙阳极铝电解槽示意图直流电物理场的起因铝电解槽物理场仿真与优化技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术作用热膨胀电流强度、母线配置、钢结构结构尺寸、材料特性、工艺参数、环境条件阳极气体电流分布电压分布阳极效应Al2O3扩散、金属溶解、熔体侵蚀流动铝液运动电解质运动电磁力分布磁场分布波动铝水平流动电磁效应槽膛内形温度分布热稳定性热流分布冲刷对流界面热效应相变传热能量平衡应力分布启动方式热变形电流效率、直流电耗、槽寿命磁场浓度场应力场流场电场热场变边界条件固相液相气相复杂的物理场的分布及其交互作用：铝电解槽物理场仿真与优化技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术我国对铝电解槽物理场计算机数值仿真优化研究的起步：上世纪80年代中后期，中南大学与贵阳铝镁设计研究院合作，对我国引进的日本160kA预焙槽技术中所包含的所谓“三场”数值仿真技术资料进行剖析:

电磁场热场（温度场）熔体流动场，开启了我国大型预焙槽物理场计算机仿真优化技术研究，并逐步发展成为我国现代大型铝电解槽优化设计的工具。

铝电解槽物理场仿真与优化技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术例如——磁场优化：基于对电磁场、熔体流动场及磁流体动力学（MHD）的综合研究，获得磁场补偿技术，即通过对电解槽导电母线的优化配置，使电解槽内熔体受电磁力作用所产生运动与界面变形处于理想状态。铝电解槽物理场仿真与优化技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术铝电解槽物理场仿真与优化技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术一种预焙槽的导电体及周边导电母线模型图铝电解槽物理场仿真与优化技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术一种两点进电预焙槽铝液-电解质界面形状一种四点进电预焙槽铝液-电解质界面形状铝电解槽物理场仿真与优化技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术一种两点进电预焙槽的水平截面铝液流速分布一种四点进电预焙槽的水平截面铝液流速分布例如——热场（温度场）优化：获得电解槽阴极内衬设计与热平衡优化技术，使电解槽具有理想的热平衡特性和理想的槽膛内形。铝电解槽物理场仿真与优化技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术铝电解槽物理场仿真与优化技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术预焙铝电解槽热场仿真解析实例（等温线图）近20年来，中南大学先后承担多项政府及校企合作项目，不断创新物理场研究方法：从20年前消化引进的日本技术起步（使用一维或二维简化模型，对部分物理场孤立地进行静态仿真），发展到更细致和精确可靠的多物理场耦合仿真方法（可进行多物理场耦合的三维静态或动态仿真），率先实现了基于单一实体模型的多物理场交互仿真技术。铝电解槽物理场仿真与优化技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术复杂的大型高温冶金反应器；复杂的多物理场分布及交互作用；由于高温熔体强腐蚀性，主要工艺参数无法直接在线检测；工艺参数之间的相互影响关系复杂。预焙阳极铝电解槽示意图大型预焙槽控制难度大的原因：铝电解槽计算机控制技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术铝电解槽计算机控制技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术控制方法的发展：国外：经历了从自适应控制---各种智能控制(神经网络、模糊逻辑控制、人工智能及专家系统等）的发展。国内：经历了从自适应控制技术——智能控制（模糊控制、三度寻优及全息控制等）——新一代智能控制（低电压高效节能综合智能控制）。铝电解槽计算机控制技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术槽控机硬件技术的发展：国外：主要采用高档可编程逻辑控制器（PLC）。系统组态能力强、稳定性高；但软件设计灵活性不够、价格昂贵。国内：目前采用高性能嵌入式CPU（Arm9、嵌入式486等)系统。软件设计灵活性强、用户定制能力强、性价比高；但标准化程度低、系统通用性不好。铝电解槽计算机控制技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术控制系统的基本功能：电解槽状态分析；物料平衡控制（下料控制，或称氧化铝浓度控制）；热平衡及极距控制（电压调节）电解质组成控制（分子比控制，或称氟化铝添加控制）；操作工序监控（换阳极、出铝、抬母线等）。铝电解槽计算机控制技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术槽控机控制阳极提升机构实现电压调节（热平衡与极距控制）铝电解槽计算机控制技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术槽控机控制（氧化铝）打壳、下料装置动作实物料平衡控制（下料控制）槽控机控制（氟化铝）打壳、下料装置动作实分子比控制（氟化铝添加）铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术基于云架构的全分布式铝电解智能控制系统

HunanCSUYeshineScience&TechnologyCo.,Ltd中南大学.湖南中大业翔科技有限公司

湖南中大业翔科技有限公司铝电解智能控制系统架构——全分布式结构，但可划分为四个级：车间控制级；车间移动监控级；企业控制信息私有云；业翔远程工艺服务公有云。铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术

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50多家用户；13000多台槽控机；60多条生产系列；75-500kA各类槽型。物料输送、烟气净化与环境保护技术电解车间新鲜氧化铝仓载氟氧化铝仓风机房固气分离烟囱………超浓相输送系统浓相输送系统风机…压力罐袋装氧化铝卸料仓主风动溜槽支风动溜槽氧化铝储运、供料与烟气净化系统烟道主烟道电解槽电解槽电解槽铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术低电压铝电解新技术——途径一：改进工艺和控制技术实例：中南大学2007年以来，在四川其亚、郑州龙祥、郑州发祥等铝厂开发应用的“低电压高效节能工艺与控制技术”。目的：通过调整电解槽工艺并改进控制策略，在不对电解槽停产改造（即不改变电解槽结构）的前提下，实现如下目标：

高单位产能（高电流密度：由0.72A/cm2升至0.83A/cm2

以上）

高电流效率（93～94％）高槽寿命（槽龄2500天以上）

低电耗（低电压：3.7~3.9V，吨铝直流电耗≤12400kWh）

低排放（低阳极效应系数:≤0.02次/槽.日）铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术低电压铝电解新技术——途径一：改进工艺和控制技术通过改进工艺和控制技术，解决四大技术难题：低电压与高电流密度间的矛盾低电压与高电效间的矛盾低电压与槽稳定性间的矛盾槽稳定性与低效应系数间的矛盾铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术低电压铝电解新技术——途径一：改进工艺和控制技术①“五低三窄一高”工艺技术②“临界稳定控制”技术

低电压：3.85~3.90V

低电解温度：925～935℃低过热度：10℃左右

低氧化铝浓度：1.5～2.5％

低阳极效应系数：≤0.02

窄物料平衡工作区

窄热平衡工作区

窄磁流体稳定性调节区

高电流密度：0.83A/cm2新工艺下，电解槽介于稳定与不稳定之间的临界状态；在临界状态下，电解槽物料平衡、能量平衡及磁流体稳定性相互耦合强烈；新控制技术通过对临界状态下的物料平衡、能量平衡及磁流体稳定性进行协同优化与控制，实现了高效、低耗与稳定运行。铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术低电压铝电解新技术——途径一：改进工艺和控制技术多目标综合优化函数计算多参数临界状态的动态智能辨识物料平衡智能控制热平衡（极距）智能控制槽稳定性智能控制智能多环协同优化临界稳定控制的核心技术——智能多环协同优化与控制铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术低电压铝电解新技术——途径一：改进工艺和控制技术铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术【实现低电压高效节能的关键技术措施】从工艺与控制两方面入手（对新建槽则还采取槽结构优化措施），确保电解槽在低电压状态下建立规整、厚实和稳固的炉膛；通过建立规整、厚实和稳固的炉膛，并采用与低电压相配套的工艺技术条件和先进控制技术，使电解槽在尽可能低的临界极距（即临界电压）下进入稳定状态，即进入一种电压最低、电效最高、电耗最低的“临界稳定”状态；“临界稳定控制”技术确保Al2O3浓度、过热度等参数能精度控制在一个很窄的变化范围，从而确保电解槽能够在低电压、高电效、低电耗的“临界状态”下持续稳定运行。低电压铝电解新技术——途径二：改变电解槽结构实例1：改变阴极表面结构：异型阴极（东大+天泰）、曲面阴极（中大+云铝）、导流槽（中铝）。目的：改变阴极炭块表面结构，利用阻流原理（曲面阴极还利用降低水平电流的原理），改善电解槽中熔体的稳定性，为降低极距（从而降低槽电压）创造条件。对于磁场设计不好，或者炉膛形成不好导致稳定性差的电解槽，可以起到降低铝液流速，提高电阻稳定性的作用，从而有利于降低电压。问题：①若阴极开沟（或凸起）的部位不合理，则反而加剧阴极电流分布的不均匀性；②开沟过宽与过深容易使阴极凸起部位因热应力和钠膨胀应力而脱落，因此对槽寿命（特别是工作后期）可能产生不利影响；③在降低铝液垂直波动量的同时，也降低了正常的铝液水平流动，导致氧化铝下料的分散不好，浓度控制的稳定性下降；④对人工作业工序的质量要求高，一旦出现沉淀等问题较难处理。铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术低电压铝电解新技术——途径二：改变电解槽结构铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术实例2：中南大学专利：“一种槽底出电铝电解槽”，用之建立的4台400kA底部出电试验槽已于2010年3月在四川其亚投入运行。目的：我们的仿真计算表明，可以将槽内垂直磁场强度降低60%以上，“降流”效果明显优于各类异型阴极的“阻流”效果。打破了大型预焙槽侧部出电（即阴极横向出电）的传统。问题：改变了整个铝液流场的分布形式，出现了局部小漩涡的问题需要解决。低电压铝电解新技术——途径二：改变电解槽结构实例3：改变阴极方钢结构——沈阳院的阴极方钢开沟技术、中南大学专利“一种可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构”。目的：我们的仿真计算表明，这种措施可以调整阴极炭块和铝液中的电流分布，可将槽内最大垂直磁场强度降低30%左右，将平均垂直磁场强度降低10～15%。因而可降低水平电流，改善磁流体稳定性，为降低极距创造条件。用调整阴极方钢的方案（主动式“降流”）替代改变阴极炭块表面形状的方案（被动式“阻流”），避免了异型阴极存在的问题。问题：①异型方钢增大阴极加工难度，并降低了凸起区域上方阴极炭块的厚度；②采取表面非均匀导电的方案会使阴极电压降有所增加。铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术低电压铝电解新技术——途径二：改变电解槽结构实例4：导气式阳极（异型阳极）——业翔公司三个专利：

一种铝电解用导气型预焙阳极

一种铝电解用蜂窝状预焙阳极

一种铝电解用组合式阳极炭块目的：加速阳极气泡的排出，降低阳极气膜电阻。问题：若结构不合理，则可能加大阳极散热（导致效应增多），同时可能加大阳极气体或空气对阳极的氧化。上述三种专利中“导气型”阳极最好。铝电解工业的技术发展动态2.铝电解关键技术3.未来新技术开发重点永恒的研发主题：节能减排。铝电解工业的技术发展动态

铝电解能耗=2980kWh/t-Al槽平均电压电流效率节能根本途径降低槽平均电压提高电流效率技术原则：

在保持高电流效率、高电解槽寿命的前提下，降低槽电压，实现大幅度节能。3.未来新技术开发重点2008年度国家863重点项目

两个重要的研发主题：低电压高效节能型电解槽结构、工艺与控制技术的综合研究与集成应用基于惰性电极的铝电解新工艺目标：规模化应用实现吨铝直流电耗11500kWh左右。目标：提出20kA惰性阳极铝电解槽技术原型；远景：实现吨铝直流电耗<12000kWh、温室气体零排放。铝电解工业的技术发展动态3.未来新技术开发重点低电压高效节能型电解槽结构、工艺与控制技术的综合研究与集成应用铝电解工业的技术发展动态技术思路：结构：继续优化磁场和热场设计。磁场设计以主动式“降流”为主，被动式“阻流”为辅（或弃用）；热平衡设计由“侧部散热型+底部保温型”改为“全保温型”）。工艺：继续完善“五低三窄一高”工艺；控制：继续完善“临界稳定控制技术”。基于惰性电极的铝电解新工艺铝电解工业的技术发展动态

意义：彻底消除温室气体排放，实现更大幅度节能。反应式:Al2O3→Al+O2↑

无碳素阳极消耗电极:惰性阳极可润湿性阴极电极极距:<2.0cm平均槽电压:～

3.5V电解温度:

～850℃吨铝能耗:<12000kWh阳极析出