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铝电解技术经济指标考核比较中几个名词术语界定问题



在国内外不同的铝厂进行技术经济指标比较和产品统计时,常常遇到进行比较的技术经济指标名词术语概念等同与否的问题。名词术语概念界定不清楚,不统一,常常造成质量失真,并由此影响了技术经济指标的比较和铝厂的运作。电解铝厂的几个重要的名词术语,专业性很强,其概念界定涉及到电解,电力和铸造,阳极组装多个专业和多个部门,甚至涉及到复杂的操作过程,这些名词术语虽然在铝厂中广泛应用,看似简单,但是统一界定其内涵也非易事。


对于国家标准“GB 8005铝及铝合金术语”;国际标准“TSO 3134”轻金属及其术语”;以及我国海关内部标准“有色金属术语和定义”等和专业技术书籍中,所涉及的电解铝厂部分名词术语,有的概念不一;有的由于电解铝的专业人士介入不多不深,重视不够,所以,对于行业内需要明确概念界定的名词术语,公开讨论和研究不多,往往造成一些混乱。


这里笔者根据几十年铝厂工作的经验,参照国内外一些模式,对一些比较重要的和概念模糊容易混淆的铝电解生产名词术语问题进行界定研讨,并阐述讨论了它们与技术经济指标的关系,以期利于铝厂运作和铝业发展。


1、铝产量  


铝产量顾名思义是电解铝厂(以下简称铝厂)产成品的总重量。在我国和铝产量有关的公开报道的名词术语有原铝产量,铝锭产量和电解铝产量,铝液产量,铝产量等5个。其中,原铝产量,铝液产量,铝产量,电解铝产量为一种产品的四个名称(有的内涵不准确),而原铝产量(铝液产量,电解铝产量,铝产量)和铝锭产量是有微小的区别的。建议铝产量只用电解铝产量或铝产量名称中的一个。


⑴,原铝产量(铝液产量,铝产量,电解铝产量),在不特别注明时,铝产量应指电解铝产量或者原铝产量。在冶金百科全书中,对原铝的解释是冰晶石氧化铝熔盐电解法生产出来的铝,称为原铝,纯度多为99,5%——99,8%。问题是电解法生产出来的铝是多少?怎样计量呢?由于电解工艺的特殊性,界定这一概念对许多情况需要澄清。首先是“电解法生产出来的铝”的概念。一个铝厂有几百台电解槽,每台电解槽每天生产出来的铝不一定是一样的,而且是难于准确计量的。电解槽和高炉,平炉,转炉不一样,它每一次出铝不象高炉出铁那样,把生产出来的铁水全部倒出来(因此计量简单,清楚),它仅仅是大约抽出相当于出铝周期内的产量,而抽出的量仅仅是电解槽内存有铝量的一小部分。那么电解槽内的铝是多少呢?


要弄清电解槽内存储的铝量是多少,需要弄清炉膛的概念。电解槽的下部由阴极碳质槽底和测部炉衬材料围成的原始槽膛是用来装铝液的(上部装熔盐电解质)。铝液的温度是940度左右,熔盐电解质的温度是950度左右,由于电解槽的恻部设计是散热的,初晶温度935度左右的熔盐电解质会在恻部四周凝固(称为测部结壳)。结壳的厚度5——20公分。结壳的厚度各处不一,与工艺等有关。结壳材料是电和热的不良导体,它阻止了测部漏电和散热,并保护炉衬材料。结壳形成的槽膛(加厚)把铝液挤到很大的中间部位,使铝液表面积收缩,可以提高电流效率,因此炉膛形状(四周的结壳厚度和均一性)对电解生产极为重要。正常生产时,电解槽槽膛内装有15——25吨的电解铝,装铝量的多少和槽内结壳厚度形状有关。铝液高度18——22公分,铝液高度也和结壳形状厚度有关。电解槽的结壳厚度形状是不一的,是随工艺操作和温度而变化的和难于精确测量的,因此造成槽内的铝量也难于每天准确计量。为了维持电解生产的稳定和高效,要求电解槽内铝液保持一定高度,一定量的铝液,每次出铝量仅仅是槽内铝量的一小部分.一般根据电解槽内铝液的高度水平确定大致的出铝量,所以出铝量是相当于出铝周期内的电解铝产量,仅仅是相当,短时间看,有的时侯误差很大。长期看,大致相当。


一般把从电解槽内抽出来的铝量称为原铝产量或者铝产量,一些情况需要统一说明:①电解槽内抽出来的是铝液,如果含有电解质应该扣除。


②铝液铸造成铝锭有0,5%左右的损耗,是否扣除应该统一。一般计算原铝不扣除。计算铝锭产量时需要扣除。


③,因为工艺需要,比如为了降低比较高的电解质的温度,生产运行时向电解槽内加入的铝锭,如果该铝锭已经计入产量,则应该扣除。如果加入的是没有计入产量的铝(别的电解槽的铝液或其他还没有计入产量的铝),则计算总电解产量时不扣除,单槽考核时应该扣除。如果加入的是铝渣,那么折算成纯铝的比率应该统一。


④,新开的电解槽,从基建或者生产准备资金(启动费)中投入的铝量(所谓在产铝)相对于同一种型号的电解槽应该一致。否则,同一种型号的电解槽,一个在产铝按12吨计,一个16吨计,就会造成铝产量和电流效率比较失真。


⑤,需要停产大修的电解槽的在产铝和在产物料结余如何计算应该统一。每一台新的电解槽投产时投入的十几吨铝,几十吨氟化盐,几十吨阳极,在停产时结余多少不能准确计量,一般也不计量,结算方式应该统一。因为它继续作为生产原材料使用。


⑥,原铝是液态的,10年前原铝多铸造成铝锭(称为重熔铝锭)形态出厂,一般不单独做为商品(成品),仅在计算电流效率时应用;现在,原铝可以长距离保温直接运到铝加工厂,因此可以作为产品出售。


⑦,在电解槽用电解法直接生产铝合金时,电解出来的铝基合金液,也等同原铝;如果直接向电解槽内加入合金,则应该扣除。⒅,2008年刚刚制定的“电解铝冶炼企业单位产品能耗消费限额”中,计算电解铝交流电单耗时,铝液产量计算指“正常槽“,对于大修启动槽,二次启动槽,和新建槽的铝液产量(他们需要加入新的铝液)概念解释和计算的细则没有统一说明或者约定。


⑵,铝锭产量,把铝液铸造成元宝形的和方形长锭,曾经是铝厂出售产品的唯一选择。铝锭在加工厂需要重新溶化,所以又称重熔铝锭。我国有重熔铝锭的国家标准。十年前的几十年间,曾经把重熔铝锭产量,即铝锭产量当作铝厂铝产量。2005年出版的“有色金属工业“一书中,铝(锭)产量定义为”铸造成型符合产品质量标准,并办理入库手续商品铝锭产量(合金)。铝锭产量和原铝产量在计算上的区别仅仅是扣除千分之几的铸造损失。近年来由于技术的进步,为了节能和减少二次熔化铸造损失,把原铝作为商品。有相当一部分铝厂和铝加工厂,直接用原铝(铝液)加工,这样原铝所形成的产品,不仅仅是普通铝锭,方锭,特厚板锭等,而且可以制成各种形式各种成分的铝材料等。因此现在把铝锭产量当作铝厂铝产量,就有一点名不副实了。在计算时,铝锭产量和原铝产量的区别是扣除铸造氧化损失。铸造氧化损失量和铸造设备与工艺有关,一般为千分之十以下


2,电流效率,整流效率和铝厂生产效率比较


  由于电解铝工艺的特殊性,产生两个用以比较不同铝厂的生产效率的特殊技术指标——电流效率和整流效率。这两个比较铝厂技术水平和经济效益的最重要指标,理论上非常简单,但在实际运算中,设计到工艺的多个方面,界定其内涵,作到运算统一,等同比较,也并非容易,是一个行业的老大难问题。


⑴,整流效率,它是电解铝厂电解生产所用直流电总能总量(千瓦时,即度)与交流电能总总量的百分比,一般93——99%。它用来表示电解铝厂整流供变电装置自身损耗率的。由于电解铝厂是特殊巨大的用电厂,电流达到30多万安培,用电功率量达到30——60万千瓦,而且由于工艺特性,电解铝的用电量处于随时变化中,所以损耗多少和准确计量是一个大问题。一般仪表精确度百分之零点五,对于一个20多万吨30万安培电流系列的铝厂来说,误差范围是1500多万度点,这确实是太大了。因为技术和经济性的原因,对每一台电解槽难于作到精确计量电流和电量。因此在计算电流效率和整流效率时需要界定一些概念,以便同一可比。


①,在电解铝配制中,一套供变电装置可以串联供几百台电解槽使用,称为一个电解系列。一套供变电装置和线路的损耗是有一定范围的,它所带动的电解槽数越多,铝产量越大,吨铝平均分担的损耗就越少,整流效率就越高。如果一个系列只有20多台槽(电解铝试验厂,主要目的做试验),整流效率只有94%左右;如果只有120台电解槽,整流效率96%左右;如果一个系列300台电解槽,整流效率可以达到99%左右。十几年前的技术水平,直流供电装置可以带动160多台解槽(直流输出电压900伏以下)。近年来直流供电装置可以带动近300台电解槽(直流输出电压可以达到1200伏以上)。对于一个20多万吨级的铝厂,整流效率低2%,每年多损耗几千万元,吨铝电耗多300度左右。


②,电解铝厂所用交流电量的界定,进入整流所的交流电,除了整流变压供应电解直流系列之外,是否带有其它用电设备。尤其是计算交流电耗时,电解铝厂交流线路所带的设备量差别很大。比如铸造,合金,阳极组装,烟气净化,氧化铝输送,车间办公,维修和大修等,应该界定。


③,整流效率的高低与系列电解槽数和供变电装置的技术水平有关。整流效率是由各个铝厂自定的,如果整流效率定的数字比实际水平低百分之一,那么电流效率的计算值就比实际电流效率高百分之一。


⑵,电流效率,是电解铝厂最重要的技术经济指标之一,它是电解生产实际铝产量和理论铝产量的百分比(指原铝)。20多年前,铝生产电流效率83——88%,现在为91——95%。依照法拉第定律,电解法生产铝,理论上每安培小时直流电电解出铝0,3356克,此时电流效率为100%。因为电解槽副反应和漏电等工艺原因,实际生产出来的铝小于理论产量。


①,电解生产实际铝产量的计算,如前所述,一台电解槽内装几十吨铝液,每台电解槽每天的出铝量仅仅是槽内铝量的十几分之一,仅仅是与当天的产量大致相当。抽铝多了,计算电流效率超过100%;抽铝少了,计算的电流效率很低。一般是按照铝水平的高度参数进行出铝操作的,温度高,炉膛扩大,铝水平降低,造成电流效率降低的假象。所以电流效率要长时间统计才准确。笔者曾作为特邀专家多次到铝厂处理电流效率短时期降低原因的这一疑难问题。另外,不仅前述界定计算原铝产量的多个概念,都需要同一可比,而且还需要界定与计算原铝产量有关的事件处理。


②新开槽原铝产量计算,由于电解槽新启动后需要几个月的技术稳定期,所以一般在半年内不纳入考核。新开槽后期电流效率不低,如果有的铝厂规定新开槽电流效率按照85%计算,则多出来的原铝将使电流效率失真等等。需要同一可比。


③,停电,限电事故对铝产量影响的计算,对于我国大部分电解铝厂来说,经常遇到对需要保障的电解系列供电突然限电,甚至停电。全停电两个小时以上,限电10%一天以上,都会较大的影响到电解生产效率。限停电时间越长,幅度越大,影响越大。这是影响一些铝厂电流效率不高的一个不可忽视的因素。对于限停电的影响,有的铝厂根据事故的大小,自行计算(扣除);有的不单独计算。需要同一约定便于可比。


④,电解铝理论产量的计算,铝厂的理论产量与电流,电解槽数和时间有关,对于一定的电解铝系列来说,理论上是不变的。实际上由于大电流的难于精确计量,电解铝实际用的直流电流,由于直流线路某些部位漏电,外接直流电器(比如大修电解槽直流电焊机)与否不同,造成失真;尤其是电解直流电流计算的多少与蒸整流率高低有关。整流效率定的高,就会造成实际用电流减少,反之亦然。直流电流的计算方法应该同一约定。


3,电能单耗和炭阳极等物料单耗


⑴,直流电单耗,综合交流电单耗,行业标准中已经制订了电解铝能耗标准,这是电解铝厂最重要的技术经济指标之一。电解铝直流用电量除以电解铝产量是直流电单耗。电解铝用交流电量除以电解铝产量是综合交流电单耗。“电解铝系列工艺用电”的范围应该同一严格界定(能耗标准中提法为电解铝系列工艺消耗的交流电量以按装在整流所输入恻的仪表计量)。因为不同的工厂,辅助工序多少不一,有的铸造与铝合金厂或加工厂在一起,阳极组装与炭阳极厂在一起等,造成整流所的用电设备不完全一致。另外原铝产量的计算,要考虑前述若干界定因素。


⑵炭阳极单耗,它有两种提法,一是炭阳极净耗,一是所谓碳阳极毛耗。鉴于电解槽上使用剩余的阳极“残极”已经不能作为炭阳极使用,只能作为制造炭阳极的原料,因此在不加说明时,炭阳极单耗应该指所谓碳阳极毛耗。二者的区别是是否扣除残极。残极的一部分可以作为阳极的原料使用,它可用部分的多少主要和石油焦质量有关。所以,电解技术指标应搞考核阳极毛蚝,阳极消耗一般指毛耗。


⑶,在计算和比较炭阳极单耗和其它物料单耗时需要界定的概念仍然是对于开停槽物料和铝量的同一可比性性处理,以及原铝产量计算的同一可比性。比如,在一个电解厂房内,开槽使用不久的阳极往往需要调到其它槽上使用,怎样计算,是一个麻烦事,需要同一界定。


三,电解铝厂的经济规模和技术等级和电解槽槽型选择问题   


⑴,铝厂经济规模,铝厂的经济规模是在确定年产量条件下,选用什么槽型和多大的电解系列(电解槽数)最为经济。我国一些铝厂只追求电流容量大,忽视了经济配置的电解槽数。比如采用30万安培电解系槽系列,系列产量25万吨以上,电解槽数250台以上才最经济。如果十多万吨产量,配置20万安培电解槽系列才经济。电解铝厂规模(年产铝量)与系列电流,系列槽数和系列数有关。一座50多万吨级的电解铝厂可以有多种配置方式:比如选择60万安培槽型,只需配置一个点解系列(经济规模)选择35万安培槽型,需要配置两个电解系列,每个系列260多台电解槽;或者选择24万安培槽型,需要配置三个系列,每个系列260多台电解槽;或者选择电流20万安培槽型,30万安培槽型,40万安培槽型等,系列槽数也是160,200,260,300等多种方式。同一规模的铝厂,配置方式很多。按照当前的技术水平,配置能够消耗电气设备电能功率满负荷的电解槽数是最经济的选择之一。比如2003年笔者兼职沁奥铝业的指挥长时遇到一个建设中的新铝厂经济规模问题,该企业原设计规模7万吨,采用29万安培槽型,系列槽数9 0多台。这显然不经济。但是铝厂的经济规模和投资多少以及场地大小,供电能力有关。几经与政府和设计院交涉,同意增加部分场地,勉强改为规模14万吨,180多台29万安培电解槽,比原来经济的多。但不算最经济。如果采用21万吨规模,280台电解槽才经济,但是场地不允许,当地政府不给扩大场地。就一个电解铝厂而言,如果已经设定了产量(根据投资和可供的电量),在一定产量之下,系列越少,投资和成本越低;产量一定时,系列的电解槽槽数越多(上限是达到电气设备满负荷),投资和成本越低。比如产量25万吨的铝厂,选择50万培系列,只需要建设半个系列(不经济);选择30万安培左右的的电解槽槽型,只需要建设一个(经济);选择16万安培电解槽槽型,就需要建设两个系列。显然选择电解槽槽型过大或过小都不经济。


电解铝厂的供变电装置(含线路)投资占铝厂总投资的20%以上(产量越小所占的比例越大)。正常生产时,供变电损耗(含线路损耗)是电解铝厂最大的能量损耗之一。一是变电整流损耗(一个20多万吨铝厂整流效率提高1%,每年节省3000多万度电,折合1500万元);二是直流线路损耗,厂房之间线路,过道走廊线路等线路损耗每年多达上千万度电。所以只有满负荷配置电解槽(槽数最多,分单损耗最小),才最为经济。当然场地,电力或者场地不许可,则当别论。


⑵,电解铝厂技术等级问题,有时往往把产量和电流容量作为电解铝厂主要的技术等级指标,这似乎不够严谨和科学。比如一个15万吨铝厂,采用40万安培电解槽系列,120台电解槽和采用24万安培电解槽系列280台电解槽,那个技术等级高?很难说。因为技术等级主要和铝电解槽几项核心技术的水平高低有关,电流和规模大小不一定是最主要的。铝电解技术经济的考核指标,比如整流效率,电流效率,吨铝能耗,,阳极消耗,烟气净化和环保指标等与电解槽电流大小没有直接关系。现代大型予焙阳极中心下料电解槽的几项核心技术可以在不同电流容量的电解槽上使用。获得国家科技进步一等奖的28万安培超大型铝电解新技术是由8项系列配套核心技术组成的,而且近年来又分别取得许多技术创新成果。核心的新技术采用的越多,技术等级越高。虽然电流越大,系列产能越高,但它不一定是最经济的。


⑶,电解铝厂电解槽槽型选择问题,在最高产能条件下,系列内电解槽数能够使供电设备满负荷运转,而且核心技术先进,系列数最少的电解槽型才最为经济。否则大马拉小车,不一定经济。


PS:本文内容摘选择自王平甫教授青岛会议论文《涉及铝电解和铝用炭阳极行业发展以及技术经济指标考核,工艺技术与操作控制等部分热点问题研讨》