铝电解生产成本与电解槽槽龄的关系探究.pdf

第 50 卷 第 3 期有色金属设计Vol.50 No.32023 年 9 月Nonferrous Metals DesignSept.2023收稿日期:2022-11-22作者简介:杨幸雨(1994),男,贵州毕节人,硕士,工程师。主要研究方向:铝电解工艺。科技项目:贵州省科技厅“黔科合支撑2021一般 384”项目铝电解生产成本与电解槽槽龄的关系探究杨幸雨(贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081)摘要:随着投资增加,电解铝产能急剧膨胀,对铝电解生产成本问题进行研究变得尤为重要。文章简述交流电成本、生产成本、大修成本等方面与槽龄间的关系,通过了解成本盈亏平衡点的基础上,制定科学决策,最终通过 200 kA 铝电解槽为例来对生产成本模型进行解构说明。关键词:铝电解槽;生产成本;模型解构;盈亏计算中图分类号:TF821文献标识码:A文章编号:1004-2660(2023)03-0034-05Exploration on the Relationship between Aluminum Electrolysis Production Cost and Cell AgeYANG Xingyu(Guiyang Aluminum Magnesium Design&Research Institute Co.,Ltd.,Guiyang Guizhou 550081,China)Abstract:With the increase of investment and rapid expansion of electrolytic aluminum production capacity,it is particularly important to study the production cost of aluminum electrolysis.This paper briefly describes the re-lationship between AC cost,production cost,overhaul cost and cell age.Based on understanding the break-e-ven point of costs,scientific decisions are made,and finally the production cost model is deconstructed by tak-ing 200 kA aluminum electrolysis cell as an example.Keywords:Aluminum electrolysis cell;Production cost;Model deconstruction;Profit and loss calculation0 引 言“中国制造 2025”的提出,作为支撑我国新型工业化的战略新型产业,铝电解行业越来越受到人们关注。随着投资增加,其产能急剧膨胀,对铝电解生产成本问题进行研究变得尤为重要。电解槽是铝电解生产中的主要设备,其使用时间(槽龄)与生产成本的关系较为密切,为提升铝电解生产效率、降低生产成本,相关企业及人员应明确铝交流电成本和槽龄之间关系,在了解成本盈亏平衡点的基础上,制定科学决策,为铝电解行业成本控制提供支持。1 铝交流电成本和槽龄的关系1.1 槽龄和槽电压电解槽可分为阳极、阴极和槽体 3 个部分,现有工艺通常会选择利用隔膜对阳极室、阴极室进行隔离。如果以电解液性质为依据,可将其分为熔融盐槽、水溶液槽以及非水溶液槽,当电解槽内部有直流电流过时,溶液界面和阳极的接触面将有氧化反应出现,溶液界面和阴极的接触面则有还原反应出现,确保所制取产品质量达到行业标准。槽电压指的是为确保两极间所形成电极反应发生完全,有关人员借助外部电源向两级所施加电压,简而言之,就是电解槽内部阴阳电极之间杨幸雨:铝电解生产成本与电解槽槽龄的关系探究存在的电压。对冶金作业而言,槽电压的定义是为保证电解反应持续进行所施加电压,对槽电压加以确定的方法,通常是由专业人员利用电压表对阴极和相邻阳极之间所存在电压进行测量。槽电压平均值对应阴极压降和槽龄的关系为正相关,在槽龄持续增加的情况下,阴极压降将呈现出明显的上升趋势,对二者关系进行统计分析的依据,通常为生产实际数据1。为了降低计算难度,有关人员决定利用以下函数式对其关系进行说明:Vy=V+t式中:Vy 阴极压降,单位:V;V 阴极压降最低值,单位:V;代表常数,单位:V/月。槽电压平均值和槽龄的关系,通常可经由以下公式进行表达:Vp=V1+Vy=V1+V+t式中:Vp V 的平均值;V1 组成槽电压平均值的其它部分,单位:V。有关人员考虑到槽电压平均值的其它组成部分,通常不会随着时间的变化而变更,结合其它因素,最终将二者关系式简化如下:V1+V=V1Vp=V1+t式中:V1 正常槽电压平均值,单位:V。1.2 槽龄和电流效率电流效率可以用 2 种不同的理论进行解释,一种是在电解过程中电极所对应沉积,另一种是以电解所溶解物质量为依据,按照相关理论对溶解量和析出量比值进行计算所得结果,通常表示为符号。作为对电解作业效果进行评论所参考的重要经济技术指标,电流效率极易受到内部及外界因素的影响,例如,导电情况,是否存在漏电问题,极板表面情况,生产过程所使用添加剂种类及重量,析出周期,电解液所含酸、杂质及提取金属的具体含量与占比,电流密度,电解液循环量,电解液内部温度和外界实时温度等2。由此可见,在对其进行分析时,有关人员需要做到综合考虑各方面因素,确保分析所得结论有实际意义。以伯奇为代表的多位学者,均就不同参数给电流效率所产生影响进行了研究,根据研究所得结果,得出以下回归式:(%)=-0.1388T+0.5XAlF3+58.9sin(3h)+0.032t+163.7式中:T 电解质温度,单位:;XAlF3 AlF3 的过剩量,单位:%;h 铝液高度,单位:cm。t 电解槽实际运行时长,单位:月。相关系数 r 的取值为 0.7。对电解槽特定运行周期进行分析可知,一般来说,电解槽的启动初期,其时长多集中在180 d 左右,在此期间技术条件所发生变化幅度较小,通常可以忽略不计。以生产过程正常为前提,如果技术条件不存在明显变化,有关人员可利用以下公式对槽龄和电流效率的关系进行表示:(%)=1-0.032t槽龄和电流效率所对应公式为:(%)=1-t式中:1 电流效率最高值,单位:%;通常为常数,单位:%/月。1.3 槽龄和单耗成本单耗指的是加工成品与料件所对应定量关系,对处于运行状态的电解槽而言,原铝交流电对应单耗成本,通常是特定生产周期实际成本的平均值,切记不得仅对某个时刻的成本进行计算,导致计算结果无实际意义。槽龄函数所指代对象多为槽电压平均值对应阴极压浆以及电流效率,要想对当期电流效率与槽电压平均值进行计算,首选方法应当是变限积分法,槽龄和单耗成本的关系,可利用以下公式加以说明:f1(t)=C1V0.335 5103=C1t0(V1+t)dt0.335 5t0(1+t)dt10353有色金属设计第 50 卷式中:f1(t)交流电当前单耗成本,单位:元/t-Al;C1 实时电价,单位:元/kWh。假设 C11030.335 5=C1,可将上述公式简化如下:f1(t)=C1(2V1+t)21-t2 铝电解生产成本和槽龄的关系2.1 铝电解生产成本盈亏平衡点盈亏平衡点指的是在全部成本与全部销售收入持平的情况下,企业对产品进行生产的总量。将盈亏平衡点作为界限,如果销售收入较盈亏平衡点略高,表明企业处于盈利状态,若销售收入未达到盈亏平衡点,则说明企业当前生产状态为亏损状态3。在特定生产周期内,将电解槽原铝平均售价定为 y,待生产成本与盈亏平衡点重合后,便可利用以下公式对槽龄进行计算:y-f(t)=0将描述槽龄和生产成本的函数代入上述公式,可得到如下表达式:C1(2V1+t)21-t+C2(21-t)t+Cq-y=0式中:Cq 其它与槽龄不存在直接关系的成本。将 y1取值设定为 Cq-y,则能够得到以下方程式:(C1-y1)t2+2(C1V+1y1)t+C2=0对描述 t 的方程式进行求解,通常要考虑 3种情况:的取值0,表明产品售价较成本略高,此时,该方程有两个解。此外,在实际计算过程中,有关人员还要运用到以下公式:t1=-(V1C1+1y1)-(V1C1+1y1)2-C2(C1-y1)C1-y1t2=-(V1C1+1y1)+(V1C1+1y1)2-C2(C1-y1)C1-y1通过盈亏平衡点,对电解槽运行最短时间 t1、最长时间 t2进行确定,计算所得结果未达到 t1或超过 t2,均可判断铝电解生产处于亏损状态,即:虽然可通过生产的方式获得盈利,但其槽龄并非最佳槽龄。对实际生产活动而言,盈亏平衡点所能发挥作用相对较小,其价值更多体现在指导企业对生产成本进行预测,确保理论分析结果具有实际意义方面。2.2 槽龄和生产成本对电解槽而言,其生产成本的基本构成要素,通常为原铝电耗成本,大规模修理分摊成本,与槽龄不存在明显关联的其它成本。另外,由于生产成本的描述对象主要是特定生产周期对应生产成本的平均值,而非某个时刻所对应生产成本,因此,若无特殊要求,均可利用以下关系式对其进行说明:f(t)=f1(t)+f2(t)+Cq式中:f(t)生产成本;Cq 与槽龄不存在明显关联的其它成本;以上要素的单位均为元/t-Al。将生产成本达到最低值作为前提,对电解槽实际槽龄进行计算,首选计算方法为一阶求导法,除特殊情况外,均可参考以下公式:t0=-C2-(C2)2+4(V1+)1C1C22C1(V1+1)t0=-C2-(C2)2+4(V1+1)1C1C22C1(V1+1)在上述公式中,t0的计算结果为负值,通常可将其舍去,即后续计算不需要对该公式加以考虑。t0对应极值的取值和计算方法见下表 1。表 1 极值表Tab.1 Limit valuest(0,t0)t0(t0,)f(t)单调减少取值达到最小单调增加-f(t)0+如果计算结果满足 t=t0的条件,则表示f(t)存在最小值,在此前提下,如果计算结果存在未达到该值或超过该值的情况,则表明生产成本将出现明显增加,最佳槽龄为 t0(这里的最63杨幸雨:铝电解生产成本与电解槽槽龄的关系探究佳槽龄可以理解为生产成本达到最低且生产利润最接近企业预期的槽龄)。随后,再将 t0所对应数值导入相应公式,便可得到生产成本最低值。最佳槽龄指的是特定生产周期内,当产品的生产成本与计算所得最低成本重合时,电解槽的实际运行时间。对最佳槽龄加以确定,一方面能够为相关企业对产品生产给自身所创造利润进行预估提供帮助,使预估结果最大程度接近真实情况,另一方面可以为停槽计划的制定提供有力支持,避免出现槽龄过长、停槽过于集中等问题,导致生产利润无法达到理想水平4。对该文所探讨的新建铝电解项目而言,相关企业通常需要集中启动电解槽,在此前提下,对最佳槽龄进行确定就显得十分重要,这样做的目的主要是帮助企业管理层对大修计划进行制定,从利润最大化的角度出发,结合大修计划对日常生产规划加以确定,保证所制定生产规划科学合理且具有指导意义。3 大规模修理成本和槽龄的关系在正常情况下,电解槽具有越长的使用寿命,利用其进行生产所花费成本越低。对电解槽进行大规模维修的分摊成本,通常会随着使用寿命的增加而呈现出逐渐降低的趋势,在预焙电解槽逐渐向大型电解槽靠拢的当下,对其进行大规模维修所需成本有所提升,为保证生产效率及成本达到预期水平,相关企业纷纷选择将槽寿命纳入对电解槽技术性能和整体经济性进行分析所参考指标体系中。与此同时,还要考虑到在电流效率降低、阴极压降上升的双重影响下,原铝电耗成本较之前有所增加,这是因为对于日常生产会产生较高电费的企业来说,这一变化所产生影响往往十分深远。对电解槽实际槽龄和铝电解所需生产成本间存在的关系进行分析,其重点往往应当落在大规模修理成本上。在围绕大修成本展开讨论时,有关人员应明确大修成本所涵盖要素,对本文所探讨项目而言,大规模修理的成本,主要包括电压成本,启动槽所消耗原辅料成本,停槽短路口消耗电能成本,原材料成本,设备折旧成本。对大修分摊成本进行计算,通常要考虑大修成本、各生产周期对应生产总量,除特殊情况外,有关人员均可采用以下公式:f2(t)=C2Pl=C2Plt0(1+t)dt式中:f2(t)大修分摊成本,单位:元/t-Al;C2 大修成本,单位:元;Pl 月理论产量,单位:t。假设 2C2Pl=C2,对上述公式进行计算,可得到以下计算结果:f2(t)=C2(21-t)t4 铝电解生产成本模型解构说明4.1 案例分析以某厂现有 200 kA 电解槽为研究对象,在实时电价是 0.4 元/kWh 的情况下,C1的取值为:C1=0.40.335 5103=1 192.25该系列电解槽大规模修理的成本是 85 万元,C2对进行计算所得结果如下:C2=850 000(2001030.335 524106)302=35 188在常规生产工艺及条件下,该电解槽的槽温约为 950,铝水平可达 24 cm,氟化铝的过剩部分,其分子比是 2.3,含量在 10.85%左右。将上述数据依次代入描述槽龄和电流效率所具有关系的公式中,可得到以下结果:(%)=93.28-0.032t这表明 1的取值约为 93.4%。的取值约为 0.03%/月。有关人员以该铝厂现有电解槽在过去一年的运行情况、阴极压降相关数据为依据,对槽龄和阴极降压的关系进行了准确拟合,结果为:Vy=0.356 8+0.002 3t随后,以生产技术及生产条件符合行业要求为前提,对组成电压平均值的其它部分进行分析可知,其它部分往往不会随着槽龄的增长而发生变化,有关人员以针对该电解槽所进行测试的最终结果为依据,将 Vy导入描述槽龄和槽电压平均值关系的公式中,得出以下结果:V=4.187+0.002 3t73有色金属设计第 50 卷结合该公式所传递信息可知,V1的取值是4.187 V。的取值是 0.002 3 V/月。待上述工作告一段落,便可对最佳槽龄进行计算,该电解槽的最佳槽龄是 88 个月。在不对企业管理、市场需求等可能发生变更的因素加以考虑的前提下,无论是原铝的市场售价,还是其它的生产成本,其取值均应当是常数,有关人员以当前市场情况为依据,将 y1的取值设为 1.9 万元,将 C 的取值设为 1.3 万元,分别对盈亏平衡点、生产成本最低值进行了计算,最终结果如下:该企业生产成本最低值为 17 376(单位:元/t-Al),t1的取值为33(单位:月),t2的取值为 229(单位:月)。4.2 铝电解生产成本模型说明对铝电解而言,其生产成本主要分为工资成本、管理成本、折旧成本、电力成本、原材料成本、大修分摊成本,在上述成本中,仅有大修分摊成本、电力成本和电解槽的实际槽龄存在直接关联,其它成本通常由企业管理模式、市场发展趋势所决定,通常不需要加以考虑5。随着运行时间的增加,对电解槽进行大规模修理的分摊成本将呈现出明显的降低趋势,在电流效率降低、阴极压降上升的双重影响下,电耗成本往往会较之前有所增加,相关企业应对此引起重视。文章结合实际案例,对槽龄和生产成本所对应函数关系进行了推导,该关系式的作用,主要是帮助有关人员以最快的速度确定在生产成本达到最低值时,电解槽的运行槽龄,待生产成本与盈亏平衡点重合时,电解槽的实际槽龄。在槽型确定的情况下,生产成本模型的作用,可以简单的理解为企业对生产利润进行预估提供帮助,确保企业能够以实际情况为依据,提前对切实可行的停槽计划进行制定,这对需要大规模开槽的新建铝厂具有重大意义。通过调查可知,现阶段,国内多数铝厂仍然存在电解槽运行槽龄较短的情况,未来有关人员应将研究重心向如何解决槽龄较短问题倾斜,在确保该问题被彻底解决的基础上,方可对选择最佳槽龄等内容进行更加深入的讨论。5 结 语该文选取铝电解槽槽龄作为研究出发点,结合目前国内铝电解技术工艺,首先说明了铝交流电成本和槽龄之间关系,解读了槽电压、电流效率、单耗成本对生产成本造成的影响;其次分析了铝电解生产成本和槽龄之间关系,描述了铝电解生产成本盈亏点概念;最后结合具体案例,通过构建生产成本模型的方式,对生产成本与槽龄之间关系进行了重点说明,供相关人员参考。参考文献:1王旋,胡红武,刘雅锋,等.国内铝电解槽高阳极电流密度技术路线探讨J.轻金属,2020,503(09):30-33.2王富强,刘伟,王兆文.铝电解槽中局部阴极电流增大对电解质-铝液两相流场的影响J.金属学报,2020,56(07):121-130.3宋书红,许多.石墨化和 50%石墨质阴极炭块在500 kA 预焙铝电解槽生产实践中的应用对比J.轻金属,2019,491(09):35-39.4陈祖国,李勇刚,卢明,等.基于贝叶斯概率语义网的铝电解槽况知识表示模型与约简方法J.控制与决策,2020,35(07):36-50.5王耀武,桓书星,狄跃忠,等.铝电解槽废耐火材料的危害与处理方法的研究现状J.矿产保护与利用,2019,039(003):42-47.83