鋁電解槽的“心臟”
——炭陽(yáng)極質(zhì)量對(duì)鋁電解生產(chǎn)的影響

◎ 邊韓國(guó)｜文

本文從生產(chǎn)原料把關(guān)、煅燒帶溫度控制、成型配方優(yōu)化控制、改善混捏效果、控制焙燒升溫速度以及優(yōu)化電解技術(shù)條件等環(huán)節(jié)提出了提高陽(yáng)極質(zhì)量的有效措施，對(duì)于降低電解鋁生產(chǎn)成本具有重要意義。

隨著鋁工業(yè)的迅速發(fā)展，大型預(yù)焙槽的開發(fā)和應(yīng)用越來(lái)越廣泛，預(yù)焙陽(yáng)極的需求量也日益增長(zhǎng)，炭陽(yáng)極作為電解槽的心臟，在電解生產(chǎn)過程中起著導(dǎo)電和參與電化學(xué)反應(yīng)的雙重作用，其質(zhì)量和工作狀況不僅影響電解生產(chǎn)的正常運(yùn)行，而且對(duì)電流效率、電能消耗以及終端產(chǎn)品質(zhì)量等均有很大的影響。

陽(yáng)極質(zhì)量對(duì)電解槽生產(chǎn)的影響

電解槽故障中有70%發(fā)生在陽(yáng)極。電解槽經(jīng)常出現(xiàn)的陽(yáng)極故障（病狀）有：陽(yáng)極局部過熱、電流分布不均、陽(yáng)極掉塊、陽(yáng)極“長(zhǎng)包”、陽(yáng)極裂紋斷層、預(yù)焙陽(yáng)極塊脫落、大量炭渣落入電解質(zhì)使電解質(zhì)含碳、陽(yáng)極四周氧化燃燒、陽(yáng)極傾斜等，上述故障除電解作業(yè)有一定影響外，陽(yáng)極質(zhì)量問題占到很大因素。陽(yáng)極故障的發(fā)生，會(huì)破壞電解槽正常生產(chǎn)工藝及技術(shù)條件：電壓擺動(dòng)、電壓升高、鋁水滾動(dòng)、電解質(zhì)表面不結(jié)殼、電解槽局部不導(dǎo)電、不工作等，進(jìn)而引起電解槽效率急劇下降、電耗水平及原材料單耗急劇上升、電解操作困難、鋁品位下降等惡劣后果，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致停槽。

1.對(duì)電流效率的影響

陽(yáng)極質(zhì)量不高直接體現(xiàn)在陽(yáng)極導(dǎo)電性能不佳，會(huì)使電解質(zhì)溫度升高；陽(yáng)極工作過程中產(chǎn)生裂縫、掉塊、脫極、炭渣增多等現(xiàn)象，會(huì)使槽內(nèi)沉淀增多；炭渣過多聚集在陽(yáng)極周圍的電解質(zhì)中，造成電流短路，由此產(chǎn)生的熱量也直接進(jìn)入電解質(zhì)和鋁液中，使電解槽爐膛溫度迅速升高。

2.對(duì)陽(yáng)極消耗的影響

在鋁電解生產(chǎn)中，理論計(jì)算炭耗為333千克/噸鋁。由于陽(yáng)極質(zhì)量不同和電解槽工作狀況的差異，而實(shí)際中陽(yáng)極的總消耗（炭耗）在390～580千克/噸鋁之間，我國(guó)基本在430～580千克/噸鋁之間，高出理論值22.5%～42.5%。

電解槽中陽(yáng)極的性能一般通過陽(yáng)極凈消耗量來(lái)評(píng)價(jià)，炭陽(yáng)極質(zhì)量性能對(duì)陽(yáng)極凈消耗起著主要影響作用。國(guó)外研究人員經(jīng)過連續(xù)二十年的統(tǒng)計(jì)分析，得出了陽(yáng)極凈耗公式：

NC=C+334/CE+1.2（BT-960）-1.7CRR+9.3AP+8TC-1.5ARR

式中：NC——陽(yáng)極凈耗，390～480千克/噸

C——電解槽性能參數(shù)，270～310

CE——電解槽電流效率，87～95%

BT——電解槽工作溫度，935～980℃

CRR——二氧化碳反應(yīng)剩余率，75%～92%

AP——空氣滲透率，0.5～5.0nPm

TC——導(dǎo)熱系數(shù)，3.0～6.0W/mK

ARR——空氣反應(yīng)剩余率，55%～93%

其中電解槽性能系數(shù)C與電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作水平有關(guān)。電解槽結(jié)構(gòu)和操作不同，同樣質(zhì)量的陽(yáng)極，陽(yáng)極消耗有明顯區(qū)別。

從陽(yáng)極的幾項(xiàng)重要使用性能指標(biāo)——空氣和二氧化碳反應(yīng)性、滲透率和導(dǎo)熱率可計(jì)算出使用優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極和普通陽(yáng)極消耗量的差異，概括如表1。

表1 優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極、一般陽(yáng)極、質(zhì)量較差陽(yáng)極的幾項(xiàng)使用性能指標(biāo)對(duì)比

按以上參數(shù)計(jì)算，鋁電解槽使用優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極，陽(yáng)極消耗量比用質(zhì)量差的陽(yáng)極少消耗81.5千克/噸鋁，比使用一般陽(yáng)極少消耗40.75千克/噸鋁。

在工業(yè)電解槽上，優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極使用到后期時(shí)陽(yáng)極內(nèi)部很少氧化，質(zhì)密而堅(jiān)硬，外形平整完好；而質(zhì)次的陽(yáng)極在使用后期，由于二氧化碳和空氣的反應(yīng)，質(zhì)量疏松酥脆，其導(dǎo)電與電化學(xué)反應(yīng)性遠(yuǎn)不如初。

值得注意的是，質(zhì)量不一致的陽(yáng)極，不應(yīng)混用在同一臺(tái)電解槽上，如果在同一臺(tái)電解槽上混用質(zhì)量不一的陽(yáng)極，優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極越到后期承載的電流越大，消耗越快，質(zhì)次的陽(yáng)極由于其電阻高，導(dǎo)電少，甚至消耗緩慢。

3.對(duì)電耗的影響

陽(yáng)極電能消耗約占鋁電解電能消耗的10%左右。一般情況下陽(yáng)極質(zhì)量的變化，引起陽(yáng)極電阻的變化幅度約為20%～30%，如果陽(yáng)極電阻由75μΩm降為50μΩm，生產(chǎn)噸鋁可節(jié)電500千瓦時(shí)以上。同時(shí)，電解槽運(yùn)行過程中由于陽(yáng)極炭塊裂縫、碎塊脫落等生成大量炭渣，使電解質(zhì)熔體電阻增大，其結(jié)果會(huì)直接導(dǎo)致電解質(zhì)壓降升高，也會(huì)增加鋁電解生產(chǎn)中的電能消耗。

4.陽(yáng)極質(zhì)量對(duì)電解生產(chǎn)的影響

優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極使用時(shí)電解槽工作穩(wěn)定，碳渣少，可通過陽(yáng)極效應(yīng)的自凈作用或少許人工撈取，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低。質(zhì)量差的陽(yáng)極上槽后易產(chǎn)生裂紋、掉塊和脫落，碳渣多，需要人工頻繁去撈極、撈碳渣，處理陽(yáng)極故障，造成槽子大量散熱，破壞熱平衡，造成氟鹽消耗增加。

提高陽(yáng)極質(zhì)量的措施

1.降低原料中的雜質(zhì)含量

炭陽(yáng)極中雜質(zhì)對(duì)二氧化碳的反應(yīng)性能有較大影響，炭陽(yáng)極中含有0.4%～0.5%（重量）的雜質(zhì)，來(lái)源于原料（石油焦、瀝青等）。為了提高陽(yáng)極質(zhì)量，從原料進(jìn)行把控是必要的，盡管高質(zhì)量的原料價(jià)格較高，但平衡電解生產(chǎn)的陽(yáng)極損耗及因劣質(zhì)陽(yáng)極對(duì)電解生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的影響，在生產(chǎn)中還是應(yīng)盡可能采用。

2.加強(qiáng)石油焦的煅燒控制

通過關(guān)注原料關(guān)鍵指標(biāo)，實(shí)施石油焦分倉(cāng)管理。不同的碳素制品對(duì)煅燒焦的真密度要求也不同，預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)用煅燒焦真密度一般控制在2.03～2.05克每立方米范圍。加強(qiáng)煅燒工藝制度管理，對(duì)煅燒帶溫度控制、投料量控制、二次風(fēng)調(diào)節(jié)、窯尾負(fù)壓控制等環(huán)節(jié)強(qiáng)化管理，提高煅后焦質(zhì)量。

3.加強(qiáng)陽(yáng)極成型工序控制

生陽(yáng)極質(zhì)量取決于糊料質(zhì)量，影響糊料質(zhì)量的因素很多，首先要有一個(gè)科學(xué)成熟的優(yōu)化配方，配料時(shí)必須嚴(yán)格按確定的各種骨料及粉料數(shù)量規(guī)定進(jìn)行操作；其次是較佳的工藝技術(shù)條件匹配；再次是根據(jù)各種料的純度要求，嚴(yán)格控制收塵粉、生熟碎和殘極的配入量，從而確定最佳的瀝青用量。

通過生產(chǎn)實(shí)踐，使用塑性好、有彈性、呈散沙狀、流動(dòng)性好、不結(jié)球團(tuán)的糊料，成型后的陽(yáng)極重量和高度也容易控制，外觀光滑、平整，各種料分布均勻，體積密度高，強(qiáng)度也高。冷卻過程是陽(yáng)極成型的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但這一過程與混捏的工藝要求就溫度這一參數(shù)是存在矛盾的，利用強(qiáng)力冷卻裝置，可解決這一矛盾。同時(shí)，成型制塊還要在保證糊料質(zhì)量的基礎(chǔ)上加強(qiáng)設(shè)備管理，避免出現(xiàn)陽(yáng)極單塊高度傾斜、塊與塊高度相差大的情況。

4.加強(qiáng)陽(yáng)極焙燒工序控制

焙燒曲線、升溫速度、最終溫度和冷卻降溫速度影響產(chǎn)品的理化性能和外觀質(zhì)量，掌握調(diào)控三大要素（溫度、負(fù)壓、空氣量）是生產(chǎn)合格焙燒陽(yáng)極的先決條件。

裝爐質(zhì)量也影響焙燒陽(yáng)極的外觀質(zhì)量，填充料鋪不平、爐底料吸不干凈、料中有硬塊容易造成焙燒陽(yáng)極變形、底部長(zhǎng)包或者掉底，另外裝爐后覆蓋料厚度不夠也易造成產(chǎn)品氧化，表面發(fā)黑。

焙燒溫度與陽(yáng)極的二氧化碳反應(yīng)性、空氣反應(yīng)性、熱導(dǎo)率等特性有關(guān)；焙燒加熱速率與陽(yáng)極的電阻率、抗彎強(qiáng)度有關(guān)，上述特性會(huì)直接決定陽(yáng)極在電解過程中的“表現(xiàn)”。因此，優(yōu)化焙燒工藝參數(shù)，加強(qiáng)護(hù)爐、裝爐過程管理，才能取得較高的陽(yáng)極炭塊外觀合格率。

5.優(yōu)化電解生產(chǎn)技術(shù)條件

穩(wěn)定的電解槽生產(chǎn)技術(shù)條件和較少的人為干預(yù)是減少陽(yáng)極炭渣和杜絕陽(yáng)極裂縫、脫落的有效途徑。優(yōu)化電解生產(chǎn)技術(shù)條件，采用低分子比和低槽溫生產(chǎn)，嚴(yán)格換極過程控制，出鋁效率均衡，做好電解槽密封管理，穩(wěn)定電解槽的熱平衡，會(huì)有利于減少陽(yáng)極炭渣形成、裂縫產(chǎn)生、掉塊脫落等現(xiàn)象。

電解質(zhì)是電解過程的血液，在生產(chǎn)中要保持合理的電解質(zhì)水平。電解質(zhì)偏低，容易導(dǎo)致電解化學(xué)過程異常；電解質(zhì)過高，會(huì)使電解質(zhì)沒過陽(yáng)極表面，沖刷陽(yáng)極鋼爪，被迫產(chǎn)生高殘極。為此，在生產(chǎn)中加強(qiáng)電解質(zhì)管理，在確保生產(chǎn)順利進(jìn)行的前提下保持較低的電解質(zhì)水平，可以延長(zhǎng)陽(yáng)極使用周期，降低炭耗指標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

要想獲得較高質(zhì)量的炭陽(yáng)極，需在降低原料雜質(zhì)含量，加強(qiáng)過程控制，提高混捏效果、改善焙燒條件，強(qiáng)化操作質(zhì)量、嚴(yán)格電解過程控制等方面做工作，文中作者結(jié)合多年的生產(chǎn)實(shí)踐就上述方面做了相應(yīng)闡述，以期與同行一起在降低消耗、節(jié)約能源方面做出積極貢獻(xiàn)。