淺談?lì)A(yù)焙陽(yáng)極外形結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

張友禧 李 賢 劉民章

(1.青海西部水電有限公司, 青海 民和 810800; 2.青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

淺談?lì)A(yù)焙陽(yáng)極外形結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

張友禧1李 賢2劉民章2

(1.青海西部水電有限公司, 青海 民和 810800; 2.青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

介紹了預(yù)焙陽(yáng)極外形結(jié)構(gòu)的改進(jìn)過(guò)程，分析了陽(yáng)極外形結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)噸鋁陽(yáng)極單耗所產(chǎn)生的影響，并對(duì)改進(jìn)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)和展望。

鋁電解槽； 預(yù)焙陽(yáng)極； 外形結(jié)構(gòu)； 改進(jìn)； 單耗

0 前言

鋁電解是高耗能、高成本投入的行業(yè)。在鋁電解的成本構(gòu)成中，電費(fèi)約占總成本47%以上，其余主要是生產(chǎn)原料費(fèi)用。在生產(chǎn)原料中，除氧化鋁以外，主要是預(yù)焙陽(yáng)極。目前，國(guó)內(nèi)預(yù)焙電解槽的平均陽(yáng)極單耗為450～550 kg/t-Al，在鋁電解的生產(chǎn)成本構(gòu)成中約占11%。近幾年來(lái)，鋁電解行業(yè)面臨著巨大的危機(jī)，究其原因，除了產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩外，主要原因還是生產(chǎn)成本過(guò)高，不能應(yīng)對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。因此，各鋁電解企業(yè)紛紛從降低電耗和陽(yáng)極消耗入手，開(kāi)展降低成本的工作：一是通過(guò)降低鋁電解槽工作電壓降低電耗，對(duì)此進(jìn)行了大量富有成效的研究與實(shí)踐[1-3]；二是通過(guò)降低陽(yáng)極單耗降低生產(chǎn)成本，但報(bào)道并不多見(jiàn)，尤其是通過(guò)改進(jìn)陽(yáng)極外形結(jié)構(gòu)降低陽(yáng)極單耗更為鮮見(jiàn)。因此，研究探討預(yù)焙陽(yáng)極外形對(duì)鋁電解過(guò)程中的陽(yáng)極單耗影響具有一定的實(shí)際意義。本文以180 kA預(yù)焙電解槽為例，從陽(yáng)極倒角、陽(yáng)極開(kāi)槽以及陽(yáng)極上部凸臺(tái)改進(jìn)等幾個(gè)階段，討論了陽(yáng)極外形對(duì)鋁電解成本的影響。

1 原預(yù)焙陽(yáng)極外觀(guān)結(jié)構(gòu)及噸鋁陽(yáng)極單耗

原180 kA鋁電解槽使用的預(yù)焙陽(yáng)極炭塊尺寸為1 500×660×570 mm,焙燒后的陽(yáng)極重量為820 kg/塊，原預(yù)焙陽(yáng)極外形見(jiàn)圖1。其使用周期為30 d，電流效率為92%，噸鋁陽(yáng)極單耗492 kg。

2 預(yù)焙陽(yáng)極外觀(guān)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

2.1 陽(yáng)極底部四周倒角

第一階段的陽(yáng)極外形結(jié)構(gòu)改進(jìn)應(yīng)圍繞降低電解質(zhì)中炭渣含量進(jìn)行。主要目的有兩方面：一是減少電解質(zhì)中炭渣的生成，改善電解槽的運(yùn)行工況，降低電解槽的工作電壓；二是在保持換極周期不變的情況下，在一定程度上減少陽(yáng)極單耗。

圖1 原預(yù)焙陽(yáng)極外形

通常完成磷生鐵澆鑄的預(yù)焙陽(yáng)極要入庫(kù)存放，當(dāng)換極時(shí)其溫度和環(huán)境溫度相當(dāng)。橋頭鋁電公司所在的地區(qū)，夏秋季節(jié)約為20～30 ℃，春冬季節(jié)約為-20～10 ℃，而電解質(zhì)的溫度通常都在950 ℃左右。換極時(shí)，當(dāng)常溫陽(yáng)極炭塊浸入高溫電解質(zhì)時(shí)，巨大的溫差會(huì)在陽(yáng)極炭塊中形成較大的溫度梯度分布，尤其是在陽(yáng)極炭塊底部四周棱角處形成強(qiáng)烈的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)棱角處骨料顆粒間粘結(jié)劑的結(jié)合力時(shí)，就會(huì)在棱角處形成裂紋。鋁電解槽中的電磁場(chǎng)和流體流動(dòng)對(duì)浸入電解質(zhì)的陽(yáng)極炭塊形成沖刷作用，使得已經(jīng)形成裂紋的炭塊棱角處炭顆粒從炭塊本體上脫落進(jìn)入電解質(zhì)中，并以炭渣的形式存在，從而使電解質(zhì)的導(dǎo)電性能惡化，造成槽電壓上升，進(jìn)而導(dǎo)致鋁電解過(guò)程的耗電增加[4]。

通過(guò)分析電解槽中炭渣增多的原因，筆者認(rèn)為削去陽(yáng)極底部易形成應(yīng)力集中的四周棱角，可以改善陽(yáng)極炭塊在電解質(zhì)中的工作狀況，有利于降低電解槽的工作電壓，而且在一定程度上可以降低陽(yáng)極單耗。那么，要去除的尺寸為多大，既不影響陽(yáng)極炭塊的設(shè)計(jì)電流密度、又能達(dá)到預(yù)想的減少炭渣生成和減少陽(yáng)極單耗的目的？經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，確定陽(yáng)極底部棱角去除尺寸為50×50 mm(見(jiàn)圖2)，去除后的形狀為邊長(zhǎng)為50 mm的等腰三角形。

圖2 倒角陽(yáng)極外形

2.2 陽(yáng)極開(kāi)槽

第二階段的陽(yáng)極外形結(jié)構(gòu)改進(jìn)應(yīng)圍繞減小陽(yáng)極底掌下方的氣膜電阻進(jìn)行。其目的一是通過(guò)開(kāi)槽陽(yáng)極的使用，使陽(yáng)極底掌下方的氣膜順利逸出，從而減小氣膜厚度，降低氣膜電阻，達(dá)到降低電解槽工作電壓的目的；二是通過(guò)對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極炭塊進(jìn)行開(kāi)槽，在一定程度上降低陽(yáng)極單耗。

當(dāng)陽(yáng)極炭塊浸入電解質(zhì)中時(shí)，炭塊中的主要成分碳便會(huì)與氧化鋁發(fā)生反應(yīng)，生成CO2和金屬鋁：生成的CO2氣體以氣膜形式存在于陽(yáng)極底掌下方，在陽(yáng)極底掌與電解質(zhì)之間形成不導(dǎo)電氣膜層，從而使電解槽的工作電壓升高。如果不能使陽(yáng)極底掌下方的氣體順利排出，必然會(huì)造成電解過(guò)程電耗增加。對(duì)于如何順利排出陽(yáng)極氣體，許多研究[5-8]認(rèn)為采用開(kāi)槽陽(yáng)極或穿孔陽(yáng)極能夠達(dá)到節(jié)能目的，原因是：

(1)使用開(kāi)槽陽(yáng)極，可以減少陽(yáng)極底掌下氣體行程距離，使電解質(zhì)中陽(yáng)極氣體的排出更加通暢，減少陽(yáng)極底掌氣膜的形成，從而使氣膜電壓降低，最終降低陽(yáng)極電壓，節(jié)省電能。

(2)使用開(kāi)槽陽(yáng)極，增加了陽(yáng)極與電解質(zhì)的接觸面積，可以使陽(yáng)極在電解質(zhì)中的升溫加快，縮短陽(yáng)極的預(yù)熱時(shí)間，使陽(yáng)極更快地進(jìn)入導(dǎo)電狀態(tài)，減少了電流的空耗。

(3)由于陽(yáng)極氣體的順利逸出，使得陽(yáng)極底掌形成較厚陽(yáng)極氣膜的幾率大為降低，可減少陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生。

(4)陽(yáng)極氣體逸出過(guò)程中，在一定程度上對(duì)電解質(zhì)形成了攪拌作用，可改善電解質(zhì)的流動(dòng)場(chǎng)和氧化鋁的熔解性能，達(dá)到減少爐底沉淀、有利于電解槽爐幫形成及一定程度上延長(zhǎng)電解槽使用壽命的目的。

(5)因?yàn)殛?yáng)極氣體的主要成分為CO和CO2，因此，當(dāng)陽(yáng)極氣體順暢逸出時(shí)，減少了陽(yáng)極氣體與鋁液的接觸時(shí)間，從而可以減少二次反應(yīng)的發(fā)生，提高電流效率。

以180 kA電解系列為列，使用圖3所示的開(kāi)槽陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，使得電解槽運(yùn)行更加穩(wěn)定,陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生頻率降低。在換極周期、電流效率不變的情況下，噸鋁陽(yáng)極單耗降低7.3 kg。

圖3 開(kāi)槽陽(yáng)極外形

2.3 陽(yáng)極上部凸臺(tái)外形結(jié)構(gòu)改進(jìn)

第三階段的陽(yáng)極外形結(jié)構(gòu)改進(jìn)應(yīng)圍繞降低陽(yáng)極在空氣中的燒損進(jìn)行。其主要目的有三個(gè)：一是減少炭塊的“無(wú)效”部分從而減少生產(chǎn)炭塊的糊料用量，降低陽(yáng)極的制造成本；二是電解過(guò)程中保溫覆蓋料能較好地堆積, 對(duì)陽(yáng)極起到覆蓋保護(hù)的作用；三是通過(guò)對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極炭塊改進(jìn)，在一定程度上降低陽(yáng)極單耗。一般地，在所有幾何體中，球體的表面積是最大的，因而結(jié)合以上三點(diǎn), 將頂面改為圓弧面比較好。預(yù)焙陽(yáng)極炭塊上部結(jié)構(gòu)改進(jìn)如圖4所示[9]。

第三階段改進(jìn)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1) 將上部凸臺(tái)與陽(yáng)極主體結(jié)合部改為圓弧狀，大大減小了陽(yáng)極成型過(guò)程中該部位由于應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋的可能性，同時(shí)，也降低了陽(yáng)極在焙燒過(guò)程中裂紋擴(kuò)展和新裂紋產(chǎn)生的幾率，有利于改善預(yù)焙陽(yáng)極的理化性能，提高陽(yáng)極的使用效果。

(2) 由于上部凸臺(tái)外形的改進(jìn)，使得陽(yáng)極掛槽后能夠更好的堆放陽(yáng)極覆蓋料，漏入電解質(zhì)的覆蓋料數(shù)量大大減少，有利于改善電解質(zhì)的粘度，降低電解質(zhì)電阻，在一定程度上有利于降低電解能耗。

(3) 由于陽(yáng)極外形改進(jìn)后，可以更加平穩(wěn)的堆放覆蓋料，并根據(jù)低電壓要求增加保溫層厚度，因此，對(duì)陽(yáng)極的保護(hù)作用也有了提高，有利于減少陽(yáng)極氧化，降低噸鋁陽(yáng)極單耗。

(4) 陽(yáng)極氧化程度的降低，必定導(dǎo)致溫室氣體排放量的減少，有利于改善環(huán)境空氣質(zhì)量。

陽(yáng)極上部凸臺(tái)改造，可減少單塊陽(yáng)極重量，平均每塊生塊節(jié)約糊料8～12 kg左右[9]。陽(yáng)極焙燒后，在換極周期、電流效率不變的情況下，噸鋁陽(yáng)極單耗降低6 kg。

圖4 改進(jìn)后陽(yáng)極凸臺(tái)

3 預(yù)焙陽(yáng)極外觀(guān)結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果

圖5 整體優(yōu)化后的預(yù)焙陽(yáng)極外形

經(jīng)過(guò)三個(gè)階段陽(yáng)極外觀(guān)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化，其外觀(guān)結(jié)構(gòu)如圖5所示。以180 kA鋁電解系列為例，焙燒后的單塊預(yù)焙陽(yáng)極重量可由最初的820 kg減輕到786 kg，減少34 kg，在換極周期、電流效率不變的情況下，噸鋁陽(yáng)極單耗減少20.4 kg。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[10]，2013年全國(guó)鋁產(chǎn)量預(yù)計(jì)達(dá)到

2 220萬(wàn)t，如果全部推廣應(yīng)用外觀(guān)改形陽(yáng)極，每年可減少陽(yáng)極單耗:

2 220 t×20.4 kg/t×104=45.288萬(wàn)t

按目前預(yù)焙陽(yáng)極炭塊的市場(chǎng)銷(xiāo)售價(jià)3 800元/t計(jì)算，每年可節(jié)約：

45.288×104×3 800元/t=172 094.4萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)外原鋁市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，降低鋁電解生產(chǎn)成本也將是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。預(yù)焙陽(yáng)極作為鋁電解過(guò)程中最主要的生產(chǎn)原料之一，仍然有許多方面可以改進(jìn)，而這些改進(jìn)必定會(huì)對(duì)鋁電解生產(chǎn)成本的降低產(chǎn)生重要的影響。

[1] 劉馳，肖勝華，劉俊森.在產(chǎn)鋁電解槽雙向阻流節(jié)能技術(shù)工業(yè)試驗(yàn)[C].中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.中南大學(xué)出版社，2013：282-285.

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[3] 楊文杰，史志榮，焦慶國(guó).鋁電解節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀與思考[J].輕金屬，2012(5):26-30.

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[9] 樂(lè)雪梅，戴威然，郭峻，等.鋁電解預(yù)焙陽(yáng)極外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化的摸索及生產(chǎn)實(shí)踐[J].云南冶金，2011，39：90-92.

[10] 孔明.2013年11月鋁市場(chǎng)回顧及后市展望[J].有色金屬工程，2013，3(6)：7-8.

Improvement on Exterior Structure of Prebaked Anode

ZHANG You-xi, LI Xian, LIU Min-zhang

This paper introduces the improving process on exterior structure of prebaked anodes, analyzes the effects of structure improvement on anode consumption of per ton aluminum, evaluates and forecasts the improvement effects at the same time.

aluminum reduction cell; prebaked anode; exterior structure; improvement; unit consumption

2014-02-19

張友禧(1981—)，男，青海民和人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事鋁電解技術(shù)項(xiàng)目管理工作。

TF821

B

1008-5122(2014)05-0014-03