淺析鋁電解生產(chǎn)中炭渣產(chǎn)生的根源及預防措施

涂新闖

（山西華圣鋁業(yè)有限公司， 山西 永濟 044500）

淺析鋁電解生產(chǎn)中炭渣產(chǎn)生的根源及預防措施

涂新闖

（山西華圣鋁業(yè)有限公司， 山西 永濟 044500）

針對鋁電解生產(chǎn)中產(chǎn)生的炭渣會對電解槽正常的運行和技術(shù)經(jīng)濟指標產(chǎn)生嚴重影響這一現(xiàn)象，通過對炭渣產(chǎn)生的原因及危害進行分析，并從炭素方面和電解方面提出控制、減少炭渣的措施?？刂啤p少炭渣可降低能耗，降低電解槽管理的難度和工人勞動強度，保障電解槽正常運行。

鋁電解 炭渣 危害分析 炭素 工藝控制

炭渣作為鋁電解生產(chǎn)的伴生物，隨著電解生產(chǎn)的不斷進行，炭渣也時刻不停地產(chǎn)生著。若使用炭塊達不到質(zhì)量標準或電解日常操作管理不到位，在電解生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量的炭渣，這對鋁電解過程產(chǎn)生一系列不利的影響。具體表現(xiàn)為電解質(zhì)電壓降升高、槽溫上升、電解槽內(nèi)鋁的二次反應(yīng)增加、電流效率下降、突發(fā)效應(yīng)增加等，不僅造成電能消耗增加，而且對電解槽正常的運行和技術(shù)經(jīng)濟指標產(chǎn)生嚴重影響，同時增加電解槽管理的難度和工人勞動強度。在競爭日益激烈、產(chǎn)能嚴重過剩、提倡精準操作和精細管理的大環(huán)境下，每減少或者降低一個負面因素，就是對企業(yè)貢獻一份競爭力，因此減少鋁電解生產(chǎn)中的炭渣產(chǎn)生量成為鋁電解企業(yè)生產(chǎn)管理中的重要組成部分[1]。

1 炭渣產(chǎn)生的根源

1.1 炭素因素

1.1.1 炭素生產(chǎn)所用原材料

炭素生產(chǎn)的主要原材料為石油焦（有的企業(yè)為直接外購煅后焦）和瀝青等，石油焦（煅后焦）中的V、Ni等微量元素對空氣反應(yīng)性指標影響非常明顯，嚴重降低陽極的抗氧化性，而其中Na元素對CO2反應(yīng)性和空氣反應(yīng)性都有著較強的催化作用。生產(chǎn)陽極塊所用原料是通過摻配不同品位的石油焦（煅后焦）和瀝青等物料來實現(xiàn)混捏成型的，各雜質(zhì)化合物隨之進入陽極，部分通過高溫焙燒揮發(fā)，剩余部分成為灰分留在陽極內(nèi)部，并在電解生產(chǎn)過程中釋放在陽極槽內(nèi)，降低陽極的抗氧化性，誘發(fā)陽極掉渣。另一配方原料黏接劑瀝青的軟化點和結(jié)焦值對陽極生產(chǎn)中糊料塑性有著非常大的影響作用，糊料塑性直接決定著生陽極的質(zhì)量水平。電解生產(chǎn)中退回炭素的殘極，表面黏附的電解質(zhì)若清理不干凈，大量的Na、V、Ni在返流程時也會帶入到陽極中，造成這些元素含量的增加進而影響陽極性能[2]。

1.1.2 陽極質(zhì)量波動

預焙陽極質(zhì)量不合格是炭渣產(chǎn)生的主要原因。煅燒車間的熱煤、瀝青溫度，成型車間各物料純度、配方計算、混捏時間、振動成型參數(shù)設(shè)置，焙燒車間焙燒工藝控制尤其是升溫曲線設(shè)置等這些工藝參數(shù)對陽極質(zhì)量都有著非常大的影響。

1.1.3 陽極表面黏結(jié)

焙燒爐內(nèi)出爐后陽極表面黏結(jié)的填充料清理不干凈，尤其是黏塊黏結(jié)比較嚴重且清理難度大時隨陽極進入電解槽后，隨著電解反應(yīng)的進行，這部分炭粒脫落進入電解質(zhì)中成為炭渣。

1.2 電解因素

1.2.1 操作質(zhì)量

換極作業(yè)質(zhì)量十分重要，尤其在沒有按技術(shù)操作規(guī)范標準進行操作時，陽極也很容易掉渣。換極作業(yè)中新陽極在上槽初期不能實現(xiàn)全電流工作，如果安裝過低則浸潤在電解質(zhì)中受其沖刷形成掉渣；當實現(xiàn)全電流工作時，由于極距均值較小，造成電流過大，導致強熱應(yīng)力，破壞陽極強度形成爆塊和掉渣。其他如氧化鋁保溫料覆蓋不當造成陽極外露氧化掉渣等[3]。

1.2.2 陰極組內(nèi)部的沖蝕剝落

在鋁電解過程中，陰極炭素內(nèi)部的沖蝕剝落和破碎是鋁電解溶液產(chǎn)生炭渣的又一來源。在電解過程中，電解槽內(nèi)的黏結(jié)體是不斷流動的。鋁液攜帶著稀的氧化鋁-電解質(zhì)沉淀物不斷地磨擦沖刷著陰極內(nèi)襯表面，使陰極內(nèi)襯表面碳粒被剝落下來進入電解質(zhì)中成為炭渣。另一方面，由于鈉的滲透，即堿金屬離子對陰極碳塊的滲透，這一反應(yīng)隨著陰極碳塊石墨化程度地降低而加劇，造成碳塊體積膨脹并變得疏松多孔，也促進了碳粒的剝落。因此提高陰極碳塊質(zhì)量也是減少炭渣產(chǎn)生的一個方面。文獻和有關(guān)的實際應(yīng)用表明，半石墨化的碳塊在這一方面有較大的優(yōu)勢[4]。

1.2.3 二次反應(yīng)所生成的游離固態(tài)炭

二次反應(yīng)所生成的游離固態(tài)炭即溶解在電解質(zhì)中的鋁將陽極氣體中的CO2和CO還原，在電解質(zhì)溶液中形成細微的游離性炭渣。一種是電解質(zhì)溶液中溶解的鋁與CO2反應(yīng)生成CO，CO又與Al反應(yīng)生成C，另一種是電解質(zhì)中的鋁直接將CO2還原成C。

2 炭渣的危害

2.1 增加電能消耗

電解質(zhì)中的炭渣導致電解質(zhì)的電阻增大，從而導致電解質(zhì)電壓降升高，增加電能消耗。隨著電解質(zhì)中炭渣含量的增加，電解質(zhì)的導電率則呈反比下降趨勢，炭渣顆粒越細，對降低電解質(zhì)的導電率副作用越大。

2.2 形成熱槽

若電解質(zhì)中的炭渣積累到一定濃度時，由于其電阻的增大，必定造成電解質(zhì)電壓降升高，從而使電解槽兩極間電能收入額外增加，結(jié)果引起電解質(zhì)溶液溫度過熱，槽溫上升，形成熱槽，這樣對電解生產(chǎn)是極為不利的，不但會造成電能的無謂消耗，同時也會使電解槽的陰極受到損壞，影響槽子壽命，而且在處理熱槽時，還會消耗較多的氟化鹽。

2.3 造成電流損失

當鋁電解質(zhì)溶液表面漂浮有大量炭渣時，炭渣將陽極和陰極組成電流通路，部分電流會直接通過炭渣進入陰極或側(cè)部，而不能參與電解反應(yīng)，嚴重時還會形成側(cè)部漏電。

2.4 增加工人勞動強度

電解質(zhì)中炭渣含量過大時，必須組織人工打撈，尤其是在夏天，人力損耗尤其嚴重，對防暑降溫工作也是一個嚴峻考驗，而且打撈炭渣不僅帶走大量的電解質(zhì)和熱量，影響電解槽穩(wěn)定，而且還會增大氟化鹽消耗量。

2.5 誘發(fā)陽極效應(yīng)

大量炭渣漂浮在電解質(zhì)表面，導致氧化鋁不能及時溶解到電解質(zhì)中，從而誘發(fā)陽極效應(yīng)。

3 減少炭渣的措施

3.1 炭素方面

3.1.1 做好原材料供應(yīng)管理

對石油焦（煅后焦）這一炭素生產(chǎn)的主要原材料的采購要嚴格把關(guān)，加強微量元素分析檢驗，V、Na、S、Ca、Fe等均要嚴格控制，做好不同廠家煅后焦上料的摻配優(yōu)化；瀝青要從軟化點和結(jié)焦量兩方面進行控制，從實際經(jīng)驗來看，瀝青的結(jié)焦量不能低于54%；電解返回的殘極返流程時必須進行嚴格的電解質(zhì)人工清理，清理下殘極粉末必須退出流程，從而減少Na、V、Ni在預焙陽極中的帶入量[5]。

3.1.2 加強工藝過程控制，嚴格各工序質(zhì)量檢驗

煅燒加強熱煤溫度控制，減少溫度波動；保證瀝青質(zhì)量，煤瀝青的熔化不是單純的排出水分和由固體轉(zhuǎn)變成液體，而是一個熱聚濃縮反應(yīng)過程。如果煤瀝青的質(zhì)量和熔化質(zhì)量達不到要求，混捏的糊料可塑性差，炭陽極生坯質(zhì)量差，焙燒時所形成的瀝青焦抗氧化性能差，在電解槽中電化反應(yīng)時，抗氧化性能差的瀝青焦率先被氧化，不能與炭塊整體被同步氧化消耗，導致煅后石油焦粒脫落，形成炭渣；成型車間作為生陽極生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，對預焙陽極的質(zhì)量影響有著決定性的作用，必須進行精準管理、精細操作，配方合理是前提，配料精確、混捏均勻、溫度達標是保證，在此工序中的兩個重要理化指標耐壓強度、真密度需重點關(guān)注；焙燒車間是炭素生產(chǎn)中的又一重要環(huán)節(jié)，升溫曲線、升溫速率、陽極終溫及與此相關(guān)的電阻率是此工序的重點控制環(huán)節(jié)，而出爐預焙塊填充料干凈清理則是減少炭渣量的有益補充。

3.2 電解方面

3.2.1 提高作業(yè)質(zhì)量

要求電解工在換極作業(yè)時嚴格遵守生產(chǎn)技術(shù)操作規(guī)程精準操作、精細管理，保證換極作業(yè)質(zhì)量。

3.2.2 采用高品質(zhì)的陰極炭塊

與陽極炭素材料一樣，陰極炭塊的質(zhì)量好壞對炭塊的剝落程度存在著影響。在砌筑電解槽陰極時采用高質(zhì)量的陰極側(cè)部炭塊和陰極底塊，能有效地承受和抵抗鋁電解質(zhì)溶液和鋁水的侵蝕和沖刷，從而減少炭塊的剝落。

3.2.3 采用低溫鋁電解生產(chǎn)工藝

由于鋁的二次反應(yīng)也是產(chǎn)生炭渣的一個原因，所以在電解生產(chǎn)過程中就要減少二次反應(yīng)的發(fā)生。積極應(yīng)用并優(yōu)化低電壓、低氧化鋁濃度、低分子比、低溫度、高極距等新工藝，從而保證電解生產(chǎn)在較低的溫度下進行，可提高電流效率，減少鋁的二次反應(yīng)損失，從而減少炭渣的產(chǎn)生。

3.2.4 保持適當厚度的保溫料

保溫料過薄易使空氣與陽極表面接觸，在電解槽內(nèi)處于高溫狀態(tài)下的陽極炭塊與空氣接觸，使表面氧化掉渣速度較快，所以保溫料必須覆蓋密實，避免與空氣接觸。

3.2.5 保持適當?shù)碾娊赓|(zhì)水平

電解質(zhì)水平的高低是決定炭塊氧化掉渣的主要因素之一。電解質(zhì)水平過低，電解槽熱量損失快，不利于槽況穩(wěn)定，但電解質(zhì)水平過高，特別是超過殘極上表面，電解質(zhì)液流淌在炭塊的表面時，致使殘極上的保溫料熔化，炭塊裸露，從而會加劇炭塊氧化，炭渣量激增，所以要保持合理的電解質(zhì)水平。

4 結(jié)語

鋁電解生產(chǎn)過程中只有選用優(yōu)質(zhì)的炭素原材料、嚴格控制工藝過程、做到精細化操作管理才能最大限度地減少炭渣的產(chǎn)生，進而才能保證電解槽的穩(wěn)定運行，取得良好的經(jīng)濟技術(shù)指標，從而增強企業(yè)的競爭力。

[1] 饒紅，劉瑞.微量元素含量對碳陽極質(zhì)量影響[J].世界有色金屬，2004（9）：47-49.

[2] 李黎.淺析影響炭陽極質(zhì)量的因素[J].鋁鎂通訊，2004（2）：28-29.

[3] 劉建軍.提高預焙陽極質(zhì)量的生產(chǎn)實踐[J].中國有色冶金，2004（18）：41-43.

[4] 王平甫，劉鳳琴，童春秋，等.鋁電解槽炭陽極氧化掉渣裂紋掉塊的危害和影響因素[J].輕金屬，2002（3）：42-45.

[5] 劉建新.預焙陽極質(zhì)量對鋁電解生產(chǎn)的影響[J].南方金屬，2004（4）：32-33.

（編輯：王瑾）

Analysis of the Causes of Carbon Residue in Aluminum Electrolysis Production and Preventive Measures

Tu Xinchuang
（Shanxi Huasheng Aluminum Industry Co.,Ltd.,Yongji Shanxi 044500）

Aiming at the the serious impact of carbon residue produced in aluminum electrolysis production on the normal operation of electrolyzer and the technical and economic indicators,through the analysis of causes and harms of carbon residue,and from the aspects of charcoal element and electrolysis,this paper puts forward the measures for controlling and reducing the carbon residue.The control and reduction ofcarbon residue can reduce energy consumption,reduce the operation difficulty of electrolyzer and the labor intensity of the workers,ensuring the normal operation of the electrolyzer.

aluminum electrolysis,carbon residue,hazard analysis,charcoal element,process control

TF804.4；TF821

A

1672-1152（2017）04-0126-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.46

2017-07-06

涂新闖（1978—），男，大專，畢業(yè)于重慶市西南工業(yè)管理學校，助理工程師，主要從事炭素工藝與鋁電解技術(shù)的工作。