400 kA預焙槽新型陽極鋼爪保護環(huán)的應用

姜海濤， 周 平， 湯昌廷

(南山鋁業(yè)股份有限公司， 山東 煙臺 265713)

輕金屬

400 kA預焙槽新型陽極鋼爪保護環(huán)的應用

姜海濤， 周 平， 湯昌廷

(南山鋁業(yè)股份有限公司， 山東 煙臺 265713)

本文介紹了一種新型陽極鋼爪保護環(huán)在鋁電解生產(chǎn)中的試驗情況。該保護環(huán)能有效地保護陽極鋼爪，使其免受電解質(zhì)侵蝕，從而延長了換極的周期，降低了陽極消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

400 kA鋁電解槽； 鋼爪保護環(huán)； 炭陽極； 經(jīng)濟效益

0 引言

在現(xiàn)代鋁電解工業(yè)中，陽極鋼爪是一種常見的鑄鋼件，如果說炭陽極是電解工藝的“心臟”，那么陽極鋼爪就是“主動脈”。鋼爪是聯(lián)接陽極和鋁導桿的部件，在電解生產(chǎn)過程中，鋼爪充當一個導電體接入電解槽，同時起到支撐和聯(lián)接鋁導桿的作用。陽極鋼爪所處的工作環(huán)境十分惡劣，長期處于高溫腐蝕性氣氛中，環(huán)境溫度大概為400～600 ℃，很容易受到電解質(zhì)侵蝕而使鋼爪變細，縮短其使用周期[1-2]，詳見圖1。

圖1 某鋁廠陽極鋼爪變細現(xiàn)象

電解生產(chǎn)中，炭素陽極需要定期更換。當接近換極周期時，由于陽極已接近控制高度，若電解質(zhì)水平保持較高，電解質(zhì)(940 ℃)可能會漫過陽極上部(俗稱電解質(zhì)“上炕”)，詳見圖2。當陽極上部鋼爪周圍沒有保護措施時，侵蝕性很強的電解質(zhì)與鋼爪發(fā)生電化學反應，造成鋼爪被侵蝕變細。鋼爪變細后會造成陽極電流分布不均，電耗增加。另外，鋼爪被侵蝕后，反應產(chǎn)物進入電解質(zhì)中，進而造成鋁液雜質(zhì)含量升高[3-4]。

圖2 某鋁廠電解質(zhì)“上炕”現(xiàn)象

為解決這一問題，通常采取的措施是將陽極鋼爪進行保護，即采用陽極保護環(huán)。本文采用了一種新型環(huán)保的陽極鋼爪保護環(huán)，該保護環(huán)保護效果好，成本低，操作簡單易行。

1 陽極鋼爪保護環(huán)的制作

本試驗采用的是氧化鋁保護環(huán)替代傳統(tǒng)的炭環(huán)，目的是減少電解質(zhì)里的碳渣量，保證原鋁質(zhì)量的穩(wěn)定，同時，確保電解質(zhì)保持較高水平。為了使氧化鋁保護環(huán)運行穩(wěn)固，防止氧化鋁流失，本試驗采用了牛皮紙外環(huán)和氧化鋁粉填充相結(jié)合的方法制作保護環(huán)。

保護環(huán)的制作過程：把牛皮紙剪成矩形(518×80±50 mm)，圍在陽極鋼爪上制成環(huán)狀，然后往中間空間內(nèi)灌滿氧化鋁粉即可完成。換極時，將保溫料覆蓋到陽極表面，將其裝入電解槽中，然后打入粉料將其覆蓋。在電解槽高溫的作用下，經(jīng)2 d左右保護環(huán)形成結(jié)殼，對鋼爪進行保護。新制作的陽極鋼爪保護環(huán)及上槽使用后的保護環(huán)見圖3和圖4 。

圖3 新制作的陽極鋼爪保護環(huán)

圖4 在電解槽中使用后的保護環(huán)

2 陽極鋼爪保護環(huán)在電解槽上的使用

2.1 換極周期和殘極厚度

使用陽極鋼爪保護環(huán)的主要目的是防止電解質(zhì)對鋼爪侵蝕，充分利用陽極的有效厚度，進而延長陽極換極周期，降低陽極消耗。本次試驗中，帶有保護環(huán)的陽極使用一個換極周期后，對殘極、保護環(huán)高度等進行了測量，并與該廠一區(qū)其它殘極進行了比較，結(jié)果見表1。測量結(jié)果表明：使用陽極鋼爪保護環(huán)后，陽極更換周期由原來的30 d延長為31.5 d，殘極厚度降低了2.3 cm。從保護環(huán)剩余高度上看，在電解槽中經(jīng)過31.5 d后的保護環(huán)基本保持原高度(85±5 mm )，環(huán)浸泡高度約為34 mm。

表1 殘極、保護環(huán)高度及換極周期統(tǒng)計表

圖5為加設保護環(huán)的殘極照片，從圖中可以看出，清理后的一組陽極八個鋼爪上的保護環(huán)都完好存在，鋼爪未受到電解質(zhì)的侵蝕。這是由于保護環(huán)中的氧化鋁在高溫下易于固結(jié)，與鋼爪緊密結(jié)合成一體對鋼爪起到很好的保護作用。

圖5 加設保護環(huán)的殘極

圖6 四臺試驗槽鋁液中Fe含量變化曲線

2.2 鋁液中Fe含量的變化

陽極鋼爪保護環(huán)的主要作用是保護陽極鋼爪免受高溫電解質(zhì)的侵蝕，從而達到提高原鋁質(zhì)量的目的。圖6統(tǒng)計了該車間四臺試驗槽鋁液中Fe含量的日平均值，從圖6中可以看出，1035#、1036#、1037#、1038#槽使用1個月陽極保護環(huán)以后(7月1日開始使用)，F(xiàn)e含量均逐漸降低，四臺槽的Fe含量均降到了0.10%，特別是1036#槽由最初的0.398%降到0.0567%。這充分說明陽極保護環(huán)對鋼爪能起到很好的保護作用，使鋁液免受鋼爪侵蝕帶來的污染。

2.3 電解質(zhì)水平的測量

為了驗證鋁液中Fe含量是否受到電解質(zhì)水平的波動而影響及保護環(huán)是否能起到保護鋼爪的作用，在試驗過程中，對四臺試驗槽的電解質(zhì)水平進行了測定。測試結(jié)果見圖7，從圖7中可以看出，1035#、1036#、1038#槽電解質(zhì)水平在八月至九月內(nèi)平均值集中分布在18～20 cm，1037#槽偏高，大約在20～22 cm。對比圖6中這四臺槽的Fe含量變化情況可知，F(xiàn)e含量的降低并不是因為試驗槽中電解質(zhì)水平降低，相反，1037#、10378#槽在指標考核后期電解質(zhì)水平還逐漸升高，最高值甚至達到24 cm，這個高度已使“電解質(zhì)上臺”，但并未引起鋁液中Fe含量的升高，這,充分說明陽極保護環(huán)在起作用，它可以保護鋼爪免受電解質(zhì)侵蝕。

2.4 鋼爪外形尺寸與鋼爪損壞率

鋼爪使用若干周期以后，從外形上看，加設保護環(huán)的鋼爪要比沒有保護環(huán)的外形更加規(guī)整。試驗過程中，測量了多組使用周期相同的陽極鋼爪周長，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，加保護環(huán)的陽極鋼爪(試驗組)實測周長為330.3 mm，接近于原鋼爪周長345.4 mm(直徑為55 mm),而未加設保護環(huán)的鋼爪實測周長為282.6 mm。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是陽極鋼爪未受保護在電解質(zhì)的侵蝕下逐漸變細。

圖7 四臺試驗槽電解質(zhì)水平變化曲線

試驗組對比組鋼爪編號實測周長L1鋼爪直徑d1鋼爪編號實測周長L2鋼爪直徑d2SY-111345.455.0DB-111302.148.1SY-112331.052.7DB-112314.050.0SY-113332.853.0DB-113266.942.5SY-114312.749.8DB-114248.739.6平均值330.352.6平均值282.645.0周長差值L1-L2=47.7直徑差值d1-d2=7.60

注明：每個鋼爪實測周長均為8個爪的周長平均值。

使用陽極鋼爪保護環(huán)后，由于有效保護了鋼爪，使得鋼爪損壞率有所降低，表3中統(tǒng)計了該區(qū)自使用保護環(huán)以后陽極鋼爪的損壞情況。

表3 保護環(huán)使用前后鋼爪損壞率比較 %

3 效益分析

(1)成本價：制作陽極鋼爪保護環(huán)外環(huán)所用的牛皮紙按0.5 mm厚，進口價7 500元/t，每t牛皮紙約為1.2 m×3 000 m=3 600 m2。單個保護環(huán)面積：3 600/(0.80×0.518)=0.041 4 m2，單個保護環(huán)價格：7 500/0.414=0.086元。折算成t鋁，每t鋁需2個保護環(huán)，則每t鋁成本價增加近0.2元。

(2)陽極鋼爪保護環(huán)的使用使換極周期延長了1.5 d，可降低陽極毛耗37 kg/tAl，若預焙陽極炭塊按2元/kg計算，則可節(jié)約成本74元/tAl，扣去成本0.2元，則直接經(jīng)濟效益73.8元/tAl。

(3)陽極鋼爪保護環(huán)的使用，增大了鋼爪與陽極接觸處的面積，降低了接觸壓降,與使用前相比，鋼爪壓降降低5 mV左右，則節(jié)電約15 kW·h/tAl。

(4)由于陽極消耗量的降低，減輕了陽極組裝的壓力，從而降低了陽極組裝費用。同時，減少了殘極返回量，節(jié)省了殘極運輸成本。

(5)延長換極周期，給電解生產(chǎn)帶來較多益處。一是減少了換極操作對電解槽的擾動，使鋁電解槽的工況更加穩(wěn)定，提高生產(chǎn)效率；二是降低了吊車的運行頻率，降低設備的運行和維護費用；三是減少換機次數(shù)，減輕了工人的勞動強度；四是減少打開集氣罩的頻次, 降低了電解煙氣對車間環(huán)境的影響。

4 結(jié)論

(1)本試驗制備的氧化鋁保護環(huán)能有效地保護陽極鋼爪不被電解質(zhì)沖刷和浸蝕，殘極的平均高度由181 mm降低到～158 mm左右,陽極的可用有效高度增加了23 mm。

(2)該保護環(huán)在電解槽上使用2個月后，鋁液中Fe含量明顯降低，四臺試驗槽測試結(jié)果顯示，F(xiàn)e含量均降至到0.01%以下。電解質(zhì)水平的變化并未影響到鋁液中Fe含量，保護環(huán)起到保護鋼爪的作用。

(3)鋼爪外形尺寸對比測量表明，加設保護環(huán)的鋼爪直徑要比未加設的長7.6 mm，且鋼爪破損率降低3.4%。

(4)使用保護環(huán)后，換極周期由原來的30 d延長到31.5 d，可降低陽極毛耗37 kg/tAl，產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益為73.8元/tAl。

[1] 胡彬, 雷永祥．陽極鋼爪保護環(huán)技術(shù)在鋁電解預焙槽上的應用[J]．青?？萍?，2006(4)：50-52．

[2] 解正業(yè), 趙天德, 王金融．預焙鋁電解槽用陽極鋼爪自焙炭素保護環(huán)的開發(fā)和應用[J]．輕金屬， 2003(10)：31-33．

[3] 楊玲．200 kA預焙槽陽極鋼爪保護炭環(huán)應用[J]．設備管理與維護，2006(11)：24-26．

[4] 王平甫, 宮振．鋁電解炭陽極技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002．

Applicationofsteelanodeclawguardringfor400kApre-bakedcell

JIANG Hai-tao， ZHOU Ping， TANG Chang-ting

This paper introduces the test of the anode steel claw guard ring in aluminum electrolysis production. The guard ring can effectively prevent the anode steel claw from scouring and erosion of the electrolyte and can prolong the period of anode replacement, decreasing the consumption of anode and thus cost saving.

400 kA aluminum electrolytic cell； steel claw guard ring； carbon anode； economic benefit

TF821

B

1672-6103(2017)06-0025-04

姜海濤(1985—)，男，山東煙臺人，碩士，工程師，從事鋁冶煉技術(shù)管理工作。

2017-04-21