500kA 電解鋁系列成功降低陽極碳耗實(shí)踐

張 虎，姜玉敬

（新疆嘉潤資源控股有限公司，新疆 瑪納斯 832200）

炭陽極是鋁電解生產(chǎn)的主要原料之一。炭陽極各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)直接影響到電解槽的正常生產(chǎn)和原鋁的產(chǎn)量、質(zhì)量、碳耗、和電耗等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。電解槽陽極幾何形狀、尺寸以及電解生產(chǎn)中的陽極管理、陽極電流密度、電解生產(chǎn)技術(shù)操作條件、電流效率等諸多因素皆與陽極消耗有關(guān)。炭陽極的過量消耗，不僅會(huì)增加鋁的生產(chǎn)成本，嚴(yán)重的會(huì)影響電解槽正常工作參數(shù)，甚至造成病槽。優(yōu)質(zhì)的陽極可使電解過程穩(wěn)定，取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。降低炭陽極的消耗，可延長陽極的使用天數(shù)，有助于提高電解槽集氣效率，對提高勞動(dòng)生產(chǎn)率以及改善環(huán)境起到了積極作用[1]。

大型鋁電解預(yù)焙陽極電解槽陽極碳耗問題一直是鋁電解生產(chǎn)管理重點(diǎn)，隨著2017年環(huán)保督查趨嚴(yán)，炭塊市場價(jià)格已接近5000元/t，已占鋁錠生產(chǎn)成本的19%左右，因此，對陽極消耗進(jìn)行技術(shù)挖潛增效極為重要，尤其是對于沒有配套碳素的電解鋁企業(yè)。

針對本公司系列電流、設(shè)定電壓運(yùn)行實(shí)際情況，從陽極尺寸、工藝技術(shù)條件、換極周期、操作標(biāo)準(zhǔn)等方面逐項(xiàng)優(yōu)化匹配，最終達(dá)到大幅降低陽極毛耗的目的。

1 陽極消耗的機(jī)理[2]

1.1 陽極反應(yīng)過程

炭陽極電解中化學(xué)方程式如下：

反應(yīng)式（1）為假定電流效率為100%時(shí)，生產(chǎn)1mol的鋁能生成3/4mol的CO2，這相當(dāng)于生產(chǎn)1噸鋁在陽極氣體中100%為CO2氣，其排放量為1.22噸，同時(shí)消耗333kg的炭陽極。當(dāng)只有反應(yīng)（2）進(jìn)行時(shí)，陽極理論炭耗量為667kg/噸-Al。當(dāng)陽極生成的氣體有30%為CO時(shí)（一般生產(chǎn)情況如此），陽極理論炭耗量為393kg/噸-Al。按我公司電流效率90.5%計(jì)算，理想炭凈耗=333/90.5%=368kg，因電解質(zhì)液面以上才被空氣中氧氣所氧化，因此氧化部分不計(jì)入凈耗。

1.2 關(guān)于陽極消耗的其它幾個(gè)概念

實(shí)際消耗。在鋁電解生產(chǎn)過程中，炭素陽極除了要維持上述反應(yīng)而消耗以外，還有許多額外的影響因素導(dǎo)致陽極的消耗，這些因素引起的炭耗總和稱為實(shí)際消耗。一般為420～500kg/噸-Al。

毛耗和凈耗。生產(chǎn)1噸原鋁所消耗的陽極炭塊的總量（包括殘極）稱陽極毛耗。除去殘極后每生產(chǎn)1噸原鋁所消耗的陽極炭塊量稱為陽極凈耗，凈耗也就是煉鋁的實(shí)際消耗。

2 國內(nèi)500kA同槽型電解鋁廠陽極消耗

國內(nèi)大槽型鋁廠陽極毛耗統(tǒng)計(jì)情況

近兩年大槽型鋁廠均在致力于降低陽極毛耗，皆取得較為不錯(cuò)的成果，但仍有潛力可挖。

3 陽極毛耗高的原因

3.1 陽極質(zhì)量

陽極質(zhì)量不穩(wěn)定，電阻率居高不下，長期接近65μΩm，高質(zhì)量陽極的電阻率會(huì)更低，達(dá)到50μΩm。陽極炭塊質(zhì)量指標(biāo)陽極電壓降為0.4v，國際陽極電壓降先進(jìn)指標(biāo)為0.3v，某廠現(xiàn)場跟蹤陽極壓降有時(shí)高達(dá)0.48v。與國標(biāo)對比，質(zhì)量不穩(wěn)定而且超標(biāo)。與國外指標(biāo)有巨大差距，尤其顯現(xiàn)在微量元素雜質(zhì)的控制[3]。因石油焦及瀝青質(zhì)量參差不齊，陽極各組分構(gòu)成不合理時(shí)，將造成陽極極易掉渣，也是造成陽極毛耗偏高的原因。

3.2 陽極尺寸設(shè)計(jì)不精細(xì)

從換極質(zhì)量和運(yùn)行情況來看，中縫陽極炭塊棱角處防氧化措施不到位，炭塊棱角處氧化嚴(yán)重，尤其是打擊頭處的四組陽極，因此，與其讓棱角處陽極炭塊氧化增加碳耗，不如在設(shè)計(jì)上考慮在棱角處進(jìn)行優(yōu)化來達(dá)到提高陽極電流密度的目的。考慮到既能降低碳耗、適當(dāng)提高陽極電流密度，又能保證中縫處間距太大不好封極，陽極炭塊四周的棱角存在增大倒角的可能。

3.3 陽極換極周期設(shè)置不合理

設(shè)置陽極周期時(shí)，需綜合考慮原鋁質(zhì)量、陽極毛耗之間的變化關(guān)系，部分配套有碳素廠的企業(yè)因殘極可用于生產(chǎn)生炭塊，添加比例不高于20%，換極周期設(shè)置比較短，偏向于原鋁質(zhì)量的提升，造成陽極毛耗偏高，但綜合效益不受影響。陽極毛耗指標(biāo)對于未配套碳素的企業(yè)來說就尤為重要，殘極只能作為副產(chǎn)品外賣，大幅貶值。而國內(nèi)很多電解鋁企業(yè)換極周期的設(shè)置均參考部分擁有碳素廠的國企數(shù)據(jù)。

3.4 陽極炭塊高度

在換出的殘極厚度相當(dāng)?shù)那疤嵯?，炭塊高度越高殘極率越低，這是顯而易見的。炭塊高度增加將造成壓降增加，但在當(dāng)前國內(nèi)人工成本日漸上升的背景下，換極周期越短，電解車間換極工作量越大，工藝車隊(duì)運(yùn)輸量和組裝車間各工序工作量均越大，因此需要綜合計(jì)算炭塊高度增加進(jìn)而壓降增加新增成本和工作量減少降低成本的關(guān)系。

4 降低陽極毛耗的可能性

本公司電解槽為500kA大型預(yù)焙陽極電解槽，于2012年投產(chǎn)，投產(chǎn)初期按設(shè)計(jì)炭塊尺寸進(jìn)行采購，使用1750×740×620非開槽炭塊，換極周期30天，陽極毛耗達(dá)到517kg/t.Al，陽極毛耗偏高，存在極大的挖潛增效潛力。

5 降低陽極毛耗的措施

5.1 優(yōu)化陽極尺寸

2014年8月在設(shè)計(jì)院提供的炭塊尺寸基礎(chǔ)上，在不影響應(yīng)力分布的前提下對陽極炭塊邊角進(jìn)行圓滑處理[4]，在其它技術(shù)條件不改變的情況下，系列電流500kA，陽極毛耗從517kg/t.Al降低至509kg/t.Al，一個(gè)年產(chǎn)45萬噸系列（下文涉及到的系列均指45萬噸年產(chǎn)能）每月降低成本135.4萬元。

5.2 重新核算換極周期

開始使用620mm高度的陽極時(shí)，換極周期30天，出來的殘極比較厚，平均厚度達(dá)到17cm，而碳碗深度為13cm，若生產(chǎn)比較平穩(wěn)，殘極厚度控制在14cm最為經(jīng)濟(jì)，存在3cm左右的浪費(fèi)，根據(jù)實(shí)際情況，2015年7月份開始在一個(gè)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，換極周期從30天延長至31天，經(jīng)過2個(gè)周期觀察生產(chǎn)平穩(wěn)，原鋁質(zhì)量穩(wěn)定，之后推廣至整個(gè)系列，系列電流500.5kA，陽極毛耗從509kg/t.Al降至496kg/t.Al，一個(gè)系列在原基礎(chǔ)上每月再次降低成本220萬元。

5.3 提高陽極炭塊厚度至640mm并嚴(yán)格控制單重

2016年8月份為進(jìn)一步降低陽極毛耗，了解到國內(nèi)部分碳素廠能生產(chǎn)高度640mm的陽極炭塊，在對炭塊供應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研后，我們開始進(jìn)行640mm陽極的試使用，原620mm陽極炭塊在使用31天后的殘極仍有不到一天的浪費(fèi)，約浪費(fèi)1.4cm，加上新增加的2cm，完全夠再使用2天，因此同步將換極周期從31天延長至33天，同樣經(jīng)過2個(gè)換極周期的觀察，生產(chǎn)平穩(wěn)、原鋁質(zhì)量穩(wěn)定，推廣至整個(gè)系列，系列電流501kA，陽極毛耗從496kg/t.Al降至485kg/t.Al，一個(gè)系列在原基礎(chǔ)上每月再次降低成本186萬元。

生產(chǎn)過程中，我們通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)每月采購的640mm炭塊平均單重均大幅超過設(shè)計(jì)值1180kg，而經(jīng)過調(diào)查，部分炭塊尺寸在長寬上面出現(xiàn)正偏差，導(dǎo)致采購總重增加，但周期不能延長，碳耗偏高的問題，通過商務(wù)談判增加炭塊質(zhì)量要求條款，11月份開始640mm炭塊平均單重均保持在1189kg左右，同樣使用33天，系列電流501kA，陽極毛耗從485kg/t.Al降至480kg/t.Al，一個(gè)系列在原基礎(chǔ)上每月再次降低成本84.6萬元。

16年8月 16年9月 16年10月 16年11月 16年12月炭塊平均單重（kg） 1202 1200 1198 1189 1190

5.4 提高陽極炭塊厚度至660mm并嚴(yán)格控制炭塊耐壓強(qiáng)度[5]

同上，2017年4月份通過考察，正在合作的炭塊廠家能給我公司供應(yīng)高度660mm陽極，通過分階段試驗(yàn)，換極周期從33天延長至目前的35天，系列電流501kA，陽極毛耗從480kg/t.Al降至467kg/t.Al，一個(gè)系列在原基礎(chǔ)上每月再次降低成本244.4萬元。

但在使用高度660mm的陽極時(shí)，生產(chǎn)出現(xiàn)一個(gè)問題，炭塊在一個(gè)周期未結(jié)束的生產(chǎn)過程中頻繁出現(xiàn)掉塊、掉角、橫向縱向裂紋，造成碳耗升高和原鋁質(zhì)量下滑，我們通過理論分析，確定問題出在炭塊耐壓強(qiáng)度這項(xiàng)參數(shù)上，通過商務(wù)談判增加炭塊質(zhì)量要求條款，嚴(yán)格控制炭塊耐壓強(qiáng)度，在一個(gè)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)后效果非常好，不再出現(xiàn)以上現(xiàn)象，推廣至全系列均未再出現(xiàn)大面積質(zhì)量問題。

5.5 強(qiáng)化電流對陽極毛耗進(jìn)行微調(diào)

通過以上四步，陽極毛耗已降至全國先進(jìn)水平，殘極厚度已非常薄，通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，殘極厚度平均為14.5cm左右，為進(jìn)一步降低碳耗，我們考慮爐底沉淀較多，將系列電流逐步調(diào)整至502.5kA，最終穩(wěn)定住，直至現(xiàn)在，陽極毛耗略微再有一點(diǎn)下降，目前系列原鋁質(zhì)量中Fe含量維持在0.095%左右，保持較好。

6 結(jié)語

通過上文所述的五個(gè)步驟，我公司陽極毛耗從最開始的517kg/t.Al降至目前的467kg/t.Al，一個(gè)系列每月降低成本940萬元，每年降低成本11280萬元，效益巨大。若國內(nèi)炭塊生產(chǎn)廠家對焙燒爐進(jìn)行升級后能生產(chǎn)合格的高度700mm以上炭塊[6]，陽極毛耗能進(jìn)一步得到降低。

[1]朱丹青．電解鋁降低陽極碳耗的途徑與措施［J］．輕金屬，2008 （8） ：25-28．

[2]劉業(yè)翔，李劼，姚士煥，肖勁，賴延清等．現(xiàn)代鋁電解［M］．2007：591- 592．

[3]張景強(qiáng)．400kA鋁電解槽降低預(yù)焙陽極消耗的探討［J］．中國有色冶金，2015 ，44 （2） ：41-44．

[4]張虎．鋁電解槽陽極炭塊 ：中國，ZL 2013 2 0528875．X[P]．2014-07-23．

[5]劉業(yè)翔，李劼，姚士煥，肖勁，賴延清等．現(xiàn)代鋁電解［M］．2007：10-12．

[6]劉光勇，戚宗華，李慶新等．750mm超高陽極的研制與制備工藝過程中的難點(diǎn)淺析［J］．新疆有色金屬，2016，8（2）：92-95．