300 kA鋁電解槽鋁液Fe含量控制

杜慧龍，楊求思，劉 升

(四川啟明星鋁業(yè)有限責(zé)任公司，四川 眉山 620041)

1 引言

鋁在世界各國尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位越來越重要，在工業(yè)界被譽(yù)為萬能金屬。鋁的產(chǎn)量和用量僅次于鋼材，成為人類應(yīng)用的第二大金屬[1]。電解生產(chǎn)的較高純度的鋁液具有良好的物理化學(xué)性能，而鋁液中雜質(zhì)增多將影響鋁合金的理化性能，如影響合金的斷裂韌度，增加鑄錠的縮孔和縮松等缺陷，降低鋁合金耐蝕性能、導(dǎo)電性、白光反射率等[2-3]，因此在電解鋁生產(chǎn)過程中要求鋁液有很高純度。

在電解鋁生產(chǎn)過程中，鋼爪聯(lián)接鋁導(dǎo)桿和炭塊，同時(shí)要通過強(qiáng)大的電流。炭塊鋼爪所處的工作環(huán)境十分惡劣，長期處于酸性氟化物包圍及高溫的腐蝕氣氛中，工作環(huán)境溫度大概為400～600 ℃，很容易遭到腐蝕而縮短其使用壽命[1-2]。圖1為四川啟明星鋁業(yè)炭塊鋼爪在使用過程出現(xiàn)的腐蝕變細(xì)情況。鋼爪腐蝕后產(chǎn)生的Fe雜質(zhì)在殘極清理和覆蓋料破碎流程中只能少量被清除，大部分又重新進(jìn)入炭塊覆蓋料中，最終進(jìn)入電解鋁液，影響電解鋁液質(zhì)量。

在電解生產(chǎn)中，炭塊上槽使用一段時(shí)間后 ( 炭塊周期一般為30～32 天) ，須及時(shí)進(jìn)行更換。當(dāng)使用到接近更換期時(shí)，若生產(chǎn)中電解質(zhì)液面過高，液態(tài)高溫電解質(zhì)將淹沒炭塊上表面(俗稱電解質(zhì)“上炕”，見圖2)。殘極上面的電解質(zhì)覆蓋料被涮空，形成拱橋形，若炭塊上部鋼爪周圍未進(jìn)行保護(hù)，浸蝕性很強(qiáng)的電解質(zhì)還會(huì)不斷沖刷鋼爪，造成鋼爪被刷細(xì)，加劇鋼爪的腐蝕，甚至磷生鐵被涮掉一部分。鋼爪變細(xì)后會(huì)造成炭塊電流分布不均，電耗增加。另外，鋼爪和磷生鐵熔化到鋁液中，將使鋁液品位下降。

圖1 炭塊鋼爪腐蝕嚴(yán)重變細(xì)

圖2 電解質(zhì)“上炕”現(xiàn)象

本文重點(diǎn)對(duì)炭塊鋼爪腐蝕和電解質(zhì)“上炕”現(xiàn)象進(jìn)行討論分析，并制定相應(yīng)的控制措施，降低鋁液中Fe元素含量。

2 炭塊鋼爪保護(hù)環(huán)研究

電解鋁生產(chǎn)中，炭塊鋼爪保護(hù)環(huán)具有非常重要的作用，它能有效地保護(hù)鋼爪使其免受電解質(zhì)浸蝕和沖刷，延長鋼爪的使用壽命，這樣可減少炭塊組裝車間工作量，降低生產(chǎn)成本; 其次，減緩鋼爪變細(xì)速率，進(jìn)而降低因各爪頭電流分布不均而造成化爪概率，并降低了炭塊無功功耗，保障炭塊運(yùn)行狀態(tài)正常。此外，在殘極清理中，減少氧化鐵雜質(zhì)的產(chǎn)生，減少含F(xiàn)e雜質(zhì)進(jìn)入保溫料循環(huán)系統(tǒng)中，降低鋁液中Fe的含量，提高鋁液質(zhì)量。

炭塊鋼爪保護(hù)環(huán)除能夠保護(hù)鋼爪降低浸蝕外，還須遵循以下原則：不能污染保溫料、電解質(zhì)液、鋁液，經(jīng)濟(jì)可行。近年來，國內(nèi)電解鋁企業(yè)和研究單位對(duì)炭塊鋼爪保護(hù)的方法進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用實(shí)踐，詳情見表1[4]。

四川啟明星鋁業(yè)曾采用氧化鋁涂層技術(shù)結(jié)合炭環(huán)工藝對(duì)鋼爪進(jìn)行保護(hù)，見圖3。此方法雖對(duì)鋼爪保護(hù)性較好，但其缺點(diǎn)也較明顯，一是氧化鋁涂層技術(shù)工藝復(fù)雜，成本較高；二是炭環(huán)在殘極清理時(shí)，若清理不完全會(huì)對(duì)覆蓋料造成污染，降低覆蓋料保溫性能，破碎后的炭環(huán)進(jìn)入電解質(zhì)液中成為炭渣，影響電解槽電流效率，故此方法未進(jìn)行推廣使用。

表1 不同炭塊鋼爪保護(hù)法的介紹

圖3 氧化鋁涂層技術(shù)和炭環(huán)工藝

四川啟明星鋁業(yè)采用牛皮紙-氧化鋁環(huán)對(duì)炭塊鋼爪進(jìn)行保護(hù)，見圖4。此方法工序簡單，成本低廉，并且炭塊上槽后氧化鋁板結(jié)，牛皮紙燃燒揮發(fā)，在后續(xù)的殘極清理中不會(huì)對(duì)極上保溫料和電解鋁液造成污染，同時(shí)對(duì)炭塊鋼爪保護(hù)效果較好，見圖5。

圖4 牛皮紙—氧化鋁保護(hù)環(huán)

圖5 殘極清理后的炭塊鋼爪

通過氧化鋁—牛皮紙保護(hù)環(huán)運(yùn)行6個(gè)月后，殘極上覆蓋料中Fe含量逐月下降，見圖6。覆蓋料中的Fe含量下降，當(dāng)覆蓋料被電解質(zhì)液沖刷時(shí)，帶入鋁液中的Fe也就相應(yīng)減少，鋁液質(zhì)量提高。

圖6 2016年1-7月氧化鋁牛皮紙保護(hù)環(huán)使用半年覆蓋料中Fe含量變化

3 保溫料分級(jí)使用研究

電解槽在實(shí)際生產(chǎn)中，更換炭塊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種物料：一種是殘極覆蓋料，另一種是從電解槽中天車爪出的爪斗料。為確保炭塊保溫料的物料平衡，這兩種料最終都作為炭塊覆蓋料使用。經(jīng)化驗(yàn)分析，兩種料Fe含量比例不同，具體見表2。

表2 兩種物料Fe含量分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

電解槽正常生產(chǎn)會(huì)消耗部分電解質(zhì)液，電解質(zhì)液的補(bǔ)充，大部分來自于炭塊上的覆蓋料，炭塊快到換極周期時(shí)，電解質(zhì)液或多或少會(huì)對(duì)炭塊上的覆蓋料進(jìn)行沖刷，從而對(duì)電解質(zhì)液進(jìn)行補(bǔ)充，確保電解質(zhì)液的平衡。而電解質(zhì)“上炕”是電解質(zhì)液面高度偏高所致，要避免電解質(zhì)“上炕”現(xiàn)象，就必須控制電解質(zhì)液面高度。四川啟明星鋁業(yè)300 kA電解槽在槽炭塊為20組，炭塊使用周期為31天，也就是3天內(nèi)有2組炭塊需要更換。電解槽內(nèi)電解質(zhì)液面高度一般在16～20 cm內(nèi)波動(dòng)，生產(chǎn)槽中一直存在快到換極周期的低殘極，只要電解質(zhì)液高度偏高，就有可能出現(xiàn)電解質(zhì)“上炕”現(xiàn)象，殘極上高鐵物料就被沖刷進(jìn)入電解槽，影響鋁液質(zhì)量。

更換新炭塊時(shí)，若殘極覆蓋料破碎后直接覆蓋在新炭塊上面，當(dāng)炭塊消耗到換極周期時(shí)，電解質(zhì)液將會(huì)沖刷含F(xiàn)e量高的物料進(jìn)入電解質(zhì)液，造成原鋁Fe含量增加。若將Fe含量偏低的爪斗料，破碎成直徑10 cm左右的塊料首先覆蓋在新炭塊上面，然后依次覆蓋殘極覆蓋破碎料對(duì)電解槽進(jìn)行保溫。通過此措施，可有效減少電解質(zhì)中過多的Fe元素進(jìn)入電解鋁液。此方法運(yùn)行一個(gè)月后系列槽平均Fe含量從0.17%下降至0.15%。隨著炭塊鋼爪保護(hù)環(huán)牛皮紙-氧化鋁的配合實(shí)施，系列電解槽原鋁Fe含量下降趨勢更為明顯。

當(dāng)然，控制電解鋁液中Fe含量的途徑還有其他方面，包括采購氧化鋁、氟化鹽和石油焦中的Fe含量控制，陽極炭塊澆注產(chǎn)生的鐵渣清理，炭塊鋼爪氧化皮清理，覆蓋料破碎時(shí)的除鐵，以及電解槽破損槽維護(hù)等等?？刂坪肍e元素來源中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)才能提高鋁液品質(zhì)，滿足下游鋁加工企業(yè)對(duì)鋁液的質(zhì)量要求。

4 結(jié)語

(1)通過使用氧化鋁-牛皮紙保護(hù)環(huán)對(duì)陽極炭塊鋼爪進(jìn)行保護(hù)，可有效減緩鋼爪腐蝕，陽極覆蓋料中Fe含量持續(xù)降低。

(2)將更換陽極炭塊產(chǎn)生的兩種物料采用分級(jí)使用，可有效降低Fe元素進(jìn)入電解質(zhì)液的量，降低電解鋁液中Fe含量。