開槽陽極在240 kA鋁電解槽的應用實踐

王啟彪 陶 鏵 王旭升

(青海百河鋁業(yè)有限責任公司， 青海 西寧 810000)

0 前言

目前，工業(yè)鋁電解中應用最廣的是霍爾- 埃盧特熔鹽電解法[1]。電解反應主要發(fā)生在950～980 ℃的高溫鋁電解槽中，直流電通過熔融態(tài)電解質(zhì)時，與陽極炭塊發(fā)生電化學反應，陽極發(fā)生氧化反應，陰極發(fā)生還原反應，產(chǎn)生液態(tài)鋁[2]。隨著電解過程氧化還原反應的進行，二氧化碳等氣體從陽極底部逸出并集聚形成大面積毯式氣泡，影響陽極- 電解質(zhì)間的導電性，導致鋁電解槽電壓升高[3]；而且陽極底部氣泡的反復形成與釋放，還會影響電解質(zhì)- 鋁液界面波動，對周圍電解質(zhì)產(chǎn)生比較大的擾動作用。為解決上述問題，國內(nèi)外研究學者提出在陽極底部沿陽極長度方向開槽[4-6]，以便于氣泡更多地流向陽極開槽縫隙，加快陽極底部氣泡溢出，降低氣泡層壓降，減輕電解質(zhì)的擾動，促進氧化鋁的溶解和電解反應[7]。本文就開槽預焙陽極在某公司240 kA系列電解槽上的應用實踐進行了分析討論。

1 陽極極距

在電解槽上，浸在電解質(zhì)里的陽極表面為陽極工作面，而鋁液是陰極工作面。所謂陽極極距，是指陰陽兩極之間的距離，即陽極底掌與鋁液界面之間的距離。在實際生產(chǎn)中，通過在合理范圍內(nèi)減小陽極極距可達到節(jié)能降耗的目的。

1.1 電解槽陽極極距的構成

工業(yè)電解槽的陽極極距一般保持在4～5 cm。在陽極極距模型中(圖1)，陽極極距由三部分構成：下部鋁液波動層，其厚度一般為1.5～2.0 cm；中部電解質(zhì)隔離層，其厚度一般為0.5～1.0 cm；上部氣泡層，其厚度一般為2.0 cm。

1—鋁液； 2—鋁液波動層； 3—電解質(zhì)隔離層； 4—氣泡層； 5—電解質(zhì)； 6—陽極炭塊

1.2 降低陽極極距的有效途徑

降低鋁電解槽陽極極距就是要降低圖1中鋁液波動層、電解質(zhì)隔離層和氣泡層之間的距離。

1)鋁液波動層是保證電解槽平穩(wěn)生產(chǎn)的關鍵，其大小主要取決于設計時磁流體穩(wěn)定性及生產(chǎn)時鋁水平的高低。若母線設計配置合理，磁流體穩(wěn)定性好，則鋁水波動值較小。此外，生產(chǎn)中鋁水平越高，則槽內(nèi)鋁液越多，鋁水平受磁場擾動時流動越慢，鋁水平波動值就越小，若鋁水平提高，波動還會進一步降低。

2)電解質(zhì)隔離層的功能是防止鋁液的波峰與氣泡下沿接觸從而發(fā)生嚴重的二次反應，降低該厚度會加大鋁液二次反應的發(fā)生，導致電解槽電流效率降低。

3)氣泡層的距離值取決于陽極的寬度和液體電解質(zhì)的比重、黏度、電解質(zhì)對二氧化碳氣體的表面張力、陽極埋于液體電解質(zhì)中的深度。陽極寬度越小，氣泡層越?。魂枠O埋得越淺，氣泡層越??；液體電解質(zhì)比重越小，黏度越小，對二氧化碳氣體表面張力越大，氣體越容易排出，氣泡層越薄。對于目前普通大型預焙鋁電解槽，陽極寬度為660 mm時，國內(nèi)外有關學者計算出氣泡層的厚度值在2 cm左右[8]。因此，降低氣泡層的厚度可以有效降低電解槽陽極極距，提高陽極導電率[9]。

陽極底部的氣體主要集中在陽極底部中心區(qū)域，在陽極底掌開槽有利于氣體通過開槽縫隙排出到陽極中縫或排出電解槽，能降低氣泡聚集數(shù)量，進而有效減薄陽極底部氣泡層厚度及氣泡下滲距離，從而縮短極距。

2 開槽陽極的應用實踐

為了驗證開槽陽極的試驗效果，某公司從同一廠家采購了規(guī)格為1 500 mm×660 mm×650 mm的普通陽極和開槽陽極(槽深200 mm)，如圖2和圖3所示。在240 kA系列電解車間選取同槽型、槽齡相當?shù)娜龔S房二區(qū)、四廠房二區(qū)2個工區(qū)分別進行試驗，從2018年6月開始，四廠房二區(qū)使用開槽陽極，三廠房二區(qū)使用普通陽極。

圖2 普通陽極

圖3 開槽陽極

2.1 陽極開槽方法

陽極開槽是指在不改變原有陽極炭塊外形結構的基礎上，在陽極底面沿長度或?qū)挾确较蜷_兩道溝槽。目前，國內(nèi)開槽陽極的生產(chǎn)主要有兩種方法：一是在生塊陽極成型時開槽再焙燒；二是在焙燒后的熟塊陽極上通過專用的開槽設備開槽。

2.1.1 生塊陽極脫模成型法

該方法是在成型機底板安裝開槽板，對成型工藝作適當調(diào)整，改善糊料流動性進行脫模生產(chǎn)。其主要優(yōu)點有開槽無需額外設備、不增加生產(chǎn)人員、不產(chǎn)生灰塵和噪音；其缺點是陽極質(zhì)量降低、易損壞、炭渣易脫落等。

2.1.2 熟塊陽極鋸切開槽法

通過裝在心軸上的單片圓鋸或多片圓鋸，以及條鋸等設備在陽極底面通過機械加工的方法進行開槽。其主要優(yōu)點是開槽方法靈活、開槽尺寸可調(diào)、陽極質(zhì)量好、炭渣不易脫落，其主要缺點是生產(chǎn)成本較高、有噪音和粉塵。

2.2 開槽陽極應用實踐結果分析

結合某公司的生產(chǎn)實際以及陽極開槽方法的優(yōu)缺點，本文采用的開槽陽極方法為生塊陽極脫模成型法。下面分別從開槽陽極和普通陽極的導電率、電解槽工作電壓、電流效率、鋁液直流電耗、陽極效應系數(shù)、陽極炭耗等方面進行分析。

2.2.1 導電率對比分析

240 kA電解系列車間兩個工區(qū)普通陽極與開槽陽極48 h內(nèi)的陽極導電率(壓降)如圖4所示。由圖4可以看出，開槽陽極的壓降比普通陽極小11%～35%，能夠在較短時間達到工作電流。因為使用開槽陽極后有利于陽極氣泡排出，接觸電解質(zhì)面積比普通陽極接觸面大，所以導電率比普通陽極大，這有利于新陽極及時工作，提高電解槽電流效率。

圖4 開槽陽極與普通陽極導電率對比

2.2.2 電解槽電壓對比分析

240 kA電解系列車間兩個工區(qū)采用普通陽極和開槽陽極的電解槽電壓對比情況見表1。由表1可知，使用開槽陽極后，工作電壓從3.972 V降到3.954 V，降幅為18 mV，總體平均電壓下降25 mV，電解槽日節(jié)電量達144 kWh，效應分攤電壓下降7 mV，電解槽穩(wěn)定性有了較大提高。

表1 開槽陽極與普通陽極的電解槽電壓對比 單位：V

2.2.3 電流效率對比分析

240 kA電解系列兩個工區(qū)2018年6—9月期間的電流效率指標見表2。由表2可以看出，使用開槽陽極工區(qū)的電流效率明顯高于使用普通陽極的工區(qū)，使用開槽陽極的工區(qū)電流效率比使用普通陽極的工區(qū)電流效率高0.59%，達到了提高經(jīng)濟效益的目的。

表2 開槽陽極與普通陽極的電流效率對比 單位：%

2.2.4 鋁液直流電耗對比分析

240 kA電解系列兩個工區(qū)2018年6—9月期間的鋁液直流電耗見表3。由表3可以看出，使用開槽陽極工區(qū)平均鋁液直流電耗比使用普通陽極工區(qū)低97 kW·h/t-Al，達到了節(jié)能降耗的目的。

表3 開槽陽極和普通陽極的直流電耗對比 單位：kWh/t-Al

2.2.5 陽極效應系數(shù)對比分析

240 kA電解系列車間兩個工區(qū)普通陽極與開槽陽極8周的陽極效應系數(shù)曲線如圖5所示。由圖5可以看出，四廠房二區(qū)(使用開槽陽極)的陽極效應系數(shù)平均值從0.30逐漸下降，到最后3周穩(wěn)定在0.12，并且明顯低于三廠房二區(qū)(使用普通陽極)的效應系數(shù)。使用開槽陽極后既保證了電解槽的穩(wěn)定性，降低了平均電壓，提高了電流效率，也降低了氣體的瞬間排放量，達到節(jié)能降耗、環(huán)保的目的。

圖5 開槽陽極和普通陽極在電解過程中的陽極效應系數(shù)對比

2.2.6 噸鋁炭耗對比分析

240 kA系列電解槽使用高度為650 mm陽極炭塊，其壽命周期為37天，兩個工區(qū)的噸鋁炭耗見表4。由表4可知，普通平底陽極平均重量965kg，開槽陽極平均重量925kg，開槽后陽極炭塊重量減輕40kg；使用開槽陽極后電解車間噸鋁炭耗降低20.39kg，按炭單價2500元/t計算，噸鋁炭耗可節(jié)約成本約50元，同時降低了溫室氣體排放量，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

表4 開槽陽極和普通陽極的噸鋁炭耗對比

3 結束語

節(jié)約資源、降低能源消耗、減少污染物排放的電解技術已成為鋁電解企業(yè)的必然選擇。通過對240 kA系列電解槽上使用650 mm高開槽預焙陽極并對實際應用情況進行分析，結果表明使用開槽陽極可以有效提高電解槽電流效率、降低電解槽平均電壓、降低炭耗和鋁液直流電耗，達到了節(jié)能降耗、環(huán)保、提高經(jīng)濟效益的目的；但開槽陽極加工技術仍面臨著工藝裝備技術不成熟、自動化程度低、生產(chǎn)成本高等問題。本文為使用開槽陽極提高電解槽指標提供了實際依據(jù)，為鋁工業(yè)發(fā)展在節(jié)能降耗方面指明了方向，未來在開槽加工工藝和生產(chǎn)應用方面需要進一步研究實踐，以取得更大的突破。