淺談陽極覆蓋料對鋁電解槽運行工況的影響

馬朝祿 韓樹強 張廷金 劉民章

(1.青海騰翔節(jié)能環(huán)保科技有限公司， 青海 西寧 810000；2.青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

0 前言

陽極覆蓋是鋁電解過程中保持鋁電解槽能量平衡的重要措施之一。通常，陽極覆蓋料又稱之為極上保溫料，在鋁電解槽中，以一定的粒度搭配和厚度覆蓋于陽極炭塊的上方，具有以下幾方面的作用：一是降低通過陽極的熱損失，維持電解槽的熱平衡；二是減小高溫下碳陽極與空氣的接觸面積，防止陽極過度氧化，減少由于碳氧化所造成的電解質(zhì)中炭渣的生成量，不但有利于降低電解質(zhì)電阻，而且有利于降低碳陽極消耗，最終有利于延長換極周期；三是通過陽極覆蓋料的結(jié)殼，可有效減少電解質(zhì)中氟鹽的揮發(fā)，有利于保持相對穩(wěn)定的分子比和電解質(zhì)溫度。正是由于陽極覆蓋料具有上述作用，才使得合適的陽極覆蓋料粒度、組成和覆蓋層厚度在保持鋁電解槽運行工況的穩(wěn)定性中發(fā)揮著重要的作用。關(guān)于陽極覆蓋料，國內(nèi)機構(gòu)研究人員和企業(yè)工程技術(shù)人員進行了許多研究[1-3]，但大多集中在陽極覆蓋料的厚度方面，而關(guān)于陽極覆蓋料的粒度、厚度和組成對鋁電解槽運行工況的研究報道很少。本文旨在探討陽極覆蓋料的粒度和組成對電解槽運行工況的影響，同時探討在目前國內(nèi)普遍實施低槽電壓節(jié)能技術(shù)情況下對陽極覆蓋料的要求。

1 鋁電解槽的散熱特點

王俊青等人[4]測量了國內(nèi)20多家鋁廠電解槽的熱平衡，總結(jié)出我國大中型預(yù)焙鋁電解槽散熱損失有兩個顯著特點：一是我國大中型預(yù)焙鋁電解槽熱損失相當(dāng)2.0 V左右；二是現(xiàn)階段我國大中型鋁電解槽上部(覆蓋料)和下部(側(cè)部和底部)的熱損失分別占55%和45%。

電解槽的散熱基本可分為兩部分，即上部散熱和下部散熱。所謂上部散熱，就是鋁電解槽通過預(yù)焙陽極覆蓋料、槽蓋板和鋁導(dǎo)桿散失的熱量；而下部散熱則是通過側(cè)部爐幫和底部爐襯以及陰極鋼棒外露部分所散失的熱量。

2 陽極覆蓋料對電解槽運行工況的影響

在新建電解鋁廠中，陽極覆蓋料通常為一定粒度的氧化鋁。電解系列運行一段時間后，當(dāng)出現(xiàn)電解質(zhì)水平偏高、甚至出現(xiàn)陽極鋼爪熔化現(xiàn)象時，必須從正在運行的電解槽中舀出一定量的液體電解質(zhì)，使電解質(zhì)水平保持在一定高度。然而，隨著時間的延長，舀出的電解質(zhì)越來越多，甚至形成物料的大量積壓。因此，通過將固體電解質(zhì)進行破碎并以一定的粒度和比例與氧化鋁顆粒搭配作為陽極覆蓋料就成為消化積壓電解質(zhì)的途徑。目前，國內(nèi)外鋁冶煉廠均采用這種方式制備陽極覆蓋料。

2.1 陽極覆蓋料組成對電解槽運行工況的影響

對于正常運行的鋁電解廠，其陽極覆蓋料是由電解質(zhì)與氧化鋁按照一定比例混合而成。因此，陽極覆蓋料的組成，即電解質(zhì)與氧化鋁的比例對于陽極覆蓋料的導(dǎo)熱性非常重要。不同的氧化鋁與電解質(zhì)配比具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，陽極覆蓋料中的氧化鋁與電解質(zhì)配比是調(diào)節(jié)陽極覆蓋料保溫效果的重要手段。純氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)低于氧化鋁與電解質(zhì)的混合物，即氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)低于電解質(zhì)。因此，對于高工作電壓運行的鋁電解槽，在陽極覆蓋料中可適當(dāng)降低電解質(zhì)的比例；而對于低工作電壓運行的鋁電解槽來說，適當(dāng)提高電解質(zhì)的比例則有利于彌補低工作電壓帶來的電解槽能量收入不足的問題。當(dāng)然，針對不同的電解槽槽型，氧化鋁與電解質(zhì)的具體比例還需要通過熱力學(xué)計算和實際生產(chǎn)試驗來確定。但是，對于鋁電解槽的四個角部，由于其本身存在熱量收入不足的問題，故在角部陽極覆蓋料的氧化鋁與電解質(zhì)配比選擇時，可通過適當(dāng)增大電解質(zhì)比例來提高陽極覆蓋料的保溫性能，補充該部位熱收入不足的問題。

2.2 陽極覆蓋料厚度對電解槽運行工況的影響

通常情況下，當(dāng)粒度一定時，陽極覆蓋料的厚度越大，電解槽的保溫性能越好。換句話說，電解槽上部的熱損失越小。對于散熱型(即高槽電壓運行)鋁電解槽，陽極覆蓋料的厚度比較小，因為只有這樣，才能在保證電解槽正常運行所需槽溫的情況下將電解過程中產(chǎn)生的多余熱量散發(fā)出去。我國預(yù)焙陽極鋁電解槽的陽極覆蓋料最大厚度通常為16 cm，但是對于某一特定的槽型和槽齡，陽極覆蓋料厚度各不相同。新建鋁電解槽的保溫性能比較好，陽極覆蓋料厚度可以相對小一些；而對于槽齡較長的鋁電解槽，由于其爐襯可能出現(xiàn)一定的破損，保溫性能下降，要維持正常的電解槽運行，其陽極覆蓋料厚度可能就要相對大一些。陽極保溫料厚度主要取決于鋁電解過程中電解槽的能量平衡。

在普遍采用低槽電壓運行的今天，為了以較低的槽電壓實現(xiàn)較高的電流效率，鋁電解槽的保溫已經(jīng)成為維持電解槽正常運行的重要措施。為了保持電解槽的熱平衡，要根據(jù)季節(jié)變化及時調(diào)整陽極保溫料厚度，夏季的陽極覆蓋料厚度比冬季小20 mm左右。另外，由于電解槽的四個角部相對于大面的熱量收入少，故電解槽四個角部的陽極覆蓋料厚度要相對大一些。此外，陽極覆蓋料厚度的均勻性對陽極消耗也有一定影響，從電解槽上更換下來的殘極外觀形狀可以看出，覆蓋料添加均勻時，陽極消耗均勻；而覆蓋料添加不均勻時，陽極消耗也不均勻[5]。這是因為不同的陽極覆蓋料厚度對于陽極的保護程度不同，從而導(dǎo)致陽極與空氣的反應(yīng)程度不同，最終所產(chǎn)生的陽極空耗也不同。

2.3 陽極覆蓋料粒度對電解槽運行工況的影響

粒度是陽極覆蓋料的重要參數(shù)之一。不同粒度的陽極覆蓋料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)Hasini Wijayaratne的研究[6]，陽極覆蓋料混合物較高比例的粗粒度電解質(zhì)可以提高有效導(dǎo)熱性，而較高比例的細粒度物料(氧化鋁或電解質(zhì)粉料)會降低有效導(dǎo)熱性。因此，控制覆蓋料的粒度，尤其是粉料含量是非常關(guān)鍵的，因為粉料含量大有助于降低覆蓋料的整體導(dǎo)熱性。在鋁冶煉廠，需要控制與覆蓋料混合的氧化鋁數(shù)量(這有助于粉料比例的控制)，尤其是在自磨機破碎電解質(zhì)產(chǎn)生過多粉料的情況下。

因此，為了獲得良好的保溫效果，必須采用具有較細粒度的陽極覆蓋料。因為粒度越細，陽極覆蓋料的空隙率越小，填充密度越大，覆蓋料的導(dǎo)熱系數(shù)越小。對于高工作電壓運行的鋁電解槽，除了熱收入相對不足的四個角部采用粒度相對較細的覆蓋料外，大面應(yīng)采用粒度相對較粗的陽極覆蓋料；而對于以低工作電壓運行的鋁電解槽，由于其整體熱收入較高電壓運行鋁電解槽少，則應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)低的陽極覆蓋料，也就是說，陽極覆蓋料的粒度應(yīng)當(dāng)相對較細。

3 結(jié)束語

能量平衡是鋁電解槽正常運行過程中的一個重要問題。而陽極覆蓋料則是解決鋁電解槽運行過程中能量平衡的一個重要手段。陽極覆蓋料的厚度、粒度以及氧化鋁與電解質(zhì)比例直接影響陽極覆蓋料的保溫性能。因此，通過調(diào)節(jié)陽極覆蓋料的厚度、粒度及其組成(氧化鋁與電解質(zhì)配比)，來實現(xiàn)不同槽型電解槽對陽極覆蓋料保溫性能的需要，是一個十分現(xiàn)實的問題，尤其是以低工作電壓運行的鋁電解槽。