工業(yè)鋁電解槽陽極抗氧化涂層的應(yīng)用

譚占平，秦幸旺，戴連松，谷玉彥

（1.河南東大冶金技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450000；2.內(nèi)蒙古錦聯(lián)鋁材有限公司，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

炭陽極是鋁電解生產(chǎn)的主要原料之一，作為導(dǎo)體將直流電導(dǎo)入電解槽，并作為電解槽陽極材料參與陽極反應(yīng)。目前每生產(chǎn)一噸鋁要消耗420kg～500kg的炭陽極。炭素陽極消耗是電解鋁生產(chǎn)的主要成本之一，約占總成本的15%左右，是每一個電解鋁生產(chǎn)企業(yè)都要考核的重要指標(biāo)。2018年我國電解鋁實際運(yùn)行產(chǎn)能為3650萬噸左右，但是我國電解鋁陽極碳耗指標(biāo)與國際先進(jìn)水平相比較，卻存在較大的差距。據(jù)文獻(xiàn)報道海德魯HAL130槽，陽極凈耗為406kg/t-al，而我國的電解鋁陽極平均凈耗卻為440kg/t-al左右，不僅造成大量不可再生的優(yōu)質(zhì)碳資源的浪費(fèi)，還嚴(yán)重的制約了我國電解鋁工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 技術(shù)簡介

BY-4型納米陶瓷基高溫防氧化涂層材料為某公司高溫防氧化涂層材料第四代產(chǎn)品，利用氧化鋁陶瓷基涂層，常溫固化，420℃以上燒結(jié)致密，毛細(xì)孔收縮，在陽極炭塊表面形成致密的保護(hù)隔絕層，降低陽極四周的氧化掉渣，在系列電流不變的前提下，陽極電流密度會適當(dāng)降低，故每天消耗的陽極高度也會降低。陽極經(jīng)過一個周期（33天）的使用可以節(jié)約出超過一天的高度，從而延長陽極的使用周期。

2 試驗部分

2.1 試驗方法

某鋁廠5001#—5008#槽使用涂覆BY-4型納米陶瓷基高溫防氧化涂層材料陽極試驗槽，5009#-5016#號槽為對比槽。通過測量殘極長、寬、高和炭渣量并結(jié)合陽極實際使用周期驗證涂層材料的抗氧化效果。

2.2 納米陶瓷基防氧化涂層材料的用量

通過長達(dá)6個月對8臺槽試驗進(jìn)行試驗以來，涂料使用量248.6桶，噴涂陽極2397塊，平均用量9.6塊/桶。隨著噴涂人員對噴涂技術(shù)的熟練程度，截止目前平均噴涂用量在10.9塊/桶左右。（最佳用量11塊/桶）。

2.3 噴涂陽極試驗照片

圖1 涂層陽極現(xiàn)場擺放

圖2 涂層陽極入槽

3 試驗結(jié)果

3.1 殘極尺寸

3.1.1 試驗槽與對比槽殘極尺寸對比

表1 試驗槽與對比槽殘極尺寸

表2 涂料用量與殘極高度差

使用分析：

從各周期的殘極高度差數(shù)據(jù)看，第2周期13.1mm適中，第3周期、4周期偏低，第5周期最高，達(dá)19.3mm，第6周期試驗槽使用周期延長一天后比對比槽高0.7mm。分析：第2周期為過渡期，即該周期內(nèi)，試驗槽所換出的殘極在槽內(nèi)均處在“黑、白”混合的環(huán)境，效果受部分黑陽極的影響，不是最佳厚度，所以13.1mm的高度差屬正常值。自進(jìn)入第3周期，理論上因達(dá)到正常的抗氧化效果，殘極高度差應(yīng)更大，但由于涂料用量超標(biāo)，涂層偏厚，再加上環(huán)境溫度逐漸減低，導(dǎo)致涂層新極入槽時涂料未徹底干燥，新極入槽后鼓包現(xiàn)象普遍，涂層面對炭塊表面的保護(hù)被破壞，抗氧化效果不增反降，所以第3周期、4周期的高度差不理想。從第5周期開始噴涂作業(yè)得到改善，涂料用量平均為10.8塊/桶，由于涂層面薄且養(yǎng)護(hù)時間長，入槽時涂層得到較好的養(yǎng)護(hù)固化，沒有出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，所以第5周期高度差為19.3mm，刨除高度600mm以上殘極，高度差為17.7mm。第6周期開始，試驗槽換極周期延長一天至34天，對比槽為33天，且對比槽高度從最開始的533mm上升至538mm，試驗槽與對比槽殘極高度相差較小。

3.1.2 單槽平均高度統(tǒng)計

表3 單槽平均高度統(tǒng)計分析

從單槽殘極的平均高度可以看出，第5周期試驗槽單槽殘極高度的離散度小于對比槽單槽離散度；第6周期試驗槽單槽殘極高度和對比槽基本持平

3.1.3 去掉600及以上殘極進(jìn)行統(tǒng)計

將試驗槽與對比槽角部極殘極高度≧600殘極刨除之后統(tǒng)計殘極高度：

第5周期試驗槽平均高度555.28mm，對比槽平均高度535.95mm，試驗槽-對比槽=19.33mm；

第6周期試驗槽平均高度539.8mm，對比槽平均高度539.1mm，試驗槽-對比槽=0.7mm；

3.1.4 殘極高度＜520mm占比

試驗槽A5：測量總數(shù)據(jù)量350個，殘極高度小于520mm的有7塊，占比2.0%。

對比槽B5：測量總數(shù)據(jù)量351個，殘極高度小于520mm的有52塊，占比14.81%。

試驗槽A6：測量總數(shù)據(jù)量326個，殘極高度小于520mm的有30塊，占比9.2%。

對比槽B6：測量總數(shù)據(jù)量326個，殘極高度小于520mm的有29塊，占比8.9%。

（以上A、B分別表示試驗槽、對比槽，5、6分別表示第5周期、第6周期）。

試驗結(jié)果表明在延長一天換極周期后殘極高度與對比槽基本持平。

3.1.5 殘極高度去角部極（A1、A2、A23、A24）

將試驗槽與對比槽所有角部極刨除之后，統(tǒng)計殘極高度：

第5周期試驗槽平均高度554.33mm，對比槽平均高度535.51mm，試驗槽-對比槽=18.82mm。

第6周期試驗槽平均高度539.49mm，對比槽平均高度538.57mm，試驗槽-對比槽=0.92mm。

3.1.6 平均每天的消耗高度核算

對比槽平均高度536mm，剛好透底殘極高度490mm，碳碗深度110mm。

平均每天消耗高度：

[650-（536-490+110）]/33=15mm。

3.1.7 分別統(tǒng)計A、B面平均高度

表4 A、B面平均高度分析

3.2 炭渣數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計：

統(tǒng)計從12月18日至1月18日炭渣數(shù)據(jù)，試驗槽比對比槽少10.8公斤/天·槽；從12月26日起，試驗槽炭渣下降更明顯，12月26日至1月18日，試驗槽平均每天比對比槽少13.3公斤/槽，炭渣可減少22%～27%。1月20日至2月22日，試驗槽平均每天比對比槽少9.2公斤/槽，炭渣減少20%。

3.3 硅、鐵含量變化

圖3 硅鐵含量變化

使用噴涂陽極之前試驗槽硅含量較對比槽高30ppm（7月份），自8月12日起隨著涂層陽極的使用，試驗槽硅含量與對比槽的差值呈上升趨勢。至11月達(dá)最高120ppm。原因分析：主要是涂料用量過大所致（平均噴涂7塊/桶～8塊/桶）。從11月份起噴涂用量逐步降低，最終控制在每桶噴涂10.5塊～11.5塊，故11月至2月后整體硅含量呈下降趨勢。

目前試驗槽硅含量穩(wěn)定在0.04%，2月差值為70ppm。刨除試驗槽與對比槽固有差值（試驗前相差30ppm），正常噴涂下試驗槽硅含量較對比槽高40ppm。

4 項目推廣經(jīng)濟(jì)效益測算

表5 某鋁廠陽極防氧化項目效益評估表（按照80萬噸/年電解鋁）

5 結(jié)論與建議

（1）涂層陽極在一個完整的換極周期內(nèi)能較好的覆蓋于碳素陽極外側(cè)，從而緩解炭塊的氧化掉渣，使得殘極形狀方正規(guī)整。

（2）延長1天周期后的涂層陽極與未延長周期的正常殘極高度比較，涂層陽極延長1天周期后仍可增加殘極高度0.7mm。

（3）第六周期：涂層陽極每天可減少炭渣量約9.2公斤/槽，可減少炭渣20%。

（4）建議：噴涂用量為每桶噴涂10.5塊～11塊，且在目前低溫環(huán)境下，保證涂層極養(yǎng)護(hù)時間在3天以上，確保涂層充分干燥固化，入槽時不鼓包。