鋁電解槽生產(chǎn)中炭渣生成的原因及處理方法的探討

劉長(zhǎng)松，武士衛(wèi)

（1.貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.陜西美鑫產(chǎn)業(yè)投資有限公司，陜西 銅川 727100）

在鋁電解槽生產(chǎn)過程中，由于受諸多不可控因素的影像，生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)炭渣，由此對(duì)電解生產(chǎn)造成電解質(zhì)電阻增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使陽(yáng)極長(zhǎng)包，產(chǎn)生病槽。更嚴(yán)重的有可能使電解質(zhì)碳化，產(chǎn)生熱槽，而更換電解質(zhì)，而嚴(yán)重影響電解槽的正常生產(chǎn)及使電解槽產(chǎn)生早期破損。影響電解槽運(yùn)行主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1]。不利于電解鋁企業(yè)的節(jié)能降耗。因此，炭渣對(duì)電解槽生產(chǎn)有著直接的影響，為從根本上提高鋁電解槽生產(chǎn)運(yùn)行的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降低炭渣對(duì)電解槽生產(chǎn)運(yùn)行的負(fù)面影響，剖析炭渣生產(chǎn)原因并進(jìn)行有效處理是十分必要的。

1 鋁電解槽生產(chǎn)過程中炭渣的生成原因

在鋁電解槽生產(chǎn)運(yùn)行中產(chǎn)生碳渣的主要因素有：陽(yáng)極質(zhì)量、生產(chǎn)運(yùn)行管理、等方面，炭渣生成的因素分析如下。

1.1 炭素生產(chǎn)原材料質(zhì)量問題

據(jù)調(diào)查鋁電解槽生產(chǎn)過程中原材料質(zhì)量對(duì)鋁電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性和生產(chǎn)指標(biāo)的達(dá)成率具有重要影響，石油焦是炭素生產(chǎn)的主要原材料，其中V、Ni等雜質(zhì)對(duì)于空氣反應(yīng)性的影響是十分巨大的，在鋁電解槽生產(chǎn)過程中，由于各種雜質(zhì)的存在，再加之表面粘附物質(zhì)清理不干凈，導(dǎo)致陽(yáng)極生產(chǎn)配料時(shí)雜質(zhì)也帶入到陽(yáng)極中，由此在導(dǎo)致炭渣生成的同時(shí)，極大降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 陽(yáng)極質(zhì)量不穩(wěn)定

作為鋁電解槽生產(chǎn)的主要原材料之一，陽(yáng)極質(zhì)量不合格也是目前電解生產(chǎn)過程中，炭渣生成的主要原因[2]。目前來看在多樣化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，裝備水平、管理水平和工藝控制以及成本等因素的制約，陽(yáng)極質(zhì)量參差不齊現(xiàn)象較為嚴(yán)重化，對(duì)于某些質(zhì)量不合格的陽(yáng)極，在使用過程中就會(huì)產(chǎn)生炭渣。

1.3 精細(xì)化管理工作落實(shí)不到位

在鋁電解槽生產(chǎn)過程中，精細(xì)化管理工作是否落實(shí)到位，對(duì)炭渣生成量具有重要影響，換言之為規(guī)避炭渣的生產(chǎn)，確保精細(xì)化管理的有效落實(shí)是十分必要的。目前來看在鋁電解槽生產(chǎn)過程中，換極后保溫材料封閉不密實(shí)亦或是將其暴露在空氣中，都極易導(dǎo)致陽(yáng)極與空氣接觸生成炭渣。

1.4 電化學(xué)反應(yīng)的存在

在鋁電解槽過程中，導(dǎo)致炭渣生產(chǎn)的重要原因之一還有電化學(xué)反應(yīng)[3]。在鋁電解槽過程中，二次反應(yīng)的出現(xiàn)不僅不會(huì)提高生產(chǎn)物產(chǎn)量，還在消耗電能的同時(shí)，導(dǎo)致炭渣問題的產(chǎn)生，尤其是當(dāng)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，電解質(zhì)溶液中溶解的鋁和二氧化碳反應(yīng)生成一氧化碳，一氧化碳在與鋁反應(yīng)生成炭，對(duì)企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益而言都是十分不利的。

1.5 陰極炭素內(nèi)部的沖蝕剝落

目前來看在鋁電解槽生產(chǎn)過程中，陰極炭素內(nèi)部的沖蝕剝落和破碎，也是導(dǎo)致電解生產(chǎn)炭渣問題出現(xiàn)的重要原因之一，鋁電解槽啟動(dòng)后陰極炭素內(nèi)襯不久就會(huì)產(chǎn)生剝落，鈉滲入陰極炭塊是引起剝落的主要原因。鈉的滲入使炭塊內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致炭塊體積膨脹，并變得疏松、多孔，以致剝落形成炭渣。

2 鋁電解槽生產(chǎn)過程中炭渣對(duì)產(chǎn)業(yè)效益的影響剖析

圖1 炭含量與電導(dǎo)率關(guān)系

目前來看在鋁電解槽生產(chǎn)過程中，在一定的電流密度下陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體幾乎全是CO2，陽(yáng)離子在陽(yáng)極上的生產(chǎn)過程表達(dá)式為2O2-(配離子)+C-4e→CO2。根據(jù)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，鋁電生產(chǎn)過程中200kA預(yù)焙槽陽(yáng)極炭塊的消耗速度大約為1.44cm·d-1左右，使用周期一般為28d，陽(yáng)極炭塊被電解反應(yīng)逐漸消耗，與此同時(shí)電解過程中氧離子逐漸減少、氟離子相對(duì)增多，引起氟離子在陽(yáng)極放電，使炭的氟化物在分解時(shí)析出細(xì)微的炭粒漂浮在電解質(zhì)表面上。但通過上圖可知，在電解過程中，當(dāng)炭渣生成量相對(duì)較高時(shí)，電解質(zhì)的電導(dǎo)率也勢(shì)必受到一定影響，具體影響含量點(diǎn)可通過上圖獲取。就目前來看鋁電解槽生產(chǎn)過程中炭渣對(duì)產(chǎn)業(yè)效益的影響還表現(xiàn)在如下幾方面。

2.1 電能消耗量在持續(xù)增加

當(dāng)炭渣存在后，在電解過程中電解質(zhì)的壓降升高，運(yùn)行電壓相應(yīng)抬高，由此在不斷電能損耗的同時(shí)，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，阻礙企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 導(dǎo)致熱槽的生成

目前來看在電解過程中，當(dāng)炭渣量積累到一定量的時(shí)候，由于比電阻的增大，熱收入勢(shì)必也會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致電解質(zhì)過熱、槽溫升高，形成熱槽，打破鋁電解槽原有的熱平衡。與此同時(shí)熱槽形成之后，倘若對(duì)其進(jìn)行處理則需消耗大量的氟化鹽，破壞周遭的生態(tài)平衡[4]。

2.3 電流空耗較為嚴(yán)重

炭渣具有一定的導(dǎo)電性，當(dāng)炭渣存在于電解質(zhì)溶液中，炭素陽(yáng)極和側(cè)部或陰極的導(dǎo)電通道，導(dǎo)致原有電流直接通過炭渣進(jìn)入陰極或側(cè)部，未能參與到電解反應(yīng)中，從而導(dǎo)致電流空耗問題出現(xiàn)的同時(shí)，導(dǎo)致側(cè)部漏電和側(cè)部漏爐問題的出現(xiàn)，給企業(yè)發(fā)展造成十分不利的影響。

2.4 導(dǎo)致了人力資源的損耗

在生產(chǎn)過程中，人作為重要基礎(chǔ)資源，對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)效益具有直接影響，但由于炭渣的存在，當(dāng)其堆積到一定量時(shí)需要組織工人打撈，打撈過程不僅消耗了電解質(zhì)和熱量，破壞了電解槽穩(wěn)定性，與此同時(shí)還增加了工作人員額外工作量。

2.5 陽(yáng)極長(zhǎng)包

由于炭渣大量聚集，及時(shí)不能清理出去，極易誘發(fā)電解槽角部或邊部長(zhǎng)包或長(zhǎng)牙，導(dǎo)致鋁電解槽電壓擺動(dòng)或壓槽。此外由于陽(yáng)極中骨料和黏結(jié)焦的化學(xué)活性不一樣，導(dǎo)致了陽(yáng)極的選擇性氧化。

3 鋁電解槽生產(chǎn)過程中炭渣的處理對(duì)策

3.1 不斷調(diào)整和優(yōu)化電解質(zhì)成分

經(jīng)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，在當(dāng)前電解反應(yīng)生產(chǎn)過程中，電解質(zhì)成分以及原材料是影響炭渣問題產(chǎn)生的重要原因，為從根本上改善當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，規(guī)避炭渣問題的出現(xiàn)，不斷調(diào)整和優(yōu)化電解質(zhì)成分也是十分必要的[5]。電解質(zhì)中炭渣分離的良好程度與電解質(zhì)的黏度有關(guān)，電解質(zhì)黏度大炭渣越不易分離，在進(jìn)行電解質(zhì)成分調(diào)整過程中，除了要定期分析電解質(zhì)分子比，根據(jù)分析結(jié)果決定調(diào)整電解質(zhì)成分外，通過調(diào)整氟化鋁來調(diào)整電解質(zhì)分子比也是最為常用的調(diào)整方式。

3.2 對(duì)電解質(zhì)溫度進(jìn)行有效控制

在電解反應(yīng)生成過程中，電解質(zhì)溫度對(duì)于炭渣生成量的影響也是不容忽視的，為此要想從根本上降低炭渣量，對(duì)電解質(zhì)溫度進(jìn)行有效控制也是十分必要的。據(jù)調(diào)查電解質(zhì)溫度高會(huì)使電解質(zhì)中炭粒含量增多，電導(dǎo)率降低，而目前來看在生產(chǎn)過程中，對(duì)電解質(zhì)溫度產(chǎn)生影響的因素較多，如槽電壓、電解質(zhì)分子比、電解質(zhì)水平、鋁水平、陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)等，為此基層產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)和相關(guān)部門工作人員需合理調(diào)整并保持各項(xiàng)工藝技術(shù)條件，將溫度控制在合理范圍內(nèi)（930℃ ～940℃）。

3.3 加強(qiáng)對(duì)炭素原材料的把控

在進(jìn)行電解生產(chǎn)過程中，原材料質(zhì)量對(duì)于炭渣的生產(chǎn)量影響力也是不容忽視的，為此要想從根本上降低炭渣生成量，加強(qiáng)對(duì)炭素原材料的把控工作現(xiàn)已迫在眉睫，具體來講一方面在進(jìn)行陽(yáng)極選擇時(shí)，為規(guī)避因陽(yáng)極炭塊掉渣嚴(yán)重而增加電解質(zhì)中炭渣含量問題，在進(jìn)行挑選時(shí)，工作人員需盡量選擇高質(zhì)量陽(yáng)極（炭渣含量相應(yīng)降低、電阻率較小、導(dǎo)電性較高、電解質(zhì)比較清亮），而綜合來講要想提高陽(yáng)極質(zhì)量，工作人員還要從碳素原材料質(zhì)量、工藝控制等方面實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)控；另一方面對(duì)影響炭陽(yáng)極質(zhì)量，導(dǎo)致影響炭陽(yáng)極在電解中使用效果和鋁質(zhì)量的微量元素要嚴(yán)格控制，加強(qiáng)煅燒、成型、焙燒等工序工藝參數(shù)優(yōu)化和過程精細(xì)化管理，由此有效減少槽中碳渣量。

3.4 提高換極質(zhì)量，防止陽(yáng)極氧化

換極質(zhì)量是影響電解質(zhì)中炭渣含量的原因之一。換極質(zhì)量差，陽(yáng)極氧化嚴(yán)重，消耗加快，電解質(zhì)中的炭渣含量會(huì)增多，提高換極質(zhì)量，也可以減少電解質(zhì)中炭渣的含量。陽(yáng)極交換操作，在現(xiàn)階段鋁電解槽生產(chǎn)中是必不可少的環(huán)節(jié)，陽(yáng)極交換方式有單極交換和雙極交換。

陽(yáng)極的氧化消耗速度比正常生產(chǎn)消耗快，這與換極質(zhì)量有著緊密的聯(lián)系，隨著生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和科技的進(jìn)步，可以將陽(yáng)極自動(dòng)測(cè)高系統(tǒng)安裝在多功能天車上代替了人工劃線確認(rèn)高度的方式，提高了換極劃線的精確度。換極后保溫料的添加質(zhì)量是不能忽視的，必須嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行。

首先要添加電解質(zhì)碎塊，填充陽(yáng)極縫，以防陽(yáng)極氧化；其次要等到電解質(zhì)結(jié)殼后方可添加保溫料，以減少氧化鋁漏到槽內(nèi)形成沉淀。

3.5 將信息化技術(shù)應(yīng)用到項(xiàng)目管理軟件中

據(jù)調(diào)查在以往管理過程中，人工管理作為主要管理手段，不僅極大地浪費(fèi)了大量人力、物力、財(cái)力，此外因人為操作失誤而導(dǎo)致的管理問題比比皆是，但反觀將“項(xiàng)目管理軟件”（類似于Primavera Project Planner在內(nèi)的，能夠有效、高效管理工程項(xiàng)目整體建設(shè)進(jìn)度的軟件）實(shí)踐于廠房建設(shè)項(xiàng)目管理，將信息化技術(shù)與上述軟件進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，不僅能從根本上提高廠房建設(shè)項(xiàng)目管理質(zhì)量和管理效率，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)管理進(jìn)行合理化控制，可在實(shí)現(xiàn)資源合理配置的基礎(chǔ)上，進(jìn)而為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化的獲得以及企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的提升創(chuàng)造良好條件。

3.6 保持適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)水平

電解質(zhì)水平的高低是決定炭塊氧化掉渣的主要因素之一。電解質(zhì)水平過低，電解槽熱量損失快，不利于槽況穩(wěn)定，但電解質(zhì)水平過高，特別是超過殘極上表面，電解質(zhì)液流淌在炭塊的表面時(shí)，致使殘極上的保溫料溶化，形成空間，會(huì)加劇炭塊氧化，炭渣量激增。所以，要生產(chǎn)實(shí)際保持合理的電解質(zhì)水平。

4 結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)而言之，鋁電解槽生產(chǎn)過程中由于炭渣物質(zhì)的存在，不僅影響電解槽運(yùn)行主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時(shí)還不利于電解鋁企業(yè)的節(jié)能降耗，給企業(yè)可持續(xù)發(fā)展也造成了十分不利的影響。

為此在日常生產(chǎn)管理過程中，針對(duì)炭渣生產(chǎn)因素進(jìn)行系統(tǒng)化剖析，而后采取規(guī)范化處理對(duì)策，充分利用一切可利用的機(jī)會(huì)打澇電解質(zhì)中炭渣等措施是可以消除炭渣對(duì)電解生產(chǎn)帶來的影響的。