鋁電解槽角部陽極高度調(diào)整降低陽極毛耗實(shí)踐

鄭 多 韓順忠 晏 晶

(青海百河鋁業(yè)有限責(zé)任公司， 青海 西寧 810000)

0 前言

冰晶石- 氧化鋁熔鹽電解法是以炭素材料作為兩極電解生產(chǎn)原鋁的方法，炭素陽極是鋁電解生產(chǎn)的最基本原材料之一，有電解槽的“心臟”之稱，噸鋁陽極毛耗是衡量電解鋁生產(chǎn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1-2]。因此，在鋁電解生產(chǎn)過程中，降低噸鋁陽極毛耗成為降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。

在降低噸鋁炭耗方面，鋁電解行業(yè)內(nèi)的做法主要有提高電流效率、提高預(yù)焙炭素陽極理化指標(biāo)、加裝陽極保護(hù)環(huán)和增加陽極高度等[1-2]。完整的新陽極在電解槽內(nèi)工作至特定周期后更換出的部分俗稱“殘極”，降低殘極重量也是降低噸鋁炭耗的一個(gè)途徑[3-4]。某電解鋁企業(yè)330 kA系列電解槽炭陽極高度為610 mm，更換出的角部殘極A1、A2、A19、A20、B1、B2、B19和B20的高度相較中間區(qū)域陽極偏高，其消耗量小于中間區(qū)域，存在浪費(fèi)現(xiàn)象。本文通過調(diào)整330 kA系列電解槽角部陽極高度，降低角部殘極高度，實(shí)現(xiàn)炭陽極充分利用，最終達(dá)到降低噸鋁陽極毛耗和增加經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 鋁電解過程炭陽極消耗

在鋁電解過程中，陽極發(fā)生以下反應(yīng)[1]：

Al2O3+3/(1+N)C=2Al+3N/(1+N)CO2+
3(1-N)/(1+N)CO

(1)

式中，N為CO2%。

由式(1)可知，當(dāng)陽極反應(yīng)生成的氣體為100% CO2時(shí)，電流效率為100%，理論炭耗為333 kg/t-Al；當(dāng)陽極反應(yīng)生成的氣體為80% CO2和20% CO時(shí)，電流效率為90%，此時(shí)理論炭耗為 399 kg/t-Al。但實(shí)際生產(chǎn)中由于陽極氧化、掉渣等，實(shí)際噸鋁炭耗高于理論值。

在實(shí)際鋁電解過程中，生產(chǎn)1 t原鋁所消耗的炭素陽極的總重量稱為噸鋁陽極毛耗，除去殘極后每生產(chǎn)1 t原鋁所消耗的炭陽極量稱為陽極凈耗。在生產(chǎn)中，在一定時(shí)間段內(nèi)(鋁電解生產(chǎn)車間一般以月度和年度計(jì)算)所消耗的炭素陽極的總重量與原鋁的總產(chǎn)量之比為噸鋁陽極毛耗。

實(shí)際陽極炭耗主要是炭素陽極電化學(xué)過程(一次反應(yīng))引起的，一般為390～410 kg/t-Al，但是在生產(chǎn)實(shí)際中，還有以下幾方面的消耗：1)空氣的氧化作用，其化反應(yīng)式為C(陽極)+O2(g)→CO2(g)或2C(陽極)+O2(g)→2CO(g)；2)布多爾反應(yīng)，其化反應(yīng)式為CO2(g)+C(陽極)→2CO(g)；3)機(jī)械消耗；4)殘極的產(chǎn)生；5)其他消耗，無機(jī)物雜質(zhì)(如S、Fe、Na、V等)加速陽極與空氣和CO2的反應(yīng)。

理清了理論陽極炭耗、陽極毛耗、陽極凈耗、陽極消耗量的概念后，基于這些基礎(chǔ)，下面將探討通過降低330 kA電解槽角部殘極高度來實(shí)現(xiàn)降低噸鋁陽極毛耗的可行性。

2 角部殘極消耗狀況及原因分析

2.1 角部陽極消耗狀況

該電解鋁企業(yè)330 kA預(yù)焙陽極電解槽目前使用的炭素陽極高度為610 mm，實(shí)際電流強(qiáng)度約為328 kA。根據(jù)電流效率92.10%，陽極消耗速度約為14.3 mm/d，換極周期為35 d。2021年1—4月份99.70Al合格率達(dá)到了公司指標(biāo)要求(表1)。

表1 2021年1—4月份99.70Al合格率 %

根據(jù)電解槽陽極排布(圖1)，統(tǒng)計(jì)角部殘極A1、A2、A19、A20、B1、B2、B19、B20和中間區(qū)域殘極的高度，并進(jìn)行了對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見表2和表3。

圖1 330 kA預(yù)焙陽極電解槽陽極排布

表2 2021年1—4月角部殘極高度統(tǒng)計(jì) mm

表3 2021年1—4月中間區(qū)域殘極高度抽測(cè) mm

從表2和表3可以看出，2021年1—4月角部殘極高度平均為157 mm，中間區(qū)域殘極高度平均為136 mm，可見角部殘極高度比中間區(qū)域殘極高出約20 mm。根據(jù)計(jì)算的陽極消耗速度(約14.3 mm/d)，角部殘極比中間區(qū)域殘極至少多出1 d的消耗量。殘極重量是影響陽極毛耗的一項(xiàng)重要因素，在保證原鋁質(zhì)量前提下，降低殘極重量是降低噸鋁陽極毛耗的有效途徑。

2.2 角部殘極高度大原因分析

因受到磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電流密度、槽電壓、陽極位置、操作質(zhì)量、爐膛狀況等設(shè)計(jì)和技術(shù)參數(shù)因素的影響，電解槽中不同位置的殘極在形狀和高度上都存在差異。針對(duì)影響角部殘極高度的因素，主要從新裝陽極導(dǎo)電的滯后性和日常運(yùn)行中的調(diào)整等方面進(jìn)行分析。

首先，鋁電解槽中的炭素陽極使用至特定周期后要進(jìn)行更換，新裝入電解槽的冷陽極表面會(huì)迅速形成一層冷凝的電解質(zhì)。隨著陽極溫度的逐漸上升，1～2 h后電解質(zhì)開始熔化，陽極也開始導(dǎo)電，通過的電流逐漸增大。330 kA電解槽使用的陽極高度為610 mm，中間區(qū)域的陽極電流在24 h內(nèi)基本能夠達(dá)到額定值，而角部陽極電流卻達(dá)不到，需要32 h或更長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到。330 kA電解槽角部新陽極導(dǎo)電的滯后性使其電化學(xué)反應(yīng)消耗速度慢于中間陽極。

其次，正常生產(chǎn)中如果出現(xiàn)陽極偏流引起的針振、擺動(dòng)，對(duì)角部陽極調(diào)整的次數(shù)要多一些。當(dāng)針振或電壓擺處理完，電壓穩(wěn)定后，角部陽極沒有下放到原來的位置，造成角部陽極在周期內(nèi)分擔(dān)的電流減小，消耗減慢，相應(yīng)殘極高度也就增大。

最后，電解槽的兩個(gè)端頭的散熱損失較中間更大，而角部陽極處于兩個(gè)端頭，傳質(zhì)傳熱效果不如中間陽極，溫度略低，導(dǎo)電性相對(duì)較差，從而造成角部陽極消耗速度略慢，殘極高度對(duì)應(yīng)略高。

3 采取措施及實(shí)施效果

3.1 采取措施

對(duì)角部殘極高出中間殘極部分的有效利用有兩種思路。

第一種方法是在角部、中間區(qū)域使用同等高度的陽極，延長(zhǎng)角部陽極使用周期。這種方法可以有效消耗角部殘極高出中間區(qū)域殘極的部分，減少角部殘極高度，降低噸鋁炭耗，但是存在以下幾個(gè)問題：1)打亂正常的陽極周期，出現(xiàn)當(dāng)天多組陽極更換現(xiàn)象，對(duì)電解槽的平穩(wěn)運(yùn)行影響較大，長(zhǎng)期以往，陽極周期會(huì)更亂，不利于電解槽正常管理；2)增加工作量，還會(huì)出現(xiàn)忙中出錯(cuò)，忘記更換延長(zhǎng)使用天數(shù)的角部陽極，造成化爪而降低原鋁品位。因此，這種方法不是理想的選擇。

第二種方法是從源頭考慮，根據(jù)角部殘極和中間區(qū)域殘極的高度差，降低安裝在角部的陽極高度。這種方法既能避免延長(zhǎng)角部殘極使用天數(shù)帶來的弊端，又能降低角部殘極重量從而實(shí)現(xiàn)降低噸鋁陽極毛耗。根據(jù)公式h差=h角部殘極-h中間殘極計(jì)算，將330 kA電解槽角部A1、A2、A19、A20、B1、B2、B19和B20的陽極高度由610 mm降低至600 mm。

3.2 實(shí)施效果

自2021年5月開始，在330 kA電解槽的角部A1、A2、A19、A20、B1、B2、B19和B20安裝高度600 mm陽極。一段時(shí)間后，角部殘極和中間區(qū)域殘極的高度差明顯降低，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4。車間99.70Al合格率也達(dá)到了公司指標(biāo)要求(表5)。

表4 2021年5—6月角部殘極高度統(tǒng)計(jì) mm

表5 2021年5—8月99.70Al合格率 %

由表4和表5可以看出，角部極高度從610 mm調(diào)整到600 mm后，角部殘極的平均高度約為139 mm，比調(diào)整前的157 mm降低了18 mm，基本接近中間殘極的高度136 mm，并且原鋁質(zhì)量保持穩(wěn)定，說明角部極高度調(diào)整取得了良好效果，實(shí)現(xiàn)了角部殘極的有效利用。

角部陽極降低10 mm后，角部殘極高度減小，炭陽極利用率提高，噸鋁陽極毛耗降低。目前車間電流328.00 kA，運(yùn)行電解槽數(shù)282臺(tái)，電流效率92.10%，陽極周期35 d，陽極密度1.6 g/cm3。經(jīng)計(jì)算，噸鋁陽極毛耗降低約1.6 kg，按照目前5 000元/t的陽極市場(chǎng)價(jià)格計(jì)，陽極毛耗降低成本約8元/t。該電解鋁企業(yè)產(chǎn)能為25萬t/a，通過降低角部極高度實(shí)現(xiàn)降低陽極毛耗帶來的經(jīng)濟(jì)效益為200萬元/a。

4 結(jié)束語

炭陽極的成本在鋁電解成本中占有較高比例，降低陽極毛耗是降低噸鋁成本的一個(gè)有效途徑。本文根據(jù)某330 kA系列電解鋁企業(yè)角部殘極偏高的生產(chǎn)現(xiàn)狀，采取了降低角部陽極高度的措施，將角部陽極的高度從610 mm降至600 mm。陽極高度調(diào)整后，角部殘極高度從調(diào)整前的157 mm降至139 mm，基本接近中間殘極高度136 mm，實(shí)現(xiàn)了殘極高度均衡性。調(diào)整角部極高度后，折合噸鋁陽極毛耗降低約1.6 kg，降低了噸鋁生產(chǎn)成本，增加了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，試驗(yàn)取得了良好的效果。