铝电解槽的“心脏”——炭阳极质量对铝电解生产的影响

◎ 边韩国｜文

本文从生产原料把关、煅烧带温度控制、成型配方优化控制、改善混捏效果、控制焙烧升温速度以及优化电解技术条件等环节提出了提高阳极质量的有效措施，对于降低电解铝生产成本具有重要意义。

随着铝工业的迅速发展，大型预焙槽的开发和应用越来越广泛，预焙阳极的需求量也日益增长，炭阳极作为电解槽的心脏，在电解生产过程中起着导电和参与电化学反应的双重作用，其质量和工作状况不仅影响电解生产的正常运行，而且对电流效率、电能消耗以及终端产品质量等均有很大的影响。

阳极质量对电解槽生产的影响

电解槽故障中有70%发生在阳极。电解槽经常出现的阳极故障（病状）有：阳极局部过热、电流分布不均、阳极掉块、阳极“长包”、阳极裂纹断层、预焙阳极块脱落、大量炭渣落入电解质使电解质含碳、阳极四周氧化燃烧、阳极倾斜等，上述故障除电解作业有一定影响外，阳极质量问题占到很大因素。阳极故障的发生，会破坏电解槽正常生产工艺及技术条件：电压摆动、电压升高、铝水滚动、电解质表面不结壳、电解槽局部不导电、不工作等，进而引起电解槽效率急剧下降、电耗水平及原材料单耗急剧上升、电解操作困难、铝品位下降等恶劣后果，严重的甚至导致停槽。

1.对电流效率的影响

阳极质量不高直接体现在阳极导电性能不佳，会使电解质温度升高；阳极工作过程中产生裂缝、掉块、脱极、炭渣增多等现象，会使槽内沉淀增多；炭渣过多聚集在阳极周围的电解质中，造成电流短路，由此产生的热量也直接进入电解质和铝液中，使电解槽炉膛温度迅速升高。

2.对阳极消耗的影响

在铝电解生产中，理论计算炭耗为333千克/吨铝。由于阳极质量不同和电解槽工作状况的差异，而实际中阳极的总消耗（炭耗）在390～580千克/吨铝之间，我国基本在430～580千克/吨铝之间，高出理论值22.5%～42.5%。

电解槽中阳极的性能一般通过阳极净消耗量来评价，炭阳极质量性能对阳极净消耗起着主要影响作用。国外研究人员经过连续二十年的统计分析，得出了阳极净耗公式：

NC=C+334/CE+1.2（BT-960）-1.7CRR+9.3AP+8TC-1.5ARR

式中：NC——阳极净耗，390～480千克/吨

C——电解槽性能参数，270～310

CE——电解槽电流效率，87～95%

BT——电解槽工作温度，935～980℃

CRR——二氧化碳反应剩余率，75%～92%

AP——空气渗透率，0.5～5.0nPm

TC——导热系数，3.0～6.0W/mK

ARR——空气反应剩余率，55%～93%

其中电解槽性能系数C与电解槽结构设计和操作水平有关。电解槽结构和操作不同，同样质量的阳极，阳极消耗有明显区别。

从阳极的几项重要使用性能指标——空气和二氧化碳反应性、渗透率和导热率可计算出使用优质阳极和普通阳极消耗量的差异，概括如表1。

表1 优质阳极、一般阳极、质量较差阳极的几项使用性能指标对比

按以上参数计算，铝电解槽使用优质阳极，阳极消耗量比用质量差的阳极少消耗81.5千克/吨铝，比使用一般阳极少消耗40.75千克/吨铝。

在工业电解槽上，优质阳极使用到后期时阳极内部很少氧化，质密而坚硬，外形平整完好；而质次的阳极在使用后期，由于二氧化碳和空气的反应，质量疏松酥脆，其导电与电化学反应性远不如初。

值得注意的是，质量不一致的阳极，不应混用在同一台电解槽上，如果在同一台电解槽上混用质量不一的阳极，优质阳极越到后期承载的电流越大，消耗越快，质次的阳极由于其电阻高，导电少，甚至消耗缓慢。

3.对电耗的影响

阳极电能消耗约占铝电解电能消耗的10%左右。一般情况下阳极质量的变化，引起阳极电阻的变化幅度约为20%～30%，如果阳极电阻由75μΩm降为50μΩm，生产吨铝可节电500千瓦时以上。同时，电解槽运行过程中由于阳极炭块裂缝、碎块脱落等生成大量炭渣，使电解质熔体电阻增大，其结果会直接导致电解质压降升高，也会增加铝电解生产中的电能消耗。

4.阳极质量对电解生产的影响

优质阳极使用时电解槽工作稳定，碳渣少，可通过阳极效应的自净作用或少许人工捞取，工人劳动强度低。质量差的阳极上槽后易产生裂纹、掉块和脱落，碳渣多，需要人工频繁去捞极、捞碳渣，处理阳极故障，造成槽子大量散热，破坏热平衡，造成氟盐消耗增加。

提高阳极质量的措施

1.降低原料中的杂质含量

炭阳极中杂质对二氧化碳的反应性能有较大影响，炭阳极中含有0.4%～0.5%（重量）的杂质，来源于原料（石油焦、沥青等）。为了提高阳极质量，从原料进行把控是必要的，尽管高质量的原料价格较高，但平衡电解生产的阳极损耗及因劣质阳极对电解生产经济技术指标的影响，在生产中还是应尽可能采用。

2.加强石油焦的煅烧控制

通过关注原料关键指标，实施石油焦分仓管理。不同的碳素制品对煅烧焦的真密度要求也不同，预焙阳极生产用煅烧焦真密度一般控制在2.03～2.05克每立方米范围。加强煅烧工艺制度管理，对煅烧带温度控制、投料量控制、二次风调节、窑尾负压控制等环节强化管理，提高煅后焦质量。

3.加强阳极成型工序控制

生阳极质量取决于糊料质量，影响糊料质量的因素很多，首先要有一个科学成熟的优化配方，配料时必须严格按确定的各种骨料及粉料数量规定进行操作；其次是较佳的工艺技术条件匹配；再次是根据各种料的纯度要求，严格控制收尘粉、生熟碎和残极的配入量，从而确定最佳的沥青用量。

通过生产实践，使用塑性好、有弹性、呈散沙状、流动性好、不结球团的糊料，成型后的阳极重量和高度也容易控制，外观光滑、平整，各种料分布均匀，体积密度高，强度也高。冷却过程是阳极成型的另一个重要环节，但这一过程与混捏的工艺要求就温度这一参数是存在矛盾的，利用强力冷却装置，可解决这一矛盾。同时，成型制块还要在保证糊料质量的基础上加强设备管理，避免出现阳极单块高度倾斜、块与块高度相差大的情况。

4.加强阳极焙烧工序控制

焙烧曲线、升温速度、最终温度和冷却降温速度影响产品的理化性能和外观质量，掌握调控三大要素（温度、负压、空气量）是生产合格焙烧阳极的先决条件。

装炉质量也影响焙烧阳极的外观质量，填充料铺不平、炉底料吸不干净、料中有硬块容易造成焙烧阳极变形、底部长包或者掉底，另外装炉后覆盖料厚度不够也易造成产品氧化，表面发黑。

焙烧温度与阳极的二氧化碳反应性、空气反应性、热导率等特性有关；焙烧加热速率与阳极的电阻率、抗弯强度有关，上述特性会直接决定阳极在电解过程中的“表现”。因此，优化焙烧工艺参数，加强护炉、装炉过程管理，才能取得较高的阳极炭块外观合格率。

5.优化电解生产技术条件

稳定的电解槽生产技术条件和较少的人为干预是减少阳极炭渣和杜绝阳极裂缝、脱落的有效途径。优化电解生产技术条件，采用低分子比和低槽温生产，严格换极过程控制，出铝效率均衡，做好电解槽密封管理，稳定电解槽的热平衡，会有利于减少阳极炭渣形成、裂缝产生、掉块脱落等现象。

电解质是电解过程的血液，在生产中要保持合理的电解质水平。电解质偏低，容易导致电解化学过程异常；电解质过高，会使电解质没过阳极表面，冲刷阳极钢爪，被迫产生高残极。为此，在生产中加强电解质管理，在确保生产顺利进行的前提下保持较低的电解质水平，可以延长阳极使用周期，降低炭耗指标。

结语

要想获得较高质量的炭阳极，需在降低原料杂质含量，加强过程控制，提高混捏效果、改善焙烧条件，强化操作质量、严格电解过程控制等方面做工作，文中作者结合多年的生产实践就上述方面做了相应阐述，以期与同行一起在降低消耗、节约能源方面做出积极贡献。