浅析铝电解生产中炭渣产生的根源及预防措施

涂新闯

（山西华圣铝业有限公司， 山西 永济 044500）

浅析铝电解生产中炭渣产生的根源及预防措施

涂新闯

（山西华圣铝业有限公司， 山西 永济 044500）

针对铝电解生产中产生的炭渣会对电解槽正常的运行和技术经济指标产生严重影响这一现象，通过对炭渣产生的原因及危害进行分析，并从炭素方面和电解方面提出控制、减少炭渣的措施。控制、减少炭渣可降低能耗，降低电解槽管理的难度和工人劳动强度，保障电解槽正常运行。

铝电解 炭渣 危害分析 炭素 工艺控制

炭渣作为铝电解生产的伴生物，随着电解生产的不断进行，炭渣也时刻不停地产生着。若使用炭块达不到质量标准或电解日常操作管理不到位，在电解生产过程中将产生大量的炭渣，这对铝电解过程产生一系列不利的影响。具体表现为电解质电压降升高、槽温上升、电解槽内铝的二次反应增加、电流效率下降、突发效应增加等，不仅造成电能消耗增加，而且对电解槽正常的运行和技术经济指标产生严重影响，同时增加电解槽管理的难度和工人劳动强度。在竞争日益激烈、产能严重过剩、提倡精准操作和精细管理的大环境下，每减少或者降低一个负面因素，就是对企业贡献一份竞争力，因此减少铝电解生产中的炭渣产生量成为铝电解企业生产管理中的重要组成部分[1]。

1 炭渣产生的根源

1.1 炭素因素

1.1.1 炭素生产所用原材料

炭素生产的主要原材料为石油焦（有的企业为直接外购煅后焦）和沥青等，石油焦（煅后焦）中的V、Ni等微量元素对空气反应性指标影响非常明显，严重降低阳极的抗氧化性，而其中Na元素对CO2反应性和空气反应性都有着较强的催化作用。生产阳极块所用原料是通过掺配不同品位的石油焦（煅后焦）和沥青等物料来实现混捏成型的，各杂质化合物随之进入阳极，部分通过高温焙烧挥发，剩余部分成为灰分留在阳极内部，并在电解生产过程中释放在阳极槽内，降低阳极的抗氧化性，诱发阳极掉渣。另一配方原料黏接剂沥青的软化点和结焦值对阳极生产中糊料塑性有着非常大的影响作用，糊料塑性直接决定着生阳极的质量水平。电解生产中退回炭素的残极，表面黏附的电解质若清理不干净，大量的Na、V、Ni在返流程时也会带入到阳极中，造成这些元素含量的增加进而影响阳极性能[2]。

1.1.2 阳极质量波动

预焙阳极质量不合格是炭渣产生的主要原因。煅烧车间的热煤、沥青温度，成型车间各物料纯度、配方计算、混捏时间、振动成型参数设置，焙烧车间焙烧工艺控制尤其是升温曲线设置等这些工艺参数对阳极质量都有着非常大的影响。

1.1.3 阳极表面黏结

焙烧炉内出炉后阳极表面黏结的填充料清理不干净，尤其是黏块黏结比较严重且清理难度大时随阳极进入电解槽后，随着电解反应的进行，这部分炭粒脱落进入电解质中成为炭渣。

1.2 电解因素

1.2.1 操作质量

换极作业质量十分重要，尤其在没有按技术操作规范标准进行操作时，阳极也很容易掉渣。换极作业中新阳极在上槽初期不能实现全电流工作，如果安装过低则浸润在电解质中受其冲刷形成掉渣；当实现全电流工作时，由于极距均值较小，造成电流过大，导致强热应力，破坏阳极强度形成爆块和掉渣。其他如氧化铝保温料覆盖不当造成阳极外露氧化掉渣等[3]。

1.2.2 阴极组内部的冲蚀剥落

在铝电解过程中，阴极炭素内部的冲蚀剥落和破碎是铝电解溶液产生炭渣的又一来源。在电解过程中，电解槽内的黏结体是不断流动的。铝液携带着稀的氧化铝-电解质沉淀物不断地磨擦冲刷着阴极内衬表面，使阴极内衬表面碳粒被剥落下来进入电解质中成为炭渣。另一方面，由于钠的渗透，即碱金属离子对阴极碳块的渗透，这一反应随着阴极碳块石墨化程度地降低而加剧，造成碳块体积膨胀并变得疏松多孔，也促进了碳粒的剥落。因此提高阴极碳块质量也是减少炭渣产生的一个方面。文献和有关的实际应用表明，半石墨化的碳块在这一方面有较大的优势[4]。

1.2.3 二次反应所生成的游离固态炭

二次反应所生成的游离固态炭即溶解在电解质中的铝将阳极气体中的CO2和CO还原，在电解质溶液中形成细微的游离性炭渣。一种是电解质溶液中溶解的铝与CO2反应生成CO，CO又与Al反应生成C，另一种是电解质中的铝直接将CO2还原成C。

2 炭渣的危害

2.1 增加电能消耗

电解质中的炭渣导致电解质的电阻增大，从而导致电解质电压降升高，增加电能消耗。随着电解质中炭渣含量的增加，电解质的导电率则呈反比下降趋势，炭渣颗粒越细，对降低电解质的导电率副作用越大。

2.2 形成热槽

若电解质中的炭渣积累到一定浓度时，由于其电阻的增大，必定造成电解质电压降升高，从而使电解槽两极间电能收入额外增加，结果引起电解质溶液温度过热，槽温上升，形成热槽，这样对电解生产是极为不利的，不但会造成电能的无谓消耗，同时也会使电解槽的阴极受到损坏，影响槽子寿命，而且在处理热槽时，还会消耗较多的氟化盐。

2.3 造成电流损失

当铝电解质溶液表面漂浮有大量炭渣时，炭渣将阳极和阴极组成电流通路，部分电流会直接通过炭渣进入阴极或侧部，而不能参与电解反应，严重时还会形成侧部漏电。

2.4 增加工人劳动强度

电解质中炭渣含量过大时，必须组织人工打捞，尤其是在夏天，人力损耗尤其严重，对防暑降温工作也是一个严峻考验，而且打捞炭渣不仅带走大量的电解质和热量，影响电解槽稳定，而且还会增大氟化盐消耗量。

2.5 诱发阳极效应

大量炭渣漂浮在电解质表面，导致氧化铝不能及时溶解到电解质中，从而诱发阳极效应。

3 减少炭渣的措施

3.1 炭素方面

3.1.1 做好原材料供应管理

对石油焦（煅后焦）这一炭素生产的主要原材料的采购要严格把关，加强微量元素分析检验，V、Na、S、Ca、Fe等均要严格控制，做好不同厂家煅后焦上料的掺配优化；沥青要从软化点和结焦量两方面进行控制，从实际经验来看，沥青的结焦量不能低于54%；电解返回的残极返流程时必须进行严格的电解质人工清理，清理下残极粉末必须退出流程，从而减少Na、V、Ni在预焙阳极中的带入量[5]。

3.1.2 加强工艺过程控制，严格各工序质量检验

煅烧加强热煤温度控制，减少温度波动；保证沥青质量，煤沥青的熔化不是单纯的排出水分和由固体转变成液体，而是一个热聚浓缩反应过程。如果煤沥青的质量和熔化质量达不到要求，混捏的糊料可塑性差，炭阳极生坯质量差，焙烧时所形成的沥青焦抗氧化性能差，在电解槽中电化反应时，抗氧化性能差的沥青焦率先被氧化，不能与炭块整体被同步氧化消耗，导致煅后石油焦粒脱落，形成炭渣；成型车间作为生阳极生产的主要环节，对预焙阳极的质量影响有着决定性的作用，必须进行精准管理、精细操作，配方合理是前提，配料精确、混捏均匀、温度达标是保证，在此工序中的两个重要理化指标耐压强度、真密度需重点关注；焙烧车间是炭素生产中的又一重要环节，升温曲线、升温速率、阳极终温及与此相关的电阻率是此工序的重点控制环节，而出炉预焙块填充料干净清理则是减少炭渣量的有益补充。

3.2 电解方面

3.2.1 提高作业质量

要求电解工在换极作业时严格遵守生产技术操作规程精准操作、精细管理，保证换极作业质量。

3.2.2 采用高品质的阴极炭块

与阳极炭素材料一样，阴极炭块的质量好坏对炭块的剥落程度存在着影响。在砌筑电解槽阴极时采用高质量的阴极侧部炭块和阴极底块，能有效地承受和抵抗铝电解质溶液和铝水的侵蚀和冲刷，从而减少炭块的剥落。

3.2.3 采用低温铝电解生产工艺

由于铝的二次反应也是产生炭渣的一个原因，所以在电解生产过程中就要减少二次反应的发生。积极应用并优化低电压、低氧化铝浓度、低分子比、低温度、高极距等新工艺，从而保证电解生产在较低的温度下进行，可提高电流效率，减少铝的二次反应损失，从而减少炭渣的产生。

3.2.4 保持适当厚度的保温料

保温料过薄易使空气与阳极表面接触，在电解槽内处于高温状态下的阳极炭块与空气接触，使表面氧化掉渣速度较快，所以保温料必须覆盖密实，避免与空气接触。

3.2.5 保持适当的电解质水平

电解质水平的高低是决定炭块氧化掉渣的主要因素之一。电解质水平过低，电解槽热量损失快，不利于槽况稳定，但电解质水平过高，特别是超过残极上表面，电解质液流淌在炭块的表面时，致使残极上的保温料熔化，炭块裸露，从而会加剧炭块氧化，炭渣量激增，所以要保持合理的电解质水平。

4 结语

铝电解生产过程中只有选用优质的炭素原材料、严格控制工艺过程、做到精细化操作管理才能最大限度地减少炭渣的产生，进而才能保证电解槽的稳定运行，取得良好的经济技术指标，从而增强企业的竞争力。

[1] 饶红，刘瑞.微量元素含量对碳阳极质量影响[J].世界有色金属，2004（9）：47-49.

[2] 李黎.浅析影响炭阳极质量的因素[J].铝镁通讯，2004（2）：28-29.

[3] 刘建军.提高预焙阳极质量的生产实践[J].中国有色冶金，2004（18）：41-43.

[4] 王平甫，刘凤琴，童春秋，等.铝电解槽炭阳极氧化掉渣裂纹掉块的危害和影响因素[J].轻金属，2002（3）：42-45.

[5] 刘建新.预焙阳极质量对铝电解生产的影响[J].南方金属，2004（4）：32-33.

（编辑：王瑾）

Analysis of the Causes of Carbon Residue in Aluminum Electrolysis Production and Preventive Measures

Tu Xinchuang
（Shanxi Huasheng Aluminum Industry Co.,Ltd.,Yongji Shanxi 044500）

Aiming at the the serious impact of carbon residue produced in aluminum electrolysis production on the normal operation of electrolyzer and the technical and economic indicators,through the analysis of causes and harms of carbon residue,and from the aspects of charcoal element and electrolysis,this paper puts forward the measures for controlling and reducing the carbon residue.The control and reduction ofcarbon residue can reduce energy consumption,reduce the operation difficulty of electrolyzer and the labor intensity of the workers,ensuring the normal operation of the electrolyzer.

aluminum electrolysis,carbon residue,hazard analysis,charcoal element,process control

TF804.4；TF821

A

1672-1152（2017）04-0126-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.46

2017-07-06

涂新闯（1978—），男，大专，毕业于重庆市西南工业管理学校，助理工程师，主要从事炭素工艺与铝电解技术的工作。