浅谈阳极覆盖料对铝电解槽运行工况的影响

马朝禄 韩树强 张廷金 刘民章

(1.青海腾翔节能环保科技有限公司， 青海 西宁 810000；2.青海桥头铝电股份有限公司， 青海 西宁 810100)

0 前言

阳极覆盖是铝电解过程中保持铝电解槽能量平衡的重要措施之一。通常，阳极覆盖料又称之为极上保温料，在铝电解槽中，以一定的粒度搭配和厚度覆盖于阳极炭块的上方，具有以下几方面的作用：一是降低通过阳极的热损失，维持电解槽的热平衡；二是减小高温下碳阳极与空气的接触面积，防止阳极过度氧化，减少由于碳氧化所造成的电解质中炭渣的生成量，不但有利于降低电解质电阻，而且有利于降低碳阳极消耗，最终有利于延长换极周期；三是通过阳极覆盖料的结壳，可有效减少电解质中氟盐的挥发，有利于保持相对稳定的分子比和电解质温度。正是由于阳极覆盖料具有上述作用，才使得合适的阳极覆盖料粒度、组成和覆盖层厚度在保持铝电解槽运行工况的稳定性中发挥着重要的作用。关于阳极覆盖料，国内机构研究人员和企业工程技术人员进行了许多研究[1-3]，但大多集中在阳极覆盖料的厚度方面，而关于阳极覆盖料的粒度、厚度和组成对铝电解槽运行工况的研究报道很少。本文旨在探讨阳极覆盖料的粒度和组成对电解槽运行工况的影响，同时探讨在目前国内普遍实施低槽电压节能技术情况下对阳极覆盖料的要求。

1 铝电解槽的散热特点

王俊青等人[4]测量了国内20多家铝厂电解槽的热平衡，总结出我国大中型预焙铝电解槽散热损失有两个显著特点：一是我国大中型预焙铝电解槽热损失相当2.0 V左右；二是现阶段我国大中型铝电解槽上部(覆盖料)和下部(侧部和底部)的热损失分别占55%和45%。

电解槽的散热基本可分为两部分，即上部散热和下部散热。所谓上部散热，就是铝电解槽通过预焙阳极覆盖料、槽盖板和铝导杆散失的热量；而下部散热则是通过侧部炉帮和底部炉衬以及阴极钢棒外露部分所散失的热量。

2 阳极覆盖料对电解槽运行工况的影响

在新建电解铝厂中，阳极覆盖料通常为一定粒度的氧化铝。电解系列运行一段时间后，当出现电解质水平偏高、甚至出现阳极钢爪熔化现象时，必须从正在运行的电解槽中舀出一定量的液体电解质，使电解质水平保持在一定高度。然而，随着时间的延长，舀出的电解质越来越多，甚至形成物料的大量积压。因此，通过将固体电解质进行破碎并以一定的粒度和比例与氧化铝颗粒搭配作为阳极覆盖料就成为消化积压电解质的途径。目前，国内外铝冶炼厂均采用这种方式制备阳极覆盖料。

2.1 阳极覆盖料组成对电解槽运行工况的影响

对于正常运行的铝电解厂，其阳极覆盖料是由电解质与氧化铝按照一定比例混合而成。因此，阳极覆盖料的组成，即电解质与氧化铝的比例对于阳极覆盖料的导热性非常重要。不同的氧化铝与电解质配比具有不同的导热系数，阳极覆盖料中的氧化铝与电解质配比是调节阳极覆盖料保温效果的重要手段。纯氧化铝的导热系数低于氧化铝与电解质的混合物，即氧化铝的导热系数低于电解质。因此，对于高工作电压运行的铝电解槽，在阳极覆盖料中可适当降低电解质的比例；而对于低工作电压运行的铝电解槽来说，适当提高电解质的比例则有利于弥补低工作电压带来的电解槽能量收入不足的问题。当然，针对不同的电解槽槽型，氧化铝与电解质的具体比例还需要通过热力学计算和实际生产试验来确定。但是，对于铝电解槽的四个角部，由于其本身存在热量收入不足的问题，故在角部阳极覆盖料的氧化铝与电解质配比选择时，可通过适当增大电解质比例来提高阳极覆盖料的保温性能，补充该部位热收入不足的问题。

2.2 阳极覆盖料厚度对电解槽运行工况的影响

通常情况下，当粒度一定时，阳极覆盖料的厚度越大，电解槽的保温性能越好。换句话说，电解槽上部的热损失越小。对于散热型(即高槽电压运行)铝电解槽，阳极覆盖料的厚度比较小，因为只有这样，才能在保证电解槽正常运行所需槽温的情况下将电解过程中产生的多余热量散发出去。我国预焙阳极铝电解槽的阳极覆盖料最大厚度通常为16 cm，但是对于某一特定的槽型和槽龄，阳极覆盖料厚度各不相同。新建铝电解槽的保温性能比较好，阳极覆盖料厚度可以相对小一些；而对于槽龄较长的铝电解槽，由于其炉衬可能出现一定的破损，保温性能下降，要维持正常的电解槽运行，其阳极覆盖料厚度可能就要相对大一些。阳极保温料厚度主要取决于铝电解过程中电解槽的能量平衡。

在普遍采用低槽电压运行的今天，为了以较低的槽电压实现较高的电流效率，铝电解槽的保温已经成为维持电解槽正常运行的重要措施。为了保持电解槽的热平衡，要根据季节变化及时调整阳极保温料厚度，夏季的阳极覆盖料厚度比冬季小20 mm左右。另外，由于电解槽的四个角部相对于大面的热量收入少，故电解槽四个角部的阳极覆盖料厚度要相对大一些。此外，阳极覆盖料厚度的均匀性对阳极消耗也有一定影响，从电解槽上更换下来的残极外观形状可以看出，覆盖料添加均匀时，阳极消耗均匀；而覆盖料添加不均匀时，阳极消耗也不均匀[5]。这是因为不同的阳极覆盖料厚度对于阳极的保护程度不同，从而导致阳极与空气的反应程度不同，最终所产生的阳极空耗也不同。

2.3 阳极覆盖料粒度对电解槽运行工况的影响

粒度是阳极覆盖料的重要参数之一。不同粒度的阳极覆盖料具有不同的导热系数。根据Hasini Wijayaratne的研究[6]，阳极覆盖料混合物较高比例的粗粒度电解质可以提高有效导热性，而较高比例的细粒度物料(氧化铝或电解质粉料)会降低有效导热性。因此，控制覆盖料的粒度，尤其是粉料含量是非常关键的，因为粉料含量大有助于降低覆盖料的整体导热性。在铝冶炼厂，需要控制与覆盖料混合的氧化铝数量(这有助于粉料比例的控制)，尤其是在自磨机破碎电解质产生过多粉料的情况下。

因此，为了获得良好的保温效果，必须采用具有较细粒度的阳极覆盖料。因为粒度越细，阳极覆盖料的空隙率越小，填充密度越大，覆盖料的导热系数越小。对于高工作电压运行的铝电解槽，除了热收入相对不足的四个角部采用粒度相对较细的覆盖料外，大面应采用粒度相对较粗的阳极覆盖料；而对于以低工作电压运行的铝电解槽，由于其整体热收入较高电压运行铝电解槽少，则应采用导热系数低的阳极覆盖料，也就是说，阳极覆盖料的粒度应当相对较细。

3 结束语

能量平衡是铝电解槽正常运行过程中的一个重要问题。而阳极覆盖料则是解决铝电解槽运行过程中能量平衡的一个重要手段。阳极覆盖料的厚度、粒度以及氧化铝与电解质比例直接影响阳极覆盖料的保温性能。因此，通过调节阳极覆盖料的厚度、粒度及其组成(氧化铝与电解质配比)，来实现不同槽型电解槽对阳极覆盖料保温性能的需要，是一个十分现实的问题，尤其是以低工作电压运行的铝电解槽。