鋁電解槽的“心臟”
——炭陽極質量對鋁電解生產的影響

◎ 邊韓國｜文

本文從生產原料把關、煅燒帶溫度控制、成型配方優化控制、改善混捏效果、控制焙燒升溫速度以及優化電解技術條件等環節提出了提高陽極質量的有效措施，對于降低電解鋁生產成本具有重要意義。

隨著鋁工業的迅速發展，大型預焙槽的開發和應用越來越廣泛，預焙陽極的需求量也日益增長，炭陽極作為電解槽的心臟，在電解生產過程中起著導電和參與電化學反應的雙重作用，其質量和工作狀況不僅影響電解生產的正常運行，而且對電流效率、電能消耗以及終端產品質量等均有很大的影響。

陽極質量對電解槽生產的影響

電解槽故障中有70%發生在陽極。電解槽經常出現的陽極故障（病狀）有：陽極局部過熱、電流分布不均、陽極掉塊、陽極“長包”、陽極裂紋斷層、預焙陽極塊脫落、大量炭渣落入電解質使電解質含碳、陽極四周氧化燃燒、陽極傾斜等，上述故障除電解作業有一定影響外，陽極質量問題占到很大因素。陽極故障的發生，會破壞電解槽正常生產工藝及技術條件：電壓擺動、電壓升高、鋁水滾動、電解質表面不結殼、電解槽局部不導電、不工作等，進而引起電解槽效率急劇下降、電耗水平及原材料單耗急劇上升、電解操作困難、鋁品位下降等惡劣后果，嚴重的甚至導致停槽。

1.對電流效率的影響

陽極質量不高直接體現在陽極導電性能不佳，會使電解質溫度升高；陽極工作過程中產生裂縫、掉塊、脫極、炭渣增多等現象，會使槽內沉淀增多；炭渣過多聚集在陽極周圍的電解質中，造成電流短路，由此產生的熱量也直接進入電解質和鋁液中，使電解槽爐膛溫度迅速升高。

2.對陽極消耗的影響

在鋁電解生產中，理論計算炭耗為333千克/噸鋁。由于陽極質量不同和電解槽工作狀況的差異，而實際中陽極的總消耗（炭耗）在390～580千克/噸鋁之間，我國基本在430～580千克/噸鋁之間，高出理論值22.5%～42.5%。

電解槽中陽極的性能一般通過陽極凈消耗量來評價，炭陽極質量性能對陽極凈消耗起著主要影響作用。國外研究人員經過連續二十年的統計分析，得出了陽極凈耗公式：

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

式中：NC——陽極凈耗，390～480千克/噸

C——電解槽性能參數，270～310

CE——電解槽電流效率，87～95%

BT——電解槽工作溫度，935～980℃

CRR——二氧化碳反應剩余率，75%～92%

AP——空氣滲透率，0.5～5.0nPm

TC——導熱系數，3.0～6.0W/mK

ARR——空氣反應剩余率，55%～93%

其中電解槽性能系數C與電解槽結構設計和操作水平有關。電解槽結構和操作不同，同樣質量的陽極，陽極消耗有明顯區別。

從陽極的幾項重要使用性能指標——空氣和二氧化碳反應性、滲透率和導熱率可計算出使用優質陽極和普通陽極消耗量的差異，概括如表1。

表1 優質陽極、一般陽極、質量較差陽極的幾項使用性能指標對比

按以上參數計算，鋁電解槽使用優質陽極，陽極消耗量比用質量差的陽極少消耗81.5千克/噸鋁，比使用一般陽極少消耗40.75千克/噸鋁。

在工業電解槽上，優質陽極使用到后期時陽極內部很少氧化，質密而堅硬，外形平整完好；而質次的陽極在使用后期，由于二氧化碳和空氣的反應，質量疏松酥脆，其導電與電化學反應性遠不如初。

值得注意的是，質量不一致的陽極，不應混用在同一臺電解槽上，如果在同一臺電解槽上混用質量不一的陽極，優質陽極越到后期承載的電流越大，消耗越快，質次的陽極由于其電阻高，導電少，甚至消耗緩慢。

3.對電耗的影響

陽極電能消耗約占鋁電解電能消耗的10%左右。一般情況下陽極質量的變化，引起陽極電阻的變化幅度約為20%～30%，如果陽極電阻由75μΩm降為50μΩm，生產噸鋁可節電500千瓦時以上。同時，電解槽運行過程中由于陽極炭塊裂縫、碎塊脫落等生成大量炭渣，使電解質熔體電阻增大，其結果會直接導致電解質壓降升高，也會增加鋁電解生產中的電能消耗。

4.陽極質量對電解生產的影響

優質陽極使用時電解槽工作穩定，碳渣少，可通過陽極效應的自凈作用或少許人工撈取，工人勞動強度低。質量差的陽極上槽后易產生裂紋、掉塊和脫落，碳渣多，需要人工頻繁去撈極、撈碳渣，處理陽極故障，造成槽子大量散熱，破壞熱平衡，造成氟鹽消耗增加。

提高陽極質量的措施

1.降低原料中的雜質含量

炭陽極中雜質對二氧化碳的反應性能有較大影響，炭陽極中含有0.4%～0.5%（重量）的雜質，來源于原料（石油焦、瀝青等）。為了提高陽極質量，從原料進行把控是必要的，盡管高質量的原料價格較高，但平衡電解生產的陽極損耗及因劣質陽極對電解生產經濟技術指標的影響，在生產中還是應盡可能采用。

2.加強石油焦的煅燒控制

通過關注原料關鍵指標，實施石油焦分倉管理。不同的碳素制品對煅燒焦的真密度要求也不同，預焙陽極生產用煅燒焦真密度一般控制在2.03～2.05克每立方米范圍。加強煅燒工藝制度管理，對煅燒帶溫度控制、投料量控制、二次風調節、窯尾負壓控制等環節強化管理，提高煅后焦質量。

3.加強陽極成型工序控制

生陽極質量取決于糊料質量，影響糊料質量的因素很多，首先要有一個科學成熟的優化配方，配料時必須嚴格按確定的各種骨料及粉料數量規定進行操作；其次是較佳的工藝技術條件匹配；再次是根據各種料的純度要求，嚴格控制收塵粉、生熟碎和殘極的配入量，從而確定最佳的瀝青用量。

通過生產實踐，使用塑性好、有彈性、呈散沙狀、流動性好、不結球團的糊料，成型后的陽極重量和高度也容易控制，外觀光滑、平整，各種料分布均勻，體積密度高，強度也高。冷卻過程是陽極成型的另一個重要環節，但這一過程與混捏的工藝要求就溫度這一參數是存在矛盾的，利用強力冷卻裝置，可解決這一矛盾。同時，成型制塊還要在保證糊料質量的基礎上加強設備管理，避免出現陽極單塊高度傾斜、塊與塊高度相差大的情況。

4.加強陽極焙燒工序控制

焙燒曲線、升溫速度、最終溫度和冷卻降溫速度影響產品的理化性能和外觀質量，掌握調控三大要素（溫度、負壓、空氣量）是生產合格焙燒陽極的先決條件。

裝爐質量也影響焙燒陽極的外觀質量，填充料鋪不平、爐底料吸不干凈、料中有硬塊容易造成焙燒陽極變形、底部長包或者掉底，另外裝爐后覆蓋料厚度不夠也易造成產品氧化，表面發黑。

焙燒溫度與陽極的二氧化碳反應性、空氣反應性、熱導率等特性有關；焙燒加熱速率與陽極的電阻率、抗彎強度有關，上述特性會直接決定陽極在電解過程中的“表現”。因此，優化焙燒工藝參數，加強護爐、裝爐過程管理，才能取得較高的陽極炭塊外觀合格率。

5.優化電解生產技術條件

穩定的電解槽生產技術條件和較少的人為干預是減少陽極炭渣和杜絕陽極裂縫、脫落的有效途徑。優化電解生產技術條件，采用低分子比和低槽溫生產，嚴格換極過程控制，出鋁效率均衡，做好電解槽密封管理，穩定電解槽的熱平衡，會有利于減少陽極炭渣形成、裂縫產生、掉塊脫落等現象。

電解質是電解過程的血液，在生產中要保持合理的電解質水平。電解質偏低，容易導致電解化學過程異常；電解質過高，會使電解質沒過陽極表面，沖刷陽極鋼爪，被迫產生高殘極。為此，在生產中加強電解質管理，在確保生產順利進行的前提下保持較低的電解質水平，可以延長陽極使用周期，降低炭耗指標。

結語

要想獲得較高質量的炭陽極，需在降低原料雜質含量，加強過程控制，提高混捏效果、改善焙燒條件，強化操作質量、嚴格電解過程控制等方面做工作，文中作者結合多年的生產實踐就上述方面做了相應闡述，以期與同行一起在降低消耗、節約能源方面做出積極貢獻。