500kA 電解鋁系列成功降低陽極碳耗實踐

張 虎，姜玉敬

（新疆嘉潤資源控股有限公司，新疆 瑪納斯 832200）

炭陽極是鋁電解生產的主要原料之一。炭陽極各項質量指標直接影響到電解槽的正常生產和原鋁的產量、質量、碳耗、和電耗等各項經濟指標。電解槽陽極幾何形狀、尺寸以及電解生產中的陽極管理、陽極電流密度、電解生產技術操作條件、電流效率等諸多因素皆與陽極消耗有關。炭陽極的過量消耗，不僅會增加鋁的生產成本，嚴重的會影響電解槽正常工作參數，甚至造成病槽。優質的陽極可使電解過程穩定，取得較好的技術經濟指標。降低炭陽極的消耗，可延長陽極的使用天數，有助于提高電解槽集氣效率，對提高勞動生產率以及改善環境起到了積極作用[1]。

大型鋁電解預焙陽極電解槽陽極碳耗問題一直是鋁電解生產管理重點，隨著2017年環保督查趨嚴，炭塊市場價格已接近5000元/t，已占鋁錠生產成本的19%左右，因此，對陽極消耗進行技術挖潛增效極為重要，尤其是對于沒有配套碳素的電解鋁企業。

針對本公司系列電流、設定電壓運行實際情況，從陽極尺寸、工藝技術條件、換極周期、操作標準等方面逐項優化匹配，最終達到大幅降低陽極毛耗的目的。

1 陽極消耗的機理[2]

1.1 陽極反應過程

炭陽極電解中化學方程式如下：

反應式（1）為假定電流效率為100%時，生產1mol的鋁能生成3/4mol的CO2，這相當于生產1噸鋁在陽極氣體中100%為CO2氣，其排放量為1.22噸，同時消耗333kg的炭陽極。當只有反應（2）進行時，陽極理論炭耗量為667kg/噸-Al。當陽極生成的氣體有30%為CO時（一般生產情況如此），陽極理論炭耗量為393kg/噸-Al。按我公司電流效率90.5%計算，理想炭凈耗=333/90.5%=368kg，因電解質液面以上才被空氣中氧氣所氧化，因此氧化部分不計入凈耗。

1.2 關于陽極消耗的其它幾個概念

實際消耗。在鋁電解生產過程中，炭素陽極除了要維持上述反應而消耗以外，還有許多額外的影響因素導致陽極的消耗，這些因素引起的炭耗總和稱為實際消耗。一般為420～500kg/噸-Al。

毛耗和凈耗。生產1噸原鋁所消耗的陽極炭塊的總量（包括殘極）稱陽極毛耗。除去殘極后每生產1噸原鋁所消耗的陽極炭塊量稱為陽極凈耗，凈耗也就是煉鋁的實際消耗。

2 國內500kA同槽型電解鋁廠陽極消耗

國內大槽型鋁廠陽極毛耗統計情況

近兩年大槽型鋁廠均在致力于降低陽極毛耗，皆取得較為不錯的成果，但仍有潛力可挖。

3 陽極毛耗高的原因

3.1 陽極質量

陽極質量不穩定，電阻率居高不下，長期接近65μΩm，高質量陽極的電阻率會更低，達到50μΩm。陽極炭塊質量指標陽極電壓降為0.4v，國際陽極電壓降先進指標為0.3v，某廠現場跟蹤陽極壓降有時高達0.48v。與國標對比，質量不穩定而且超標。與國外指標有巨大差距，尤其顯現在微量元素雜質的控制[3]。因石油焦及瀝青質量參差不齊，陽極各組分構成不合理時，將造成陽極極易掉渣，也是造成陽極毛耗偏高的原因。

3.2 陽極尺寸設計不精細

從換極質量和運行情況來看，中縫陽極炭塊棱角處防氧化措施不到位，炭塊棱角處氧化嚴重，尤其是打擊頭處的四組陽極，因此，與其讓棱角處陽極炭塊氧化增加碳耗，不如在設計上考慮在棱角處進行優化來達到提高陽極電流密度的目的?？紤]到既能降低碳耗、適當提高陽極電流密度，又能保證中縫處間距太大不好封極，陽極炭塊四周的棱角存在增大倒角的可能。

3.3 陽極換極周期設置不合理

設置陽極周期時，需綜合考慮原鋁質量、陽極毛耗之間的變化關系，部分配套有碳素廠的企業因殘極可用于生產生炭塊，添加比例不高于20%，換極周期設置比較短，偏向于原鋁質量的提升，造成陽極毛耗偏高，但綜合效益不受影響。陽極毛耗指標對于未配套碳素的企業來說就尤為重要，殘極只能作為副產品外賣，大幅貶值。而國內很多電解鋁企業換極周期的設置均參考部分擁有碳素廠的國企數據。

3.4 陽極炭塊高度

在換出的殘極厚度相當的前提下，炭塊高度越高殘極率越低，這是顯而易見的。炭塊高度增加將造成壓降增加，但在當前國內人工成本日漸上升的背景下，換極周期越短，電解車間換極工作量越大，工藝車隊運輸量和組裝車間各工序工作量均越大，因此需要綜合計算炭塊高度增加進而壓降增加新增成本和工作量減少降低成本的關系。

4 降低陽極毛耗的可能性

本公司電解槽為500kA大型預焙陽極電解槽，于2012年投產，投產初期按設計炭塊尺寸進行采購，使用1750×740×620非開槽炭塊，換極周期30天，陽極毛耗達到517kg/t.Al，陽極毛耗偏高，存在極大的挖潛增效潛力。

5 降低陽極毛耗的措施

5.1 優化陽極尺寸

2014年8月在設計院提供的炭塊尺寸基礎上，在不影響應力分布的前提下對陽極炭塊邊角進行圓滑處理[4]，在其它技術條件不改變的情況下，系列電流500kA，陽極毛耗從517kg/t.Al降低至509kg/t.Al，一個年產45萬噸系列（下文涉及到的系列均指45萬噸年產能）每月降低成本135.4萬元。

5.2 重新核算換極周期

開始使用620mm高度的陽極時，換極周期30天，出來的殘極比較厚，平均厚度達到17cm，而碳碗深度為13cm，若生產比較平穩，殘極厚度控制在14cm最為經濟，存在3cm左右的浪費，根據實際情況，2015年7月份開始在一個區進行試驗，換極周期從30天延長至31天，經過2個周期觀察生產平穩，原鋁質量穩定，之后推廣至整個系列，系列電流500.5kA，陽極毛耗從509kg/t.Al降至496kg/t.Al，一個系列在原基礎上每月再次降低成本220萬元。

5.3 提高陽極炭塊厚度至640mm并嚴格控制單重

2016年8月份為進一步降低陽極毛耗，了解到國內部分碳素廠能生產高度640mm的陽極炭塊，在對炭塊供應進行詳細調研后，我們開始進行640mm陽極的試使用，原620mm陽極炭塊在使用31天后的殘極仍有不到一天的浪費，約浪費1.4cm，加上新增加的2cm，完全夠再使用2天，因此同步將換極周期從31天延長至33天，同樣經過2個換極周期的觀察，生產平穩、原鋁質量穩定，推廣至整個系列，系列電流501kA，陽極毛耗從496kg/t.Al降至485kg/t.Al，一個系列在原基礎上每月再次降低成本186萬元。

生產過程中，我們通過大量數據統計，發現每月采購的640mm炭塊平均單重均大幅超過設計值1180kg，而經過調查，部分炭塊尺寸在長寬上面出現正偏差，導致采購總重增加，但周期不能延長，碳耗偏高的問題，通過商務談判增加炭塊質量要求條款，11月份開始640mm炭塊平均單重均保持在1189kg左右，同樣使用33天，系列電流501kA，陽極毛耗從485kg/t.Al降至480kg/t.Al，一個系列在原基礎上每月再次降低成本84.6萬元。

16年8月 16年9月 16年10月 16年11月 16年12月炭塊平均單重（kg） 1202 1200 1198 1189 1190

5.4 提高陽極炭塊厚度至660mm并嚴格控制炭塊耐壓強度[5]

同上，2017年4月份通過考察，正在合作的炭塊廠家能給我公司供應高度660mm陽極，通過分階段試驗，換極周期從33天延長至目前的35天，系列電流501kA，陽極毛耗從480kg/t.Al降至467kg/t.Al，一個系列在原基礎上每月再次降低成本244.4萬元。

但在使用高度660mm的陽極時，生產出現一個問題，炭塊在一個周期未結束的生產過程中頻繁出現掉塊、掉角、橫向縱向裂紋，造成碳耗升高和原鋁質量下滑，我們通過理論分析，確定問題出在炭塊耐壓強度這項參數上，通過商務談判增加炭塊質量要求條款，嚴格控制炭塊耐壓強度，在一個區進行試驗后效果非常好，不再出現以上現象，推廣至全系列均未再出現大面積質量問題。

5.5 強化電流對陽極毛耗進行微調

通過以上四步，陽極毛耗已降至全國先進水平，殘極厚度已非常薄，通過大量數據統計，殘極厚度平均為14.5cm左右，為進一步降低碳耗，我們考慮爐底沉淀較多，將系列電流逐步調整至502.5kA，最終穩定住，直至現在，陽極毛耗略微再有一點下降，目前系列原鋁質量中Fe含量維持在0.095%左右，保持較好。

6 結語

通過上文所述的五個步驟，我公司陽極毛耗從最開始的517kg/t.Al降至目前的467kg/t.Al，一個系列每月降低成本940萬元，每年降低成本11280萬元，效益巨大。若國內炭塊生產廠家對焙燒爐進行升級后能生產合格的高度700mm以上炭塊[6]，陽極毛耗能進一步得到降低。

[1]朱丹青．電解鋁降低陽極碳耗的途徑與措施［J］．輕金屬，2008 （8） ：25-28．

[2]劉業翔，李劼，姚士煥，肖勁，賴延清等．現代鋁電解［M］．2007：591- 592．

[3]張景強．400kA鋁電解槽降低預焙陽極消耗的探討［J］．中國有色冶金，2015 ，44 （2） ：41-44．

[4]張虎．鋁電解槽陽極炭塊 ：中國，ZL 2013 2 0528875．X[P]．2014-07-23．

[5]劉業翔，李劼，姚士煥，肖勁，賴延清等．現代鋁電解［M］．2007：10-12．

[6]劉光勇，戚宗華，李慶新等．750mm超高陽極的研制與制備工藝過程中的難點淺析［J］．新疆有色金屬，2016，8（2）：92-95．