300 kA鋁電解槽鋁液Fe含量控制

杜慧龍，楊求思，劉 升

(四川啟明星鋁業有限責任公司，四川 眉山 620041)

1 引言

鋁在世界各國尤其是工業發達國家經濟發展中的地位越來越重要，在工業界被譽為萬能金屬。鋁的產量和用量僅次于鋼材，成為人類應用的第二大金屬[1]。電解生產的較高純度的鋁液具有良好的物理化學性能，而鋁液中雜質增多將影響鋁合金的理化性能，如影響合金的斷裂韌度，增加鑄錠的縮孔和縮松等缺陷，降低鋁合金耐蝕性能、導電性、白光反射率等[2-3]，因此在電解鋁生產過程中要求鋁液有很高純度。

在電解鋁生產過程中，鋼爪聯接鋁導桿和炭塊，同時要通過強大的電流。炭塊鋼爪所處的工作環境十分惡劣，長期處于酸性氟化物包圍及高溫的腐蝕氣氛中，工作環境溫度大概為400～600 ℃，很容易遭到腐蝕而縮短其使用壽命[1-2]。圖1為四川啟明星鋁業炭塊鋼爪在使用過程出現的腐蝕變細情況。鋼爪腐蝕后產生的Fe雜質在殘極清理和覆蓋料破碎流程中只能少量被清除，大部分又重新進入炭塊覆蓋料中，最終進入電解鋁液，影響電解鋁液質量。

在電解生產中，炭塊上槽使用一段時間后 ( 炭塊周期一般為30～32 天) ，須及時進行更換。當使用到接近更換期時，若生產中電解質液面過高，液態高溫電解質將淹沒炭塊上表面(俗稱電解質“上炕”，見圖2)。殘極上面的電解質覆蓋料被涮空，形成拱橋形，若炭塊上部鋼爪周圍未進行保護，浸蝕性很強的電解質還會不斷沖刷鋼爪，造成鋼爪被刷細，加劇鋼爪的腐蝕，甚至磷生鐵被涮掉一部分。鋼爪變細后會造成炭塊電流分布不均，電耗增加。另外，鋼爪和磷生鐵熔化到鋁液中，將使鋁液品位下降。

圖1 炭塊鋼爪腐蝕嚴重變細

圖2 電解質“上炕”現象

本文重點對炭塊鋼爪腐蝕和電解質“上炕”現象進行討論分析，并制定相應的控制措施，降低鋁液中Fe元素含量。

2 炭塊鋼爪保護環研究

電解鋁生產中，炭塊鋼爪保護環具有非常重要的作用，它能有效地保護鋼爪使其免受電解質浸蝕和沖刷，延長鋼爪的使用壽命，這樣可減少炭塊組裝車間工作量，降低生產成本; 其次，減緩鋼爪變細速率，進而降低因各爪頭電流分布不均而造成化爪概率，并降低了炭塊無功功耗，保障炭塊運行狀態正常。此外，在殘極清理中，減少氧化鐵雜質的產生，減少含Fe雜質進入保溫料循環系統中，降低鋁液中Fe的含量，提高鋁液質量。

炭塊鋼爪保護環除能夠保護鋼爪降低浸蝕外，還須遵循以下原則：不能污染保溫料、電解質液、鋁液，經濟可行。近年來，國內電解鋁企業和研究單位對炭塊鋼爪保護的方法進行了大量的研究和應用實踐，詳情見表1[4]。

四川啟明星鋁業曾采用氧化鋁涂層技術結合炭環工藝對鋼爪進行保護，見圖3。此方法雖對鋼爪保護性較好，但其缺點也較明顯，一是氧化鋁涂層技術工藝復雜，成本較高；二是炭環在殘極清理時，若清理不完全會對覆蓋料造成污染，降低覆蓋料保溫性能，破碎后的炭環進入電解質液中成為炭渣，影響電解槽電流效率，故此方法未進行推廣使用。

表1 不同炭塊鋼爪保護法的介紹

圖3 氧化鋁涂層技術和炭環工藝

四川啟明星鋁業采用牛皮紙-氧化鋁環對炭塊鋼爪進行保護，見圖4。此方法工序簡單，成本低廉，并且炭塊上槽后氧化鋁板結，牛皮紙燃燒揮發，在后續的殘極清理中不會對極上保溫料和電解鋁液造成污染，同時對炭塊鋼爪保護效果較好，見圖5。

圖4 牛皮紙—氧化鋁保護環

圖5 殘極清理后的炭塊鋼爪

通過氧化鋁—牛皮紙保護環運行6個月后，殘極上覆蓋料中Fe含量逐月下降，見圖6。覆蓋料中的Fe含量下降，當覆蓋料被電解質液沖刷時，帶入鋁液中的Fe也就相應減少，鋁液質量提高。

圖6 2016年1-7月氧化鋁牛皮紙保護環使用半年覆蓋料中Fe含量變化

3 保溫料分級使用研究

電解槽在實際生產中，更換炭塊時，會產生兩種物料：一種是殘極覆蓋料，另一種是從電解槽中天車爪出的爪斗料。為確保炭塊保溫料的物料平衡，這兩種料最終都作為炭塊覆蓋料使用。經化驗分析，兩種料Fe含量比例不同，具體見表2。

表2 兩種物料Fe含量分析(質量分數，%)

電解槽正常生產會消耗部分電解質液，電解質液的補充，大部分來自于炭塊上的覆蓋料，炭塊快到換極周期時，電解質液或多或少會對炭塊上的覆蓋料進行沖刷，從而對電解質液進行補充，確保電解質液的平衡。而電解質“上炕”是電解質液面高度偏高所致，要避免電解質“上炕”現象，就必須控制電解質液面高度。四川啟明星鋁業300 kA電解槽在槽炭塊為20組，炭塊使用周期為31天，也就是3天內有2組炭塊需要更換。電解槽內電解質液面高度一般在16～20 cm內波動，生產槽中一直存在快到換極周期的低殘極，只要電解質液高度偏高，就有可能出現電解質“上炕”現象，殘極上高鐵物料就被沖刷進入電解槽，影響鋁液質量。

更換新炭塊時，若殘極覆蓋料破碎后直接覆蓋在新炭塊上面，當炭塊消耗到換極周期時，電解質液將會沖刷含Fe量高的物料進入電解質液，造成原鋁Fe含量增加。若將Fe含量偏低的爪斗料，破碎成直徑10 cm左右的塊料首先覆蓋在新炭塊上面，然后依次覆蓋殘極覆蓋破碎料對電解槽進行保溫。通過此措施，可有效減少電解質中過多的Fe元素進入電解鋁液。此方法運行一個月后系列槽平均Fe含量從0.17%下降至0.15%。隨著炭塊鋼爪保護環牛皮紙-氧化鋁的配合實施，系列電解槽原鋁Fe含量下降趨勢更為明顯。

當然，控制電解鋁液中Fe含量的途徑還有其他方面，包括采購氧化鋁、氟化鹽和石油焦中的Fe含量控制，陽極炭塊澆注產生的鐵渣清理，炭塊鋼爪氧化皮清理，覆蓋料破碎時的除鐵，以及電解槽破損槽維護等等。控制好Fe元素來源中的任何一個環節才能提高鋁液品質，滿足下游鋁加工企業對鋁液的質量要求。

4 結語

(1)通過使用氧化鋁-牛皮紙保護環對陽極炭塊鋼爪進行保護，可有效減緩鋼爪腐蝕，陽極覆蓋料中Fe含量持續降低。

(2)將更換陽極炭塊產生的兩種物料采用分級使用，可有效降低Fe元素進入電解質液的量，降低電解鋁液中Fe含量。