炭陽極質量不穩定對電解生產的影響與對策

胡洪濤 黃河鑫業有限公司

隨著我國鋁電解產能的擴大，對炭陽極的需求量日益增長。但許多廠都時常被陽極炭塊質量不穩定而困擾。本文結合實際生產，作此方面的探討，以期起到拋磚引玉的作用。

1 陽極炭塊質量

陽極炭塊在電解槽上承受電、熱、力、化學作用和物質流動運動沖擊等多種因素的作用，尤其是與氣體接觸反應和滲透是整體性的，即陽極上部、下部、內部和外部受熱、電、力、化學作用及氣體腐蝕是同時產生的。因此對陽極質量要求較為嚴格。

1.1 電解生產對炭塊質量的要求。

1.1.1 灰份要低。

1.1.2 比電阻小。

1.1.3 氣孔率小。

1.1.4 有一定的抗壓強度。

1.1.5 各種雜質含量低，特別是硫在高溫下與鋼爪發生反應生成電阻很大的硫化鐵膜。釩會增大陽極的氧化活性，要求含量低于0.02%。

1.2 影響炭塊質量的因素

從陽極制造、原料、工藝到電解工藝條件和鋁電解槽工作狀況八個方面、50 多個因素都可能影響炭陽極在鋁電解槽使用中產生嚴重氧化、掉渣掉塊、消耗不均的現象。

1.2.1 在原料方面有：

1.2.1.1 石油焦的質量，包括純度、結構、孔度、灰分、雜質成分與含量等。

1.2.1.2 煤瀝青質量，包括苯不容物、喹淋不容物、析焦率、灰分、雜質成分與含量等。

1.2.2 在生陽極塊制造方面有：

1.2.2.1 破碎配料，包括粒子形狀，粒子分布，干料配方的可行性、穩定性及微粒細度分布，配入殘極粒子的質量等。

1.2.2.2 混捏，包括瀝青加入數量、干料、瀝青預熱溫度和混捏質量等。

1.2.2.3 成型，包括糊溫度、比壓、振幅、頻率、振動時間、生塊體積密度、透氣率等。

1.2.3 在煅燒方面有煅燒溫度、加料排料、煅后料體積密度、電阻率和煅后料質量的穩定性和均一性等因素。

1.2.4 在焙燒方面有焙燒溫度、升溫曲線、冷卻速度、高溫保持時間、爐內熱分布、密封性、填充料特性等因素。

1.2.5 在鋁電解生產技術條件及工作狀況方面有溫度分布及變化，電流分布及變化，電解質成分，保溫料厚度，操作技術條件等。

2 陽極炭塊質量不穩定對電解生產的危害

據統計，全國約有1/3 的鋁電解廠不同程度受陽極掉渣、掉塊、裂紋的影響，80%以上的預焙電解鋁廠陽極電流密度只能在較低的范圍內（0.72A/CM2）運行。

在鋁電解生產中，通常所說陽極氧化掉渣和裂紋掉塊是指電解槽運行中陽極炭塊底部和側部等不斷有炭渣和碎陽極炭塊脫落，陽極殘極因嚴重氧化而“發軟”裂紋掉渣。陽極氧化包括兩個方面：一是暴露在空氣中的陽極遭受空氣氧化；二是在被陽極底部發生的二氧化碳氧化。陽極氧化首先在瀝青焦上進行，或稱優先選擇氧化，導致骨料焦和粘結劑的結合破壞，骨料使從陽極上掉下來生成炭渣。陽極炭渣的直徑從1um 到十幾mm 不等。一般將十幾 mm以上甚至幾十mm 以上的稱為碎塊。一旦炭渣碎塊脫離了陽極就失去了電化學作用力，則不再排斥電解質，它們將進入電解液并被其浸透，懸浮于電解液中。

消耗不均即常說的底部長包，側部長牙而使陽極炭塊形狀不規整，物理化學性質發生變化。炭陽極質量不穩定對生產的危害主要表現在以下幾方面：

2.1 使電解質電阻升高。當電解質中含渣量為0.05～0.1%時，炭粒基本不影響電解質電阻，達到0.2～0.5%時開始增加電解質電阻，達到0.6%以上時，電解質電阻率可增加11%。工業電解質中1—10um 的炭渣微粒，由于界面電位梯度的影響，幾乎不導電。

2.2 增大陽極電流密度，炭陽極發熱。由于掉渣掉塊，不僅縮小了陽極的導電面積，而且在內部由于孔度增大，也減小了陽極的導電面積，使電極電阻升高，導致陽極發熱發紅。某車間70#槽A3 陽極嚴重掉塊出現局部返熱，后來測得實際陽極底掌面積僅為標準陽極的85%。

2.3 使電解質發熱，槽溫升高，產生熱槽。由于炭渣積累和流動，電解質電阻增大，設定電壓不變的情況下極距縮小，二次反應加劇，增加了熱收入，逐步導致槽溫升高，甚至發生熱槽。

2.4 陽極長包和側部漏電。炭渣和掉塊聚集在陽極底掌，會因消耗不均引起陽極長包；電解質表面漂浮的一層炭渣，在高溫下也有可能燒結成餅，粘到陽極底掌上形成所謂的“滿包”。炭渣積聚于陽極側部，增加了側部漏電，使爐幫不易形成。

2.5 炭渣和掉塊、處理陽極長包都增加了炭耗、電耗、氟鹽消耗和勞動量，直接或間接地降低了電流效率，增加了噸鋁成本。

2.6 影響原鋁質量。由于掉塊、裂縫，甚至整塊陽極脫落，電解質沖涮陽極鋼爪造成原鋁質量掉級下滑。

某車間20018 年4 月份陽極質量不好，從下表可看出，各項經濟技術指標均比5月份差。

3 電解生產需要采取的應付措施

陽極炭塊的生產過程復雜，環節較多，陽極炭塊的質量不能很好地長期穩定保持。況且，由于陽極生產周期較長，陽極的使用情況這一重要信息的反饋不能和生產保持同步。因而，電解生產中常會遇到一批一批質量不太理想的炭塊。為了盡可能地消除或減小這批陽極對電解生產的不利影響，就需要探討行之有效的對策和措施。

3.1 更換陽極時對新極進行充分預熱，防止炭塊溫度驟變，減小熱應力，降低炭塊裂紋掉塊的可能性。

3.2 提高換極作業的操作質量。扒液面處炭渣，撈干凈落入槽中的料塊，設置好合理的高度，防止陽極消耗不均或長包現象發生。

3.3 加足加好陽極保溫料，防止陽極裸露氧化，減少進入電解質中的炭粒。

3.4 人工打撈炭渣。槽中炭粒含量小于1%時，微量炭渣被陽極氣體或空氣氧化掉，電解質潔凈，無須人工打撈。但槽中渣量超出3%后，部分炭粒無法氧化，懸浮于電解液中，需要人工利用各種操作機會或常規性地進行打撈。某廠將打撈炭渣制度化，要求班班打撈，槽前后四周打撈，效應后重點打撈，并從出鋁口添加少量冰晶石和氟化鋁的混合物，以促使炭渣分離的方法，取得了較好的成效。

3.5 及時處理裂縫和長包的陽極，防止槽況惡化和陽極電流分布不均造成的惡性循環。

3.6 適當調整技術條件。

3.6.1 適當提高陽極效應系數：

可以將效應系數控制在0.35～0.4 次/槽.日，以便于用陽極效應清潔電解質，清理陽極底掌積聚的炭粒，并使電解質中炭粒懸浮于液面，便于打撈。

3.6.2 適當提高設定電壓：

由于炭粒較多時，增大了電解質電阻，在電壓不變的情況下相當于減小了極距，不利于陽極氣體的排出和炭粒的上浮。因而，須適當提高設定電壓，這樣也有利于控制槽溫，防止槽況惡性循環。

3.7 調整電解質成分

通常情況下，生產槽中陽極掉渣、掉塊、裂紋出現后，促使槽溫升高，陽極消耗不均，炭粒混和在電解液中不能浮于表面等現象，這樣會進一步加劇炭塊掉渣、掉塊和長包。因此，要考慮通過調整電解質成分，增加炭粒與電解質間的表面張力，以利于掉渣掉塊的及時打撈。

分析影響電解質與炭素材料間表面張力的因素，主要有以下幾個方面：

3.7.1 適當減小電解質中氧化鋁濃度，可以增加電解質與炭素材料間的表面張力。

3.7.2 提高電解中氟化鋁的含量，可以增加電解質與炭素材料間表面張力，且可以使炭渣分離清楚而上浮于電解質表面。

3.7.3 一般情況下，隨著電解溫度的升高，構成電解質的質點距離增大，質點間的作用力減小，電解質與炭素材料間的表面張力也會減小。

3.7.4 添加氟化鈣和氟化鎂，可以增大電解質與炭素材料間表面張力。同時氟化鈣和氟化鎂還可以降低冰晶石熔液的初晶點，減少鋁在冰晶石—氧化鋁溶液中的溶解損失。但氟化鈣能增大冰晶石溶液密度，增加電解質粘度，降低電解質溶液的導電度，降低氧化鋁溶解度，會抵消其增大表面張力的作用。雖然氟化鎂也有不利的影響，但在這一方面不太明顯。

結合電解生產的實際情況，可采取適當降低分子比，增加電解質中氟化鎂含量來實現電解質成分的調整。某廠試驗將電解質分子比保持在2.2 ～2.3 之間，氟化鎂含量為5.5%，不僅促進了炭渣同電解質的分離，還將電解溫度從950℃以上逐漸降到935℃～945℃，取得了良好的效果。

4 結論

4.1 炭陽極的質量對電解生產有著極為關鍵的影響，因而要按影響炭陽極質量的因素和環節嚴格控制生產過程，確保上槽的陽極質量平穩。

4.2 一旦使用的陽極質量發現異常波動，應主要圍繞減少槽中炭渣和炭塊的含量，采取積極的預防性應對措施。

4.3 在生產實踐中，工藝和操作方面的對策還應進一步探索和總結。