大型預焙鋁電解槽降低陽極毛耗實踐

馬軍璽

（黃河鑫業有限公司，青海 湟中 811601）

電解鋁生產過程就是以氧化鋁、炭陽極為原料，在直流電的作用下制取金屬鋁液的過程，炭陽極即是直流電的載體，也是生產原料，鋁電解電化學反應方程式是[1]。

反應過程生成液體鋁和二氧化碳，理論上鋁電解過程生產1噸鋁液需要消耗陽393kg/t.Al，而實際上目前各鋁電解企業陽極凈耗在400kg/t.Al～440kg/t.Al，陽極消耗每增加1kg/t.AL，噸鋁生產成本會上升2.5元～3.5元，而陽極凈耗大于理論消耗的部分都以氧化和掉渣的形式浪費掉了，產生更多的二氧化碳和廢碳渣也會污染環境[2,3]。因此，加大技術升級力度，細化內部生產管理，降低噸鋁陽極毛耗，減少電解鋁生產二氧化碳和碳渣排放量，成為了鋁電解生產管理的重要課題[4]。某電解鋁企業2012年陽極毛耗完成490kg/t.Al，2012年至2014年該公司采取優化電解生產工藝、改進陽極結構尺寸等技術方法和措施，成功的將陽極毛耗降低到476kg/t.Al，陽極毛耗降低幅度14 kg/t.Al。

1 降低陽極毛耗意義

鋁用炭素陽極的高效利用不僅與電解槽工藝技術條件、電解現場操作質量有關，還與陽極質量的優劣有關，直接影響鋁電解生產的正常生產秩序運行和經濟效益，是鋁電解降低物耗成本的重要抓手，每一個鋁電解企業都在對不同階段，采取相應技術措施和管理手段。降低陽極毛耗意義主要有以下幾方面：①可以延長陽極換極周期，減少電解操作工換極、打撈炭渣勞動強度，節約有效工作時間，增加對電解槽日常巡視維護時間，故障排除力度，降低突發效應等異常情況。②可以減少對電解槽人工操作頻次，提高電解槽自控能力，以實現節能環保經濟運行。③可以減少炭素分廠生產量，為炭素各工序實施計劃檢修贏得更充分時間，有利于炭素系統良性循環生產，減少設備超負荷運行帶來潛在安全生產風險。④可以實現鋁電解企業電解、炭素兩大生產系統雙贏，降低生產成本。

2 陽極消耗理論分析

（1）影響陽極凈消耗因素分析。根據國外連續20年對各種預焙陽極電解槽工作特性、陽極質量特性、電流效率和陽極消耗指標等長期統計分析，得出關于陽極凈耗計算公式：

NC=C+334/CE+1.2(BT-960)-1.7CRR+9.3AP+8TC-1.5ARR（公式2-1）[4]

式中：NC-陽極凈耗390kg/t～480kg/t；C-電解槽性能系數270～310；CE-電解槽電流效率87%～95%；BT-電解槽工作溫度940℃～980℃；CRR-CO2反應剩余率75%～92%；AP-空氣滲透率0.5nPm～5.0nPm；TC-熱導率3.0W/(M.K)～6.0W/(M.K)；ARR-空氣反應剩余率55%～93%。①保持電解槽高效穩定運行，提高電解槽電流效率；②合理調整工藝技術條件，保持較低的電解溫度。

公式表明，當電解工藝技術條件保持穩定前提下，降低陽極凈耗主要從炭素生產管理以下方面采取措施：①改進陽極的空氣反應性；②提高陽極的二氧化碳反應性；③降低陽極的空氣滲透性；④降低陽極的熱傳導。

2.2 影響陽極換極周期因素分析

陽極更換周期公式：

式中：Ha-陽極有效高度cm；ρv-陽極體積密度g/cm3；da-陽極電流密度A/cm2；η-電流效率%；鋁的陽極凈消耗量。

公式表明，在保證陽極不透底情況下，延長陽極換極周期從以下方面采取措施：①增加陽極有效高度；②增加陽極體積密度；③降低陽極電流密度；④穩定電流效率；⑤降低陽極單耗量。

3 現狀分析

動力供電系統的穩定是低物耗控制的基礎，該電解鋁企業通過對供電隱患進行系統分析，實施技術改造，排除隱患，基本確保了電解350KA系列和400KA系列電流運行穩定。電解槽工藝技術條件控制是減少陽極損耗的必要條件，該電解鋁企業實施電解槽低溫低電壓、低分子比、低電解質水平控制，有利于降低陽極凈耗。通過以上工藝管理措施實施，為實施陽極結構改造，進一步降低陽極毛耗創造了條件。

4 技術攻關重點轉移

在固化電解槽基礎管理前提下，將降低陽極毛耗重點轉移到炭素系統，在炭素原有原料品味、炭塊理化指標不變條件下，通過技術分析，結合電解槽結構，對炭素生產工藝、設備進行改進，改變預焙陽極塊的結構和尺寸。

5 制定方案

將原有陽極寬度不變，長度增加40mm，即在原有陽極長度基礎上對稱加長20mm,對炭碗深度由目前130mm計劃調整115mm,同時增加上下部陽極倒角，增加陽極開槽。

（1）對加長陽極尺寸進行電解論證。從圖1反映，電解一、二系列原陽極中縫間距220mm,陽極對稱加長20mm后，陽極中縫間距縮小為180mm滿足電解打殼下料要求。

同時電解一、二系列目前陽極與側壁的間距300mm，陽極對稱加長20mm后，陽極與側壁的間距縮小為280mm滿足電解邊部加工要求，實施加長陽極具有可行性。

圖1 電解槽結構圖

（2）增加陽極長度與原陽極電流密度變化比較

表1 陽極尺寸變化

表2 陽極尺寸對應陽極電流密度變化對比

依據表1計算，得出表2結論，通過加長陽極，可以解決強化電流后陽極電流密度不增加或降低的技術可行性。

6 電解生產管理的適應性改進

①針對加長陽極使用減小陽極中縫間距情況，修改保溫料添加標準，做好陽極防氧化，防止下料點堵料、控制效應等工作。②針對陽極電流密度減小，組織力量每天監測電解槽電解質水平，對低于控制下限的電解質水平及時進行調整，防止電解質收縮。③為保持電解槽熱平衡，防止槽溫下降組織對電壓、分子比控制進行定期評判，及時進行調整。④為保持電流強度不變，減少電流波動幅度，對供電系統進行穩流技術攻關。⑤為提高電解槽允許穩定性，對智能控制系統進行了程序更新和控制參數調整。⑥轉變物耗管理思路，擺正電解槽與陽極毛耗的關系，保證陽極不透底前提下，適當延長換極周期。⑦強化停開槽陽極管理，及時消耗停開槽高位殘極，最大程度利用高殘極。

7 結論

通過陽極結構改造，從根本上解決公司電解系列強化電流后保證陽極電流密度不增加，解決了進一步降低鋁液陽極毛耗瓶頸，鋁液陽極毛耗較改造前降低14 kg/t-AL，陽極凈耗降至398 kg/t-AL,較行業陽極凈耗平均水平410 kg/t-AL降低12 kg/t-AL，達到行業先進水平，收到巨大經濟效益。按公司電解滿負荷57萬噸電解鋁計算，使用改造陽極，每年較使用原尺寸陽極節約成本3873萬元。減少電解換極量，減少陽極拉運量，降低電解操作工工作量，減少電解廠房無組織排放量，有利于現場操作人員健康，提高企業環保指標。