納米陶瓷基鋁電解陽極防氧化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

王博一

(湖南博溥立材料科技有限公司,湖南 常德 415900)

據(jù)統(tǒng)計,陽極成本約占電解鋁生產(chǎn)成本的10%～15%[1],在鋁電解過程中陽極理論炭耗334 kg/t-Al,而實際炭耗一般為460～500 kg/t-Al,個別企業(yè)炭耗更是高達510～520 kg/t-Al[2]。炭陽極的消耗主要由電解消耗、額外消耗(包括化學消耗和機械消耗)和殘極炭耗組成,炭陽極的電解消耗和殘極炭耗是無法避免的,而額外消耗是可以通過有效手段來進行降低的。額外消耗主要是生產(chǎn)過程中的化學氧化和機械脫落所造成的,而機械脫落也主要是優(yōu)先選擇氧化后的結(jié)果[1-2],可見通過對炭陽極的氧化過程進行有效的防氧化干預(yù)是降低陽極炭耗的有效途徑。

目前鋁行業(yè)降低陽極炭耗的研究主要從陽極生產(chǎn)工藝上著手,很少從電解生產(chǎn)使用中探討降低陽極炭耗的途徑[3-4],而通過采取在陽極表面涂覆一種保護材料的措施來對陽極進行防氧化保護的研究較少。林萍[5]、譚占平[6]、高宏權(quán)[7]等做過陽極防氧化涂層材料的實驗研究,但由于施工工藝復(fù)雜、常溫干燥時間長亦或材料性能等方面的原因未見其進行大規(guī)模的工業(yè)推廣應(yīng)用。本文是針對在前期4臺工業(yè)槽試驗應(yīng)用[8]效果的基礎(chǔ)上做了后續(xù)的大規(guī)模工業(yè)推廣應(yīng)用,旨在為陽極防氧化涂層材料[9]的工業(yè)化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考和經(jīng)濟核算。

1 工業(yè)應(yīng)用

1.1 工業(yè)應(yīng)用過程

(1)本工業(yè)應(yīng)用試驗在青海某鋁廠進行,分別在350 kA系列二一區(qū)和400 kA系列四一區(qū)兩個工區(qū)進行預(yù)焙陽極防氧化涂層材料的規(guī)模化工業(yè)推廣應(yīng)用,并對工業(yè)推廣結(jié)果持續(xù)跟蹤。

(2)自5月15日防氧化涂層陽極在試驗工區(qū)開始入槽,至6月17日第一階段(共34天)結(jié)束。此階段的主要目的是用防氧化涂層陽極置換電解槽中的未涂層陽極。

(3)6月18日零點班涂層殘極開始出槽,至7月6日第二階段(共19天)結(jié)束。此階段的主要目的是穩(wěn)定槽況,減小前期由于涂層陽極與未涂層陽極混雜對試驗結(jié)果的影響。

(4)7月7日開始,試驗工區(qū)換極周期由34天延長至35天,至8月3日第三階段(共28天)結(jié)束。此階段的主要目的是對工業(yè)推廣應(yīng)用的結(jié)果進行記錄和統(tǒng)計分析。

(5)工業(yè)應(yīng)用試驗過程中各工區(qū)換極周期情況如表1所示。

表1 各工區(qū)換極周期情況表

1.2 工業(yè)應(yīng)用涂層材料用量

理論用量:每塊陽極平均噴涂用量3.2 kg,涂層材料噴涂厚度約為1 mm左右;實際用量:每塊陽極平均噴涂用量3.57 kg。

1.3 工業(yè)應(yīng)用照片

圖1 涂層陽極入槽

圖2 殘極露陰影

圖3 殘極透底

由圖4和圖5可看出,涂層陽極外形保持較規(guī)整;由圖6與圖7、圖8做對比可看出,在下料處涂層材料對陽極的保護較好,沒有因下料而產(chǎn)生陽極變形的情況發(fā)生。

圖4 涂層陽極入槽21天后側(cè)面氧化情況

圖5 涂層陽極殘極

圖6 涂層陽極停槽時高殘極氧化情況

圖7 1#無涂層陽極停槽時高殘極氧化情況

圖8 2#無涂層陽極停槽時高殘極氧化情況

2 工業(yè)應(yīng)用結(jié)果與分析

2.1 殘極尺寸

2.1.1 一系列(350 kA)工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)

一系列工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)如表2到表5所示。

表2 一系列殘極測量情況對比表(7月7日至7月23日)

表3 一系列殘極測量情況對比表(7月24日至8月3日)

表4 一系列殘極測量情況對比表(7月7日至8月3日)

表5 一系列對比工區(qū)2146#槽35天周期殘極情況表

2.1.2 一系列(350 kA)工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

(1)由表4數(shù)據(jù)得出:① 殘極高度方面:一系列中試驗工區(qū)(平均殘極高168.0 mm)比對比工區(qū)(平均殘極高167.0 mm)殘極高度平均高1.0 mm,說明試驗工區(qū)(35天換極)比對比工區(qū)(34天換極)的陽極消耗小1.0 mm,可見涂層材料陽極防氧化效果明顯。② 殘極露陰影方面:試驗工區(qū)數(shù)量為0,對比工區(qū)數(shù)量為25塊,對比工區(qū)殘極露陰影占比1.32%,說明對比工區(qū)較試驗工區(qū)陽極氧化嚴重。③ 殘極透底方面:試驗工區(qū)與對比工區(qū)均沒有透底殘極出現(xiàn),說明殘極高度與透底數(shù)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)沒有受到極端情況的影響,試驗數(shù)據(jù)可靠。④ 綜合表4中殘極平均高度與露陰影數(shù)量的數(shù)據(jù)可以看出,在殘極平均高度方面試驗工區(qū)與對比工區(qū)數(shù)據(jù)差別不大(只有1.0 mm),但露陰影數(shù)量上差別較大(差25塊),說明對比工區(qū)殘極高度波動范圍較大,對比工區(qū)陽極消耗高度穩(wěn)定性較試驗工區(qū)差,防氧化涂層材料在維持槽況穩(wěn)定性方面(降低電解質(zhì)電阻,降低陽極電流密度,降低電解質(zhì)溫度,減少陽極長包和側(cè)部漏電)有積極的作用[10]。

(2)由表5數(shù)據(jù)得出:① 2146#槽在未使用涂層陽極的情況下強行延長一天換極周期導致殘極露陰影數(shù)量占比激增至50%。② 在陽極未使用涂層材料時,34天已經(jīng)是換極周期極限。

2.1.3 二系列(400 kA)工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)

二系列(400 kA)工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)見表6～8。

表6 二系列殘極測量情況對比表(7月7日至7月23日)

表7 二系列殘極測量情況對比表(7月24日至8月3日)

2.1.4 二系列(400 kA)工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

由表8數(shù)據(jù)得出:① 殘極高度方面:二系列中試驗工區(qū)(平均殘極高149.6 mm)比對比工區(qū)(平均殘極高147.9 mm)殘極高度平均高1.7 mm,說明前者比后者的陽極消耗小1.7 mm;② 對比同時期一系列殘極高度方面的試驗數(shù)據(jù)(試驗工區(qū)比對比工區(qū)殘極高度平均高1.0 mm)可得出,隨著系列電流的增大,陽極消耗變大,涂層材料的陽極防氧化效果也增大(1.7 mm>1.0 mm)。③ 殘極露陰影方面:對比工區(qū)比試驗工區(qū)的殘極露陰影數(shù)量多32塊,占比比試驗工區(qū)高(2.85-1.15)%=1.70%,與一系列殘極露陰影占比(高1.32%)相比,露陰影數(shù)量占比有所增大,說明涂層材料的陽極防氧化效果二系列比一系列要好。④ 殘極透底方面:試驗工區(qū)透底數(shù)量占比0.19%比對比工區(qū)0.32%低,涂層材料陽極防氧化效果較好。

表8 二系列殘極測量情況對比表(7月7日至8月3日)

2.2 原鋁質(zhì)量

2.2.1 原鋁質(zhì)量結(jié)果

(1)一系列原鋁鐵含量數(shù)據(jù)

一系列各工區(qū)鐵含量數(shù)據(jù)刨除了槽齡小于60天新啟槽和硅大于0.07的異常槽;涂層極于7月28日停止入槽,因涂層極和非涂層極混用會影響涂層極效果,故鐵含量統(tǒng)計截止到8月1日。

① 一系列試驗工區(qū)、對比工區(qū)鐵含量平均值變化曲線,如圖9所示。

圖9 一系列試驗工區(qū)、對比工區(qū)鐵含量平均值變化曲線圖

② 一系列不同階段鐵含量平均值對比,如表9所示。

表9 一系列不同階段鐵含量平均值對比表

③ 一系列各工區(qū)鐵含量平均值變化曲線,如圖10所示。

圖10 一系列各工區(qū)鐵含量平均值變化曲線圖

(2)二系列原鋁鐵含量數(shù)據(jù)

各工區(qū)鐵含量數(shù)據(jù)刨除了槽齡小于60天新啟槽和硅大于0.07的異常槽;涂層極于7月30日停止入槽,涂層極和非涂層極混用會影響涂層極效果,鐵含量統(tǒng)計截止到8月1日。

① 二系列試驗工區(qū)、對比工區(qū)鐵含量平均值變化曲線,如圖11所示。

圖11 二系列試驗工區(qū)、對比工區(qū)鐵含量平均值變化曲線圖

② 二系列不同階段鐵含量平均值對比,如表10所示。

表10 二系列不同階段鐵含量平均值對比表

③ 二系列各工區(qū)鐵含量平均值變化曲線,如圖12所示。

圖12 二系列各工區(qū)鐵含量平均值變化曲線圖

2.2.2 原鋁鐵含量數(shù)據(jù)分析

(1)一系列原鋁鐵含量數(shù)據(jù)分析:① 從圖9分析得出:試驗工區(qū)和對比工區(qū)在5月25日周期延長到34天后鐵含量都有小幅度上升。試驗工區(qū)6月18日進入第二個周期后鐵含量呈下降趨勢;7月7日試驗工區(qū)周期開始延長到35天,鐵含量曲線基本無太大變化,趨于穩(wěn)定;7月21日以后對比工區(qū)鐵含量出現(xiàn)快速上升的情況,這與2146#槽強行延長一天周期至35天有關(guān)。② 從表9分析得出:從三個階段橫向比較來看,試驗工區(qū)和對比工區(qū)鐵含量都呈上升趨勢,但試驗工區(qū)比對比工區(qū)上升幅度小,鐵含量更受控;從同一階段縱向來看,隨著試驗的進行,試驗工區(qū)和對比工區(qū)鐵含量的差值在不斷變大,由0.005增大至0.008,涂層陽極防氧化效果逐漸顯現(xiàn)。③ 從圖10分析得出:一系列各工區(qū)整體鐵含量7月份對比5月份都呈上升趨勢,試驗工區(qū)在周期延長到35天后,鐵含量在系列中排名反而由最初的第三名上升至第二名。

(2)二系列原鋁鐵含量數(shù)據(jù)分析:① 從圖11分析得出:第一個階段試驗工區(qū)和對比工區(qū)曲線基本同趨勢;進入第二個階段后試驗工區(qū)鐵含量曲線呈下降趨勢后有少許波動最后保持穩(wěn)定,對比工區(qū)在換極周期全部延長到34天后(7月6日后)鐵含量曲線呈明顯的上升趨勢;7月7日開始試驗工區(qū)每天3臺槽延長到35天至7月27日46臺槽已經(jīng)全部延長到35天換極周期,但試驗工區(qū)鐵含量曲線依然保持穩(wěn)定;而對比工區(qū)7月14日至7月22日4201#～4228#槽縮回至33天周期后,對比工區(qū)鐵含量平均曲線才稍有下降;整體來說試驗工區(qū)延長周期至35天后鐵含量能夠保持穩(wěn)定。② 從表10分析得出:試驗工區(qū)和對比工區(qū)各階段鐵含量平均值變化趨勢一致,但試驗工區(qū)與對比工區(qū)的鐵含量差值卻不斷變大,由0.004增大至0.01。與一系列試驗效果一樣,隨著工業(yè)應(yīng)用試驗的持續(xù)推進,涂層陽極防氧化效果越來越明顯。③ 從圖12曲線分析得出:二系列周期延長到34天后(7月6日后),非涂層極工區(qū)的鐵含量曲線呈上升趨勢,試驗工區(qū)曲線基本保持穩(wěn)定。由于鐵含量增加,對比區(qū)7月14日后部分槽換極周期縮回至33天,鐵含量曲線才得以穩(wěn)定;7月6日后試驗工區(qū)換極周期延長到35天后,鐵含量有所上升,但在允許的范圍內(nèi),試驗工區(qū)鐵含量在系列中依然靠前。

(3)綜上所述,電解槽在使用涂層陽極后,原鋁鐵含量較對比槽更易受控,涂層材料的使用對原鋁質(zhì)量品位無影響。

3 經(jīng)濟效益估算

經(jīng)濟效益估算表見表11。

表11 經(jīng)濟效益估算表 萬元/年

4 結(jié) 論

(1)陽極防氧化涂層材料實際噴涂消耗量大于預(yù)期理論消耗量,應(yīng)提高陽極表面光潔度和減小噴涂浪費。

(2)陽極防氧化涂層材料對保持陽極幾何外形規(guī)整性有較大作用,尤其是在下料處對陽極的保護較好,沒有因下料而產(chǎn)生陽極變形的情況。

(3)使用陽極防氧化涂層材料后,涂層陽極比未涂層陽極延長一天換極周期。

(4)陽極防氧化涂層材料使用后原鋁鐵含量保持穩(wěn)定且可控。

(5)按56萬噸/年電解鋁計算,陽極防氧化涂層材料的規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用可帶來直接經(jīng)濟效益1390萬元/年左右。