納米陶瓷基鋁電解陽極防氧化技術的應用研究

王博一

（湖南博溥立材料科技有限公司，湖南 常德 415900）

據統計，陽極成本約占電解鋁生產成本的10%～15%[1]，是每一個電解鋁生產企業都要考核的重要指標。在鋁電解過程中陽極理論炭耗334kg/t-Al，而實際炭耗一般為460～500kg/t-Al，甚至個別企業炭耗更是高達510～520kg/t-Al[2]。因此，為了達到節能減排的目的，必須通過一種方法或工藝降低電解鋁行業的高炭耗，同時這也是電解鋁行業積極響應我國碳達峰、碳中和的國家戰略的一種重要體現。

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先選擇氧化后的結果[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是降低陽極炭耗的有效途徑。目前鋁行業降低陽極炭耗的研究主要從陽極生產工藝上著手，很少從電解生產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[7]等做過陽極防氧化涂層材料的實驗研究，但由于施工工藝復雜、常溫養護時間長亦或材料性能等方面的原因未見其進行規模化的工業應用。而文中所采用的涂層材料[8]只需在陽極表面噴涂一層即可達到較好的陽極防氧化效果，工藝操作簡單。

本文是針對前期工業槽試驗應用[9，10]效果的基礎上做了后續的長期工業應用研究，旨在為陽極防氧化涂層材料[8]的長期工業應用提供數據參考和經濟核算。

1 應用過程

1.1 應用過程簡介

（1）本長期工業應用試驗是在陜西某鋁廠400KA電解槽上進行，試驗分為4臺試驗槽（4321#、4322#、4323#、4324#）和4臺對比槽（4315#、4316#、4317#、4318#）。自2019年9月25日起至2020年3月15日止，歷時5個換極周期，并對長期工業應用結果持續跟蹤。

（2）試驗第一周期（9月25日-10月28日）：試驗槽與對比槽的換極周期均為34天，在新陽極入槽前，測量試驗槽涂層新極高度和對比槽無涂層新極高度。此周期的主要試驗目的是用涂層新極逐漸替換試驗槽中的無涂層陽極。

（3）試驗第二周期（10月29日-12月1日）：試驗槽與對比槽的換極周期均為34天，每天測量第一周期中入極的試驗槽和對比槽的陽極殘極尺寸（長、寬、高）。此周期的主要試驗目的是：①穩定槽況，減小前期由于涂層陽極與未涂層陽極混雜對試驗結果的影響；②通過測量試驗槽和對比槽殘極尺寸，為第三周期中是否延長涂層陽極的使用周期提供數據依據。

（4）試驗第三周期（12月2日-1月5日）：試驗槽換極周期為35天、對比槽換極周期為34天，每天測量第二周期中入極的試驗槽和對比槽的陽極殘極尺寸（長、寬、高）。此周期的主要試驗目的是通過測量試驗槽和對比槽殘極尺寸，為延長涂層陽極的使用周期提供試驗數據結果。

（5）試驗第四周期（1月6日-2月10日）：試驗槽換極周期為35天、對比槽換極周期為34天，每天測量第三周期中入極的試驗槽和對比槽的陽極殘極尺寸（長、寬、高）。此周期的主要試驗目的是通過測量試驗槽和對比槽殘極尺寸，為是否進行涂層陽極的長期應用提供數據依據。

（6）試驗第五周期（2月11日-3月15日）：試驗槽換極周期為35天、對比槽換極周期為34天，每天測量第四周期中入極的試驗槽和對比槽的陽極殘極尺寸（長、寬、高），同時對部分試驗槽和對比槽的殘極重量進行了抽查。此周期的主要試驗目的是通過測量試驗槽和對比槽殘極尺寸，為涂層陽極的長期應用提供試驗數據結果；同時，就涂層材料在長期應用期間對槽況的影響做出判斷。

圖1 涂層陽極新極入槽前

圖2 涂層陽極新極入槽時

（7）在五個周期中均對原鋁質量進行跟蹤。

1.2 涂層材料用量

涂層材料用量由陽極表面粗糙程度和噴涂手法決定，本應用過程中涂料平均用量為1.85kg/㎡，陽極的涂布面積為2.03㎡/塊，陽極平均噴涂用量3.76kg/塊，噸鋁平均用量約1.76kg。因本試驗在冬季開展，噴涂時室溫較低，導致涂料流動性不好，且每次噴涂陽極塊數較少，噴涂設備粘結現象較多，大面積推廣后噸鋁用量應不超過1.6kg。

1.3 應用過程照片

由圖3和圖4可看出，涂層陽極殘極厚度較厚且外形保持較規整，無涂層陽極殘極厚度較薄且角部氧化較涂層陽極殘嚴重。

圖3 試驗槽涂層陽極殘極

圖4 對比槽無涂層陽極殘極

圖5 殘極稱重

2 應用結果與分析

2.1 殘極尺寸

2.1.1 第二周期應用數據

（1）第二周期殘極尺寸對比：如表1所示。

表1 第二周期殘極尺寸統計表

（2）第二周期每塊陽極消耗折線對比：如圖6和圖7所示。

圖6 第二周期每塊陽極消耗高度圖（按出極日期）

圖7 第二周期每塊陽極消耗高度圖（按高低排序）

2.1.2 第二周期應用數據分析

（1）由表1數據得出：①試驗極日均消耗高度為444.3 mm/34天=13.1mm/天，對比極日均消耗高度為460.8mm/34天=13.6mm/天，整個第二周期34天內試驗極較對比極實際消耗高度可節約出16.5mm（大于試驗極13.1mm/天的消耗高度），故試驗極已達到延長一天周期的要求。②殘極的長度和寬度方面：試驗極長度較對比極長15.4mm，寬度較對比極寬17.6mm，試驗極均較對比極有明顯優勢。③殘極角部氧化率方面：試驗極（1%）較對比極（14%）低13%。④殘極的幾何外形規整性（殘極的長度、寬度、角部氧化率）方面：綜合②③的數據分析可得出，試驗極幾何外形保持的更加規整，這對保持電解槽槽況穩定性方面（降低電解質電阻，降低陽極電流密度，降低電解質溫度，減少陽極長包和側部漏電）有一定的促進作用[11]。⑤消耗480mm以上占比方面：對比槽消耗高度超過480mm以上數量占比為10.4%，超過殘極總數10%這一警戒值。說明如若在第三周期中對比槽延長一天換極周期將存在極大的透底風險；試驗槽消耗高度超過480mm以上數量占比為0.5%，遠低于殘極總數10%這一警戒值，說明在第三周期中試驗槽延長一天換極周期存在透底風險的概率極低。⑥殘極高度離散度方面：試驗極（16.5mm）高度離散度較對比槽（18.2mm）小1.8mm。說明試驗極較對比極在殘極厚度的穩定性方面有優勢。⑦殘極高度最小10%方面：試驗極（147.1mm）高度最小10%較對比槽（127.4mm）厚19.7mm。說明在殘極最薄的數據方面，試驗極殘極厚度比對比極厚了超過一天周期的消耗高度，也就是說在殘極最薄的數據方面，試驗極殘極厚度的“短板效應”沒有對比極明顯，涂層材料的使用對透底安全性有較大的提高，這也為試驗槽可延長一天換極周期提供了最有力的支持。

（2）由圖6和圖7可看出：試驗極平均消耗高度曲線明顯處在對比極曲線下方，試驗極陽極消耗較對比極低，降耗效果明顯。

2.1.3 第三周期應用數據

（1）第三周期殘極尺寸對比：如表2所示。

表2 第三周期殘極尺寸統計表

（2）第三周期每塊陽極消耗折線對比：如圖8和圖9所示。

圖8 第三周期每塊陽極消耗高度圖（按出極日期）

圖9 第三周期每塊陽極消耗高度圖（按高低排序）

2.1.4 第三周期應用數據分析

（1）由表2數據得出：①延長一天換極周期的試驗槽（35天周期）比未延周期的對比槽（34天周期）實際消耗高度低3.3mm，且試驗極的長、寬分別較對比極長13.8mm、寬6.1mm。延長一天換極周期后的試驗極殘極尺寸較對比極依然略有優勢。②殘極角部氧化率方面：試驗極（1.6%）較對比極（8.3%）少6.8%。說明試驗極在延長一天周期后的角部氧化率較對比極少，試驗極在保持幾何外形規整性方面依然有優勢。③消耗480mm以上占比方面：對比槽消耗高度超過480mm以上數量占比為9.9%，試驗槽消耗高度超過480mm以上數量占比為4.2%，對比槽數據接近10%這一警戒值，而試驗槽離10%警戒值較遠，說明在第四周期中試驗槽延長一天換極周期存在透底風險的概率低于對比槽。④陰影數量和透底數量方面：陰影數量方面試驗極（0塊）與對比極（0塊）一樣、透底數量方面試驗極（8塊）與對比極（7塊）相近，可見試驗極透底風險并未因延長一天換極周期而大增。⑤殘極高度離散度方面：試驗極（18.5mm）高度離散度較對比槽（18.1mm）小0.4mm。說明試驗極在延長一天換極周期后較未延長一天換極周期的對比極在殘極厚度的穩定性方面仍然有優勢，但優勢不明顯。同時結合試驗極與對比極在第三周期中實際消耗高度數據（試驗極較對比極低3.3mm），說明涂層材料的使用在降低了試驗極實際消耗高度3.3mm的同時，也降低了試驗極殘極厚度0.4 mm的波動值，這樣就相當于試驗極在延長一天使用周期后又提高了3.3mm+0.4mm=3.7mm的可消耗高度，3.7mm的數值要小于第三周期試驗槽陽極日均消耗高度455.1mm/35天=13.0mm/天，故延長一天換極周期是沒有問題的，但已是本試驗的極限天數。⑥殘極高度最小10%方面：試驗極（136mm）高度最小10%較對比槽（129mm）厚7mm。說明試驗極在延長一天換極周期后殘極最薄的數據方面比對比極厚7mm，試驗極殘極厚度的“短板效應”依然沒有對比極明顯，透底安全性方面依然優于對比極。

（2）由圖8和圖9可看出：試驗極消耗高度曲線與對比極消耗高度曲線相互交錯，但是仍然可以看出試驗涂層陽極延長一天周期后，平均消耗高度仍然略低于非涂層對比極。

2.1.5 第四、五周期應用數據

（1）第四周期殘極尺寸對比：如表3所示。

表3 第四周期殘極尺寸統計表

（2）第四周期每塊陽極消耗折線對比：如圖10和圖11所示。

圖10 第四周期每塊陽極消耗高度圖（按出極日期）

圖11 第四周期每塊陽極消耗高度圖（按高低排序）

（3）第五周期殘極尺寸對比：如表4所示。

表4 第五周期殘極尺寸統計表

（4）第五周期每塊陽極消耗折線對比：如圖12和圖13所示。

圖12 第五周期每塊陽極消耗高度圖（按出極日期）

圖13 第五周期每塊陽極消耗高度圖（按高低排序）

2.1.6 第四、五周期應用數據分析

由表3、表4、圖10、圖11、圖12、圖13的數據得出：①延長一天換極周期的試驗槽（35天周期）較未延周期的對比槽（34天周期）在實際消耗高度、幾何外形規整性（長、寬、角部氧化率）、消耗480mm以上占比、陰影數量、透底數量、高度離散度、高度最小10%等各指標方面仍然有數據優勢。②結合實際消耗高度和高度離散度方面的數據可看出，在第四、五周期中相當于試驗極在延長一天周期后較對比極又分別提高了8.5mm（7.6+0.9=8.5mm）和8.5mm（3.3+5.3=8.6mm）的可消耗高度。③從殘極高度最小10%方面數據可看出，在第四、五周期中試驗極殘極厚度的“短板效應”依然沒有對比極明顯，透底安全性方面依然優于對比極。④綜合①②③方面的數據分析可得出，隨著試驗周期的不斷延長，涂層材料對陽極的防氧化效果依然明顯，即陽極防氧化涂層材料的長期應用對降低陽極炭耗有積極的效果。

2.1.7 殘極稱重

為更直觀的體現涂層材料對陽極的防氧化效果，2月26日對試驗槽（換極周期35天）和對比槽（換極周期35天）的殘極進行抽檢稱重對比，稱重情況如表5所示：

表5 殘極稱重表

為了統一標準，殘極在清理完覆蓋料后連同導桿、鋼爪及磷鐵環一起稱重。從稱重結果看，延長一天換極周期后的試驗極殘極仍然較對比極殘極平均重18kg，故陽極防氧化涂層材料的長期應用對陽極防氧化起到了明顯的效果，延長一天換極周期沒有問題。

2.2 原鋁質量

2.2.1 原鋁質量結果

（1）原鋁鐵含量試驗結果

①平均值變化曲線：如圖10所示。

圖10 原鋁鐵含量變化圖

②各周期鐵含量平均值變化對比：如表6所示。

表6 各周期鐵含量平均值變化對比表

（2）原鋁硅含量試驗結果

①平均值曲線對比圖：如圖11所示。

圖11 原鋁硅含量變化圖

②各階段硅含量平均值變化對比：如表7所示。

表7 各階段硅含量平均值變化對比表

2.2.2 原鋁質量數據分析

（1）由圖10可看出：①試驗槽在試驗第一個周期中鐵含量呈明顯下降趨勢；②第二周期中試驗槽鐵含量總體低于對比槽。③第三、四、五周期中試驗槽與對比槽鐵含量呈有序波動趨勢，但波動都不大。

（2）由表6可看出：第一周期試驗槽比對比槽鐵含量高0.006%，第二周期試驗槽比對比槽鐵含量低0.010%，第三周期試驗槽比對比槽鐵含量高0.007%，第四周期試驗槽比對比槽鐵含量低0.002%，第四周期試驗槽比對比槽鐵含量低0.001%。說明使用涂層陽極的試驗槽鐵含量能得到較好控制，在多一天換極周期條件下，試驗槽鐵含量平均值逐漸下降且逐步降優于對比槽。

（3）由圖11可看出：前兩個周期試驗槽和對比槽硅含量都有較大波動，主要由于此時間段內工區4337#槽啟槽，電壓上調，造成爐底板溫度上升，達220度，硅鐵上升迅速。從第三周期開始試驗槽和對比槽硅含量逐步下降并趨于穩定，但試驗槽硅含量略高于對比槽，試驗槽和對比槽硅含量均在允許的范圍內。

（4）由表7可看出：試驗槽硅含量在試驗后期高于試驗前期，對比槽則基本穩定，試驗槽較對比槽硅含量上升了0.0085%。這主要與涂層材料（含有硅元素）帶入部分硅有關，但總體來說試驗槽硅含量趨于穩定，且在正常值內，說明涂層材料引起硅含量變化的影響有限。

（5）綜上所述，電解槽在使用涂層陽極后，原鋁鐵含量下降，硅含量略有上升并趨于穩定，涂層材料的長期應用對原鋁質量品位無影響。

3 經濟效益估算

見表8。

表8 經濟效益估算表 單位：萬元/年

4 結論

（1）陽極防氧化涂層材料實際噴涂消耗量大于預期理論消耗量，應提高陽極表面光潔度和噴涂的均勻性，確保涂料的流動性。

（2）陽極防氧化涂層材料的長期應用可有效降低炭塊的氧化掉渣，對保持陽極幾何外形規整性有較大作用。

（3）使用陽極防氧化涂層材料后，涂層陽極比未涂層陽極可延長一天的換極周期。

（4）陽極防氧化涂層材料經長期應用后，原鋁鐵含量下降，硅含量略有上升并趨于穩定，涂層材料的長期應用對原鋁質量品位無影響。

（5）按60萬噸/年電解鋁計算，陽極防氧化涂層材料的長期應用可帶來直接經濟效益2360萬元/年左右。