陽極質(zhì)量對500 kA電解槽運行的影響與實踐*

高文義

（云南神火鋁業(yè)有限公司，云南 富寧 663400）

陽極質(zhì)量是電解槽平穩(wěn)運行的關鍵因素，陽極炭渣和SO2是電解鋁生產(chǎn)過程中陽極參與電化學反應后的危險廢物和有害氣體。陽極作為電解鋁生產(chǎn)的主要原材料和電流導體，500 kA大型預焙陽極電解槽單槽用極量達到（50～60） t，由于陽極炭塊隨著電解生產(chǎn)的進行而不斷的消耗，需要定期倒換新極[1]。目前行業(yè)內(nèi)大型預焙槽換極周期（32～38）d，陽極換極周期的長短由陽極消耗的快慢決定的。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)鋁行業(yè)大型電解槽使用優(yōu)質(zhì)陽極的噸鋁炭耗降至460 kg以下。

因此，陽極質(zhì)量的優(yōu)劣直接關系到電解槽生產(chǎn)過程中陽極的倒換周期和危廢炭渣的產(chǎn)生量，以及煙氣中SO2的脫硫成本，并對電解槽的安全穩(wěn)定運行和產(chǎn)品的生產(chǎn)成本產(chǎn)生重大影響。

1 陽極質(zhì)量對電解槽運行的影響

1.1 破壞電解槽工藝技術條件，干擾電解槽的安全運行

劣質(zhì)陽極在電解槽運行過程中掉落的炭渣在電解質(zhì)中不能分離出來時，將造成電解質(zhì)的比電阻增大，電解質(zhì)熱收入增加，導致電解質(zhì)含碳，逐步發(fā)展成為熱槽。一旦形成熱槽，電解槽的工藝技術條件將受到嚴重影響，不僅會破壞槽膛內(nèi)型，熔化爐幫、伸腿和爐底介殼，還可能會損壞電解槽的陰極內(nèi)襯材料，嚴重的還影響到電解槽運行年限。此外在處理熱槽時，還要通過添加冰晶石、鋁錠或者更換含碳電解質(zhì)等措施，降低槽溫、促使炭渣分離。據(jù)統(tǒng)計，電解質(zhì)中炭渣含量1%時，電解質(zhì)電阻率增加11%，相當于極距減小4 mm，降低電流效率；另外，質(zhì)量低劣的陽極在電流的沖擊下，使用不到一個換極周期，常出現(xiàn)脫極、斷層、碎脫、掉塊等事故，嚴重干擾電解槽的安全生產(chǎn)[2]。

1.2 增加噸鋁陽極消耗

正常生產(chǎn)過程中，隨著鋁電解生產(chǎn)的持續(xù)進行，陽極隨著生產(chǎn)的進行而慢慢地消耗，每天消耗速度大約（1.4～1.5）cm，質(zhì)量達標的陽極噸鋁炭渣產(chǎn)生量（2.5～3.5）kg，且炭渣顆粒度較小。在合理的工藝技術條件下，可從電解質(zhì)中自行分離出來，保證電解槽的平穩(wěn)運行。陽極使用周期長，更換出的殘極規(guī)整，厚薄均勻，表面堅固。據(jù)統(tǒng)計，理化指標不達標的陽極，平均換極周期與正常相比縮短（1～2）d，噸鋁陽極單耗相差（12～25）kg。殘極瘦小、表面疏松、顆粒大易掉渣。炭渣含量大，分離不正常的炭渣浮在電解質(zhì)液面上，容易在火眼附近結成焦塊，封堵火眼，電解槽氣體排出困難，處理不及時，易造成電解質(zhì)溢出，釀成事故，如圖1所示。

圖1 殘極瘦小，同組殘極之間距離因掉渣增大Fig.1 Small anode scrap;the distance between anode scrap in same group was increased because of slag dropping

1.3 導致單位能耗上升

首先，陽極突發(fā)效應增多。500 kA電解槽中間多點下料，中縫處電解質(zhì)液面上積聚過厚的炭渣時，會致下料口處的氧化鋁下落到炭渣上不能及時溶解到電解質(zhì)中，電解質(zhì)中氧化鋁濃度下降，引起突發(fā)效應。據(jù)測算，發(fā)生一次突發(fā)效應平均耗電300 kWh左右；其次，劣質(zhì)陽極產(chǎn)生的炭渣進入電解質(zhì)中，電解質(zhì)粘度大、流動性差時，炭渣分離困難，電解質(zhì)的導電性能變差，電解質(zhì)的壓降升高，壓降每升高1 mV，電耗增加約3 kWh。電解槽運行電壓相應升高，電能的無功消耗上升[3]。

1.4 電解槽四個角部的陽極消耗不均

實踐表明，由于電解槽四角極易積聚炭渣，該部位電解質(zhì)流動性差，積聚在陽極底部的炭渣難以被帶到火眼處分離出來，積聚的炭渣阻止此處陽極參與電化學反應，陽極消耗速度明顯低于其它部位，形成凸起，導致電解槽電壓針振、擺動或者壓槽，如圖2所示。

圖2 殘極端頭凸起Fig.2 End bulge of anode scrap

1.5 巡檢維護難度增加

陽極質(zhì)量穩(wěn)定時，電解質(zhì)中炭渣分離正常時，電解作業(yè)人員日常巡檢內(nèi)容主要是工藝技術條件的波動情況、火眼堵塞、打殼錘頭卡堵等。因陽極質(zhì)量差電解質(zhì)中裹挾炭渣量過大時，必須人工打撈。特別是某批炭塊質(zhì)量問題嚴重時，極大地增加了作業(yè)人員的工作量，如圖3所示。

圖3 電解作業(yè)人員打撈角部炭渣Fig.3 Carbon residues in the corner were taken out by electrolytic operators

1.6 加大氟化鹽消耗

實驗數(shù)據(jù)表明，電解槽生產(chǎn)過程中過熱度低、流動性差的電解質(zhì)，炭渣基本不能從電解質(zhì)中正常分離出來，打撈出來的炭渣凝結成塊狀，其中混合有約60%以上的電解質(zhì)。電解質(zhì)主要成份是氟化鹽，炭渣中的電解質(zhì)在生產(chǎn)現(xiàn)場難以靠挑揀實現(xiàn)物理分離回收，由此造成較大的物料浪費和資金損失，如圖4所示。

圖4 含有大量電解質(zhì)的塊狀炭渣Fig.4 Bolck carbon residues with large amounts of electrolytes

1.7 增加炭渣處置成本

炭渣作為電解鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的危險廢物[4]，按標準要求必須委托有專業(yè)處理資質(zhì)的企業(yè)進行無害化處理。正常生產(chǎn)情況下，噸鋁產(chǎn)生炭渣約（2.5～3.5） kg，噸鋁炭渣外委處理費用約（3～4）元。生產(chǎn)過程中，由于陽極質(zhì)量原因或日常維護不到位，噸鋁產(chǎn)生的炭渣量會成倍增加，處置成本也會大幅度上升。

1.8 脫硫系統(tǒng)運行成本升高

隨著國家對電解鋁行業(yè)煙氣排放標準的修訂和調(diào)整[5]，陽極中的硫元素經(jīng)過電解后生成SO2進入煙氣中，必須對煙氣中的SO2經(jīng)過脫硫達標后方可排放，當煙氣SO2濃度較高時，必須加大脫硫劑和水投放量，以降低SO2排放濃度，致使脫硫成本大幅度上升。

2 影響陽極質(zhì)量和炭渣增多的因素

2.1 石油焦或煅后焦中的雜質(zhì)元素，降低陽極的抗氧化性

其中石油焦中的V、Na等雜質(zhì)元素對空氣反應性影響非常明顯。V活性強，對空氣反應性影響較明顯[6]，特別是陽極中V含量超過150 g/t時，陽極的空氣反應性低于90%；當達到200 g/t時，陽極的空氣反應性低于85%。空氣反應性降低易造成陽極氧化，炭渣增多。

殘極中的Na對CO2反應性和空氣反應性有著較強的催化作用。據(jù)分析，粒徑小于1 mm的殘極中Na含量達到3 000 mg/kg左右，粘附在殘極底掌的電解質(zhì)，在配料時隨著殘極進入到炭塊中。新啟動電解槽采用高分子比的電解質(zhì)，殘極中的Na含量更高。降低殘極中的Na含量，從而降低陽極的空氣反應性。

2.2 炭塊生產(chǎn)工藝參數(shù)控制不穩(wěn)定

炭塊生產(chǎn)過程中要經(jīng)過石油焦煅燒，煅后焦、煤瀝青、殘極等配料混捏、振動成型、生陽極焙燒等多道生產(chǎn)工序，每道工序的工藝技術參數(shù)出現(xiàn)波動和原料配方偏差，以及在混捏時物料混合不均勻等都會影響到陽極炭塊質(zhì)量的穩(wěn)定。生陽極經(jīng)過高溫焙燒后粘附在炭塊表面、炭碗和開槽陽極槽內(nèi)的冶金焦，在電解槽更換陽極時進入電解質(zhì)中脫落為炭渣。電解槽換極后陽極表面保溫料封蓋不密實、殼面裂縫或局部塌殼，部分陽極炭塊裸露在空氣中，高溫陽極與空氣接觸反應，裸露處陽極表面出現(xiàn)炭粒掉落到電解質(zhì)中。

2.3 不同廠家陽極混用在同一臺電解槽

據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)大部分電解鋁企業(yè)缺少配套的陽極產(chǎn)業(yè)，投產(chǎn)時只能從市場采購陽極，為確保生產(chǎn)安全，往往要確定多家供應商。由于陽極組裝、存放、運輸?shù)仍颍虼嗽谏a(chǎn)過程中不同廠家的陽極很難做到分槽使用。而是一臺電解槽內(nèi)混用多個廠家的陽極，這些陽極由于供應廠家不同，即便是同一等級，也難免在理化指標和質(zhì)量均勻性方面存在一定差異，生產(chǎn)中時常出現(xiàn)部分陽極抗氧化性差，消耗不平衡，掉渣量大的現(xiàn)象。

2.4 火眼及打殼錘頭周圍陽極氧化產(chǎn)生的炭渣

槽門口火眼由于出鋁等操作，易造成靠近火眼附近陽極氧化掉渣。大型電解槽打殼下料點多達（5～7）個，打殼下料處錘頭按照設定的時間間隔交替打殼下料，靠近錘頭處的陽極由于錘頭粘附電解質(zhì)，形成葫蘆型錘頭，打殼下料過程中容易將陽極表面的保溫料打掉，露出陽極表面，與空氣接觸后出現(xiàn)氧化掉渣，如圖5所示。

圖5 電解槽火眼內(nèi)打撈的炭渣Fig.5 Carbon residues were taken out from the electrolytic cell

新建、大修或二次啟動電解槽在焙燒裝爐時使用大量的焦粒。焦粒作為電解槽通電焙燒的發(fā)熱體，裝爐時一次鋪底（800～1 000） kg，在電解槽啟動時隨著注入的電解質(zhì)液陸續(xù)漂浮上來，同時啟動期間熔化物料過程中陽極表面覆蓋料少，整個槽內(nèi)陽極暴露在空氣中，與空氣反應產(chǎn)生的大量炭渣。一臺電解槽在一個啟動周期內(nèi)噸鋁炭渣產(chǎn)生量達到（15～20） kg，如圖6、圖7所示。

圖6 裝爐時陰極表面鋪一層焦粒Fig.6 A layer of coke particles is laid on the cathode surface during charging

圖7 啟動時物料熔化陽極呈裸露狀態(tài)Fig.7 Anode is exposed when material melting at start up

近十幾年來，異型陰極技術得到了大面積推廣，異型陰極炭塊的凸臺主要作用是減緩槽內(nèi)鋁液在磁場作用下的流動，以減少鋁的二次反應損失。然而異型陰極凸起部分在運行（2～3） 年后，受沖刷磨損嚴重，局部甚至消失。停產(chǎn)電解槽清爐時可以明顯看出異型陰極表面的凸臺與凸臺之間逐漸過渡成平緩的波浪形式，如圖8所示。

圖8 破損電解槽的陰極和伸腿表面Fig.8 Cathode and electrolyte condensation crystallization surface of damaged electrolytic cell

3 提高陽極質(zhì)量和減少炭渣的措施

3.1 做好陽極生產(chǎn)用石油焦、煤瀝青和煅后焦、殘極等原材料質(zhì)量管理

嚴格控制V、Na、S等雜質(zhì)元素含量。加強煅燒、成型、焙燒等工序工藝參數(shù)優(yōu)化和過程精細化管理，嚴格控制每道工序產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗。特別是配料和混捏工序，物料要混捏均勻，以提高生陽極均質(zhì)性和焙燒質(zhì)量。優(yōu)化陽極外型設計，改四周直角型為圓弧型，減少生產(chǎn)過程中角部的掉渣量。采購優(yōu)質(zhì)陽極炭塊是減少電解質(zhì)熔液中炭渣的重要舉措。嚴格炭塊的理化指標分析檢驗，防止不合格陽極進入電解槽。

3.2 推廣應用低溫鋁電解生產(chǎn)工藝

近幾年來，低溫生產(chǎn)成為500 kA大型電解槽高效運行的工藝控制方向。通過積極優(yōu)化低電壓、低分子比、低電解溫度、低氧化鋁濃度、低效應系數(shù)、高極距的“五低一高”等新生產(chǎn)工藝管理思路，減少對陽極的熱沖擊和生產(chǎn)過程中的氧化現(xiàn)象。精準控制電解質(zhì)的過熱度，利于炭渣分離，降低工人的勞動強度。

3.3 加強電解槽的日常維護管理

實踐證明，陽極上保溫料層封蓋過薄易使空氣透過物料縫隙與陽極表面接觸，加速陽極表面氧化掉渣。陽極上保溫料覆蓋厚度適中、密實，能有效降低高溫陽極與空氣接觸，減少氧化現(xiàn)象。加強日常巡視，定期對殼面收邊整形，及時對陽極裸露部位和殼面裂縫、塌殼部位封堵，用工具勺對火眼部位和下料口處進行潑澆電解質(zhì)。嚴格控制覆蓋料的粒度，平均直徑小于1.5 cm粉料和顆粒料的混合料，有利于增加覆蓋層的密實度，阻止空氣進入陽極表面。加強邊部巡視和檢查，及時打撈積聚的炭渣，防止破損部位爐幫槽殼溫度過高，發(fā)生事故[7]。

3.4 積極應用低溫啟動電解槽工藝，防止陽極氧化

二次啟動電解槽、新建槽、大修槽要經(jīng)過（72～96）h焙燒，達到啟動溫度，期間要控制焙燒溫度和升溫曲線，防止溫度升高過快。正常情況下電解槽啟動時的槽溫，平均高于正常生產(chǎn)時的溫度（30～50）℃，由于需要熔化槽內(nèi)物料，及不斷添加的電解質(zhì)塊，以便達到正常生產(chǎn)時的液體電解質(zhì)高度，陽極不能封蓋物料，并且均裸露在空氣中，與液體電解質(zhì)接觸部位的陽極大面積氧化掉渣[8]。針對這種情況，要及時用電解質(zhì)液潑灑裸露的陽極表面，形成空氣隔離層，延緩陽極氧化。

3.5 采用新型防陽極氧化涂層新技術

在組裝好的陽極表面噴涂一層耐高溫防氧化涂層材料[9]，以便在陽極表面形成一層保護層，可以有效保護生產(chǎn)中的炭塊表面與空氣隔離，減少陽極氧化現(xiàn)象。而且采用防陽極氧化涂層技術與非涂層技術相比，可以延長陽極使用周期（1～1.5）d，并且殘極規(guī)整，厚薄均勻，陽極氧化掉渣少，又降低了噸鋁炭耗，如圖9所示。

圖9 采用防陽極氧化涂層后殘極規(guī)整，間距較小Fig.9 Anode scrap has regular structure and small separation distance by using of anti-anodizing coating

4 應用效果

陽極質(zhì)量直接決定電解槽運行管理的經(jīng)濟性。實踐證明，通過采取針對性的陽極質(zhì)量管控和電解槽日常精細維護措施，陽極換極周期延長了（1～1.5） d，噸鋁炭耗降低了（12～18） kg；噸鋁炭渣產(chǎn)生量下降超過了55%，由原來的（6～7） kg降到了（2.5～3） kg；凈化脫硫系統(tǒng)小時投水量下降了（1.5～2） t，生石灰小時投放量下降了20 kg。不僅降低了生產(chǎn)成本，增加了企業(yè)經(jīng)濟效益，而且減輕了工人的勞動強度，取得了顯著的效果。

5 結語

1）提高陽極質(zhì)量，減少電解生產(chǎn)過程中的炭渣，必須從原料質(zhì)量、生產(chǎn)工藝控制入手，嚴格控制雜質(zhì)元素V、Na、S的含量，強化煅燒、配料、混捏、成型、焙燒等工序工藝和質(zhì)量管理，提高陽極成品合格率。推行陽極分槽使用；

2）優(yōu)化電解槽的工藝技術參數(shù)，推廣應用低溫低電壓生產(chǎn)工藝，保持合適的過熱度，確保電解質(zhì)中炭渣的能夠良好分離，降低對電解槽的干擾；

3）做好啟動期間的電解槽的維護管理，及時潑灑電解質(zhì)液保護裸露陽極隔絕空氣，減少炭渣產(chǎn)生量；

4）推行防陽極氧化涂層技術，不僅可以有效減少陽極炭渣的產(chǎn)生，而且可以延長換極周期，降低陽極炭塊單耗，提高企業(yè)經(jīng)濟效益；

5）加強電解槽日常維護，嚴把入槽炭塊質(zhì)量關，日常操作中推進標準化、精細化維護管理，減少陽極氧化現(xiàn)象的發(fā)生。