400 kA鋁電解槽降低預(yù)焙陽極消耗的探討

張景強

(黃河鑫業(yè)有限公司, 青海 西寧 811600)

?

400 kA鋁電解槽降低預(yù)焙陽極消耗的探討

張景強

(黃河鑫業(yè)有限公司, 青海 西寧 811600)

400 kA大型預(yù)焙鋁電解陽極用量大，陽極消耗直接影響企業(yè)經(jīng)濟效益。本文通過分析找差距，提出改進措施，降低了炭素陽極消耗量，取得顯著成效。

預(yù)焙陽極； 碳耗； 降耗措施

大型鋁電解預(yù)焙陽極消耗問題一直受到鋁冶煉廠關(guān)注，也困擾著鋁冶煉技術(shù)管理人員,在目前原鋁市場價格低迷﹑企業(yè)全方位節(jié)能降耗增效之際，為降低生產(chǎn)成本，對約占成本11%左右陽極消耗進行技術(shù)挖潛極為重要。

針對本公司強電流低電壓生產(chǎn)后影響碳耗的諸因素進行分析研究，結(jié)合生產(chǎn)實際，優(yōu)化陽極尺寸、優(yōu)化工藝技術(shù)條件，改進操作，進一步降低了陽極消耗，為企業(yè)減虧增效。

1 降低消耗的可能性及現(xiàn)狀

碳陽極反應(yīng)總方程為：

Al2O3+yC=2Al+(3-y)CO2+(2y-3)CO

(1)

由此推碳消耗量的計算式為：

式中：§——碳消耗率，kg/kg·Al；x——氣體中CO2摩爾量。

當x=1時，生產(chǎn)1 000 kg Al理論上碳消耗量為333 kg，由于陰陽極副反應(yīng)的存在，CO2所占摩爾量<1，理論碳消耗量高于計算值，實際生產(chǎn)中更高，往往達到450 kg/t·Al。

當CO2摩爾量為0.7時，理論碳消耗量為393 kg/t。

電效可達η=1/2(CO2%+100%)+3.5%=88.5%

本公司統(tǒng)計電流效率高于89.5%，理論碳消耗量應(yīng)小于387 kg/t，預(yù)示有降低碳耗的空間。

2 陽極消耗

陽極消耗見表1。

近兩年雖然陽極凈耗有所下降，但與法鋁400 kg/t·Al、蘭鋁395 kg/t·Al相比，差距顯著，也就是說有潛力可挖。

2.1 強化電流后陽極消耗

強化系列電流后，陽極消耗有增大的趨勢。電流強度由400.3 kA提高到404 kA，槽電壓由4.05 V降到3.95 V再至3.91～3.88 V，為保持熱平衡適度降低鋁液水平高度。發(fā)現(xiàn)爐膛擴大，陽極消耗過快，原鋁質(zhì)量下降，殘極形狀極不規(guī)整，換極周期被迫縮短，陽極消耗量增大,詳見表2。

表2 某月陽極質(zhì)量典型缺陷情況統(tǒng)計

2.2 指標影響

根據(jù)相關(guān)文獻，提高陽極質(zhì)量后，可降低陽極消耗，提高電流效率，增加產(chǎn)量，降低能耗。陽極質(zhì)量提高后，陽極消耗降低，對應(yīng)陽極掉渣減少，對電解質(zhì)的污染程度減小，電解質(zhì)電導(dǎo)率提高，氧化鋁擴散溶解加快，電效提高，產(chǎn)量增加，能耗降低。

2.3 陽極尺寸

如表3所示加大陽極長度與寬度有空間，加大陽極尺寸，再適度強化電流可維持或降低陽極電流密度，降低消耗的同時微弱加大極距ACD、提高電流效率。陽極長度增加40 mm，碳碗深度由目前130 mm計劃調(diào)整到115 mm,電解槽殼及陽極成型焙燒空間允許，同時增加陽極倒角可行。

表3 電解槽操作參數(shù)及尺寸

3 陽極消耗高的原因

3.1 陽極質(zhì)量

陽極質(zhì)量不穩(wěn)定，電阻率居高不下，長期接近65 μΩm，高質(zhì)量陽極的電阻率會更低，達到50 μΩm。陽極炭塊質(zhì)量指標陽極電壓降為0.4 V，國際陽極電壓降先進指標為0.3 V，現(xiàn)場跟蹤陽極壓降有時高達0.48 V。與國標(表4)對比，質(zhì)量不穩(wěn)定而且超標。與國外指標有巨大差距，尤其顯現(xiàn)在微量元素雜質(zhì)的控制。

表4 國家鋁用碳陽極理化指標

3.2 陽極掉渣

由于陽極各組分差異較大，造成化學(xué)剝落，掉渣粒，詳見示意圖1。

圖1 陽極掉渣示意圖

石油焦及瀝青市場采購供貨廠商達9家之多，受生產(chǎn)倉儲局限，無法真正按成分批次針對性進行配料，很難做到完全可控。當裝入電解槽參與電解反應(yīng)時，預(yù)焙陽極粘接焦體選擇性燃燒對掉渣影響較大。

陽極導(dǎo)電發(fā)熱后，如若暴露在空氣中極易氧化、掉渣。

3.3 碳- 碳消耗

當陽極氣體浸入多孔的碳陽極發(fā)生了布達爾反應(yīng)：

CO2+C→CO

(2)

陽極焙燒時升溫過快，產(chǎn)生排氣通道過多過大，相對混合氣體浸入陽極體內(nèi)5～8 mm而過深，電解參與導(dǎo)電和電化學(xué)反應(yīng)對應(yīng)加劇，陽極消耗增加；在陽極側(cè)部上部表面腔膛內(nèi)，CO2與C的反應(yīng)，增加了電化學(xué)反應(yīng)，生成CO。

3.4 雜質(zhì)影響

原料、設(shè)備、工藝技術(shù)條件不變時，控制無機物雜質(zhì)含量，可降低碳陽極在電解過程中的消耗速率。

另外陽極組裝搬運時機械損壞等也增加消耗量。

4 降低陽極消耗的措施

4.1 提高理化指標

降低消耗量，關(guān)鍵是提高陽極各項理化指標，提高陽極質(zhì)量。具體措施如下：

(1)穩(wěn)定貨源渠道，控制石油焦、瀝青質(zhì)量，按國際標準嚴格控制無機物雜質(zhì)含量。

(2)優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯技術(shù)條件，提高煅后焦指標，提高真比重、揮發(fā)份、水分指標。體積密度越大，滲透率越小，陽極氧化和掉渣就越少。

(3)改進陽極配方，根據(jù)堆球間隙理論，進行骨料顆粒有選擇性配料，選擇添加AlF2最佳配比量。穩(wěn)定混捏溫度、強度，穩(wěn)定三工位震動時間避免過震與欠震。

(4)采用計算機檢測分析控制，以嚴格控制焙燒升溫曲線，優(yōu)化曲線，保證焙燒塊質(zhì)量，控制焙燒升溫曲線，見圖2。均一陽極質(zhì)量，降低并穩(wěn)定電阻率至52 μΩm。

圖2 控制升溫曲線

(5)嚴格鋼爪澆注操作規(guī)程，改善磷生鐵配比，澆鑄前去表面氧化物，加浸石墨漿，降低鐵碳接觸壓降。

4.2 提高電解操作質(zhì)量

(1)提高扒凈浮料、撈盡殼塊，設(shè)置更準，采用激光定位儀，保證新極比原位殘極高10 mm安裝。

(2)給陽極表面端頭澆灌電解質(zhì)，出鋁口、火眼、氣道塑性封堵，防止氧化。

(3)加厚新?lián)Q極后的封極保溫料，可用破碎塊不同粒度配比混合料封極，氧化鋁粉覆蓋陽極上方，這樣分層混合封極，防止陽極透氣氧化。

(4)由于強化系列電流，陽極可能過熱、脫極，要適當減薄低極上的保溫料，厚度由160 mm減薄至100 mm?？s減陽極上部空腔量，減少陽極表面布達爾反應(yīng)，詳見示意圖3。

圖3 縮減陽極上部空腔量示意圖

(5)針對少數(shù)槽陽極消耗量小，有針對性的壓極不換，適度延長換極周期，節(jié)約陽極。

(6)停﹑開槽時測量評估單槽對系列槽的磁平衡的影響，及時修訂換極制度以平衡系列磁場，以期減弱換極操作對相鄰槽的磁、電影響。

4.3 優(yōu)化工藝條件

(1)穩(wěn)定電解運行質(zhì)量，優(yōu)化三保五低，即保爐膛規(guī)整、保爐底潔凈、保槽況穩(wěn)定、低溫、低分子比、低氧化鋁濃度、低AE系數(shù)、低電壓。

(2)適度增高鋁水平，穩(wěn)定電解質(zhì)量，使強化電流后保持電解槽的熱穩(wěn)定性。

(3)調(diào)整電解質(zhì)成分，嚴控LiF 3.2%含量穩(wěn)定，保持有效過熱度，進一步降低槽溫至940～950 ℃。據(jù)報道，電解溫度降低10 ℃，陽極消耗下降15 kg/t·Al。

(4)陽極效應(yīng)系數(shù)從0.05進一步降低至0.03，減少陽極效應(yīng)時陽極劇烈導(dǎo)電、熱沖擊、選擇性反應(yīng)掉渣消耗。

4.4 加大陽極尺寸

加大陽極尺寸，適度降低陽極電流密度，增加極距、提高電效。

(1)增加陽極長度，即在現(xiàn)有陽極長度基礎(chǔ)上對稱加長20 mm；由于充分加大ACD面積內(nèi)的截面，減少氣泡的體積及厚度，加大了極距。

(2)加大陽極尺寸，適度降低了陽極電壓降，同時加大鋼爪，改進鋼爪碗的尺寸。

(3)改善陽極濕潤性和氣泡逸出速度，采用模擬殘極形狀修訂成型模具，對新陽極采用大倒角，陽極開縫寬度縮至5～8 mm，以利于改善陽極的濕潤性，有力于氣泡逸出，增加ACD。陽極形狀、長寬比例示意圖見圖4。

圖4 陽極形狀示意圖

5 運行結(jié)果

(1)陽極質(zhì)量提高、殘極規(guī)整、厚度降低。

在不改變400 kA電解槽陰極結(jié)構(gòu)本體狀況下，從陽極著手，抓住關(guān)鍵工序，穩(wěn)定配比和焙燒曲線,提高了碳陽極質(zhì)量。運行后殘極規(guī)整，厚度由150 mm降低至135 mm。

(2)陽極通過大電流考驗、槽況趨穩(wěn)、指標提高。

400 kA電解槽碳陽極經(jīng)過適度加大尺寸、改進質(zhì)量，改進電解操作、優(yōu)化電解工藝控制等細節(jié)，碳陽極不但經(jīng)受了增大系列電流的考驗，電解運行更加穩(wěn)定；增加陽極長度，針振減少，最大擾動增長率下降，由0.001 21/s降至0.001 05/s，槽況較以往穩(wěn)定；降低了陽極消耗達9 kg/t·Al，延長了陽極使用周期(平均達32天)，減輕了勞動量，降低成本。陽極凈耗量向國內(nèi)外先進指標靠近，指標對比詳見表4。

表4 陽極凈耗量與國內(nèi)外先進指標對比

6 結(jié)語

影響陽極消耗主因是陽極質(zhì)量，其次才是配套使用。陽極質(zhì)量改性首先是對原料選擇和生產(chǎn)工藝制度優(yōu)化，其次是向陽極中添加改良劑，減緩陽極與空氣和CO2的反應(yīng)，達到降低炭耗的目的，或者改善陽極的電化學(xué)性質(zhì)，達到降低陽極工作過程中的過電壓。

國內(nèi)外400 kA預(yù)焙陽極電解槽運行廠家陽極凈耗差距較大，陽極消耗理論值與實際運行值亦有差距，各廠家運行模式也不一致，應(yīng)針對各自允許空間改進，力爭提高電解“心臟”- 陽極的質(zhì)量，節(jié)能降耗,減虧增效。

[1] 姜玉敏．大型預(yù)焙鋁電解槽碳耗問題的研究[J]．輕金屬, 1998(9)．

[2] 邱竹賢．預(yù)焙槽煉鋁(修訂版)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1988．

[3] 路忠勝．降低碳陽極消耗對鋁廠經(jīng)濟效益的影響[J]．輕金屬,2001(8)．

[4] 劉業(yè)翔, 李劼．現(xiàn)代鋁電解[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2008．

Reduce consumption of 400 kA aluminum electrolytic cell prebaked anode

ZHANG Jing-qiang

400 kA aluminum electrolytic prebaked anode consumption is large and directly affects the economic benefit of the enterprise. In this paper the improvement measures were put forward, the carbon anode consumption was reduced through analysis and searching the gap, and remarkable results was achieved.

prebaked anode; carbon consumption; consumption reduction measures

張景強(1972—)，男，甘肅白銀人，冶煉工程師，從事鋁冶煉生產(chǎn)技術(shù)管理。

2014-- 02-- 20

2014-- 03-- 28

TF821

B

1672-- 6103(2015)02-- 0041-- 04