納米陶瓷基鋁電解陽極防氧化技術(shù)的應(yīng)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(jù)統(tǒng)計(jì)，陽極成本約占電解鋁生產(chǎn)成本的10%～15%[1]，是每一個(gè)電解鋁生產(chǎn)企業(yè)都要考核的重要指標(biāo)。在鋁電解過程中陽極理論炭耗334kg/t-Al，而實(shí)際炭耗一般為460～500kg/t-Al，甚至個(gè)別企業(yè)炭耗更是高達(dá)510～520kg/t-Al[2]。因此，為了達(dá)到節(jié)能減排的目的，必須通過一種方法或工藝降低電解鋁行業(yè)的高炭耗，同時(shí)這也是電解鋁行業(yè)積極響應(yīng)我國碳達(dá)峰、碳中和的國家戰(zhàn)略的一種重要體現(xiàn)。

炭陽極的消耗主要由電解消耗、額外消耗（包括化學(xué)消耗和機(jī)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(jìn)行降低的。額外消耗主要是生產(chǎn)過程中的化學(xué)氧化和機(jī)械脫落所造成的，而機(jī)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(duì)炭陽極的氧化過程進(jìn)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(hù)材料的措施來對(duì)陽極進(jìn)行防氧化保護(hù)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(shí)驗(yàn)研究，但由于施工工藝復(fù)雜、常溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間長亦或材料性能等方面的原因未見其進(jìn)行規(guī)?；墓I(yè)應(yīng)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(dá)到較好的陽極防氧化效果，工藝操作簡單。

本文是針對(duì)前期工業(yè)槽試驗(yàn)應(yīng)用[9，10]效果的基礎(chǔ)上做了后續(xù)的長期工業(yè)應(yīng)用研究，旨在為陽極防氧化涂層材料[8]的長期工業(yè)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考和經(jīng)濟(jì)核算。

1 應(yīng)用過程

1.1 應(yīng)用過程簡介

（1）本長期工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)是在陜西某鋁廠400KA電解槽上進(jìn)行，試驗(yàn)分為4臺(tái)試驗(yàn)槽（4321#、4322#、4323#、4324#）和4臺(tái)對(duì)比槽（4315#、4316#、4317#、4318#）。自2019年9月25日起至2020年3月15日止，歷時(shí)5個(gè)換極周期，并對(duì)長期工業(yè)應(yīng)用結(jié)果持續(xù)跟蹤。

（2）試驗(yàn)第一周期（9月25日-10月28日）：試驗(yàn)槽與對(duì)比槽的換極周期均為34天，在新陽極入槽前，測(cè)量試驗(yàn)槽涂層新極高度和對(duì)比槽無涂層新極高度。此周期的主要試驗(yàn)?zāi)康氖怯猛繉有聵O逐漸替換試驗(yàn)槽中的無涂層陽極。

（3）試驗(yàn)第二周期（10月29日-12月1日）：試驗(yàn)槽與對(duì)比槽的換極周期均為34天，每天測(cè)量第一周期中入極的試驗(yàn)槽和對(duì)比槽的陽極殘極尺寸（長、寬、高）。此周期的主要試驗(yàn)?zāi)康氖牵孩俜€(wěn)定槽況，減小前期由于涂層陽極與未涂層陽極混雜對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；②通過測(cè)量試驗(yàn)槽和對(duì)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(shù)據(jù)依據(jù)。

（4）試驗(yàn)第三周期（12月2日-1月5日）：試驗(yàn)槽換極周期為35天、對(duì)比槽換極周期為34天，每天測(cè)量第二周期中入極的試驗(yàn)槽和對(duì)比槽的陽極殘極尺寸（長、寬、高）。此周期的主要試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^測(cè)量試驗(yàn)槽和對(duì)比槽殘極尺寸，為延長涂層陽極的使用周期提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

（5）試驗(yàn)第四周期（1月6日-2月10日）：試驗(yàn)槽換極周期為35天、對(duì)比槽換極周期為34天，每天測(cè)量第三周期中入極的試驗(yàn)槽和對(duì)比槽的陽極殘極尺寸（長、寬、高）。此周期的主要試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^測(cè)量試驗(yàn)槽和對(duì)比槽殘極尺寸，為是否進(jìn)行涂層陽極的長期應(yīng)用提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（6）試驗(yàn)第五周期（2月11日-3月15日）：試驗(yàn)槽換極周期為35天、對(duì)比槽換極周期為34天，每天測(cè)量第四周期中入極的試驗(yàn)槽和對(duì)比槽的陽極殘極尺寸（長、寬、高），同時(shí)對(duì)部分試驗(yàn)槽和對(duì)比槽的殘極重量進(jìn)行了抽查。此周期的主要試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^測(cè)量試驗(yàn)槽和對(duì)比槽殘極尺寸，為涂層陽極的長期應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果；同時(shí)，就涂層材料在長期應(yīng)用期間對(duì)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(shí)

（7）在五個(gè)周期中均對(duì)原鋁質(zhì)量進(jìn)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(yīng)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(yàn)在冬季開展，噴涂時(shí)室溫較低，導(dǎo)致涂料流動(dòng)性不好，且每次噴涂陽極塊數(shù)較少，噴涂設(shè)備粘結(jié)現(xiàn)象較多，大面積推廣后噸鋁用量應(yīng)不超過1.6kg。

1.3 應(yīng)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(guī)整，無涂層陽極殘極厚度較薄且角部氧化較涂層陽極殘嚴(yán)重。

圖3 試驗(yàn)槽涂層陽極殘極

圖4 對(duì)比槽無涂層陽極殘極

圖5 殘極稱重

2 應(yīng)用結(jié)果與分析

2.1 殘極尺寸

2.1.1 第二周期應(yīng)用數(shù)據(jù)

（1）第二周期殘極尺寸對(duì)比：如表1所示。

表1 第二周期殘極尺寸統(tǒng)計(jì)表

（2）第二周期每塊陽極消耗折線對(duì)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(yīng)用數(shù)據(jù)分析

（1）由表1數(shù)據(jù)得出：①試驗(yàn)極日均消耗高度為444.3 mm/34天=13.1mm/天，對(duì)比極日均消耗高度為460.8mm/34天=13.6mm/天，整個(gè)第二周期34天內(nèi)試驗(yàn)極較對(duì)比極實(shí)際消耗高度可節(jié)約出16.5mm（大于試驗(yàn)極13.1mm/天的消耗高度），故試驗(yàn)極已達(dá)到延長一天周期的要求。②殘極的長度和寬度方面：試驗(yàn)極長度較對(duì)比極長15.4mm，寬度較對(duì)比極寬17.6mm，試驗(yàn)極均較對(duì)比極有明顯優(yōu)勢(shì)。③殘極角部氧化率方面：試驗(yàn)極（1%）較對(duì)比極（14%）低13%。④殘極的幾何外形規(guī)整性（殘極的長度、寬度、角部氧化率）方面：綜合②③的數(shù)據(jù)分析可得出，試驗(yàn)極幾何外形保持的更加規(guī)整，這對(duì)保持電解槽槽況穩(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）有一定的促進(jìn)作用[11]。⑤消耗480mm以上占比方面：對(duì)比槽消耗高度超過480mm以上數(shù)量占比為10.4%，超過殘極總數(shù)10%這一警戒值。說明如若在第三周期中對(duì)比槽延長一天換極周期將存在極大的透底風(fēng)險(xiǎn)；試驗(yàn)槽消耗高度超過480mm以上數(shù)量占比為0.5%，遠(yuǎn)低于殘極總數(shù)10%這一警戒值，說明在第三周期中試驗(yàn)槽延長一天換極周期存在透底風(fēng)險(xiǎn)的概率極低。⑥殘極高度離散度方面：試驗(yàn)極（16.5mm）高度離散度較對(duì)比槽（18.2mm）小1.8mm。說明試驗(yàn)極較對(duì)比極在殘極厚度的穩(wěn)定性方面有優(yōu)勢(shì)。⑦殘極高度最小10%方面：試驗(yàn)極（147.1mm）高度最小10%較對(duì)比槽（127.4mm）厚19.7mm。說明在殘極最薄的數(shù)據(jù)方面，試驗(yàn)極殘極厚度比對(duì)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(shù)據(jù)方面，試驗(yàn)極殘極厚度的“短板效應(yīng)”沒有對(duì)比極明顯，涂層材料的使用對(duì)透底安全性有較大的提高，這也為試驗(yàn)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(yàn)極平均消耗高度曲線明顯處在對(duì)比極曲線下方，試驗(yàn)極陽極消耗較對(duì)比極低，降耗效果明顯。

2.1.3 第三周期應(yīng)用數(shù)據(jù)

（1）第三周期殘極尺寸對(duì)比：如表2所示。

表2 第三周期殘極尺寸統(tǒng)計(jì)表

（2）第三周期每塊陽極消耗折線對(duì)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(yīng)用數(shù)據(jù)分析

（1）由表2數(shù)據(jù)得出：①延長一天換極周期的試驗(yàn)槽（35天周期）比未延周期的對(duì)比槽（34天周期）實(shí)際消耗高度低3.3mm，且試驗(yàn)極的長、寬分別較對(duì)比極長13.8mm、寬6.1mm。延長一天換極周期后的試驗(yàn)極殘極尺寸較對(duì)比極依然略有優(yōu)勢(shì)。②殘極角部氧化率方面：試驗(yàn)極（1.6%）較對(duì)比極（8.3%）少6.8%。說明試驗(yàn)極在延長一天周期后的角部氧化率較對(duì)比極少，試驗(yàn)極在保持幾何外形規(guī)整性方面依然有優(yōu)勢(shì)。③消耗480mm以上占比方面：對(duì)比槽消耗高度超過480mm以上數(shù)量占比為9.9%，試驗(yàn)槽消耗高度超過480mm以上數(shù)量占比為4.2%，對(duì)比槽數(shù)據(jù)接近10%這一警戒值，而試驗(yàn)槽離10%警戒值較遠(yuǎn)，說明在第四周期中試驗(yàn)槽延長一天換極周期存在透底風(fēng)險(xiǎn)的概率低于對(duì)比槽。④陰影數(shù)量和透底數(shù)量方面：陰影數(shù)量方面試驗(yàn)極（0塊）與對(duì)比極（0塊）一樣、透底數(shù)量方面試驗(yàn)極（8塊）與對(duì)比極（7塊）相近，可見試驗(yàn)極透底風(fēng)險(xiǎn)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(yàn)極（18.5mm）高度離散度較對(duì)比槽（18.1mm）小0.4mm。說明試驗(yàn)極在延長一天換極周期后較未延長一天換極周期的對(duì)比極在殘極厚度的穩(wěn)定性方面仍然有優(yōu)勢(shì)，但優(yōu)勢(shì)不明顯。同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)極與對(duì)比極在第三周期中實(shí)際消耗高度數(shù)據(jù)（試驗(yàn)極較對(duì)比極低3.3mm），說明涂層材料的使用在降低了試驗(yàn)極實(shí)際消耗高度3.3mm的同時(shí)，也降低了試驗(yàn)極殘極厚度0.4 mm的波動(dòng)值，這樣就相當(dāng)于試驗(yàn)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(shù)值要小于第三周期試驗(yàn)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(yàn)的極限天數(shù)。⑥殘極高度最小10%方面：試驗(yàn)極（136mm）高度最小10%較對(duì)比槽（129mm）厚7mm。說明試驗(yàn)極在延長一天換極周期后殘極最薄的數(shù)據(jù)方面比對(duì)比極厚7mm，試驗(yàn)極殘極厚度的“短板效應(yīng)”依然沒有對(duì)比極明顯，透底安全性方面依然優(yōu)于對(duì)比極。

（2）由圖8和圖9可看出：試驗(yàn)極消耗高度曲線與對(duì)比極消耗高度曲線相互交錯(cuò)，但是仍然可以看出試驗(yàn)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(duì)比極。

2.1.5 第四、五周期應(yīng)用數(shù)據(jù)

（1）第四周期殘極尺寸對(duì)比：如表3所示。

表3 第四周期殘極尺寸統(tǒng)計(jì)表

（2）第四周期每塊陽極消耗折線對(duì)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(duì)比：如表4所示。

表4 第五周期殘極尺寸統(tǒng)計(jì)表

（4）第五周期每塊陽極消耗折線對(duì)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(yīng)用數(shù)據(jù)分析

由表3、表4、圖10、圖11、圖12、圖13的數(shù)據(jù)得出：①延長一天換極周期的試驗(yàn)槽（35天周期）較未延周期的對(duì)比槽（34天周期）在實(shí)際消耗高度、幾何外形規(guī)整性（長、寬、角部氧化率）、消耗480mm以上占比、陰影數(shù)量、透底數(shù)量、高度離散度、高度最小10%等各指標(biāo)方面仍然有數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)。②結(jié)合實(shí)際消耗高度和高度離散度方面的數(shù)據(jù)可看出，在第四、五周期中相當(dāng)于試驗(yàn)極在延長一天周期后較對(duì)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(shù)據(jù)可看出，在第四、五周期中試驗(yàn)極殘極厚度的“短板效應(yīng)”依然沒有對(duì)比極明顯，透底安全性方面依然優(yōu)于對(duì)比極。④綜合①②③方面的數(shù)據(jù)分析可得出，隨著試驗(yàn)周期的不斷延長，涂層材料對(duì)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(yīng)用對(duì)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(xiàn)涂層材料對(duì)陽極的防氧化效果，2月26日對(duì)試驗(yàn)槽（換極周期35天）和對(duì)比槽（換極周期35天）的殘極進(jìn)行抽檢稱重對(duì)比，稱重情況如表5所示：

表5 殘極稱重表

為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，殘極在清理完覆蓋料后連同導(dǎo)桿、鋼爪及磷鐵環(huán)一起稱重。從稱重結(jié)果看，延長一天換極周期后的試驗(yàn)極殘極仍然較對(duì)比極殘極平均重18kg，故陽極防氧化涂層材料的長期應(yīng)用對(duì)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(zhì)量

2.2.1 原鋁質(zhì)量結(jié)果

（1）原鋁鐵含量試驗(yàn)結(jié)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(duì)比：如表6所示。

表6 各周期鐵含量平均值變化對(duì)比表

（2）原鋁硅含量試驗(yàn)結(jié)果

①平均值曲線對(duì)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(duì)比：如表7所示。

表7 各階段硅含量平均值變化對(duì)比表

2.2.2 原鋁質(zhì)量數(shù)據(jù)分析

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

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

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

（4）由表7可看出：試驗(yàn)槽硅含量在試驗(yàn)后期高于試驗(yàn)前期，對(duì)比槽則基本穩(wěn)定，試驗(yàn)槽較對(duì)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(guān)，但總體來說試驗(yàn)槽硅含量趨于穩(wěn)定，且在正常值內(nèi)，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(wěn)定，涂層材料的長期應(yīng)用對(duì)原鋁質(zhì)量品位無影響。

3 經(jīng)濟(jì)效益估算

見表8。

表8 經(jīng)濟(jì)效益估算表 單位：萬元/年

4 結(jié)論

（1）陽極防氧化涂層材料實(shí)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噴涂的均勻性，確保涂料的流動(dòng)性。

（2）陽極防氧化涂層材料的長期應(yīng)用可有效降低炭塊的氧化掉渣，對(duì)保持陽極幾何外形規(guī)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(jīng)長期應(yīng)用后，原鋁鐵含量下降，硅含量略有上升并趨于穩(wěn)定，涂層材料的長期應(yīng)用對(duì)原鋁質(zhì)量品位無影響。

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