广西百色银海铝业有限责任公司 广西百色 533000
摘要：随着国内铝电解产能严重过剩及国家不断出台严厉的产业限制政策，企业为生存与发展，日益加强了生产过程成本管理与收益分析。本文在分析铝用炭素阳极消耗机理的基础上,评述了阳极生产和电解铝生产中的诸多因素对炭素阳极消耗的影响,这些因素包括:阳极电流密度、石油焦煅烧温度、阳极焙烧温度、电解槽操作温度、阳极硫含量、阳极金属杂质、残极和灰分、阳极添加剂、电解质添加剂、阳极配方的沥青用量和阳极保护措施等。
关键词：电解铝；炭素阳极消耗；保护措施
1 前言
铝电解槽的阳极可分为自焙阳极和预焙阳极两种形式。炭素阳极在铝电解槽生产过程中起着十分重要的作用,它作为导体将直流电导入电解槽,并作为电解槽阳极材料参与阳极反应过程。和Al2O3一样,作为铝电解工业的基本原材料之一,消耗性炭素阳极随着电解过程中的进行不断地消耗。当电流效率为92%时,理论炭耗为363kg/t-Al(即334/CE,CE为电流效率)。但是,在实际生产过程中,阳极炭块的实际消耗量远大于其理论炭耗,实际炭耗量在我国达到450kg/t-Al以上(有的甚至超过了500kg/t-Al),比理论消耗多出至少100kg。因此,对现行炭素阳极进行综合研究,改善电解过程和阳极生产工艺,提高阳极质量,降低炭素阳极消耗的研究,仍是铝工业界和相关研究机构关注的重点问题。
2 铝电解槽炭阳极消耗现状
在工业生产中，铝电解槽阳极的消耗实际达到500kg/t-Al左右(见表1)，随着现代大型预焙铝电解槽技术的不断进步，这一指标不断走低。尽管生产管理采取了诸多有效措施，阳极消耗指标始终在某一位置，降不下来。对于一个20万t电解铝产能的企业而言，如果阳极单耗降低5kg/t-Al，以阳极块成本4000元/吨计，则企业年度降本增效400万元。这在后危机未退，欧债危机又临的市场环境下可谓大幅扭亏增盈举措。如果措施再得力，收效更明显。由此，我们分析指标提升的途径或举措，对流程的任何一个环节都有必要进行认真的分析与总结，对企业生产管理意义重大。
3铝电解过程中阳极消耗方式
铝电解过程中，在强大直流电作用下，原料氧化铝在高温熔盐体系中分解成铝离子和氧离子，阴极附近因富集铝而汇聚形成铝液，阳极附近富集氧离子并与碳离子发生反应生成CO2或CO，并以气体形式排空，阳极炭块由此参与反应而不断消耗。尽管如此，但在实际生产中由于种种原因，阳极炭块在槽生产中往往存在其他消耗，成为阳极消耗指标增加的主要原因。
3.1 电化学反应
阳极炭块的消耗大部分是由电解过程中电化学反应直接消耗的。在铝电解过程中，氧离子在阳极表面放电，与碳反应生成CO2和CO并以气泡的形式排出槽外。本项方式属于正常消耗。
3.2 氧化
所谓阳极氧化，通常发生在阳极的顶部和暴露的侧面。一般是端部阳极在中缝处部位氧化较为严重。由于系无功消耗，属于不正常消耗方式。
3.3 掉渣
铝电解用炭阳极是由煅后焦按照不同粒度的配比、采用沥青粘结并振动成型、经高温焙烧后的组装块。在炭阳极生产与应用过程中的任一工序，工序工艺技术或生产状况的变化都会对阳极质量产生影响，导致阳极生产过程中发挥不出最佳效果，且容易在槽生产过程中掉渣，增加消耗;同时对槽状况形成影响，恶化电解质体系，应当杜绝。
4影响炭耗消耗的因素
4.1电流密度
阳极电流密度与炭耗有密切的关系,一般认为,随着阳极电流密度的增加炭耗会减少,但是也曾有过相反的报道。阳极炭耗随电流密度的变化与反应的进行程度有很大的关系。阳极气体组分的研究表明,当电流密度小于0.1A/cm2的时候,阳极气体中以CO为主,但是当电流密度高于0.3A/cm2的时候则以CO2为主。也曾有报道认为,在合适的电流密度下,炭耗可达到最小值,Revazyan〕发现这个最优值在0.94A/cm2～1.03A/cm2之间,而Smodrodinov却认为是0.8A/cm2～0.9A/cm2。产生此现象的原因是:在低电流密度下,阳极反应产生的CO含量增多,炭耗增大,另外,阳极选择性氧化导致炭渣的增加,也增加了阳极总炭耗;随着电流密度的提高,阳极消耗变得更加均匀,炭渣脱落相对减少,再加上阳极气体中CO含量减少,使得阳极炭耗随电流密度提高而减少;但当电流密度达到一定值后,阳极上热负荷增大,温度提高,其他影响阳极炭耗的因素(如阳极侧面的空气燃烧)作用更加明显,从而导致阳极炭耗的增加。但电流密度的变化并不影响阳极的化学消耗机理。
4.2 温度
骨料石油焦的煅烧温度,阳极的焙烧温度和电解槽操作温度都对阳极炭耗产生影响。
4.3 阳极杂质与添加剂
炭素阳极中的杂质可以强烈地影响其化学氧化反应过程的速率和反应进程,因为这些杂质在阳极氧化过程中可起催化作用或反催化作用。曾有大量的文献研究过杂质对炭的氧化反应的影响。另外,杂质元素随着炭素阳极的不断消耗而进入电解质熔体中,其中比铝正电性的杂质元素在阴极优先还原析出,降低电流效率,从而间接地导致炭耗的增加。
4.4 电解质添加剂
一般认为,电解质添加剂可降低阳极炭耗,这主要是因为:添加剂可以降低电解质初晶温度,从而降低阳极温度,减缓阳极氧化;另外,有些添加剂能降低阳极与熔体的界面张力,改善电解质对阳极表面的润湿,减少阳极表面聚集的CO2气泡,从而减缓布多尔反应,并使得阳极更均匀地消耗,从而减少炭渣的产生。可降低阳极炭耗的电解质添加剂有:NaCl、NaF、LiF、KF、KCl、AlF3、CaF2(<10%)、B2O3和Na2B4O7(<3%)在一定的温度下,增加电解质分子比会增加阳极炭耗损耗,但是添加NaCl又可降低阳极炭耗。
5结 语：
近年来,随着我国电解铝工业的蓬勃发展,电解槽容量不断增大和相关先进技术的相继采用,对炭素阳极的质量的要求也越来越高。然而,我国铝用炭素阳极生产相对落后,一些厂家的技术、设备落后,原料来源复杂、品质不一,缺乏系统的分析检测,阳极生产工艺难以适应复杂的原料。因此,我国必须进一步优化阳极制备和电解铝生产技术条件,加强新技术开发应用,全面提高阳极制品质量,以降低阳极炭耗,进一步降低原铝生产成本。
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论文作者:吴长晏
论文发表刊物:《防护工程》2017年第6期
论文发表时间:2017/7/14
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