炭陽(yáng)極質(zhì)量不穩(wěn)定對(duì)電解生產(chǎn)的影響與對(duì)策

胡洪濤 黃河鑫業(yè)有限公司

隨著我國(guó)鋁電解產(chǎn)能的擴(kuò)大，對(duì)炭陽(yáng)極的需求量日益增長(zhǎng)。但許多廠都時(shí)常被陽(yáng)極炭塊質(zhì)量不穩(wěn)定而困擾。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，作此方面的探討，以期起到拋磚引玉的作用。

1 陽(yáng)極炭塊質(zhì)量

陽(yáng)極炭塊在電解槽上承受電、熱、力、化學(xué)作用和物質(zhì)流動(dòng)運(yùn)動(dòng)沖擊等多種因素的作用，尤其是與氣體接觸反應(yīng)和滲透是整體性的，即陽(yáng)極上部、下部、內(nèi)部和外部受熱、電、力、化學(xué)作用及氣體腐蝕是同時(shí)產(chǎn)生的。因此對(duì)陽(yáng)極質(zhì)量要求較為嚴(yán)格。

1.1 電解生產(chǎn)對(duì)炭塊質(zhì)量的要求。

1.1.1 灰份要低。

1.1.2 比電阻小。

1.1.3 氣孔率小。

1.1.4 有一定的抗壓強(qiáng)度。

1.1.5 各種雜質(zhì)含量低，特別是硫在高溫下與鋼爪發(fā)生反應(yīng)生成電阻很大的硫化鐵膜。釩會(huì)增大陽(yáng)極的氧化活性，要求含量低于0.02%。

1.2 影響炭塊質(zhì)量的因素

從陽(yáng)極制造、原料、工藝到電解工藝條件和鋁電解槽工作狀況八個(gè)方面、50 多個(gè)因素都可能影響炭陽(yáng)極在鋁電解槽使用中產(chǎn)生嚴(yán)重氧化、掉渣掉塊、消耗不均的現(xiàn)象。

1.2.1 在原料方面有：

1.2.1.1 石油焦的質(zhì)量，包括純度、結(jié)構(gòu)、孔度、灰分、雜質(zhì)成分與含量等。

1.2.1.2 煤瀝青質(zhì)量，包括苯不容物、喹淋不容物、析焦率、灰分、雜質(zhì)成分與含量等。

1.2.2 在生陽(yáng)極塊制造方面有：

1.2.2.1 破碎配料，包括粒子形狀，粒子分布，干料配方的可行性、穩(wěn)定性及微粒細(xì)度分布，配入殘極粒子的質(zhì)量等。

1.2.2.2 混捏，包括瀝青加入數(shù)量、干料、瀝青預(yù)熱溫度和混捏質(zhì)量等。

1.2.2.3 成型，包括糊溫度、比壓、振幅、頻率、振動(dòng)時(shí)間、生塊體積密度、透氣率等。

1.2.3 在煅燒方面有煅燒溫度、加料排料、煅后料體積密度、電阻率和煅后料質(zhì)量的穩(wěn)定性和均一性等因素。

1.2.4 在焙燒方面有焙燒溫度、升溫曲線、冷卻速度、高溫保持時(shí)間、爐內(nèi)熱分布、密封性、填充料特性等因素。

1.2.5 在鋁電解生產(chǎn)技術(shù)條件及工作狀況方面有溫度分布及變化，電流分布及變化，電解質(zhì)成分，保溫料厚度，操作技術(shù)條件等。

2 陽(yáng)極炭塊質(zhì)量不穩(wěn)定對(duì)電解生產(chǎn)的危害

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)約有1/3 的鋁電解廠不同程度受陽(yáng)極掉渣、掉塊、裂紋的影響，80%以上的預(yù)焙電解鋁廠陽(yáng)極電流密度只能在較低的范圍內(nèi)（0.72A/CM2）運(yùn)行。

在鋁電解生產(chǎn)中，通常所說(shuō)陽(yáng)極氧化掉渣和裂紋掉塊是指電解槽運(yùn)行中陽(yáng)極炭塊底部和側(cè)部等不斷有炭渣和碎陽(yáng)極炭塊脫落，陽(yáng)極殘極因嚴(yán)重氧化而“發(fā)軟”裂紋掉渣。陽(yáng)極氧化包括兩個(gè)方面：一是暴露在空氣中的陽(yáng)極遭受空氣氧化；二是在被陽(yáng)極底部發(fā)生的二氧化碳氧化。陽(yáng)極氧化首先在瀝青焦上進(jìn)行，或稱優(yōu)先選擇氧化，導(dǎo)致骨料焦和粘結(jié)劑的結(jié)合破壞，骨料使從陽(yáng)極上掉下來(lái)生成炭渣。陽(yáng)極炭渣的直徑從1um 到十幾mm 不等。一般將十幾 mm以上甚至幾十mm 以上的稱為碎塊。一旦炭渣碎塊脫離了陽(yáng)極就失去了電化學(xué)作用力，則不再排斥電解質(zhì)，它們將進(jìn)入電解液并被其浸透，懸浮于電解液中。

消耗不均即常說(shuō)的底部長(zhǎng)包，側(cè)部長(zhǎng)牙而使陽(yáng)極炭塊形狀不規(guī)整，物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。炭陽(yáng)極質(zhì)量不穩(wěn)定對(duì)生產(chǎn)的危害主要表現(xiàn)在以下幾方面：

2.1 使電解質(zhì)電阻升高。當(dāng)電解質(zhì)中含渣量為0.05～0.1%時(shí)，炭粒基本不影響電解質(zhì)電阻，達(dá)到0.2～0.5%時(shí)開(kāi)始增加電解質(zhì)電阻，達(dá)到0.6%以上時(shí)，電解質(zhì)電阻率可增加11%。工業(yè)電解質(zhì)中1—10um 的炭渣微粒，由于界面電位梯度的影響，幾乎不導(dǎo)電。

2.2 增大陽(yáng)極電流密度，炭陽(yáng)極發(fā)熱。由于掉渣掉塊，不僅縮小了陽(yáng)極的導(dǎo)電面積，而且在內(nèi)部由于孔度增大，也減小了陽(yáng)極的導(dǎo)電面積，使電極電阻升高，導(dǎo)致陽(yáng)極發(fā)熱發(fā)紅。某車(chē)間70#槽A3 陽(yáng)極嚴(yán)重掉塊出現(xiàn)局部返熱，后來(lái)測(cè)得實(shí)際陽(yáng)極底掌面積僅為標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)極的85%。

2.3 使電解質(zhì)發(fā)熱，槽溫升高，產(chǎn)生熱槽。由于炭渣積累和流動(dòng)，電解質(zhì)電阻增大，設(shè)定電壓不變的情況下極距縮小，二次反應(yīng)加劇，增加了熱收入，逐步導(dǎo)致槽溫升高，甚至發(fā)生熱槽。

2.4 陽(yáng)極長(zhǎng)包和側(cè)部漏電。炭渣和掉塊聚集在陽(yáng)極底掌，會(huì)因消耗不均引起陽(yáng)極長(zhǎng)包；電解質(zhì)表面漂浮的一層炭渣，在高溫下也有可能燒結(jié)成餅，粘到陽(yáng)極底掌上形成所謂的“滿包”。炭渣積聚于陽(yáng)極側(cè)部，增加了側(cè)部漏電，使?fàn)t幫不易形成。

2.5 炭渣和掉塊、處理陽(yáng)極長(zhǎng)包都增加了炭耗、電耗、氟鹽消耗和勞動(dòng)量，直接或間接地降低了電流效率，增加了噸鋁成本。

2.6 影響原鋁質(zhì)量。由于掉塊、裂縫，甚至整塊陽(yáng)極脫落，電解質(zhì)沖涮陽(yáng)極鋼爪造成原鋁質(zhì)量掉級(jí)下滑。

某車(chē)間20018 年4 月份陽(yáng)極質(zhì)量不好，從下表可看出，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均比5月份差。

3 電解生產(chǎn)需要采取的應(yīng)付措施

陽(yáng)極炭塊的生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，環(huán)節(jié)較多，陽(yáng)極炭塊的質(zhì)量不能很好地長(zhǎng)期穩(wěn)定保持。況且，由于陽(yáng)極生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，陽(yáng)極的使用情況這一重要信息的反饋不能和生產(chǎn)保持同步。因而，電解生產(chǎn)中常會(huì)遇到一批一批質(zhì)量不太理想的炭塊。為了盡可能地消除或減小這批陽(yáng)極對(duì)電解生產(chǎn)的不利影響，就需要探討行之有效的對(duì)策和措施。

3.1 更換陽(yáng)極時(shí)對(duì)新極進(jìn)行充分預(yù)熱，防止炭塊溫度驟變，減小熱應(yīng)力，降低炭塊裂紋掉塊的可能性。

3.2 提高換極作業(yè)的操作質(zhì)量。扒液面處炭渣，撈干凈落入槽中的料塊，設(shè)置好合理的高度，防止陽(yáng)極消耗不均或長(zhǎng)包現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 加足加好陽(yáng)極保溫料，防止陽(yáng)極裸露氧化，減少進(jìn)入電解質(zhì)中的炭粒。

3.4 人工打撈炭渣。槽中炭粒含量小于1%時(shí)，微量炭渣被陽(yáng)極氣體或空氣氧化掉，電解質(zhì)潔凈，無(wú)須人工打撈。但槽中渣量超出3%后，部分炭粒無(wú)法氧化，懸浮于電解液中，需要人工利用各種操作機(jī)會(huì)或常規(guī)性地進(jìn)行打撈。某廠將打撈炭渣制度化，要求班班打撈，槽前后四周打撈，效應(yīng)后重點(diǎn)打撈，并從出鋁口添加少量冰晶石和氟化鋁的混合物，以促使炭渣分離的方法，取得了較好的成效。

3.5 及時(shí)處理裂縫和長(zhǎng)包的陽(yáng)極，防止槽況惡化和陽(yáng)極電流分布不均造成的惡性循環(huán)。

3.6 適當(dāng)調(diào)整技術(shù)條件。

3.6.1 適當(dāng)提高陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)：

可以將效應(yīng)系數(shù)控制在0.35～0.4 次/槽.日，以便于用陽(yáng)極效應(yīng)清潔電解質(zhì)，清理陽(yáng)極底掌積聚的炭粒，并使電解質(zhì)中炭粒懸浮于液面，便于打撈。

3.6.2 適當(dāng)提高設(shè)定電壓：

由于炭粒較多時(shí)，增大了電解質(zhì)電阻，在電壓不變的情況下相當(dāng)于減小了極距，不利于陽(yáng)極氣體的排出和炭粒的上浮。因而，須適當(dāng)提高設(shè)定電壓，這樣也有利于控制槽溫，防止槽況惡性循環(huán)。

3.7 調(diào)整電解質(zhì)成分

通常情況下，生產(chǎn)槽中陽(yáng)極掉渣、掉塊、裂紋出現(xiàn)后，促使槽溫升高，陽(yáng)極消耗不均，炭粒混和在電解液中不能浮于表面等現(xiàn)象，這樣會(huì)進(jìn)一步加劇炭塊掉渣、掉塊和長(zhǎng)包。因此，要考慮通過(guò)調(diào)整電解質(zhì)成分，增加炭粒與電解質(zhì)間的表面張力，以利于掉渣掉塊的及時(shí)打撈。

分析影響電解質(zhì)與炭素材料間表面張力的因素，主要有以下幾個(gè)方面：

3.7.1 適當(dāng)減小電解質(zhì)中氧化鋁濃度，可以增加電解質(zhì)與炭素材料間的表面張力。

3.7.2 提高電解中氟化鋁的含量，可以增加電解質(zhì)與炭素材料間表面張力，且可以使炭渣分離清楚而上浮于電解質(zhì)表面。

3.7.3 一般情況下，隨著電解溫度的升高，構(gòu)成電解質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)距離增大，質(zhì)點(diǎn)間的作用力減小，電解質(zhì)與炭素材料間的表面張力也會(huì)減小。

3.7.4 添加氟化鈣和氟化鎂，可以增大電解質(zhì)與炭素材料間表面張力。同時(shí)氟化鈣和氟化鎂還可以降低冰晶石熔液的初晶點(diǎn)，減少鋁在冰晶石—氧化鋁溶液中的溶解損失。但氟化鈣能增大冰晶石溶液密度，增加電解質(zhì)粘度，降低電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電度，降低氧化鋁溶解度，會(huì)抵消其增大表面張力的作用。雖然氟化鎂也有不利的影響，但在這一方面不太明顯。

結(jié)合電解生產(chǎn)的實(shí)際情況，可采取適當(dāng)降低分子比，增加電解質(zhì)中氟化鎂含量來(lái)實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)成分的調(diào)整。某廠試驗(yàn)將電解質(zhì)分子比保持在2.2 ～2.3 之間，氟化鎂含量為5.5%，不僅促進(jìn)了炭渣同電解質(zhì)的分離，還將電解溫度從950℃以上逐漸降到935℃～945℃，取得了良好的效果。

4 結(jié)論

4.1 炭陽(yáng)極的質(zhì)量對(duì)電解生產(chǎn)有著極為關(guān)鍵的影響，因而要按影響炭陽(yáng)極質(zhì)量的因素和環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程，確保上槽的陽(yáng)極質(zhì)量平穩(wěn)。

4.2 一旦使用的陽(yáng)極質(zhì)量發(fā)現(xiàn)異常波動(dòng)，應(yīng)主要圍繞減少槽中炭渣和炭塊的含量，采取積極的預(yù)防性應(yīng)對(duì)措施。

4.3 在生產(chǎn)實(shí)踐中，工藝和操作方面的對(duì)策還應(yīng)進(jìn)一步探索和總結(jié)。