鋁電解槽生產中炭渣生成的原因及處理方法的探討

劉長松，武士衛

（1.貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.陜西美鑫產業投資有限公司，陜西 銅川 727100）

在鋁電解槽生產過程中，由于受諸多不可控因素的影像，生產過程中極易出現炭渣，由此對電解生產造成電解質電阻增加，嚴重時會使陽極長包，產生病槽。更嚴重的有可能使電解質碳化，產生熱槽，而更換電解質，而嚴重影響電解槽的正常生產及使電解槽產生早期破損。影響電解槽運行主要技術經濟指標[1]。不利于電解鋁企業的節能降耗。因此，炭渣對電解槽生產有著直接的影響，為從根本上提高鋁電解槽生產運行的主要技術經濟指標，降低炭渣對電解槽生產運行的負面影響，剖析炭渣生產原因并進行有效處理是十分必要的。

1 鋁電解槽生產過程中炭渣的生成原因

在鋁電解槽生產運行中產生碳渣的主要因素有：陽極質量、生產運行管理、等方面，炭渣生成的因素分析如下。

1.1 炭素生產原材料質量問題

據調查鋁電解槽生產過程中原材料質量對鋁電解槽運行穩定性和生產指標的達成率具有重要影響，石油焦是炭素生產的主要原材料，其中V、Ni等雜質對于空氣反應性的影響是十分巨大的，在鋁電解槽生產過程中，由于各種雜質的存在，再加之表面粘附物質清理不干凈，導致陽極生產配料時雜質也帶入到陽極中，由此在導致炭渣生成的同時，極大降低了企業的經濟效益。

1.2 陽極質量不穩定

作為鋁電解槽生產的主要原材料之一，陽極質量不合格也是目前電解生產過程中，炭渣生成的主要原因[2]。目前來看在多樣化市場競爭環境下，裝備水平、管理水平和工藝控制以及成本等因素的制約，陽極質量參差不齊現象較為嚴重化，對于某些質量不合格的陽極，在使用過程中就會產生炭渣。

1.3 精細化管理工作落實不到位

在鋁電解槽生產過程中，精細化管理工作是否落實到位，對炭渣生成量具有重要影響，換言之為規避炭渣的生產，確保精細化管理的有效落實是十分必要的。目前來看在鋁電解槽生產過程中，換極后保溫材料封閉不密實亦或是將其暴露在空氣中，都極易導致陽極與空氣接觸生成炭渣。

1.4 電化學反應的存在

在鋁電解槽過程中，導致炭渣生產的重要原因之一還有電化學反應[3]。在鋁電解槽過程中，二次反應的出現不僅不會提高生產物產量，還在消耗電能的同時，導致炭渣問題的產生，尤其是當發生電化學反應后，電解質溶液中溶解的鋁和二氧化碳反應生成一氧化碳，一氧化碳在與鋁反應生成炭，對企業整體經濟效益而言都是十分不利的。

1.5 陰極炭素內部的沖蝕剝落

目前來看在鋁電解槽生產過程中，陰極炭素內部的沖蝕剝落和破碎，也是導致電解生產炭渣問題出現的重要原因之一，鋁電解槽啟動后陰極炭素內襯不久就會產生剝落，鈉滲入陰極炭塊是引起剝落的主要原因。鈉的滲入使炭塊內部產生應力，導致炭塊體積膨脹，并變得疏松、多孔，以致剝落形成炭渣。

2 鋁電解槽生產過程中炭渣對產業效益的影響剖析

圖1 炭含量與電導率關系

目前來看在鋁電解槽生產過程中，在一定的電流密度下陽極反應產生的氣體幾乎全是CO2，陽離子在陽極上的生產過程表達式為2O2-(配離子)+C-4e→CO2。根據大量調研數據分析可知，鋁電生產過程中200kA預焙槽陽極炭塊的消耗速度大約為1.44cm·d-1左右，使用周期一般為28d，陽極炭塊被電解反應逐漸消耗，與此同時電解過程中氧離子逐漸減少、氟離子相對增多，引起氟離子在陽極放電，使炭的氟化物在分解時析出細微的炭粒漂浮在電解質表面上。但通過上圖可知，在電解過程中，當炭渣生成量相對較高時，電解質的電導率也勢必受到一定影響，具體影響含量點可通過上圖獲取。就目前來看鋁電解槽生產過程中炭渣對產業效益的影響還表現在如下幾方面。

2.1 電能消耗量在持續增加

當炭渣存在后，在電解過程中電解質的壓降升高，運行電壓相應抬高，由此在不斷電能損耗的同時，降低企業的經濟效益，阻礙企業的進一步發展。

2.2 導致熱槽的生成

目前來看在電解過程中，當炭渣量積累到一定量的時候，由于比電阻的增大，熱收入勢必也會增加，進而導致電解質過熱、槽溫升高，形成熱槽，打破鋁電解槽原有的熱平衡。與此同時熱槽形成之后，倘若對其進行處理則需消耗大量的氟化鹽，破壞周遭的生態平衡[4]。

2.3 電流空耗較為嚴重

炭渣具有一定的導電性，當炭渣存在于電解質溶液中，炭素陽極和側部或陰極的導電通道，導致原有電流直接通過炭渣進入陰極或側部，未能參與到電解反應中，從而導致電流空耗問題出現的同時，導致側部漏電和側部漏爐問題的出現，給企業發展造成十分不利的影響。

2.4 導致了人力資源的損耗

在生產過程中，人作為重要基礎資源，對于企業生產效益具有直接影響，但由于炭渣的存在，當其堆積到一定量時需要組織工人打撈，打撈過程不僅消耗了電解質和熱量，破壞了電解槽穩定性，與此同時還增加了工作人員額外工作量。

2.5 陽極長包

由于炭渣大量聚集，及時不能清理出去，極易誘發電解槽角部或邊部長包或長牙，導致鋁電解槽電壓擺動或壓槽。此外由于陽極中骨料和黏結焦的化學活性不一樣，導致了陽極的選擇性氧化。

3 鋁電解槽生產過程中炭渣的處理對策

3.1 不斷調整和優化電解質成分

經大量調研數據分析可知，在當前電解反應生產過程中，電解質成分以及原材料是影響炭渣問題產生的重要原因，為從根本上改善當前產業發展現狀，規避炭渣問題的出現，不斷調整和優化電解質成分也是十分必要的[5]。電解質中炭渣分離的良好程度與電解質的黏度有關，電解質黏度大炭渣越不易分離，在進行電解質成分調整過程中，除了要定期分析電解質分子比，根據分析結果決定調整電解質成分外，通過調整氟化鋁來調整電解質分子比也是最為常用的調整方式。

3.2 對電解質溫度進行有效控制

在電解反應生成過程中，電解質溫度對于炭渣生成量的影響也是不容忽視的，為此要想從根本上降低炭渣量，對電解質溫度進行有效控制也是十分必要的。據調查電解質溫度高會使電解質中炭粒含量增多，電導率降低，而目前來看在生產過程中，對電解質溫度產生影響的因素較多，如槽電壓、電解質分子比、電解質水平、鋁水平、陽極效應系數等，為此基層產業機構和相關部門工作人員需合理調整并保持各項工藝技術條件，將溫度控制在合理范圍內（930℃ ～940℃）。

3.3 加強對炭素原材料的把控

在進行電解生產過程中，原材料質量對于炭渣的生產量影響力也是不容忽視的，為此要想從根本上降低炭渣生成量，加強對炭素原材料的把控工作現已迫在眉睫，具體來講一方面在進行陽極選擇時，為規避因陽極炭塊掉渣嚴重而增加電解質中炭渣含量問題，在進行挑選時，工作人員需盡量選擇高質量陽極（炭渣含量相應降低、電阻率較小、導電性較高、電解質比較清亮），而綜合來講要想提高陽極質量，工作人員還要從碳素原材料質量、工藝控制等方面實施嚴格監控；另一方面對影響炭陽極質量，導致影響炭陽極在電解中使用效果和鋁質量的微量元素要嚴格控制，加強煅燒、成型、焙燒等工序工藝參數優化和過程精細化管理，由此有效減少槽中碳渣量。

3.4 提高換極質量，防止陽極氧化

換極質量是影響電解質中炭渣含量的原因之一。換極質量差，陽極氧化嚴重，消耗加快，電解質中的炭渣含量會增多，提高換極質量，也可以減少電解質中炭渣的含量。陽極交換操作，在現階段鋁電解槽生產中是必不可少的環節，陽極交換方式有單極交換和雙極交換。

陽極的氧化消耗速度比正常生產消耗快，這與換極質量有著緊密的聯系，隨著生產實踐經驗的積累和科技的進步，可以將陽極自動測高系統安裝在多功能天車上代替了人工劃線確認高度的方式，提高了換極劃線的精確度。換極后保溫料的添加質量是不能忽視的，必須嚴格按照工藝標準的要求執行。

首先要添加電解質碎塊，填充陽極縫，以防陽極氧化；其次要等到電解質結殼后方可添加保溫料，以減少氧化鋁漏到槽內形成沉淀。

3.5 將信息化技術應用到項目管理軟件中

據調查在以往管理過程中，人工管理作為主要管理手段，不僅極大地浪費了大量人力、物力、財力，此外因人為操作失誤而導致的管理問題比比皆是，但反觀將“項目管理軟件”（類似于Primavera Project Planner在內的，能夠有效、高效管理工程項目整體建設進度的軟件）實踐于廠房建設項目管理，將信息化技術與上述軟件進行有機結合，不僅能從根本上提高廠房建設項目管理質量和管理效率，對項目建設管理進行合理化控制，可在實現資源合理配置的基礎上，進而為企業經濟效益最大化的獲得以及企業競爭力的提升創造良好條件。

3.6 保持適當的電解質水平

電解質水平的高低是決定炭塊氧化掉渣的主要因素之一。電解質水平過低，電解槽熱量損失快，不利于槽況穩定，但電解質水平過高，特別是超過殘極上表面，電解質液流淌在炭塊的表面時，致使殘極上的保溫料溶化，形成空間，會加劇炭塊氧化，炭渣量激增。所以，要生產實際保持合理的電解質水平。

4 結語

簡而言之，鋁電解槽生產過程中由于炭渣物質的存在，不僅影響電解槽運行主要技術經濟指標，同時還不利于電解鋁企業的節能降耗，給企業可持續發展也造成了十分不利的影響。

為此在日常生產管理過程中，針對炭渣生產因素進行系統化剖析，而后采取規范化處理對策，充分利用一切可利用的機會打澇電解質中炭渣等措施是可以消除炭渣對電解生產帶來的影響的。