高抗氧化性預焙陽極對鋁電解的積極作用

何 川

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550018）

近年來，我國電解鋁工業無論是在產量上還是在裝備技術水平上都得到了長足的發展，至2018年末，我國電解鋁產能已經達到了約3600萬噸。隨著鋁電解技術的不斷發展和創新，電解槽技術不斷向著大型、高效和節能降耗等方向前進。電解技術的不斷創新與發展必將推動預焙陽極技術的優化與提高，高質量預焙陽極已經成為了新型電解槽的最基本需求之一[1]。陽極是鋁電解槽的心臟，其質量的優劣直接影響到電解槽的工藝技術條件和技術經濟指標。隨著鋁電解技術的不斷發展與完善，預焙炭陽極質量對鋁電解生產的重要性日益凸顯。

1 存在的問題

一方面，國內各大型電解鋁企業對預焙陽極質量的評價主要依賴于國家相關標準，其主要評價指標為：灰分、電阻率、耐壓強度、真密度以及體積密度等五大指標。但是，這五大指標并不能完全衡量預焙陽極的質量。一部分電解鋁企業開始增加抗氧化性能指標（CO2反應性及空氣反應性）和微量元素指標等，這些指標對預焙陽極質量的評價同樣起著非常重要的作用，國外各鋁廠早已經將這些指標作為判斷預焙陽極質量優劣的一個強制性標準[2]。然而，由于國內相關標準缺乏對這些指標的約束，導致這些指標的推廣性較差。抗氧化性能較差以及微量元素含量過高的預焙陽極在電解槽上的最直觀表現就是陽極掉渣明顯，而這將對電解生產過程產生嚴重的不良影響。另一方面，由于國內大量的電解企業過度追求低生產成本、原材料的劣化以及電解操作工藝的改變，目前國內電解槽普遍存在陽極掉渣多、電解質炭渣含量高的現象。據生產統計，每生產一噸鋁，打撈炭渣可達20kg～30kg，與國外先進電解槽無炭渣生產相比，存在著較大的差距。

2 炭渣產生的原因

炭陽極在整個電解過程中產生炭渣的原因主要由兩部分組成，第一部分：炭陽極自身質量問題產生的掉渣；第二部分，鋁電解生產過程中，因操作原因產生的掉渣。在這兩部分原因中，第一部分原因為炭渣產生的最主要因素。因此，提升炭陽極質量是減少電解槽炭渣最主要的手段之一。

2.1 炭陽極自身質量原因

預焙陽極生產過程中使用的設備繁雜，生產工藝復雜，生產流程較長。因此，預焙陽極因質量問題產生掉渣的原因也比較多[3]。通過進一步的研步發現，這些質量問題主要體現在以下幾個方面：

（1）原料質量的影響。生產預焙陽極的主要原料為石油焦和改質瀝青，其中石油焦占比約86%，改質瀝青占比約14%。生產原料的質量優劣對預焙陽極的質量有著至關重要的影響，石油焦的純度、結構形式、孔隙率、灰分含量以及雜質成分含量，改質瀝青中苯不溶物、喹啉不溶物、瀝青軟化點、灰分含量以及雜質成分含量等都是預焙陽極掉渣的影響因素。石油焦中含有多種有害雜質元素，這些元素以鐵、硅、鈣、鋁、鈉、鎂、釩、鈦、鎳等為主。其中，釩、鎳等雜質元素對空氣反應性影響顯著，而鈉對CO2反應性有著很強的催化作用。在電解過程中，抗氧化性能較差或反應較快的部分率先氧化，不能與炭塊整體同步氧化消耗，從而導致石油焦顆粒脫落，從而形成炭渣。

（2）石油焦煅燒的影響。煅燒主要是排出石油焦中的水分、揮發分，提高石油焦的真密度、降低石油焦電阻率。若煅燒過程中溫度太低，煅燒不足，導致石油焦的真密度較低、電阻率高，在焙燒過程中石油焦將進一步收縮，從而導致預焙陽極產生裂紋。而陽極裂紋的產生，尤其是內部裂紋的產生是電解過程中陽極掉渣或掉塊的又一主要原因。

（3）生陽極制造過程的影響。生陽極制造工序復雜，主要涉及到原料破碎、配料、混捏以及成型等主要程序，每一個程序操作或配置不當都將對陽極質量產生影響。研究發現，原料的粒級配比應當以大、中、小顆粒、粉料和改質瀝青的合理用量為適宜性，以滿足最大的堆積密度為基礎，以滿足形成足夠的膠料為原則進行合理配料，同時輔以合理的混捏溫度和混捏時間，才能生產出優質的糊料，再通過適宜的振動力和振動時間，才能生產出優質的生陽極。優質的生陽極通過焙燒工序后，將具有較強的抗氧化性能，從而降低了預焙陽極在電解過程中消耗速率和炭渣生成率。

（4）焙燒工序的影響。生坯焙燒過程中，焙燒升溫速率、焙燒最高溫度、保溫時間以及填充料質量等工藝參數都會對預焙陽極的質量產生很大的影響。生坯焙燒過程主要經歷四個階段，低溫預熱階段（制品溫度200℃，火道溫度350℃）、改質瀝青焦化階段（制品溫度200℃～700℃，火道溫度350℃～800℃）、高溫燒結階段（制品溫度700℃～1050℃，火道溫度800℃～1180℃）、制品冷卻階段，在這四個階段中，低溫預熱階段、改質瀝青焦化階段和冷卻階段主要決定預焙陽極的外觀質量，只能部分改變預焙陽極的理化性能，而高溫燒結階段能夠本質性地改變預焙陽極的各理化性能指標，是生產優質、高抗氧化性陽極最為關鍵的階段。因此，合理的升溫曲線、最合適的焙燒溫度和保溫時間將生產出產品質量均一、電阻率低和抗氧化強的預焙陽極。同時，進一步研究發現，適中的填充料粒度對提高預焙質量起著一定的積極作用。

2.2 電解過程中操作原因

預焙陽極在電解槽上承受著電、熱、力、化學作用和物質流動的運動沖擊等多種因素的作用，尤其與氣體（空氣、CO2）接觸產生的氧化，這些反應和滲透是整體性的，并非只體現在陽極表面。因此，電解過程中電解槽電流密度分布不均勻、運行狀況不穩定，將使得預焙陽極在電解槽環境中的條件惡化，消耗速度加快，同時產生大量的炭渣。

電解生產過程中，操作管理不夠精細、作業質量糊糙、保溫料（或覆蓋料）不嚴實等造成陽極暴露于空氣中，發生氧化反應，從而導致陽極掉渣。

3 炭渣的危害

炭陽極掉渣是長期困擾電解鋁生產企業和炭陽極生產企業的難題之一。陽極掉渣會給電解生產造成嚴重的危害，其主要表現在以下幾個方面：①增加電能消耗。鋁電解質中的炭渣，若分離不好，會導致電解質電阻增大。進一步的研究表明，當電解質中炭渣量為0.04%時，電阻率增加約1%，炭渣含量為1%時，電阻率將迅猛增加約11%。②形成熱槽。電解質中的炭渣過多，電解質電阻將增大，電解槽熱收入也相應增加，從而引起電解質過熱、槽溫升高，熱槽就此形成。而熱槽的長時間運行還會對陰極的破壞力加大，縮短了槽壽命，在處理熱槽時，還會消耗大量的氟化鹽，生產環境進一步惡化。③陽極發熱。由于陽極掉渣掉塊，縮小了陽極的導電面積，陽極電流密度增加，導致陽極發熱，進一步造成陽極耗量的增加。④造成電流空耗。電解質熔液表面漂浮有大量陽極炭渣時，若未及時清理，部分炭渣可能會與炭素陽極和側部炭塊或陰極形成一條導電通道，這時一部分電流會直接通過此導電通道進入陰極或側部炭塊而不能有效參與電解反應，側部漏電的產生，導致了電流空耗。⑤陽極長包。由于炭渣大量聚集，不能及時清理出去，極易誘發電解槽角部或邊部長包或長牙，導致電解槽電壓擺動或壓槽。⑥增加工人勞動強度。電解質中炭渣含量過大時，需要組織工人進行打撈，打撈炭渣不僅帶走大量的電解質和熱量，影響電解槽穩定，而且增大氟化鹽消耗。打撈炭渣時要在電解槽的不同部位打洞，便于撈取炭渣，工人勞動量明顯增加。⑦誘發陽極效應。電解質熔液表面漂浮的大量炭渣，會阻礙氧化鋁粉有效溶解到電解質中，從而會導致電解槽陽極效應的發生。

4 高抗氧化性陽極對鋁電解的優勢

采用高抗氧化性陽極能給鋁電解企業帶來諸多優勢，主要表現在以下幾個方面：

（1）提高電流效率。由于高抗氧化性陽極不會或較少產生掉渣，因此電解槽中電解質電阻率維持在較低的水平。電解槽運行在相同的電壓下，其有效極距得到了提高，從而可以提高電流效率。通過研究發現，高抗氧化性陽極能夠有效提高電流效率0.5%～1.0%左右。

（2）減少陽極消耗。采用高抗氧化性陽極后，對比普通陽極，其基本不會或較少產生炭渣，陽極消耗可進一步降低，企業生產成本隨之下降，同時還可降低生產工人勞動強度（減少撈渣時間和次數）。

（3）降低電解質消耗。電解槽打撈出來的炭渣需要經過分離，分離后的電解質經過處理后返回電解槽，但處理過程會導致部分電解質機械損失，此部分消耗需要補充氟化鹽以維持物料平衡。

（4）減少炭渣處置。電解槽打撈出來的炭渣需要處理，采用高抗氧化性陽極后，此部分的處置費用可以節約，從而進一步降低企業的生產成本。

（5）降低氟化鹽消耗。由于電解槽撈渣作業的減少，因此端部槽罩的開啟次數相應地減少，可以提高集氣效率，從而帶來氟化鹽消耗的降低。

（6）提高原鋁質量。由于高抗氧化性陽極的生產對原料及生產工藝的要求更高，因此生產出的陽極雜質含量更低。陽極上槽后，會直接帶來原鋁質量的提高。

5 結論

空氣反應性和CO2反應性是造成預焙陽極掉渣的最主要因素，高抗氧化性預焙陽極能夠有效降低炭渣的產生。

相較于電解生產操作因素，預焙陽極自身質量因素是炭渣產生的最主要因素；而生產預焙陽極的原料以及預焙陽極生產工藝對預焙陽極質量起著決定性作用。

預焙陽極掉渣給鋁電解穩定生產帶來嚴重危害，主要表現在：增加電耗、形成熱槽、陽極發熱、電流空耗、陽極長包、誘發陽極效應以及增加工人勞動強度等方面。

高抗氧化性預焙陽極的采用，能夠為鋁電解企業帶來諸多優勢，主要體現在：提高電流效率、減少陽極消耗、減少電解質消耗、減少炭渣處置、降低氟化鹽消耗以及提高原鋁質量等方面。