鋁電解中陽極涂層與磷生鐵改性劑的綜合優化實驗

李賀松, 孫盛林, 朱曉偉

(中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

1 引言

1.1 研究背景

鋁是地殼中儲量最大的金屬元素，金屬鋁具有良好的物理化學性質，是迄今為止產量最大、用途最廣泛的有色金屬。鋁電解槽是煉鋁的核心設備，隨著鋁電解技術的不斷發展，電解槽的節能降耗成為了科研學者關注的焦點[1]。為了實現節約能源、提高勞動生產率并降低企業的生產成本，電解槽正朝大容量(400 kA級及以上)、低電壓(3.9 V以下)、節能型(12 500 kWh/t-Al以下)的方向迅猛發展[2]。同時，對電解槽結構的創新優化以及對生產工藝和控制技術改進的研究也在進行，期望達到大幅節能的目的，在中國鋁業界掀起了一場技術革新的熱潮。我國鋁電解工業經過大量的技術創新與工業試驗，雖然取得了許多的成果，鋁電解相關工藝能耗已有大幅度減低，但仍遠遠高于其理論能耗，鋁電解平均能量利用率尚不足50%，節能潛力十分巨大[3-7]。

在鋁電解生產過程中，電化學消耗、化學消耗以及機械消耗是炭素陽極消耗的三種主要形式[8]。在高溫下，陽極的主要成分-炭-容易出現氧化的現象，其中，在炭素陽極表面與CO2和O2發生的氧化還原反應是陽極過量消耗的主要原因，因此增加了陽極的凈耗，增加了生產成本。按照現在的鋁電解工藝，理論上每生產一噸鋁需要消耗333 kg的炭，但實際消耗量為該值的1.5～1.8倍，達到了500～600 kg，而炭素陽極的消耗約占鋁電解總成本的15%[9]。因此，陽極炭耗是鋁電解技術一個非常重要的考核指標。為了提高炭素陽極在高溫環境下的抗氧化能力，盡可能地減少鋁電解生產中的額外炭耗，在炭素陽極表面上噴涂一層耐高溫防氧化涂層涂料，可以減少炭素陽極與空氣的接觸，極大地降低被空氣氧化造成的炭素陽極損耗。

1.2 磷生鐵的成分以及存在的問題

磷生鐵主要成分為碳(C)、磷(P)、鐵(Fe)、錳(Mn)、硫(S)五種元素。其中，C元素影響著鑄鐵的基本組織，從而影響鑄鐵的強度、硬度以及鐵水的流動性，碳含量的變化還會改變鐵水的澆注溫度和鐵環的導電性能，進而影響陽極的“Fe-C”壓降[6]。P元素的存在同樣可以起到增加鐵水流動性的作用，但磷含量過高會增加鑄鐵的冷脆性，使澆注后冷卻的鐵環產生裂紋，嚴重者在使用過程中會發生“脫極”等狀況。Si元素可以促進石墨化，改變鐵水的流動性，減少鑄鐵的收縮。與C、Si元素作用相反，Mn元素是反石墨化元素，過高的錳含量會增加鑄鐵的強度、硬度，降低鐵水的流動性，但其可與S元素反應，又具有脫硫作用。S元素是反石墨化元素，是公認的有害元素，S的存在會降低鐵水的流動性，造成氣孔收縮缺陷，使鐵環產生“熱裂”現象，增大“Fe-C”壓降[10-12]。

目前我國鋁廠所用磷生鐵普遍存在配方不合理的現象，主要包括碳含量偏低(1.7～2.3%)和硫含量過高(>0.6%)，從而導致的鐵環裂紋多、鐵碳接觸壓降大等不良問題[13-14]。因此，磷生鐵方面仍有一定的節能潛力。包頭鋁業有限公司電解鋁廠400 kA系列槽電壓組成中鐵-碳壓降偏高，其值約130 mV。通過現場分析，陽極組裝存在以下問題：

(1)磷生鐵各元素含量尤其是C、S含量達不到技術要求。磷生鐵經過配比后，碳含量僅2.3%左右，硫含量在0.65%左右。碳含量偏低增加了陽極鐵-碳壓降，同時還會使鐵水澆注溫度增加；硫含量偏高影響了鐵水流動性，鐵環裂紋增多，增加了“熱裂”可能性。

(2)陽極澆注后碳碗裂紋較多，均為2～3條，易造成鐵環與陽極脫落；澆注后的間縫較大，導致接觸電阻增大。

(3)磷生鐵中碳元素含量偏低，造成了鐵水熔煉溫度偏高。

針對以上問題，采用磷生鐵復合改性劑和磷生鐵脫硫劑對磷生鐵熔鑄進行工業試驗，所用碳素陽極表面均涂有一層耐高溫防氧化涂層涂料。

2 試驗材料和試驗方法

2.1 試驗材料

磷生鐵試驗所用的材料：磷生鐵復合改性劑、磷生鐵脫硫劑、磷生鐵鐵環。

耐高溫防氧化涂層材料：高溫防氧化涂層粉、甲基纖維素、溶劑。

2.2 試驗方法

2.2.1 磷生鐵回收劑與脫硫劑的使用

熔煉方法：在原有磷生鐵中加入復合改性劑；脫硫工藝：爐外脫硫。

試驗極配方：中頻爐內留300 kg左右的鐵水(1/3)，加入30 kg的磷生鐵復合改性劑，之后用300 kg左右的磷生鐵覆蓋上，等回爐鐵熔化后，再加入30 kg的復合改性劑，之后再用300 kg的磷生鐵環覆蓋其上，等鐵水熔煉完畢時，加入除渣劑，最后扒渣。

中頻爐操作人員對鐵水分三次出爐，將3 kg脫硫劑放在澆注抬包底部，當鐵水溫度達到1 400 ℃左右后出爐，然后向澆注抬包內注入鐵水，等到注滿抬包后，在鐵水表面均勻地覆蓋聚渣劑，攪拌完全后進行扒渣作業，扒渣結束后對鐵水進行快速取樣，同時對噴涂防氧化涂層的陽極進行澆注并編號。

試驗極選取：試驗極分別從當天生產車間中隨機抽選，本次試驗選取4組實驗極對其測量，測量周期一個月。

對比極選取：對比極分別從當天生產車間中隨機抽選，本次試驗選取4組對比極對其測量，測量周期一個月。對比極的磷生鐵沒有添加磷生鐵復合改性劑。

2.2.2 耐高溫防氧化涂層

取一定量的溶劑與甲基纖維素充分混合后，將耐高溫防氧化涂層原料加入溶劑后充分攪拌，調節其濃度達到可噴涂的標準，然后對炭素陽極進行噴涂，陽極四周與凸臺均需要噴涂，碳碗部分不噴涂，噴涂厚度要求0.8～2 mm。噴涂陽極如圖1所示。

圖1 噴涂陽極示意圖

3 數據記錄和處理

3.1 鐵-碳壓降的測定

組裝好的試驗極與對比極上槽兩天后，對其進行陽極鐵-碳壓降的測量。每天測量1次，對測量數據做平均處理后進行匯總，結果見表1。

表1 一個周期內陽極鐵-碳壓降測量值匯總表

從表1可以看出，一個周期內的測量數據，試驗極的鐵-碳壓降低于對比極的鐵-碳壓降，對比極的鐵-碳壓降平均值為130.7 mV，試驗極的鐵-碳壓降平均值為112.1 mV，試驗極鐵-碳平均壓降較對比極低18.7 mV，即所進行的試驗可使鋁電解槽鐵-碳壓降下降約14.3%，節能效果比較可觀。

表1中的數據未做任何處理，由于不同槽的槽況不一致，導致通過每個試驗極與對比極的電流有所差異，因此結果不夠精確，為了客觀地反映鐵-碳壓降降低的情況，我們用科學的計算方法進行處理，得到等電流的鐵-碳壓降值，如表2所示。

表2 一個周期內陽極等電流鐵-碳壓降值

從表2中可以得到，對比極的等電流鐵-碳壓降為127.8 mV，試驗極的等電流鐵-碳壓降為109.2 mV，試驗極等電流鐵-碳壓降較對比極低18.6 mV，即可使鋁電解槽等電流鐵-碳壓降下降約14.6%，與表1同樣地反映了節能效果明顯。

圖2和圖3中橫縱坐標分別為陽極的上槽天數和每日鐵-碳壓降測量平均值。在陽極上極第3天后開始測量鐵-碳壓降的原因是新陽極上極時溫度比較低，導電量較小，鐵-碳壓降不穩定。隨著時間的增加，工作溫度越來越高，電流逐漸穩定后，磷生鐵溫度越來越高，磷生鐵與炭之間的接觸越來越好，鐵-碳壓降會越來越小，當溫度趨于穩定時，鐵-碳壓降也會趨于穩定。

圖2 鐵-碳壓降測試值對比圖

圖3 等電流鐵-碳壓降對比圖

3.2 陽極涂層試驗數據

殘極尺寸測量：選取了13臺試驗槽(換極周期34 d)，25臺對比槽(換極周期為33 d)，試驗槽中均使用噴涂耐高溫防氧化涂層的陽極，對比槽使用的是沒有噴涂的陽極，換極之后將殘極進行冷卻，冷卻之后清理陽極殘極上方的覆蓋料，并對殘極進行寬度高度測量。殘極平均高度及寬度值匯總如表3。

表3 殘極尺寸匯總表

由表3可以看出，使用34 d的試驗極的殘極平均高度比使用33 d的對比極高0.97 mm，平均寬度寬22.86 mm，且換極周期增加1 d。由此看出耐高溫防氧化涂層能夠減少陽極的炭的氧化，延長陽極的使用壽命，效果顯著。

噸鋁炭渣量的統計：對比槽與試驗槽的炭渣量每天稱重1次，測量周期為1 m。炭渣量變化曲線如圖4所示。

圖4 單槽噸鋁炭渣量

由圖4可看出，試驗槽炭渣量從噴涂耐高溫防氧化涂層陽極上槽開始以后逐漸下降，最終趨于一個較穩定的水平：對比槽炭渣量趨于35 kg/t-Al，試驗槽單槽基本穩定在20 kg/t-Al左右，防氧化涂層效果明顯。

4 結論

(1)添加過磷生鐵復合改性劑的磷生鐵澆筑出來的陽極與普通磷生鐵澆注的陽極進行工業試驗測量并對比，結果表明：磷生鐵復合改性劑能夠大幅度地降低鐵-碳壓降，降低的幅度為18.7 mV。該工業試驗改善了磷生鐵澆注出現的一系列問題，加強炭塊與鋼爪之間的連接，有較好的延展性，使磷生鐵與炭塊之間的接觸電阻減少，給企業帶來經濟效益。

(2)使用耐高溫防氧化涂層降低了噸鋁炭渣量約15 kg/t-Al，電解質流動性變好，氧化鋁溶解性變好，陽極周期延長1 d，陽極毛耗降低32 kg/t-Al。