納米陶瓷基鋁電解陽(yáng)極防氧化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

王博一

(湖南博溥立材料科技有限公司,湖南 常德 415900)

據(jù)統(tǒng)計(jì),陽(yáng)極成本約占電解鋁生產(chǎn)成本的10%～15%[1],在鋁電解過(guò)程中陽(yáng)極理論炭耗334 kg/t-Al,而實(shí)際炭耗一般為460～500 kg/t-Al,個(gè)別企業(yè)炭耗更是高達(dá)510～520 kg/t-Al[2]。炭陽(yáng)極的消耗主要由電解消耗、額外消耗(包括化學(xué)消耗和機(jī)械消耗)和殘極炭耗組成,炭陽(yáng)極的電解消耗和殘極炭耗是無(wú)法避免的,而額外消耗是可以通過(guò)有效手段來(lái)進(jìn)行降低的。額外消耗主要是生產(chǎn)過(guò)程中的化學(xué)氧化和機(jī)械脫落所造成的,而機(jī)械脫落也主要是優(yōu)先選擇氧化后的結(jié)果[1-2],可見通過(guò)對(duì)炭陽(yáng)極的氧化過(guò)程進(jìn)行有效的防氧化干預(yù)是降低陽(yáng)極炭耗的有效途徑。

目前鋁行業(yè)降低陽(yáng)極炭耗的研究主要從陽(yáng)極生產(chǎn)工藝上著手,很少?gòu)碾娊馍a(chǎn)使用中探討降低陽(yáng)極炭耗的途徑[3-4],而通過(guò)采取在陽(yáng)極表面涂覆一種保護(hù)材料的措施來(lái)對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行防氧化保護(hù)的研究較少。林萍[5]、譚占平[6]、高宏權(quán)[7]等做過(guò)陽(yáng)極防氧化涂層材料的實(shí)驗(yàn)研究,但由于施工工藝復(fù)雜、常溫干燥時(shí)間長(zhǎng)亦或材料性能等方面的原因未見其進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)推廣應(yīng)用。本文是針對(duì)在前期4臺(tái)工業(yè)槽試驗(yàn)應(yīng)用[8]效果的基礎(chǔ)上做了后續(xù)的大規(guī)模工業(yè)推廣應(yīng)用,旨在為陽(yáng)極防氧化涂層材料[9]的工業(yè)化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考和經(jīng)濟(jì)核算。

1 工業(yè)應(yīng)用

1.1 工業(yè)應(yīng)用過(guò)程

(1)本工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)在青海某鋁廠進(jìn)行,分別在350 kA系列二一區(qū)和400 kA系列四一區(qū)兩個(gè)工區(qū)進(jìn)行預(yù)焙陽(yáng)極防氧化涂層材料的規(guī)?；I(yè)推廣應(yīng)用,并對(duì)工業(yè)推廣結(jié)果持續(xù)跟蹤。

(2)自5月15日防氧化涂層陽(yáng)極在試驗(yàn)工區(qū)開始入槽,至6月17日第一階段(共34天)結(jié)束。此階段的主要目的是用防氧化涂層陽(yáng)極置換電解槽中的未涂層陽(yáng)極。

(3)6月18日零點(diǎn)班涂層殘極開始出槽,至7月6日第二階段(共19天)結(jié)束。此階段的主要目的是穩(wěn)定槽況,減小前期由于涂層陽(yáng)極與未涂層陽(yáng)極混雜對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

(4)7月7日開始,試驗(yàn)工區(qū)換極周期由34天延長(zhǎng)至35天,至8月3日第三階段(共28天)結(jié)束。此階段的主要目的是對(duì)工業(yè)推廣應(yīng)用的結(jié)果進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)分析。

(5)工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中各工區(qū)換極周期情況如表1所示。

表1 各工區(qū)換極周期情況表

1.2 工業(yè)應(yīng)用涂層材料用量

理論用量:每塊陽(yáng)極平均噴涂用量3.2 kg,涂層材料噴涂厚度約為1 mm左右;實(shí)際用量:每塊陽(yáng)極平均噴涂用量3.57 kg。

1.3 工業(yè)應(yīng)用照片

圖1 涂層陽(yáng)極入槽

圖2 殘極露陰影

圖3 殘極透底

由圖4和圖5可看出,涂層陽(yáng)極外形保持較規(guī)整;由圖6與圖7、圖8做對(duì)比可看出,在下料處涂層材料對(duì)陽(yáng)極的保護(hù)較好,沒(méi)有因下料而產(chǎn)生陽(yáng)極變形的情況發(fā)生。

圖4 涂層陽(yáng)極入槽21天后側(cè)面氧化情況

圖5 涂層陽(yáng)極殘極

圖6 涂層陽(yáng)極停槽時(shí)高殘極氧化情況

圖7 1#無(wú)涂層陽(yáng)極停槽時(shí)高殘極氧化情況

圖8 2#無(wú)涂層陽(yáng)極停槽時(shí)高殘極氧化情況

2 工業(yè)應(yīng)用結(jié)果與分析

2.1 殘極尺寸

2.1.1 一系列(350 kA)工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)

一系列工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)如表2到表5所示。

表2 一系列殘極測(cè)量情況對(duì)比表(7月7日至7月23日)

表3 一系列殘極測(cè)量情況對(duì)比表(7月24日至8月3日)

表4 一系列殘極測(cè)量情況對(duì)比表(7月7日至8月3日)

表5 一系列對(duì)比工區(qū)2146#槽35天周期殘極情況表

2.1.2 一系列(350 kA)工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

(1)由表4數(shù)據(jù)得出:① 殘極高度方面:一系列中試驗(yàn)工區(qū)(平均殘極高168.0 mm)比對(duì)比工區(qū)(平均殘極高167.0 mm)殘極高度平均高1.0 mm,說(shuō)明試驗(yàn)工區(qū)(35天換極)比對(duì)比工區(qū)(34天換極)的陽(yáng)極消耗小1.0 mm,可見涂層材料陽(yáng)極防氧化效果明顯。② 殘極露陰影方面:試驗(yàn)工區(qū)數(shù)量為0,對(duì)比工區(qū)數(shù)量為25塊,對(duì)比工區(qū)殘極露陰影占比1.32%,說(shuō)明對(duì)比工區(qū)較試驗(yàn)工區(qū)陽(yáng)極氧化嚴(yán)重。③ 殘極透底方面:試驗(yàn)工區(qū)與對(duì)比工區(qū)均沒(méi)有透底殘極出現(xiàn),說(shuō)明殘極高度與透底數(shù)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)沒(méi)有受到極端情況的影響,試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。④ 綜合表4中殘極平均高度與露陰影數(shù)量的數(shù)據(jù)可以看出,在殘極平均高度方面試驗(yàn)工區(qū)與對(duì)比工區(qū)數(shù)據(jù)差別不大(只有1.0 mm),但露陰影數(shù)量上差別較大(差25塊),說(shuō)明對(duì)比工區(qū)殘極高度波動(dòng)范圍較大,對(duì)比工區(qū)陽(yáng)極消耗高度穩(wěn)定性較試驗(yàn)工區(qū)差,防氧化涂層材料在維持槽況穩(wěn)定性方面(降低電解質(zhì)電阻,降低陽(yáng)極電流密度,降低電解質(zhì)溫度,減少陽(yáng)極長(zhǎng)包和側(cè)部漏電)有積極的作用[10]。

(2)由表5數(shù)據(jù)得出:① 2146#槽在未使用涂層陽(yáng)極的情況下強(qiáng)行延長(zhǎng)一天換極周期導(dǎo)致殘極露陰影數(shù)量占比激增至50%。② 在陽(yáng)極未使用涂層材料時(shí),34天已經(jīng)是換極周期極限。

2.1.3 二系列(400 kA)工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)

二系列(400 kA)工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)見表6～8。

表6 二系列殘極測(cè)量情況對(duì)比表(7月7日至7月23日)

表7 二系列殘極測(cè)量情況對(duì)比表(7月24日至8月3日)

2.1.4 二系列(400 kA)工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

由表8數(shù)據(jù)得出:① 殘極高度方面:二系列中試驗(yàn)工區(qū)(平均殘極高149.6 mm)比對(duì)比工區(qū)(平均殘極高147.9 mm)殘極高度平均高1.7 mm,說(shuō)明前者比后者的陽(yáng)極消耗小1.7 mm;② 對(duì)比同時(shí)期一系列殘極高度方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(試驗(yàn)工區(qū)比對(duì)比工區(qū)殘極高度平均高1.0 mm)可得出,隨著系列電流的增大,陽(yáng)極消耗變大,涂層材料的陽(yáng)極防氧化效果也增大(1.7 mm>1.0 mm)。③ 殘極露陰影方面:對(duì)比工區(qū)比試驗(yàn)工區(qū)的殘極露陰影數(shù)量多32塊,占比比試驗(yàn)工區(qū)高(2.85-1.15)%=1.70%,與一系列殘極露陰影占比(高1.32%)相比,露陰影數(shù)量占比有所增大,說(shuō)明涂層材料的陽(yáng)極防氧化效果二系列比一系列要好。④ 殘極透底方面:試驗(yàn)工區(qū)透底數(shù)量占比0.19%比對(duì)比工區(qū)0.32%低,涂層材料陽(yáng)極防氧化效果較好。

表8 二系列殘極測(cè)量情況對(duì)比表(7月7日至8月3日)

2.2 原鋁質(zhì)量

2.2.1 原鋁質(zhì)量結(jié)果

(1)一系列原鋁鐵含量數(shù)據(jù)

一系列各工區(qū)鐵含量數(shù)據(jù)刨除了槽齡小于60天新啟槽和硅大于0.07的異常槽;涂層極于7月28日停止入槽,因涂層極和非涂層極混用會(huì)影響涂層極效果,故鐵含量統(tǒng)計(jì)截止到8月1日。

① 一系列試驗(yàn)工區(qū)、對(duì)比工區(qū)鐵含量平均值變化曲線,如圖9所示。

圖9 一系列試驗(yàn)工區(qū)、對(duì)比工區(qū)鐵含量平均值變化曲線圖

② 一系列不同階段鐵含量平均值對(duì)比,如表9所示。

表9 一系列不同階段鐵含量平均值對(duì)比表

③ 一系列各工區(qū)鐵含量平均值變化曲線,如圖10所示。

圖10 一系列各工區(qū)鐵含量平均值變化曲線圖

(2)二系列原鋁鐵含量數(shù)據(jù)

各工區(qū)鐵含量數(shù)據(jù)刨除了槽齡小于60天新啟槽和硅大于0.07的異常槽;涂層極于7月30日停止入槽,涂層極和非涂層極混用會(huì)影響涂層極效果,鐵含量統(tǒng)計(jì)截止到8月1日。

① 二系列試驗(yàn)工區(qū)、對(duì)比工區(qū)鐵含量平均值變化曲線,如圖11所示。

圖11 二系列試驗(yàn)工區(qū)、對(duì)比工區(qū)鐵含量平均值變化曲線圖

② 二系列不同階段鐵含量平均值對(duì)比,如表10所示。

表10 二系列不同階段鐵含量平均值對(duì)比表

③ 二系列各工區(qū)鐵含量平均值變化曲線,如圖12所示。

圖12 二系列各工區(qū)鐵含量平均值變化曲線圖

2.2.2 原鋁鐵含量數(shù)據(jù)分析

(1)一系列原鋁鐵含量數(shù)據(jù)分析:① 從圖9分析得出:試驗(yàn)工區(qū)和對(duì)比工區(qū)在5月25日周期延長(zhǎng)到34天后鐵含量都有小幅度上升。試驗(yàn)工區(qū)6月18日進(jìn)入第二個(gè)周期后鐵含量呈下降趨勢(shì);7月7日試驗(yàn)工區(qū)周期開始延長(zhǎng)到35天,鐵含量曲線基本無(wú)太大變化,趨于穩(wěn)定;7月21日以后對(duì)比工區(qū)鐵含量出現(xiàn)快速上升的情況,這與2146#槽強(qiáng)行延長(zhǎng)一天周期至35天有關(guān)。② 從表9分析得出:從三個(gè)階段橫向比較來(lái)看,試驗(yàn)工區(qū)和對(duì)比工區(qū)鐵含量都呈上升趨勢(shì),但試驗(yàn)工區(qū)比對(duì)比工區(qū)上升幅度小,鐵含量更受控;從同一階段縱向來(lái)看,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,試驗(yàn)工區(qū)和對(duì)比工區(qū)鐵含量的差值在不斷變大,由0.005增大至0.008,涂層陽(yáng)極防氧化效果逐漸顯現(xiàn)。③ 從圖10分析得出:一系列各工區(qū)整體鐵含量7月份對(duì)比5月份都呈上升趨勢(shì),試驗(yàn)工區(qū)在周期延長(zhǎng)到35天后,鐵含量在系列中排名反而由最初的第三名上升至第二名。

(2)二系列原鋁鐵含量數(shù)據(jù)分析:① 從圖11分析得出:第一個(gè)階段試驗(yàn)工區(qū)和對(duì)比工區(qū)曲線基本同趨勢(shì);進(jìn)入第二個(gè)階段后試驗(yàn)工區(qū)鐵含量曲線呈下降趨勢(shì)后有少許波動(dòng)最后保持穩(wěn)定,對(duì)比工區(qū)在換極周期全部延長(zhǎng)到34天后(7月6日后)鐵含量曲線呈明顯的上升趨勢(shì);7月7日開始試驗(yàn)工區(qū)每天3臺(tái)槽延長(zhǎng)到35天至7月27日46臺(tái)槽已經(jīng)全部延長(zhǎng)到35天換極周期,但試驗(yàn)工區(qū)鐵含量曲線依然保持穩(wěn)定;而對(duì)比工區(qū)7月14日至7月22日4201#～4228#槽縮回至33天周期后,對(duì)比工區(qū)鐵含量平均曲線才稍有下降;整體來(lái)說(shuō)試驗(yàn)工區(qū)延長(zhǎng)周期至35天后鐵含量能夠保持穩(wěn)定。② 從表10分析得出:試驗(yàn)工區(qū)和對(duì)比工區(qū)各階段鐵含量平均值變化趨勢(shì)一致,但試驗(yàn)工區(qū)與對(duì)比工區(qū)的鐵含量差值卻不斷變大,由0.004增大至0.01。與一系列試驗(yàn)效果一樣,隨著工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)的持續(xù)推進(jìn),涂層陽(yáng)極防氧化效果越來(lái)越明顯。③ 從圖12曲線分析得出:二系列周期延長(zhǎng)到34天后(7月6日后),非涂層極工區(qū)的鐵含量曲線呈上升趨勢(shì),試驗(yàn)工區(qū)曲線基本保持穩(wěn)定。由于鐵含量增加,對(duì)比區(qū)7月14日后部分槽換極周期縮回至33天,鐵含量曲線才得以穩(wěn)定;7月6日后試驗(yàn)工區(qū)換極周期延長(zhǎng)到35天后,鐵含量有所上升,但在允許的范圍內(nèi),試驗(yàn)工區(qū)鐵含量在系列中依然靠前。

(3)綜上所述,電解槽在使用涂層陽(yáng)極后,原鋁鐵含量較對(duì)比槽更易受控,涂層材料的使用對(duì)原鋁質(zhì)量品位無(wú)影響。

3 經(jīng)濟(jì)效益估算

經(jīng)濟(jì)效益估算表見表11。

表11 經(jīng)濟(jì)效益估算表 萬(wàn)元/年

4 結(jié) 論

(1)陽(yáng)極防氧化涂層材料實(shí)際噴涂消耗量大于預(yù)期理論消耗量,應(yīng)提高陽(yáng)極表面光潔度和減小噴涂浪費(fèi)。

(2)陽(yáng)極防氧化涂層材料對(duì)保持陽(yáng)極幾何外形規(guī)整性有較大作用,尤其是在下料處對(duì)陽(yáng)極的保護(hù)較好,沒(méi)有因下料而產(chǎn)生陽(yáng)極變形的情況。

(3)使用陽(yáng)極防氧化涂層材料后,涂層陽(yáng)極比未涂層陽(yáng)極延長(zhǎng)一天換極周期。

(4)陽(yáng)極防氧化涂層材料使用后原鋁鐵含量保持穩(wěn)定且可控。

(5)按56萬(wàn)噸/年電解鋁計(jì)算,陽(yáng)極防氧化涂層材料的規(guī)?；I(yè)應(yīng)用可帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益1390萬(wàn)元/年左右。