張友禧 李 賢 劉民章

(1.青海西部水電有限公司, 青海 民和 810800; 2.青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

淺談預焙陽極外形結構的改進

張友禧1李 賢2劉民章2

(1.青海西部水電有限公司, 青海 民和 810800; 2.青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

介紹了預焙陽極外形結構的改進過程，分析了陽極外形結構的改進對噸鋁陽極單耗所產(chǎn)生的影響，并對改進效果進行了評價和展望。

鋁電解槽； 預焙陽極； 外形結構； 改進； 單耗

0 前言

鋁電解是高耗能、高成本投入的行業(yè)。在鋁電解的成本構成中，電費約占總成本47%以上，其余主要是生產(chǎn)原料費用。在生產(chǎn)原料中，除氧化鋁以外，主要是預焙陽極。目前，國內(nèi)預焙電解槽的平均陽極單耗為450～550 kg/t-Al，在鋁電解的生產(chǎn)成本構成中約占11%。近幾年來，鋁電解行業(yè)面臨著巨大的危機，究其原因，除了產(chǎn)能嚴重過剩外，主要原因還是生產(chǎn)成本過高，不能應對激烈的市場競爭。因此，各鋁電解企業(yè)紛紛從降低電耗和陽極消耗入手，開展降低成本的工作：一是通過降低鋁電解槽工作電壓降低電耗，對此進行了大量富有成效的研究與實踐[1-3]；二是通過降低陽極單耗降低生產(chǎn)成本，但報道并不多見，尤其是通過改進陽極外形結構降低陽極單耗更為鮮見。因此，研究探討預焙陽極外形對鋁電解過程中的陽極單耗影響具有一定的實際意義。本文以180 kA預焙電解槽為例，從陽極倒角、陽極開槽以及陽極上部凸臺改進等幾個階段，討論了陽極外形對鋁電解成本的影響。

1 原預焙陽極外觀結構及噸鋁陽極單耗

原180 kA鋁電解槽使用的預焙陽極炭塊尺寸為1 500×660×570 mm,焙燒后的陽極重量為820 kg/塊，原預焙陽極外形見圖1。其使用周期為30 d，電流效率為92%，噸鋁陽極單耗492 kg。

2 預焙陽極外觀結構的改進

2.1 陽極底部四周倒角

第一階段的陽極外形結構改進應圍繞降低電解質(zhì)中炭渣含量進行。主要目的有兩方面：一是減少電解質(zhì)中炭渣的生成，改善電解槽的運行工況，降低電解槽的工作電壓；二是在保持換極周期不變的情況下，在一定程度上減少陽極單耗。

圖1 原預焙陽極外形

通常完成磷生鐵澆鑄的預焙陽極要入庫存放，當換極時其溫度和環(huán)境溫度相當。橋頭鋁電公司所在的地區(qū)，夏秋季節(jié)約為20～30 ℃，春冬季節(jié)約為-20～10 ℃，而電解質(zhì)的溫度通常都在950 ℃左右。換極時，當常溫陽極炭塊浸入高溫電解質(zhì)時，巨大的溫差會在陽極炭塊中形成較大的溫度梯度分布，尤其是在陽極炭塊底部四周棱角處形成強烈的熱應力集中現(xiàn)象。當應力超過棱角處骨料顆粒間粘結劑的結合力時，就會在棱角處形成裂紋。鋁電解槽中的電磁場和流體流動對浸入電解質(zhì)的陽極炭塊形成沖刷作用，使得已經(jīng)形成裂紋的炭塊棱角處炭顆粒從炭塊本體上脫落進入電解質(zhì)中，并以炭渣的形式存在，從而使電解質(zhì)的導電性能惡化，造成槽電壓上升，進而導致鋁電解過程的耗電增加[4]。

通過分析電解槽中炭渣增多的原因，筆者認為削去陽極底部易形成應力集中的四周棱角，可以改善陽極炭塊在電解質(zhì)中的工作狀況，有利于降低電解槽的工作電壓，而且在一定程度上可以降低陽極單耗。那么，要去除的尺寸為多大，既不影響陽極炭塊的設計電流密度、又能達到預想的減少炭渣生成和減少陽極單耗的目的？經(jīng)過分析計算，確定陽極底部棱角去除尺寸為50×50 mm(見圖2)，去除后的形狀為邊長為50 mm的等腰三角形。

圖2 倒角陽極外形

2.2 陽極開槽

第二階段的陽極外形結構改進應圍繞減小陽極底掌下方的氣膜電阻進行。其目的一是通過開槽陽極的使用，使陽極底掌下方的氣膜順利逸出，從而減小氣膜厚度，降低氣膜電阻，達到降低電解槽工作電壓的目的；二是通過對預焙陽極炭塊進行開槽，在一定程度上降低陽極單耗。

當陽極炭塊浸入電解質(zhì)中時，炭塊中的主要成分碳便會與氧化鋁發(fā)生反應，生成CO2和金屬鋁：生成的CO2氣體以氣膜形式存在于陽極底掌下方，在陽極底掌與電解質(zhì)之間形成不導電氣膜層，從而使電解槽的工作電壓升高。如果不能使陽極底掌下方的氣體順利排出，必然會造成電解過程電耗增加。對于如何順利排出陽極氣體，許多研究[5-8]認為采用開槽陽極或穿孔陽極能夠達到節(jié)能目的，原因是：

(1)使用開槽陽極，可以減少陽極底掌下氣體行程距離，使電解質(zhì)中陽極氣體的排出更加通暢，減少陽極底掌氣膜的形成，從而使氣膜電壓降低，最終降低陽極電壓，節(jié)省電能。

(2)使用開槽陽極，增加了陽極與電解質(zhì)的接觸面積，可以使陽極在電解質(zhì)中的升溫加快，縮短陽極的預熱時間，使陽極更快地進入導電狀態(tài)，減少了電流的空耗。

(3)由于陽極氣體的順利逸出，使得陽極底掌形成較厚陽極氣膜的幾率大為降低，可減少陽極效應的發(fā)生。

(4)陽極氣體逸出過程中，在一定程度上對電解質(zhì)形成了攪拌作用，可改善電解質(zhì)的流動場和氧化鋁的熔解性能，達到減少爐底沉淀、有利于電解槽爐幫形成及一定程度上延長電解槽使用壽命的目的。

(5)因為陽極氣體的主要成分為CO和CO2，因此，當陽極氣體順暢逸出時，減少了陽極氣體與鋁液的接觸時間，從而可以減少二次反應的發(fā)生，提高電流效率。

以180 kA電解系列為列，使用圖3所示的開槽陽極結構，使得電解槽運行更加穩(wěn)定,陽極效應發(fā)生頻率降低。在換極周期、電流效率不變的情況下，噸鋁陽極單耗降低7.3 kg。

圖3 開槽陽極外形

2.3 陽極上部凸臺外形結構改進

第三階段的陽極外形結構改進應圍繞降低陽極在空氣中的燒損進行。其主要目的有三個：一是減少炭塊的“無效”部分從而減少生產(chǎn)炭塊的糊料用量，降低陽極的制造成本；二是電解過程中保溫覆蓋料能較好地堆積, 對陽極起到覆蓋保護的作用；三是通過對預焙陽極炭塊改進，在一定程度上降低陽極單耗。一般地，在所有幾何體中，球體的表面積是最大的，因而結合以上三點, 將頂面改為圓弧面比較好。預焙陽極炭塊上部結構改進如圖4所示[9]。

第三階段改進有以下幾個優(yōu)點：

(1) 將上部凸臺與陽極主體結合部改為圓弧狀，大大減小了陽極成型過程中該部位由于應力集中產(chǎn)生裂紋的可能性，同時，也降低了陽極在焙燒過程中裂紋擴展和新裂紋產(chǎn)生的幾率，有利于改善預焙陽極的理化性能，提高陽極的使用效果。

(2) 由于上部凸臺外形的改進，使得陽極掛槽后能夠更好的堆放陽極覆蓋料，漏入電解質(zhì)的覆蓋料數(shù)量大大減少，有利于改善電解質(zhì)的粘度，降低電解質(zhì)電阻，在一定程度上有利于降低電解能耗。

(3) 由于陽極外形改進后，可以更加平穩(wěn)的堆放覆蓋料，并根據(jù)低電壓要求增加保溫層厚度，因此，對陽極的保護作用也有了提高，有利于減少陽極氧化，降低噸鋁陽極單耗。

(4) 陽極氧化程度的降低，必定導致溫室氣體排放量的減少，有利于改善環(huán)境空氣質(zhì)量。

陽極上部凸臺改造，可減少單塊陽極重量，平均每塊生塊節(jié)約糊料8～12 kg左右[9]。陽極焙燒后，在換極周期、電流效率不變的情況下，噸鋁陽極單耗降低6 kg。

圖4 改進后陽極凸臺

3 預焙陽極外觀結構改進效果

圖5 整體優(yōu)化后的預焙陽極外形

經(jīng)過三個階段陽極外觀結構的改進與優(yōu)化，其外觀結構如圖5所示。以180 kA鋁電解系列為例，焙燒后的單塊預焙陽極重量可由最初的820 kg減輕到786 kg，減少34 kg，在換極周期、電流效率不變的情況下，噸鋁陽極單耗減少20.4 kg。

據(jù)文獻報道[10]，2013年全國鋁產(chǎn)量預計達到

2 220萬t，如果全部推廣應用外觀改形陽極，每年可減少陽極單耗:

2 220 t×20.4 kg/t×104=45.288萬t

按目前預焙陽極炭塊的市場銷售價3 800元/t計算，每年可節(jié)約：

45.288×104×3 800元/t=172 094.4萬元。

4 結束語

隨著國內(nèi)外原鋁市場的激烈競爭，降低鋁電解生產(chǎn)成本也將是一項長期而艱巨的任務。預焙陽極作為鋁電解過程中最主要的生產(chǎn)原料之一，仍然有許多方面可以改進，而這些改進必定會對鋁電解生產(chǎn)成本的降低產(chǎn)生重要的影響。

[1] 劉馳，肖勝華，劉俊森.在產(chǎn)鋁電解槽雙向阻流節(jié)能技術工業(yè)試驗[C].中國有色金屬學會第九屆學術年會論文集.中南大學出版社，2013：282-285.

[2] 李賢，劉民章，張志超，等.240 kA鋁電解槽低溫低電壓生產(chǎn)實踐[J].輕金屬，2013(6):38-40.

[3] 楊文杰，史志榮，焦慶國.鋁電解節(jié)能技術現(xiàn)狀與思考[J].輕金屬，2012(5):26-30.

[4] 劉民章，李賢.預焙陽極外觀幾何形狀對炭渣形成的影響[J].碳素技術，2012(6)：B21-23.

[5] 任必軍,王兆文,石忠寧,等. 大型鋁電解槽陽極開槽試驗的研究[J].礦冶工程，2007：61-63.

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[7] 李賀松，曹曦，田應甫.低能耗下鋁電解槽陽極結構的優(yōu)化[J].中國有色金屬學報，2012(10)：2960-2969.

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[9] 樂雪梅，戴威然，郭峻，等.鋁電解預焙陽極外形結構優(yōu)化的摸索及生產(chǎn)實踐[J].云南冶金，2011，39：90-92.

[10] 孔明.2013年11月鋁市場回顧及后市展望[J].有色金屬工程，2013，3(6)：7-8.

Improvement on Exterior Structure of Prebaked Anode

ZHANG You-xi, LI Xian, LIU Min-zhang

This paper introduces the improving process on exterior structure of prebaked anodes, analyzes the effects of structure improvement on anode consumption of per ton aluminum, evaluates and forecasts the improvement effects at the same time.

aluminum reduction cell; prebaked anode; exterior structure; improvement; unit consumption

2014-02-19

張友禧(1981—)，男，青海民和人，大學本科，助理工程師，主要從事鋁電解技術項目管理工作。

TF821

B

1008-5122(2014)05-0014-03