馬軍璽

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 湟中 811601）

電解鋁生產(chǎn)過(guò)程就是以氧化鋁、炭陽(yáng)極為原料，在直流電的作用下制取金屬鋁液的過(guò)程，炭陽(yáng)極即是直流電的載體，也是生產(chǎn)原料，鋁電解電化學(xué)反應(yīng)方程式是[1]。

反應(yīng)過(guò)程生成液體鋁和二氧化碳，理論上鋁電解過(guò)程生產(chǎn)1噸鋁液需要消耗陽(yáng)393kg/t.Al，而實(shí)際上目前各鋁電解企業(yè)陽(yáng)極凈耗在400kg/t.Al～440kg/t.Al，陽(yáng)極消耗每增加1kg/t.AL，噸鋁生產(chǎn)成本會(huì)上升2.5元～3.5元，而陽(yáng)極凈耗大于理論消耗的部分都以氧化和掉渣的形式浪費(fèi)掉了，產(chǎn)生更多的二氧化碳和廢碳渣也會(huì)污染環(huán)境[2,3]。因此，加大技術(shù)升級(jí)力度，細(xì)化內(nèi)部生產(chǎn)管理，降低噸鋁陽(yáng)極毛耗，減少電解鋁生產(chǎn)二氧化碳和碳渣排放量，成為了鋁電解生產(chǎn)管理的重要課題[4]。某電解鋁企業(yè)2012年陽(yáng)極毛耗完成490kg/t.Al，2012年至2014年該公司采取優(yōu)化電解生產(chǎn)工藝、改進(jìn)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)尺寸等技術(shù)方法和措施，成功的將陽(yáng)極毛耗降低到476kg/t.Al，陽(yáng)極毛耗降低幅度14 kg/t.Al。

1 降低陽(yáng)極毛耗意義

鋁用炭素陽(yáng)極的高效利用不僅與電解槽工藝技術(shù)條件、電解現(xiàn)場(chǎng)操作質(zhì)量有關(guān)，還與陽(yáng)極質(zhì)量的優(yōu)劣有關(guān)，直接影響鋁電解生產(chǎn)的正常生產(chǎn)秩序運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，是鋁電解降低物耗成本的重要抓手，每一個(gè)鋁電解企業(yè)都在對(duì)不同階段，采取相應(yīng)技術(shù)措施和管理手段。降低陽(yáng)極毛耗意義主要有以下幾方面：①可以延長(zhǎng)陽(yáng)極換極周期，減少電解操作工換極、打撈炭渣勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約有效工作時(shí)間，增加對(duì)電解槽日常巡視維護(hù)時(shí)間，故障排除力度，降低突發(fā)效應(yīng)等異常情況。②可以減少對(duì)電解槽人工操作頻次，提高電解槽自控能力，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。③可以減少炭素分廠生產(chǎn)量，為炭素各工序?qū)嵤┯?jì)劃?rùn)z修贏得更充分時(shí)間，有利于炭素系統(tǒng)良性循環(huán)生產(chǎn)，減少設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行帶來(lái)潛在安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。④可以實(shí)現(xiàn)鋁電解企業(yè)電解、炭素兩大生產(chǎn)系統(tǒng)雙贏，降低生產(chǎn)成本。

2 陽(yáng)極消耗理論分析

（1）影響陽(yáng)極凈消耗因素分析。根據(jù)國(guó)外連續(xù)20年對(duì)各種預(yù)焙陽(yáng)極電解槽工作特性、陽(yáng)極質(zhì)量特性、電流效率和陽(yáng)極消耗指標(biāo)等長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)分析，得出關(guān)于陽(yáng)極凈耗計(jì)算公式：

NC=C+334/CE+1.2(BT-960)-1.7CRR+9.3AP+8TC-1.5ARR（公式2-1）[4]

式中：NC-陽(yáng)極凈耗390kg/t～480kg/t；C-電解槽性能系數(shù)270～310；CE-電解槽電流效率87%～95%；BT-電解槽工作溫度940℃～980℃；CRR-CO2反應(yīng)剩余率75%～92%；AP-空氣滲透率0.5nPm～5.0nPm；TC-熱導(dǎo)率3.0W/(M.K)～6.0W/(M.K)；ARR-空氣反應(yīng)剩余率55%～93%。①保持電解槽高效穩(wěn)定運(yùn)行，提高電解槽電流效率；②合理調(diào)整工藝技術(shù)條件，保持較低的電解溫度。

公式表明，當(dāng)電解工藝技術(shù)條件保持穩(wěn)定前提下，降低陽(yáng)極凈耗主要從炭素生產(chǎn)管理以下方面采取措施：①改進(jìn)陽(yáng)極的空氣反應(yīng)性；②提高陽(yáng)極的二氧化碳反應(yīng)性；③降低陽(yáng)極的空氣滲透性；④降低陽(yáng)極的熱傳導(dǎo)。

2.2 影響陽(yáng)極換極周期因素分析

陽(yáng)極更換周期公式：

式中：Ha-陽(yáng)極有效高度cm；ρv-陽(yáng)極體積密度g/cm3；da-陽(yáng)極電流密度A/cm2；η-電流效率%；鋁的陽(yáng)極凈消耗量。

公式表明，在保證陽(yáng)極不透底情況下，延長(zhǎng)陽(yáng)極換極周期從以下方面采取措施：①增加陽(yáng)極有效高度；②增加陽(yáng)極體積密度；③降低陽(yáng)極電流密度；④穩(wěn)定電流效率；⑤降低陽(yáng)極單耗量。

3 現(xiàn)狀分析

動(dòng)力供電系統(tǒng)的穩(wěn)定是低物耗控制的基礎(chǔ)，該電解鋁企業(yè)通過(guò)對(duì)供電隱患進(jìn)行系統(tǒng)分析，實(shí)施技術(shù)改造，排除隱患，基本確保了電解350KA系列和400KA系列電流運(yùn)行穩(wěn)定。電解槽工藝技術(shù)條件控制是減少陽(yáng)極損耗的必要條件，該電解鋁企業(yè)實(shí)施電解槽低溫低電壓、低分子比、低電解質(zhì)水平控制，有利于降低陽(yáng)極凈耗。通過(guò)以上工藝管理措施實(shí)施，為實(shí)施陽(yáng)極結(jié)構(gòu)改造，進(jìn)一步降低陽(yáng)極毛耗創(chuàng)造了條件。

4 技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移

在固化電解槽基礎(chǔ)管理前提下，將降低陽(yáng)極毛耗重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到炭素系統(tǒng)，在炭素原有原料品味、炭塊理化指標(biāo)不變條件下，通過(guò)技術(shù)分析，結(jié)合電解槽結(jié)構(gòu)，對(duì)炭素生產(chǎn)工藝、設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，改變預(yù)焙陽(yáng)極塊的結(jié)構(gòu)和尺寸。

5 制定方案

將原有陽(yáng)極寬度不變，長(zhǎng)度增加40mm，即在原有陽(yáng)極長(zhǎng)度基礎(chǔ)上對(duì)稱加長(zhǎng)20mm,對(duì)炭碗深度由目前130mm計(jì)劃調(diào)整115mm,同時(shí)增加上下部陽(yáng)極倒角，增加陽(yáng)極開(kāi)槽。

（1）對(duì)加長(zhǎng)陽(yáng)極尺寸進(jìn)行電解論證。從圖1反映，電解一、二系列原陽(yáng)極中縫間距220mm,陽(yáng)極對(duì)稱加長(zhǎng)20mm后，陽(yáng)極中縫間距縮小為180mm滿足電解打殼下料要求。

同時(shí)電解一、二系列目前陽(yáng)極與側(cè)壁的間距300mm，陽(yáng)極對(duì)稱加長(zhǎng)20mm后，陽(yáng)極與側(cè)壁的間距縮小為280mm滿足電解邊部加工要求，實(shí)施加長(zhǎng)陽(yáng)極具有可行性。

圖1 電解槽結(jié)構(gòu)圖

（2）增加陽(yáng)極長(zhǎng)度與原陽(yáng)極電流密度變化比較

表1 陽(yáng)極尺寸變化

表2 陽(yáng)極尺寸對(duì)應(yīng)陽(yáng)極電流密度變化對(duì)比

依據(jù)表1計(jì)算，得出表2結(jié)論，通過(guò)加長(zhǎng)陽(yáng)極，可以解決強(qiáng)化電流后陽(yáng)極電流密度不增加或降低的技術(shù)可行性。

6 電解生產(chǎn)管理的適應(yīng)性改進(jìn)

①針對(duì)加長(zhǎng)陽(yáng)極使用減小陽(yáng)極中縫間距情況，修改保溫料添加標(biāo)準(zhǔn)，做好陽(yáng)極防氧化，防止下料點(diǎn)堵料、控制效應(yīng)等工作。②針對(duì)陽(yáng)極電流密度減小，組織力量每天監(jiān)測(cè)電解槽電解質(zhì)水平，對(duì)低于控制下限的電解質(zhì)水平及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，防止電解質(zhì)收縮。③為保持電解槽熱平衡，防止槽溫下降組織對(duì)電壓、分子比控制進(jìn)行定期評(píng)判，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。④為保持電流強(qiáng)度不變，減少電流波動(dòng)幅度，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)流技術(shù)攻關(guān)。⑤為提高電解槽允許穩(wěn)定性，對(duì)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了程序更新和控制參數(shù)調(diào)整。⑥轉(zhuǎn)變物耗管理思路，擺正電解槽與陽(yáng)極毛耗的關(guān)系，保證陽(yáng)極不透底前提下，適當(dāng)延長(zhǎng)換極周期。⑦強(qiáng)化停開(kāi)槽陽(yáng)極管理，及時(shí)消耗停開(kāi)槽高位殘極，最大程度利用高殘極。

7 結(jié)論

通過(guò)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)改造，從根本上解決公司電解系列強(qiáng)化電流后保證陽(yáng)極電流密度不增加，解決了進(jìn)一步降低鋁液陽(yáng)極毛耗瓶頸，鋁液陽(yáng)極毛耗較改造前降低14 kg/t-AL，陽(yáng)極凈耗降至398 kg/t-AL,較行業(yè)陽(yáng)極凈耗平均水平410 kg/t-AL降低12 kg/t-AL，達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平，收到巨大經(jīng)濟(jì)效益。按公司電解滿負(fù)荷57萬(wàn)噸電解鋁計(jì)算，使用改造陽(yáng)極，每年較使用原尺寸陽(yáng)極節(jié)約成本3873萬(wàn)元。減少電解換極量，減少陽(yáng)極拉運(yùn)量，降低電解操作工工作量，減少電解廠房無(wú)組織排放量，有利于現(xiàn)場(chǎng)操作人員健康，提高企業(yè)環(huán)保指標(biāo)。