李賀松, 孫盛林, 朱曉偉

(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 引言

1.1 研究背景

鋁是地殼中儲(chǔ)量最大的金屬元素，金屬鋁具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)，是迄今為止產(chǎn)量最大、用途最廣泛的有色金屬。鋁電解槽是煉鋁的核心設(shè)備，隨著鋁電解技術(shù)的不斷發(fā)展，電解槽的節(jié)能降耗成為了科研學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率并降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，電解槽正朝大容量(400 kA級(jí)及以上)、低電壓(3.9 V以下)、節(jié)能型(12 500 kWh/t-Al以下)的方向迅猛發(fā)展[2]。同時(shí)，對(duì)電解槽結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新優(yōu)化以及對(duì)生產(chǎn)工藝和控制技術(shù)改進(jìn)的研究也在進(jìn)行，期望達(dá)到大幅節(jié)能的目的，在中國(guó)鋁業(yè)界掀起了一場(chǎng)技術(shù)革新的熱潮。我國(guó)鋁電解工業(yè)經(jīng)過大量的技術(shù)創(chuàng)新與工業(yè)試驗(yàn)，雖然取得了許多的成果，鋁電解相關(guān)工藝能耗已有大幅度減低，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其理論能耗，鋁電解平均能量利用率尚不足50%，節(jié)能潛力十分巨大[3-7]。

在鋁電解生產(chǎn)過程中，電化學(xué)消耗、化學(xué)消耗以及機(jī)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(xiàn)氧化的現(xiàn)象，其中，在炭素陽極表面與CO2和O2發(fā)生的氧化還原反應(yīng)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(chǎn)成本。按照現(xiàn)在的鋁電解工藝，理論上每生產(chǎn)一噸鋁需要消耗333 kg的炭，但實(shí)際消耗量為該值的1.5～1.8倍，達(dá)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(shù)一個(gè)非常重要的考核指標(biāo)。為了提高炭素陽極在高溫環(huán)境下的抗氧化能力，盡可能地減少鋁電解生產(chǎn)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(qiáng)度、硬度以及鐵水的流動(dòng)性，碳含量的變化還會(huì)改變鐵水的澆注溫度和鐵環(huán)的導(dǎo)電性能，進(jìn)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(dòng)性的作用，但磷含量過高會(huì)增加鑄鐵的冷脆性，使?jié)沧⒑罄鋮s的鐵環(huán)產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重者在使用過程中會(huì)發(fā)生“脫極”等狀況。Si元素可以促進(jìn)石墨化，改變鐵水的流動(dòng)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(huì)增加鑄鐵的強(qiáng)度、硬度，降低鐵水的流動(dòng)性，但其可與S元素反應(yīng)，又具有脫硫作用。S元素是反石墨化元素，是公認(rèn)的有害元素，S的存在會(huì)降低鐵水的流動(dòng)性，造成氣孔收縮缺陷，使鐵環(huán)產(chǎn)生“熱裂”現(xiàn)象，增大“Fe-C”壓降[10-12]。

目前我國(guó)鋁廠所用磷生鐵普遍存在配方不合理的現(xiàn)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(dǎo)致的鐵環(huán)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(jié)能潛力。包頭鋁業(yè)有限公司電解鋁廠400 kA系列槽電壓組成中鐵-碳?jí)航灯?，其值約130 mV。通過現(xiàn)場(chǎng)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(dá)不到技術(shù)要求。磷生鐵經(jīng)過配比后，碳含量?jī)H2.3%左右，硫含量在0.65%左右。碳含量偏低增加了陽極鐵-碳?jí)航?，同時(shí)還會(huì)使鐵水澆注溫度增加；硫含量偏高影響了鐵水流動(dòng)性，鐵環(huán)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(huán)與陽極脫落；澆注后的間縫較大，導(dǎo)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(duì)以上問題，采用磷生鐵復(fù)合改性劑和磷生鐵脫硫劑對(duì)磷生鐵熔鑄進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，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(yàn)材料和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

磷生鐵試驗(yàn)所用的材料：磷生鐵復(fù)合改性劑、磷生鐵脫硫劑、磷生鐵鐵環(huán)。

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(yàn)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(fù)合改性劑；脫硫工藝：爐外脫硫。

試驗(yàn)極配方：中頻爐內(nèi)留300 kg左右的鐵水(1/3)，加入30 kg的磷生鐵復(fù)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(fù)合改性劑，之后再用300 kg的磷生鐵環(huán)覆蓋其上，等鐵水熔煉完畢時(shí)，加入除渣劑，最后扒渣。

中頻爐操作人員對(duì)鐵水分三次出爐，將3 kg脫硫劑放在澆注抬包底部，當(dāng)鐵水溫度達(dá)到1 400 ℃左右后出爐，然后向澆注抬包內(nèi)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(jìn)行扒渣作業(yè)，扒渣結(jié)束后對(duì)鐵水進(jìn)行快速取樣，同時(shí)對(duì)噴涂防氧化涂層的陽極進(jìn)行澆注并編號(hào)。

試驗(yàn)極選?。涸囼?yàn)極分別從當(dāng)天生產(chǎn)車間中隨機(jī)抽選，本次試驗(yàn)選取4組實(shí)驗(yàn)極對(duì)其測(cè)量，測(cè)量周期一個(gè)月。

對(duì)比極選?。簩?duì)比極分別從當(dāng)天生產(chǎn)車間中隨機(jī)抽選，本次試驗(yàn)選取4組對(duì)比極對(duì)其測(cè)量，測(cè)量周期一個(gè)月。對(duì)比極的磷生鐵沒有添加磷生鐵復(fù)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?jǐn)嚢瑁{(diào)節(jié)其濃度達(dá)到可噴涂的標(biāo)準(zhǔn)，然后對(duì)炭素陽極進(jìn)行噴涂，陽極四周與凸臺(tái)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(shù)據(jù)記錄和處理

3.1 鐵-碳?jí)航档臏y(cè)定

組裝好的試驗(yàn)極與對(duì)比極上槽兩天后，對(duì)其進(jìn)行陽極鐵-碳?jí)航档臏y(cè)量。每天測(cè)量1次，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)做平均處理后進(jìn)行匯總，結(jié)果見表1。

表1 一個(gè)周期內(nèi)陽極鐵-碳?jí)航禍y(cè)量值匯總表

從表1可以看出，一個(gè)周期內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)極的鐵-碳?jí)航档陀趯?duì)比極的鐵-碳?jí)航?，?duì)比極的鐵-碳?jí)航灯骄禐?30.7 mV，試驗(yàn)極的鐵-碳?jí)航灯骄禐?12.1 mV，試驗(yàn)極鐵-碳平均壓降較對(duì)比極低18.7 mV，即所進(jìn)行的試驗(yàn)可使鋁電解槽鐵-碳?jí)航迪陆导s14.3%，節(jié)能效果比較可觀。

表1中的數(shù)據(jù)未做任何處理，由于不同槽的槽況不一致，導(dǎo)致通過每個(gè)試驗(yàn)極與對(duì)比極的電流有所差異，因此結(jié)果不夠精確，為了客觀地反映鐵-碳?jí)航到档偷那闆r，我們用科學(xué)的計(jì)算方法進(jìn)行處理，得到等電流的鐵-碳?jí)航抵?，如?所示。

表2 一個(gè)周期內(nèi)陽極等電流鐵-碳?jí)航抵?/p>

從表2中可以得到，對(duì)比極的等電流鐵-碳?jí)航禐?27.8 mV，試驗(yàn)極的等電流鐵-碳?jí)航禐?09.2 mV，試驗(yàn)極等電流鐵-碳?jí)航递^對(duì)比極低18.6 mV，即可使鋁電解槽等電流鐵-碳?jí)航迪陆导s14.6%，與表1同樣地反映了節(jié)能效果明顯。

圖2和圖3中橫縱坐標(biāo)分別為陽極的上槽天數(shù)和每日鐵-碳?jí)航禍y(cè)量平均值。在陽極上極第3天后開始測(cè)量鐵-碳?jí)航档脑蚴切玛枠O上極時(shí)溫度比較低，導(dǎo)電量較小，鐵-碳?jí)航挡环€(wěn)定。隨著時(shí)間的增加，工作溫度越來越高，電流逐漸穩(wěn)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?jí)航禃?huì)越來越小，當(dāng)溫度趨于穩(wěn)定時(shí)，鐵-碳?jí)航狄矔?huì)趨于穩(wěn)定。

圖2 鐵-碳?jí)航禍y(cè)試值對(duì)比圖

圖3 等電流鐵-碳?jí)航祵?duì)比圖

3.2 陽極涂層試驗(yàn)數(shù)據(jù)

殘極尺寸測(cè)量：選取了13臺(tái)試驗(yàn)槽(換極周期34 d)，25臺(tái)對(duì)比槽(換極周期為33 d)，試驗(yàn)槽中均使用噴涂耐高溫防氧化涂層的陽極，對(duì)比槽使用的是沒有噴涂的陽極，換極之后將殘極進(jìn)行冷卻，冷卻之后清理陽極殘極上方的覆蓋料，并對(duì)殘極進(jìn)行寬度高度測(cè)量。殘極平均高度及寬度值匯總?cè)绫?。

表3 殘極尺寸匯總表

由表3可以看出，使用34 d的試驗(yàn)極的殘極平均高度比使用33 d的對(duì)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(zhǎng)陽極的使用壽命，效果顯著。

噸鋁炭渣量的統(tǒng)計(jì)：對(duì)比槽與試驗(yàn)槽的炭渣量每天稱重1次，測(cè)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(yàn)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(gè)較穩(wěn)定的水平：對(duì)比槽炭渣量趨于35 kg/t-Al，試驗(yàn)槽單槽基本穩(wěn)定在20 kg/t-Al左右，防氧化涂層效果明顯。

4 結(jié)論

(1)添加過磷生鐵復(fù)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(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)測(cè)量并對(duì)比，結(jié)果表明：磷生鐵復(fù)合改性劑能夠大幅度地降低鐵-碳?jí)航?，降低的幅度?8.7 mV。該工業(yè)試驗(yàn)改善了磷生鐵澆注出現(xiàn)的一系列問題，加強(qiáng)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(yè)帶來經(jīng)濟(jì)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(zhì)流動(dòng)性變好，氧化鋁溶解性變好，陽極周期延長(zhǎng)1 d，陽極毛耗降低32 kg/t-Al。