提高阳极质量减少过量消耗的途径与措施

摘要：本文介绍了阳极过量消耗的机理，分析了阳极质量对过量消耗的影响，阐述了提高阳极质量减少过量消耗的途径与措施。

关键词：阳极质量;过量消耗;途径与措施

1、铝电解阳极消耗的现状图1

霍尔-埃鲁冰晶石熔盐法，生产电解铝电化学反应式及阳极消耗如图1

吨铝炭的理论消耗334Kg（假定电流效率为100%），但在实际生产中电流效率达到100%是不可能实现的，所以炭的消耗量要大于理论值。目前吨铝阳极净耗大约在400―450kg之间，毛耗在500-550Kg之间。阳极的净消耗包括，参加电化学反应的消耗和额外消耗，其中额外消耗与阳极质量关系密切，由于阳极质量的不同，额外消耗数量从60 kg/t-Al到120kg/t-A1不等。

2、阳极过量消耗机理

（1）阳极与空气反应引起的过量消耗。阳极与空气氧化又称为化学氧化，炭阳极的化学氧化发生在高温下的阳极侧面与上部。反应式如下：

C+O2=CO2（1）

2C+O2=2CO（2）

预焙阳极顶部温度可以从200℃到700℃呈阶梯状分布，热力学计算表明，CO/CO2的平衡比率在400℃时为0.2，在550℃时为1，这说明反应（1）在低温时占主导地位，反应（2）在高温时尤为显著。

（2）阳极与CO2的反应即“布达反应”，可以用下式来代表：

C+CO2=2CO（3）

阳极在电解中参与电化学反应析出CO2，如果阳极气体不能及时排出，CO2就会与阳极发生反应，即布达反应。当温度超过930度时反应几乎完全向右进行。

（3）炭渣引起的阳极过量消耗。由于（1）（2）（3）式的发生，且因黏结剂沥青焦活性高，氧化反应是选择性的进行，随着反应的不断发生，就会造成阳极骨料突出及周边的疏松，受自身重力和电解质搅动冲刷影响，就会脱落形成炭渣。

3、阳极掉渣对电解的危害

（1）炭粒的增多使电解质电阻升高。当电解质中含炭渣量0.2%-0.50%时，电解质电导率开始下降电阻升高，当电解质内炭渣含量为0.6%时，电解质电导率下降10%。

（2）由于炭的氧化是放热反应，随着选择性氧化进行，大量炭渣落入电解质中，造成电解质电阻增大，槽电压升高，热收入增加，逐步导致“热槽”。

（3）为保持电解槽继续平衡运行，必须要打开电解质结壳，在900多度高温下，人工用铁具不断地捞出，炭渣中含有约70%的电解质，不仅增加了炭耗和氟盐消耗，也增加了热能损耗和人力损耗。

（4）容易形成侧部漏电和阳极长包。在侧部聚集会引起电流沿炭渣聚集向侧部漏电，使炉帮不易形成;在阳极底部聚集，会使阳极长包，严重恶化电解槽技术状况。

4、影响过量消耗的阳极因素

（1）炭阳极在低温下是极惰性的，但随着温度的提高其化学活性急剧增加，大约从350℃开始氧化。阳极灰分中的微量元素Na、V、Ni、的存在，会明显催化阳极的选择性氧化，而S元素在电解中，以硫化物形态转化为气相容易形成晶胀，造成阳极裂纹掉块。不同杂质对阳极氧化催化作用如表1。因此，减少阳极微量元素的含量对降低阳极消耗十分重要。

表1不同金属杂质对阳极氧化的催化作用

反应作用金属杂质

空气反应

C+O2=CO2

强钠、钒、铜、铝

中镍、铁、硅、铬

CO2反应

C+CO2=CO

强钠、铁、钙

中镍、钒

（2）阳极与气体间的反应速度，取决于气体分子向材料内扩散速度，及表面的化学反应速度。若阳极材料的气孔率高，特别是开气孔多，气体分子容易扩散到材料内部，参与反应的面积大，氧化速度加快，提高阳极密度可以有效降低氧化消耗。

（3）由于阳极的选择性氧化，造成阳极骨料的突出，在电解质的搅动与大量阳极气体外逸冲击下，易造成阳极的大块脱落，所以提高阳极强度能有效降低掉渣现象。

5、减少阳极氧化消耗的途径与措施。

5.1降低阳极中的杂质含量

（1）阳极中的硫、铁、钒、镍、钙等杂质元素主要来源来石油焦。石油焦的杂质主要受渣油性质与生产工艺影响。如今电解用石油焦主要是延迟焦化法生产的海绵状焦，随着供应的日趋紧张，有了控制石油焦灰分的含量应做到如下几点：1、在供应紧张情况下绝不可饥不择食，要选择质量好的厂家建立长期供应关系2、与厂家做好原料生产工艺与现场存储的沟通管理工作3、做好本厂石油焦的存储工作，避免两次污染4、对各厂石油焦分类存放防止相互污染5、做好化验及不合格预警工作，使结果第一时间传达到使用车间6、根据化验结果合理掺配使用。

（2）阳极杂质中的钠，主要由残极表面的电解质带入，电解返回的残极都是人工作业清理表面的电解质。返回残极温度较高，造成人工清理的环境恶化，降低了工作效率与清理质量，炭块在电解槽中表面的氧化，造成部分电解质深入到炭块表层，增加了清理难度。综上述可通过以下措施来控制残极对阳极的影响。1、改善作业环境，我公司就针对此专门建立了残极冷却间，大大降低了工人劳动强度，提高了清理力度。2、做好残极料的分析工作，根据结果掺配使用3、用作它用，把杂质高的残极作为填充料使用。

5.2如何提高阳极物理性能

（1）控制煅烧温度

石油焦经过煅烧，排除水分、挥发分，体积收缩，密度增大，电阻率降低，强度提高，同时获得较好的化学稳定性。我公司使用罐式煅烧炉，其煅烧质量好坏决定于煅烧温度与料在罐内停留时间。温度低将会导致石油焦挥发分不能完全排出，体积收缩不足，料表现为颜色发黑、表面疏松，会造成真密度低，强度下降，并引发焙烧时的二次收缩造成阳极裂纹。挥发分的排出到1100℃时基本停止，收缩也相对稳定，但要原料达到物理化学性能的基本稳定，还要继续提高温度到1300℃.合格的煅后焦表面有一层坚实有光泽的碳膜，表面致密、硬度高、化学稳定性好。

（2） 控制混捏工艺

混捏是将不同粒级的各种原料预热到一定温度，同黏结剂充分混和捏合的工艺过程。混捏质量的好坏决定于沥青的用量与混捏温度。

一般混捏温度就比沥青软化点高50-80℃。温度低时，沥青黏度大，对骨料颗粒润湿性差，造成混捏不匀，甚至出现夹干料，使生制品结构疏松，体积密度低：温度高容易使沥青老化，使沥青对骨料颗粒润湿性变差，使糊料塑性变坏，不利于成型。

沥青的用量与糊料质量关系很大。少则糊料发干，干料表面不能形成完整的沥青膜，颗粒之间不能很好的黏结，所以糊的塑性差：多则会使焙烧制品气孔率增大，造成阳极鼓包变形。

（3） 控制焙烧升温速度

焙烧的实质是沥青的焦化，并与骨料形成碳网的热处理过程。焙烧升温速率影响到煤沥青的热解缩聚炭化进程和黏结剂的析焦量，坚持“两头快，中间慢”的原则。即在低温阶段即200℃以前，只有物理变化，并且为抑制黏结剂迁移，升温速度应控制稍快些，否则会造成阳极鼓包变形：在黏结剂焦化阶段即350-500℃之间，发生剧烈物理化学变化，大量挥发分气体外逸，为防止制品裂纹，以及提高黏结剂析焦率，升温速度要求控制很慢，一般2-3℃/h：高温烧结阶段即800℃以上，黏结剂焦化基本结束，升温可以快些。

6、结语

（1）通过上述分析可以得出，阳极的过量的消耗与阳极质量密切相关，以吨铝降低50Kg为例，年产60万吨铝厂，每年将节约阳极消耗3万吨。为降低吨铝成本，提高阳极质量势在必行。

（2）阳极炭块生产流程长工序多，除煅烧温度、混捏工艺、焙烧温度外，料的筛分纯度、振型工艺等，均能影响阳极的最终质量。

（3）阳极的过量消耗不仅受阳极质量影响，与电解的工艺参数及生产管理同样密不可分。

[参考文献]

[1]朱丹青，电解铝降低阳极碳耗的途径与措施，轻金属2008 年第8 期 110001.

[2]刘风琴，王玉铝用炭素生产技术，中南大学出版社 2011.3.

（作者单位：山东南山铝业股份有限公司，山东 龙口 265713）