鋁電解技術(shù)中減少碳渣的措施
前 言
近年來，隨著大型鋁電解槽生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和管理水平的快速推進(jìn)，電解槽生產(chǎn)工藝技術(shù)參數(shù)的匹配更加合理，電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性不斷提高，電解槽各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)不斷提升。
但是鋁電解生產(chǎn)過程中原材料質(zhì)量對(duì)電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性及生產(chǎn)指標(biāo)的影響越來越引起企業(yè)生產(chǎn)管理人員的關(guān)注，特別是陽極質(zhì)量。陽極碳?jí)K作為鋁電解的心臟部分，其質(zhì)量的好壞，直接影響著電解的進(jìn)行和產(chǎn)品的質(zhì)量。
如果碳?jí)K的質(zhì)量達(dá)不到要求，將在鋁電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生過多的碳渣，對(duì)鋁電解過程產(chǎn)生一系列不利的影響，極易造成電解質(zhì)電壓升高，導(dǎo)致熱槽的產(chǎn)生，這不但引起電解消耗的增加，而且當(dāng)熱槽產(chǎn)生時(shí)將惡化鋁電解的生產(chǎn)的諸多技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時(shí)對(duì)電解槽的壽命也有影響，因此減少鋁電解生產(chǎn)中的碳渣產(chǎn)生成為鋁電解槽生產(chǎn)管理中的重要一環(huán)。
碳渣產(chǎn)生的根源
陽極質(zhì)量不穩(wěn)定。預(yù)焙碳?jí)K是由石油焦、瀝青焦、瀝青通過破碎、煅燒、配料、混捏等工序燒制而成，如果采用的原材料及工藝不合乎要求就會(huì)產(chǎn)出不合格的碳?jí)K。如：耐壓強(qiáng)度低、空隙度大、雜質(zhì)大等，從而導(dǎo)致陽極的氧化和碳粒在陽極表面的脫落進(jìn)入電解質(zhì)中形成碳渣，有時(shí)會(huì)形成掉塊和裂縫，在電解質(zhì)的沖蝕和洗刷下，形成碳渣。由于碳?jí)K質(zhì)量而引起的碳渣是生產(chǎn)中碳渣形成的主要原因。
預(yù)焙陽極質(zhì)量不合格是電解生產(chǎn)過程中碳渣產(chǎn)生的主要原因， 然而預(yù)焙陽極質(zhì)量的好壞又與生產(chǎn)陽極所使用的原材料，如石油焦、或市場上直接采購的鍛后焦，煤瀝青、殘極等炭素生產(chǎn)用原材料中微量元素對(duì)陽極質(zhì)量的影響。
炭素生產(chǎn)的主要原材料石油焦，其中的V、Ni等雜質(zhì)元素對(duì)空氣反應(yīng)性影響非常明顯，而Na對(duì)CO2反應(yīng)性和空氣反應(yīng)性有著較強(qiáng)的催化作用。其次，電解生產(chǎn)過程中更換出的殘極，表面粘附的電解質(zhì)若清理不干凈，陽極生產(chǎn)配料時(shí)帶入到陽極中，特別高分子比的電解質(zhì)，帶入大量的Na。另外工藝波動(dòng)和原料配方等也會(huì)生產(chǎn)出不合格的炭塊。
預(yù)焙陽極從焙燒爐內(nèi)出爐后陽極表面粘結(jié)的填充料清理不干凈，進(jìn)入電解槽后，隨著電解反應(yīng)的進(jìn)行，逐漸脫落進(jìn)入電解質(zhì)中成為碳渣。
電解生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳渣
作業(yè)操作質(zhì)量較差引起的掉渣。換極作業(yè)質(zhì)量十分重要，尤其在沒有按照技術(shù)規(guī)范操作時(shí)，陽極也易掉渣。新陽極在安裝初期不能實(shí)現(xiàn)全電流工作，陽極安裝過低時(shí)浸潤在電解質(zhì)中受其沖刷易形成掉渣；另外，新極安裝過低時(shí)，在電流導(dǎo)全時(shí)由于極距較均值要小，造成電流過大，導(dǎo)致強(qiáng)熱應(yīng)力，破壞陽極強(qiáng)度形成爆塊和掉渣。其他作業(yè)質(zhì)量，如氧化鋁保溫料覆蓋不當(dāng)，造成陽極外露產(chǎn)生陽極氧化掉渣，尤以出鋁口、煙道端、下料口的陽極角部較為明顯。
電解槽槽況不佳引起的掉渣。當(dāng)電解槽況出現(xiàn)異常時(shí)，陽極的工作狀況也隨之惡化，如槽溫升高，陽極的抗氧化性減弱，同時(shí)槽溫高，側(cè)部爐幫化空易富集碳渣，電解槽排渣功能減弱，易造成電解質(zhì)含碳。 1.4.2電解生產(chǎn)過程中，精細(xì)化管理不到位，作業(yè)質(zhì)量粗糙，換極后保溫料封蓋不密實(shí)，甚至到處冒火，或暴露在空氣中，高溫陽極與空氣接觸后，氧化掉渣。
下料打殼錘頭由于長期高溫炙烤變形，靠近錘頭處的陽極由于錘頭粘附電解質(zhì)，錘頭增大，打殼下料過程中將陽極表面的保溫料打掉，露出陽極表面，與空氣接觸氧化掉渣。
新建電解槽裝爐時(shí)使用的焦粒，在電解槽焙燒啟動(dòng)結(jié)束后，打撈不干凈遺留的碳渣。
陰極炭素內(nèi)部的沖蝕剝落。在鋁電解過程中，陰極炭素內(nèi)部的沖蝕剝落和破碎是鋁電解溶液產(chǎn)生碳渣的又一來源。鋁電解槽啟動(dòng)后，由于鈉的滲透，電解質(zhì)溶液和鋁的侵蝕和沖刷，陰極炭素內(nèi)襯不久就會(huì)產(chǎn)生剝落，鈉滲入陰極炭塊是引起剝落的主要原因。鈉的滲入使炭塊內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致炭塊體積膨脹，并變得疏松、多孔，以致剝落形成碳渣。
二次反應(yīng)生成游離的固態(tài)碳。鋁電解過程中的二次反應(yīng)，不僅降低電流效率，而且還帶來另一方面的不利的影響，即溶解在電解質(zhì)溶液中的鋁將陽極氣體中的CO2和CO還原C，在電解質(zhì)溶液中形成細(xì)微的游離態(tài)碳渣。
其反應(yīng)有兩種：
第一種反應(yīng)為，在電解質(zhì)的溶液中溶解的鋁與CO2反應(yīng)生成CO，而CO又與AL反應(yīng)生成C，即：
2AL（溶解）＋2CO2=AL2O3＋3CO（1）
2AL（溶解）＋3CO=AL2O3＋3C（2）
第二種反應(yīng)為，電解質(zhì)中的鋁直接將CO2還原成C，
3AL（溶解）＋3CO2=2AL2O3＋3C（3）
在上述兩種反應(yīng)中反應(yīng)（3）對(duì)于在鋁電解質(zhì)中生成碳渣的作用，比反應(yīng)（2）的作用要大，但這兩種反應(yīng)所產(chǎn)生的碳渣，不是電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生碳渣的主要原因。
碳渣對(duì)電解過程的影響
正常生產(chǎn)過程中，隨著鋁電解生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，炭陽極隨著生產(chǎn)的進(jìn)行而慢慢地消耗，正常生產(chǎn)陽極消耗產(chǎn)生的碳渣，在合理的工藝技術(shù)條件下，可以從電解質(zhì)中順利的分離出來，對(duì)生產(chǎn)沒有太大的影響，但是實(shí)際生產(chǎn)中很難有這種相對(duì)理想的生產(chǎn)狀態(tài)存在。因此，作為生產(chǎn)管理人員要時(shí)刻關(guān)注電解質(zhì)內(nèi)碳渣量的變化，以減少對(duì)電解生產(chǎn)的影響。
增加電能消耗
鋁電解溶液中的碳渣，導(dǎo)致電解質(zhì)的電阻增大，其結(jié)果造成電解質(zhì)電壓降的升高，增加鋁電解生產(chǎn)的電能消耗。據(jù)具有關(guān)專業(yè)人士報(bào)道，當(dāng)鋁電解質(zhì)溶液中的碳渣含量達(dá)到1%（重量）時(shí)，電解質(zhì)導(dǎo)電率約降低11%，由此可見碳渣對(duì)電解質(zhì)的導(dǎo)電率的不利影響是極為顯著的，碳渣的顆粒越小，對(duì)降低電解質(zhì)的導(dǎo)電率的作用越大。
形成熱槽
若電解質(zhì)中的碳渣積累到一定濃度時(shí)，由于比電阻的增大，必定造成電解質(zhì)電壓降升高，從而使電解槽兩極間的電能收入額外增加，引起電解質(zhì)過熱，槽溫升高，形成熱槽。熱槽形成后，電解槽的熱平衡被破壞，正常工藝技術(shù)條件受到影響，同時(shí)會(huì)使電解槽的陰極受到損壞，影響槽壽命，此外在處理熱槽時(shí)，還消耗大量的氟化鹽，故其危害作用是非常巨大的。
造成電流空耗
當(dāng)鋁電解質(zhì)熔液表面漂浮有大量碳渣時(shí)，部分碳渣成為炭素陽極和側(cè)部或陰極的導(dǎo)電通道，一部分電流會(huì)直接通過碳渣進(jìn)入陰極或側(cè)部，而不能參與電解反應(yīng)，形成側(cè)部漏電，電流空耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成側(cè)部漏爐。
陽極長包
由于碳渣大量聚集，及時(shí)不能清理出去，極易誘發(fā)電解槽角部或邊部長包或長牙，導(dǎo)致電解槽電壓擺動(dòng)或壓槽。
誘發(fā)陽極效應(yīng)
大量碳渣漂浮在電解質(zhì)表面，導(dǎo)致氧化鋁不能及時(shí)溶解到電解質(zhì)中，從而誘發(fā)陽極效應(yīng)。
增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度
電解質(zhì)中碳渣含量過大時(shí)，必須組織工人打撈，打撈碳渣不僅帶走大量的電解質(zhì)和熱量，影響電解槽穩(wěn)定，而且增大氟化鹽消耗。打撈碳渣時(shí)要在電解槽的不同部位打洞，便于撈取碳渣，工人勞動(dòng)量明顯增加。
減 少 炭 渣 的 措 施
做好原材料供應(yīng)管理
石油焦、煤瀝青和煅后焦等炭素生產(chǎn)的主要原材料要選擇性的采購，并根據(jù)檢測結(jié)果及炭塊抗氧化性能進(jìn)行搭配使用，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的供應(yīng)商采取停止供貨措施。對(duì)于摻配的殘極，其表面的電解質(zhì)要全部清理干凈，盡量減少電解質(zhì)進(jìn)入陽極內(nèi)。
提高陽極制作工序的加工質(zhì)量
提高炭素陽極制品質(zhì)量，其根本在于提高陽極系統(tǒng)工序生產(chǎn)質(zhì)量，即石油焦煅燒質(zhì)量，成型配方、糊料混捏溫度及混涅質(zhì)量、生塊成型質(zhì)量，生塊高溫焙燒質(zhì)量。規(guī)范各項(xiàng)作業(yè)操作程序，嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保陽極表面和內(nèi)在理化指標(biāo)滿足電解生產(chǎn)的需要。
加強(qiáng)微量元素的分析檢驗(yàn)
對(duì)影響炭陽極質(zhì)量，導(dǎo)致影響炭陽極在電解槽中使用效果和鋁質(zhì)量的微量元素，如V、Na、S、Ca、Fe等均要嚴(yán)格控制，造成電解槽炭陽極掉渣的V、Na等活性強(qiáng)的元素，更應(yīng)予以關(guān)注，并通過不同產(chǎn)地和質(zhì)量指標(biāo)混合配料，使其達(dá)到最佳配比。
改進(jìn)陽極炭塊形狀，采用下表面無棱角抗沖刷陽極碳?jí)K。
下表面無棱角碳?jí)K是將碳?jí)K的側(cè)面與底面的過渡角由90度直角形狀改造成倒角狀或圓弧狀。通過試驗(yàn)，可以觀察到1天前換上的新極，導(dǎo)電性能很差，但下棱角卻由直角變成了圓弧狀，說明此時(shí)的圓弧狀形成的主要原因是由電解質(zhì)沖刷陽極炭塊，而炭塊的這一直角全部變成碳渣進(jìn)入到電解質(zhì)中。無下棱碳?jí)K主要優(yōu)點(diǎn)是抗沖刷力強(qiáng)，能有效減少槽中碳渣量。
選用高質(zhì)量的陽極炭塊
在前面關(guān)于碳渣來源中的討論中，由于炭塊質(zhì)量不合格是造成炭粒脫落生產(chǎn)碳渣的主要原因。因此采用高質(zhì)量的炭塊是減少電解質(zhì)溶液產(chǎn)生碳渣的重要措施。因此，預(yù)焙陽極塊進(jìn)廠之前就要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，防止不合格陽極進(jìn)入生產(chǎn)線。
選用優(yōu)質(zhì)的陰極碳?jí)K
與陽極碳素材料一樣，陰極碳?jí)K的質(zhì)量優(yōu)劣對(duì)碳?jí)K的剝落程度有影響，在砌筑電解槽陰極時(shí)采用優(yōu)質(zhì)陰極側(cè)部碳?jí)K和底部碳?jí)K能較有效地承受和抵抗鋁電解質(zhì)溶液和鋁液的侵蝕和沖刷，從而減少碳?jí)K的剝落，減少碳渣的產(chǎn)生。
采用低溫鋁電解生產(chǎn)工藝
由于鋁的二次反應(yīng)也是產(chǎn)生碳渣的一個(gè)原因，所以在電解生產(chǎn)過程中就要減少二次反應(yīng)的發(fā)生。積極應(yīng)用并優(yōu)化低電壓、低氧化鋁濃度、低分子比、低溫度、高極距等新工藝，從而保證電解生產(chǎn)在較低的溫度的溫度下進(jìn)行，保持合理的過熱度，既有利于碳渣分離，又能減少鋁的二次反應(yīng)損失，從而減少碳渣是生產(chǎn)。
保持適當(dāng)厚度的保溫料
實(shí)踐證明，保溫料過薄易使空氣與陽極表面接觸，電解槽內(nèi)處于高溫狀態(tài)下的陽極炭塊與空氣接觸表面氧化掉渣速度較快，保溫料必須覆蓋密實(shí)，避免與空氣接觸。此外，使用面殼塊進(jìn)行覆蓋時(shí)，面殼塊粉碎的粒度是越細(xì)越好，利于保證陽極覆蓋的密實(shí)度。
保持適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)水平
電解質(zhì)水平的高低是決定炭塊氧化掉渣的主要因素之一。電解質(zhì)水平過低，電解槽熱量損失快，不利于槽況穩(wěn)定，但電解質(zhì)水平過高，特別是超過殘極上表面，電解質(zhì)液流淌在炭塊的表面時(shí)，致使殘極上的保溫料溶化，形成空間，會(huì)加劇炭塊氧化，碳渣量激增。所以，要生產(chǎn)實(shí)際保持合理的電解質(zhì)水平。
結(jié) 論
在鋁電解正常生產(chǎn)中碳渣的純在是不可避免的，當(dāng)電解槽中碳渣的含量達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)影響電解槽正常生產(chǎn)，帶來負(fù)面影響。
在電解槽日常生產(chǎn)中，要提高陽極質(zhì)量、提高換極質(zhì)量、調(diào)節(jié)電解質(zhì)成分及高低、控制電解溫度、充分利用一切可能的機(jī)會(huì)打撈碳渣等措施，來減少碳渣對(duì)電解生產(chǎn)帶來影響。
