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炭阳极质量对铝电解生产经济技术指标的影响
更新时间: 2021-04-28 15:07:35 访问次数: 0



炭阳极作为铝电解槽的心脏,其质量和工作状况对铝电解生产是否正常及电流效率、电能消耗、产品等级等经济技术指标影响十分巨大。工业电解槽,优者电流效率在95%以上,直流电单耗每1t铝在13000kW·h以下;劣者电流效率在85%以下,直流电单耗每吨铝达20000kW·h以上。劣质电解槽的特征主要表现为阳极本体及其周围的工作状况不佳,一般是电解质及阳极发热,出现以阳极为中心的各类故障,阳极工作状况不好等。


阳极故障


电解槽故障中有70%发生在阳极。电解槽经常出现的阳极故障(病状)有:阳极局部过热、电流分布不均、阳极掉块、阳极“长包”、阳极裂纹断层、阳极糊漏出、阳极“冒顶”、预焙阳极块脱落、大量炭渣落入电解质使电解质含碳、阳极四周氧化燃烧、阳极倾斜等。这十多种故障,主要由阳极质量问题及电解作业不当引起。故障发生,破坏了电解槽正常生产技术条件使电解槽出现紊乱状况:电压摆动、电压升高、铝水滚动、电解质表面不结壳、电解槽局部不导电、不工作、引起电流效率急剧下降、直流电单耗及原材料单耗急剧上升、电解操作困难、铝品位下降等恶劣后果,甚至导致停槽。


预焙阳极常见的故障有阳极掉块(脱钩)、阳极长包、阳极裂纹分层等,是预焙阳极不定期更换的主要原因。


(1)阳极掉块(脱钩),预焙阳极炭块因磷生铁浇铸不牢或阳极炭碗缺陷,当在电解槽上使用时,其受热膨胀,会发生阳极炭块与钢爪脱离的现象。发生此情况需从电解槽中捞出炭块,更换新的预焙阳极。阳极炭块出现大裂纹,也会裂开掉块。


(2)阳极长包,由于炭块内部质量不均匀,在电解槽上使用过程中,电解消耗速度不一,造成炭块下表面局部突出的现象,称为阳极长包。预焙阳极有时也会发生阳极长包。发生此情况需取出阳极,砸掉阳极炭块下面的长包后,该阳极炭块可继续上槽使用。电解槽工作不正常,炭渣多也会造成“长包”。


(3)阳极裂纹,预焙阳极炭块因成型或焙烧等原因,有时会有横向或纵向裂纹。一般说来,阳极浇铸前发现的有裂纹的阳极炭块,都不浇铸;在电解槽上使用过程中发现了,需取出更换新的预焙阳极。


阳极故障对槽温和电流分布的影响


各类阳极故障是铝电解槽的“急性症状”,严重影响电解槽经济技术指标,已如前述。阳极质量不好引起的慢性病症,它使得阳极和电解槽的温度过高、电流分布不均,同样也严重影响铝电解槽的经济技术指标。


铝电解槽通过的电流高达几十至几百千安,阳极电阻率和阳极导电距离、结构形式的变化,严重地影响到电能消耗。阳极欧姆压降所产生的热量相当于一个30-160kW的电炉连续运转,阳极各部电阻的变化不仅影响到能耗,而且影响到阳极和电解槽工作温度,从而对电流效率产生巨大影响。如果将炭阳极电阻率由75μΩ·m降为50μΩ·m,每1t铝可节电500kW·h。另外,落入电解质中的炭渣也影响电流效率和电耗。研究表明,电解质中炭渣含量为0.04%,可使其电流效率下降1%;若电解质中含炭渣1.0%,则可使电导率下降11%。


炭阳极与空气和CO2氧化反应,占炭阳极消耗的20%以上。此反应是选择性的,它与阳极质量、阳极工艺、电解槽设计和电解操作关系极大。


碳与空气的反应,对铝电解槽引起两大危害:一是该反应为放热反应,引起阳极和槽温升高;温度升高,在空气流通时会使反应加速,形成恶性循环,不仅使炭耗增大,而且影响电流效率;二是该反应选择性氧化,引起大量炭渣脱落,进一步危害电解槽的各项技术经济指标。


炭阳极氧化掉渣和裂纹掉块的危害


炭阳极在正常电解生产中,电流从上部阳极导入,阳极下部浸在熔融的电解质中。炭阳极参与电化学反应与热平衡等作用,炭阳极中部被电解质壳块所包围,上部覆盖保温的氧化铝粉和碎电解质块。炭阳极下部因不断参与电化学反应被消耗。生成CO2气体。工作中的炭阳极在高温下处于CO、 CO2、空气和电解质壳、氧化铝粉等的包围之中。电解铝过程是无渣冶炼过程,阴极析出铝液,阳极析出CO、 CO2气体。现代中心下料预焙阳极电解槽,每约2min,自动点式打壳加一次氧化铝,每日固定时间抽出阴极铝液,每24-28天更换一遍炭阳极。正常生产的电解槽,在炭阳极周围的电解质中极少有炭渣和碎阳极块,电解质洁净下含炭渣,析出的阳极气体火焰呈微蓝白色,电流效率高达93%,直流单耗低达13200kW·h/t。此时炭阳极消耗约410kg/t,氟化盐消耗约30kg/t。


所谓炭阳极氧化掉渣和裂纹掉块是指电解槽运行中阳极炭块底部周围不断有炭渣和碎块脱落。炭渣的直径从1μm到几毫米不等,大到十几毫米以上甚至几厘米以上的称为碎块。炭渣碎块脱离阳极、不仅增大了炭耗,更重要的是脱离阳极的炭渣碎块,失去了电化学作用不再排斥电解液,它们进入电解液并被电解液浸润渗透,悬浮于电解质中。大量的阳极炭渣,碎块进入电解质,破坏了电解生产正常技术条件,严重危害铝电解生产的正常进行,甚至导致事故停槽。


铝电解槽炭阳极氧化掉渣和裂纹掉块的危害主要有以下几个方面:


(1)使电解质电阻升高,据k.Grotheim等人测试,当电解质中含炭渣量0.04%时,电解质电阻率降低1%,当电解质内炭渣含量为1%时,电解质电阻率降低11%。工业电解质中1-10μm的微粒,由于界面电位梯度影响,几乎不导电。


(2)使电解质发热,产生“热槽”。炭渣累积,电解质电阻增大,造成槽电压升高,热收入增加,逐步导致“热槽”。“热槽”使电流效率下降,电耗、炭耗和氟盐单耗增加。


(3)捞炭渣的烦扰和经济损失,为保持电解槽继续平衡运行,必须要打开电解质结壳,在近1000℃的高温下,面对熔化的电解液,人工用铁具不断地捞出炭渣和碎炭阳极块,捞出的炭渣中含有约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)阳极长包和侧部漏电,十几毫米以上甚至十几厘米的碎块聚集在一起,在侧部聚集会引起电流沿阳极――聚集的炭渣碎块向侧部漏电,使炉帮不易形成;在阳极底部聚集,会使阳极长包,使电解槽技术状况严重恶化,产生极难处理的病槽。甚至引起漏槽。


电解工艺自动化程度超高,炭阳极氧化掉渣、裂纹掉块的危害的程度越大。过去边部打壳电解槽,3h左右“加工”一个大面,结壳全部打开,炭渣暴露,与空气接触,部分炭渣被氧化掉,炭渣积聚效应不十分强烈,剩余的部分炭渣,在加料前人工捞出也比较容易。现代大容量中心点式作业,炭渣失去了与空气接触氧化掉的机会,容易累积。而且现在电解槽设计边部很窄,人工捞炭渣碎块作业困难。现代自动下料预焙槽对阳极的抗氧化性和抗热震性提出了更高的要求。


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