近年來,隨著大型鋁電解槽生產技術的進步和管理水平的快速推進,電解槽生產工藝技術參數的匹配更加合理,電解槽運行的穩定性不斷提高,電解槽各項生產技術指標不斷提升.

    但是鋁電解生產過程中原材料質量對電解槽運行的穩定性及生產指標的影響越來越引起企業生產管理人員的關注,特別是陽極質量.陽極碳塊作為鋁電解的心臟部分,其質量的好壞,直接影響著電解的進行和產品的質量.

    如果碳塊的質量達不到要求,將在鋁電解質溶液中產生過多的碳渣,對鋁電解過程產生一系列不利的影響,極易造成電解質電壓升高,導致熱槽的產生,這不但引起電解消耗的增加,而且當熱槽產生時將惡化鋁電解的生產的諸多技術經濟指標,同時對電解槽的壽命也有影響,因此減少鋁電解生產中的碳渣產生成為鋁電解槽生產管理中的重要一環.

    碳渣產生的根源

    陽極質量不穩定.預焙碳塊是由石油焦、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產出不合格的碳塊.如:耐壓強度低、空隙度大、雜質大等,從而導致陽極的氧化和碳粒在陽極表面的脫落進入電解質中形成碳渣,有時會形成掉塊和裂縫,在電解質的沖蝕和洗刷下,形成碳渣.由于碳塊質量而引起的碳渣是生產中碳渣形成的主要原因.

    預焙陽極質量不合格是電解生產過程中碳渣產生的主要原因,然而預焙陽極質量的好壞又與生產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、殘極等炭素生產用原材料中微量元素對陽極質量的影響.

    炭素生產的主要原材料石油焦,其中的V、Ni等雜質元素對空氣反應性影響非常明顯,而Na對CO2反應性和空氣反應性有著較強的催化作用.其次,電解生產過程中更換出的殘極,表面粘附的電解質若清理不干凈,陽極生產配料時帶入到陽極中,特別高分子比的電解質,帶入大量的Na.另外工藝波動和原料配方等也會生產出不合格的炭塊.

    預焙陽極從焙燒爐內出爐后陽極表面粘結的填充料清理不干凈,進入電解槽后,隨著電解反應的進行,逐漸脫落進入電解質中成為碳渣.

    電解生產過程中產生的碳渣

    作業操作質量較差引起的掉渣.換極作業質量十分重要,尤其在沒有按照技術規范操作時,陽極也易掉渣.新陽極在安裝初期不能實現全電流工作,陽極安裝過低時浸潤在電解質中受其沖刷易形成掉渣;另外,新極安裝過低時,在電流導全時由于極距較均值要小,造成電流過大,導致強熱應力,破壞陽極強度形成爆塊和掉渣.其他作業質量,如氧化鋁保溫料覆蓋不當,造成陽極外露產生陽極氧化掉渣,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.當電解槽況出現異常時,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,同時槽溫高,側部爐幫化空易富集碳渣,電解槽排渣功能減弱,易造成電解質含碳.1.4.2電解生產過程中,精細化管理不到位,作業質量粗糙,換極后保溫料封蓋不密實,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,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.

    新建電解槽裝爐時使用的焦粒,在電解槽焙燒啟動結束后,打撈不干凈遺留的碳渣.

    陰極炭素內部的沖蝕剝落.在鋁電解過程中,陰極炭素內部的沖蝕剝落和破碎是鋁電解溶液產生碳渣的又一來源.鋁電解槽啟動后,由于鈉的滲透,電解質溶液和鋁的侵蝕和沖刷,陰極炭素內襯不久就會產生剝落,鈉滲入陰極炭塊是引起剝落的主要原因.鈉的滲入使炭塊內部產生應力,導致炭塊體積膨脹,并變得疏松、多孔,以致剝落形成碳渣.

    二次反應生成游離的固態碳.鋁電解過程中的二次反應,不僅降低電流效率,而且還帶來另一方面的不利的影響,即溶解在電解質溶液中的鋁將陽極氣體中的CO2和CO還原C,在電解質溶液中形成細微的游離態碳渣.

    其反應有兩種:

    第一種反應為,在電解質的溶液中溶解的鋁與CO2反應生成CO,而CO又與AL反應生成C,即:

    2AL(溶解)+2CO2=AL2O3+3CO(1)

    2AL(溶解)+3CO=AL2O3+3C(2)

    第二種反應為,電解質中的鋁直接將CO2還原成C,

    3AL(溶解)+3CO2=2AL2O3+3C(3)

    在上述兩種反應中反應(3)對于在鋁電解質中生成碳渣的作用,比反應(2)的作用要大,但這兩種反應所產生的碳渣,不是電解質溶液中產生碳渣的主要原因.

    碳渣對電解過程的影響

    正常生產過程中,隨著鋁電解生產的持續進行,炭陽極隨著生產的進行而慢慢地消耗,正常生產陽極消耗產生的碳渣,在合理的工藝技術條件下,可以從電解質中順利的分離出來,對生產沒有太大的影響,但是實際生產中很難有這種相對理想的生產狀態存在.因此,作為生產管理人員要時刻關注電解質內碳渣量的變化,以減少對電解生產的影響.

    增加電能消耗

    鋁電解溶液中的碳渣,導致電解質的電阻增大,其結果造成電解質電壓降的升高,增加鋁電解生產的電能消耗.據具有關專業人士報道,當鋁電解質溶液中的碳渣含量達到1%(重量)時,電解質導電率約降低11%,由此可見碳渣對電解質的導電率的不利影響是極為顯著的,碳渣的顆粒越小,對降低電解質的導電率的作用越大.

    形成熱槽

    若電解質中的碳渣積累到一定濃度時,由于比電阻的增大,必定造成電解質電壓降升高,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,正常工藝技術條件受到影響,同時會使電解槽的陰極受到損壞,影響槽壽命,此外在處理熱槽時,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

    當鋁電解質熔液表面漂浮有大量碳渣時,部分碳渣成為炭素陽極和側部或陰極的導電通道,一部分電流會直接通過碳渣進入陰極或側部,而不能參與電解反應,形成側部漏電,電流空耗,嚴重時會造成側部漏爐.

    陽極長包

    由于碳渣大量聚集,及時不能清理出去,極易誘發電解槽角部或邊部長包或長牙,導致電解槽電壓擺動或壓槽.

    誘發陽極效應

    大量碳渣漂浮在電解質表面,導致氧化鋁不能及時溶解到電解質中,從而誘發陽極效應.

    增加工人勞動強度

    電解質中碳渣含量過大時,必須組織工人打撈,打撈碳渣不僅帶走大量的電解質和熱量,影響電解槽穩定,而且增大氟化鹽消耗.打撈碳渣時要在電解槽的不同部位打洞,便于撈取碳渣,工人勞動量明顯增加.

    減少炭渣的措施

    做好原材料供應管理

    石油焦、煤瀝青和煅后焦等炭素生產的主要原材料要選擇性的采購,并根據檢測結果及炭塊抗氧化性能進行搭配使用,對產品質量不穩定的供應商采取停止供貨措施.對于摻配的殘極,其表面的電解質要全部清理干凈,盡量減少電解質進入陽極內.

    提高陽極制作工序的加工質量

    提高炭素陽極制品質量,其根本在于提高陽極系統工序生產質量,即石油焦煅燒質量,成型配方、糊料混捏溫度及混涅質量、生塊成型質量,生塊高溫焙燒質量.規范各項作業操作程序,嚴格執行技術標準,確保陽極表面和內在理化指標滿足電解生產的需要.

    加強微量元素的分析檢驗

    對影響炭陽極質量,導致影響炭陽極在電解槽中使用效果和鋁質量的微量元素,如V、Na、S、Ca、Fe等均要嚴格控制,造成電解槽炭陽極掉渣的V、Na等活性強的元素,更應予以關注,并通過不同產地和質量指標混合配料,使其達到最佳配比.

    改進陽極炭塊形狀,采用下表面無棱角抗沖刷陽極碳塊.

    下表面無棱角碳塊是將碳塊的側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,可以觀察到1天前換上的新極,導電性能很差,但下棱角卻由直角變成了圓弧狀,說明此時的圓弧狀形成的主要原因是由電解質沖刷陽極炭塊,而炭塊的這一直角全部變成碳渣進入到電解質中.無下棱碳塊主要優點是抗沖刷力強,能有效減少槽中碳渣量.

    選用高質量的陽極炭塊

    在前面關于碳渣來源中的討論中,由于炭塊質量不合格是造成炭粒脫落生產碳渣的主要原因.因此采用高質量的炭塊是減少電解質溶液產生碳渣的重要措施.因此,預焙陽極塊進廠之前就要進行嚴格的質量檢驗,防止不合格陽極進入生產線.

    選用優質的陰極碳塊

    與陽極碳素材料一樣,陰極碳塊的質量優劣對碳塊的剝落程度有影響,在砌筑電解槽陰極時采用優質陰極側部碳塊和底部碳塊能較有效地承受和抵抗鋁電解質溶液和鋁液的侵蝕和沖刷,從而減少碳塊的剝落,減少碳渣的產生.

    采用低溫鋁電解生產工藝

    由于鋁的二次反應也是產生碳渣的一個原因,所以在電解生產過程中就要減少二次反應的發生.積極應用并優化低電壓、低氧化鋁濃度、低分子比、低溫度、高極距等新工藝,從而保證電解生產在較低的溫度的溫度下進行,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損失,從而減少碳渣是生產.

    保持適當厚度的保溫料

    實踐證明,保溫料過薄易使空氣與陽極表面接觸,電解槽內處于高溫狀態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,避免與空氣接觸.此外,使用面殼塊進行覆蓋時,面殼塊粉碎的粒度是越細越好,利于保證陽極覆蓋的密實度.

    保持適當的電解質水平

    電解質水平的高低是決定炭塊氧化掉渣的主要因素之一.電解質水平過低,電解槽熱量損失快,不利于槽況穩定,但電解質水平過高,特別是超過殘極上表面,電解質液流淌在炭塊的表面時,致使殘極上的保溫料溶化,形成空間,會加劇炭塊氧化,碳渣量激增.所以,要生產實際保持合理的電解質水平.

    結論

    在鋁電解正常生產中碳渣的純在是不可避免的,當電解槽中碳渣的含量達到一定程度時就會影響電解槽正常生產,帶來負面影響.

    在電解槽日常生產中,要提高陽極質量、提高換極質量、調節電解質成分及高低、控制電解溫度、充分利用一切可能的機會打撈碳渣等措施,來減少碳渣對電解生產帶來影響.