400 kA预焙槽新型阳极钢爪保护环的应用

姜海涛， 周 平， 汤昌廷

(南山铝业股份有限公司， 山东 烟台 265713)

轻金属

400 kA预焙槽新型阳极钢爪保护环的应用

姜海涛， 周 平， 汤昌廷

(南山铝业股份有限公司， 山东 烟台 265713)

本文介绍了一种新型阳极钢爪保护环在铝电解生产中的试验情况。该保护环能有效地保护阳极钢爪，使其免受电解质侵蚀，从而延长了换极的周期，降低了阳极消耗，节约了生产成本。

400 kA铝电解槽； 钢爪保护环； 炭阳极； 经济效益

0 引言

在现代铝电解工业中，阳极钢爪是一种常见的铸钢件，如果说炭阳极是电解工艺的“心脏”，那么阳极钢爪就是“主动脉”。钢爪是联接阳极和铝导杆的部件，在电解生产过程中，钢爪充当一个导电体接入电解槽，同时起到支撑和联接铝导杆的作用。阳极钢爪所处的工作环境十分恶劣，长期处于高温腐蚀性气氛中，环境温度大概为400～600 ℃，很容易受到电解质侵蚀而使钢爪变细，缩短其使用周期[1-2]，详见图1。

图1 某铝厂阳极钢爪变细现象

电解生产中，炭素阳极需要定期更换。当接近换极周期时，由于阳极已接近控制高度，若电解质水平保持较高，电解质(940 ℃)可能会漫过阳极上部(俗称电解质“上炕”)，详见图2。当阳极上部钢爪周围没有保护措施时，侵蚀性很强的电解质与钢爪发生电化学反应，造成钢爪被侵蚀变细。钢爪变细后会造成阳极电流分布不均，电耗增加。另外，钢爪被侵蚀后，反应产物进入电解质中，进而造成铝液杂质含量升高[3-4]。

图2 某铝厂电解质“上炕”现象

为解决这一问题，通常采取的措施是将阳极钢爪进行保护，即采用阳极保护环。本文采用了一种新型环保的阳极钢爪保护环，该保护环保护效果好，成本低，操作简单易行。

1 阳极钢爪保护环的制作

本试验采用的是氧化铝保护环替代传统的炭环，目的是减少电解质里的碳渣量，保证原铝质量的稳定，同时，确保电解质保持较高水平。为了使氧化铝保护环运行稳固，防止氧化铝流失，本试验采用了牛皮纸外环和氧化铝粉填充相结合的方法制作保护环。

保护环的制作过程：把牛皮纸剪成矩形(518×80±50 mm)，围在阳极钢爪上制成环状，然后往中间空间内灌满氧化铝粉即可完成。换极时，将保温料覆盖到阳极表面，将其装入电解槽中，然后打入粉料将其覆盖。在电解槽高温的作用下，经2 d左右保护环形成结壳，对钢爪进行保护。新制作的阳极钢爪保护环及上槽使用后的保护环见图3和图4 。

图3 新制作的阳极钢爪保护环

图4 在电解槽中使用后的保护环

2 阳极钢爪保护环在电解槽上的使用

2.1 换极周期和残极厚度

使用阳极钢爪保护环的主要目的是防止电解质对钢爪侵蚀，充分利用阳极的有效厚度，进而延长阳极换极周期，降低阳极消耗。本次试验中，带有保护环的阳极使用一个换极周期后，对残极、保护环高度等进行了测量，并与该厂一区其它残极进行了比较，结果见表1。测量结果表明：使用阳极钢爪保护环后，阳极更换周期由原来的30 d延长为31.5 d，残极厚度降低了2.3 cm。从保护环剩余高度上看，在电解槽中经过31.5 d后的保护环基本保持原高度(85±5 mm )，环浸泡高度约为34 mm。

表1 残极、保护环高度及换极周期统计表

图5为加设保护环的残极照片，从图中可以看出，清理后的一组阳极八个钢爪上的保护环都完好存在，钢爪未受到电解质的侵蚀。这是由于保护环中的氧化铝在高温下易于固结，与钢爪紧密结合成一体对钢爪起到很好的保护作用。

图5 加设保护环的残极

图6 四台试验槽铝液中Fe含量变化曲线

2.2 铝液中Fe含量的变化

阳极钢爪保护环的主要作用是保护阳极钢爪免受高温电解质的侵蚀，从而达到提高原铝质量的目的。图6统计了该车间四台试验槽铝液中Fe含量的日平均值，从图6中可以看出，1035#、1036#、1037#、1038#槽使用1个月阳极保护环以后(7月1日开始使用)，Fe含量均逐渐降低，四台槽的Fe含量均降到了0.10%，特别是1036#槽由最初的0.398%降到0.0567%。这充分说明阳极保护环对钢爪能起到很好的保护作用，使铝液免受钢爪侵蚀带来的污染。

2.3 电解质水平的测量

为了验证铝液中Fe含量是否受到电解质水平的波动而影响及保护环是否能起到保护钢爪的作用，在试验过程中，对四台试验槽的电解质水平进行了测定。测试结果见图7，从图7中可以看出，1035#、1036#、1038#槽电解质水平在八月至九月内平均值集中分布在18～20 cm，1037#槽偏高，大约在20～22 cm。对比图6中这四台槽的Fe含量变化情况可知，Fe含量的降低并不是因为试验槽中电解质水平降低，相反，1037#、10378#槽在指标考核后期电解质水平还逐渐升高，最高值甚至达到24 cm，这个高度已使“电解质上台”，但并未引起铝液中Fe含量的升高，这,充分说明阳极保护环在起作用，它可以保护钢爪免受电解质侵蚀。

2.4 钢爪外形尺寸与钢爪损坏率

钢爪使用若干周期以后，从外形上看，加设保护环的钢爪要比没有保护环的外形更加规整。试验过程中，测量了多组使用周期相同的阳极钢爪周长，结果见表2。从表2中可以看出，加保护环的阳极钢爪(试验组)实测周长为330.3 mm，接近于原钢爪周长345.4 mm(直径为55 mm),而未加设保护环的钢爪实测周长为282.6 mm。出现这种现象的原因是阳极钢爪未受保护在电解质的侵蚀下逐渐变细。

图7 四台试验槽电解质水平变化曲线

试验组对比组钢爪编号实测周长L1钢爪直径d1钢爪编号实测周长L2钢爪直径d2SY-111345.455.0DB-111302.148.1SY-112331.052.7DB-112314.050.0SY-113332.853.0DB-113266.942.5SY-114312.749.8DB-114248.739.6平均值330.352.6平均值282.645.0周长差值L1-L2=47.7直径差值d1-d2=7.60

注明：每个钢爪实测周长均为8个爪的周长平均值。

使用阳极钢爪保护环后，由于有效保护了钢爪，使得钢爪损坏率有所降低，表3中统计了该区自使用保护环以后阳极钢爪的损坏情况。

表3 保护环使用前后钢爪损坏率比较 %

3 效益分析

(1)成本价：制作阳极钢爪保护环外环所用的牛皮纸按0.5 mm厚，进口价7 500元/t，每t牛皮纸约为1.2 m×3 000 m=3 600 m2。单个保护环面积：3 600/(0.80×0.518)=0.041 4 m2，单个保护环价格：7 500/0.414=0.086元。折算成t铝，每t铝需2个保护环，则每t铝成本价增加近0.2元。

(2)阳极钢爪保护环的使用使换极周期延长了1.5 d，可降低阳极毛耗37 kg/tAl，若预焙阳极炭块按2元/kg计算，则可节约成本74元/tAl，扣去成本0.2元，则直接经济效益73.8元/tAl。

(3)阳极钢爪保护环的使用，增大了钢爪与阳极接触处的面积，降低了接触压降,与使用前相比，钢爪压降降低5 mV左右，则节电约15 kW·h/tAl。

(4)由于阳极消耗量的降低，减轻了阳极组装的压力，从而降低了阳极组装费用。同时，减少了残极返回量，节省了残极运输成本。

(5)延长换极周期，给电解生产带来较多益处。一是减少了换极操作对电解槽的扰动，使铝电解槽的工况更加稳定，提高生产效率；二是降低了吊车的运行频率，降低设备的运行和维护费用；三是减少换机次数，减轻了工人的劳动强度；四是减少打开集气罩的频次, 降低了电解烟气对车间环境的影响。

4 结论

(1)本试验制备的氧化铝保护环能有效地保护阳极钢爪不被电解质冲刷和浸蚀，残极的平均高度由181 mm降低到～158 mm左右,阳极的可用有效高度增加了23 mm。

(2)该保护环在电解槽上使用2个月后，铝液中Fe含量明显降低，四台试验槽测试结果显示，Fe含量均降至到0.01%以下。电解质水平的变化并未影响到铝液中Fe含量，保护环起到保护钢爪的作用。

(3)钢爪外形尺寸对比测量表明，加设保护环的钢爪直径要比未加设的长7.6 mm，且钢爪破损率降低3.4%。

(4)使用保护环后，换极周期由原来的30 d延长到31.5 d，可降低阳极毛耗37 kg/tAl，产生的直接经济效益为73.8元/tAl。

[1] 胡彬, 雷永祥．阳极钢爪保护环技术在铝电解预焙槽上的应用[J]．青海科技，2006(4)：50-52．

[2] 解正业, 赵天德, 王金融．预焙铝电解槽用阳极钢爪自焙炭素保护环的开发和应用[J]．轻金属， 2003(10)：31-33．

[3] 杨玲．200 kA预焙槽阳极钢爪保护炭环应用[J]．设备管理与维护，2006(11)：24-26．

[4] 王平甫, 宫振．铝电解炭阳极技术[M].北京:冶金工业出版社,2002．

Applicationofsteelanodeclawguardringfor400kApre-bakedcell

JIANG Hai-tao， ZHOU Ping， TANG Chang-ting

This paper introduces the test of the anode steel claw guard ring in aluminum electrolysis production. The guard ring can effectively prevent the anode steel claw from scouring and erosion of the electrolyte and can prolong the period of anode replacement, decreasing the consumption of anode and thus cost saving.

400 kA aluminum electrolytic cell； steel claw guard ring； carbon anode； economic benefit

TF821

B

1672-6103(2017)06-0025-04

姜海涛(1985—)，男，山东烟台人，硕士，工程师，从事铝冶炼技术管理工作。

2017-04-21