300 kA铝电解槽铝液Fe含量控制

杜慧龙，杨求思，刘 升

(四川启明星铝业有限责任公司，四川 眉山 620041)

1 引言

铝在世界各国尤其是工业发达国家经济发展中的地位越来越重要，在工业界被誉为万能金属。铝的产量和用量仅次于钢材，成为人类应用的第二大金属[1]。电解生产的较高纯度的铝液具有良好的物理化学性能，而铝液中杂质增多将影响铝合金的理化性能，如影响合金的断裂韧度，增加铸锭的缩孔和缩松等缺陷，降低铝合金耐蚀性能、导电性、白光反射率等[2-3]，因此在电解铝生产过程中要求铝液有很高纯度。

在电解铝生产过程中，钢爪联接铝导杆和炭块，同时要通过强大的电流。炭块钢爪所处的工作环境十分恶劣，长期处于酸性氟化物包围及高温的腐蚀气氛中，工作环境温度大概为400～600 ℃，很容易遭到腐蚀而缩短其使用寿命[1-2]。图1为四川启明星铝业炭块钢爪在使用过程出现的腐蚀变细情况。钢爪腐蚀后产生的Fe杂质在残极清理和覆盖料破碎流程中只能少量被清除，大部分又重新进入炭块覆盖料中，最终进入电解铝液，影响电解铝液质量。

在电解生产中，炭块上槽使用一段时间后 ( 炭块周期一般为30～32 天) ，须及时进行更换。当使用到接近更换期时，若生产中电解质液面过高，液态高温电解质将淹没炭块上表面(俗称电解质“上炕”，见图2)。残极上面的电解质覆盖料被涮空，形成拱桥形，若炭块上部钢爪周围未进行保护，浸蚀性很强的电解质还会不断冲刷钢爪，造成钢爪被刷细，加剧钢爪的腐蚀，甚至磷生铁被涮掉一部分。钢爪变细后会造成炭块电流分布不均，电耗增加。另外，钢爪和磷生铁熔化到铝液中，将使铝液品位下降。

图1 炭块钢爪腐蚀严重变细

图2 电解质“上炕”现象

本文重点对炭块钢爪腐蚀和电解质“上炕”现象进行讨论分析，并制定相应的控制措施，降低铝液中Fe元素含量。

2 炭块钢爪保护环研究

电解铝生产中，炭块钢爪保护环具有非常重要的作用，它能有效地保护钢爪使其免受电解质浸蚀和冲刷，延长钢爪的使用寿命，这样可减少炭块组装车间工作量，降低生产成本; 其次，减缓钢爪变细速率，进而降低因各爪头电流分布不均而造成化爪概率，并降低了炭块无功功耗，保障炭块运行状态正常。此外，在残极清理中，减少氧化铁杂质的产生，减少含Fe杂质进入保温料循环系统中，降低铝液中Fe的含量，提高铝液质量。

炭块钢爪保护环除能够保护钢爪降低浸蚀外，还须遵循以下原则：不能污染保温料、电解质液、铝液，经济可行。近年来，国内电解铝企业和研究单位对炭块钢爪保护的方法进行了大量的研究和应用实践，详情见表1[4]。

四川启明星铝业曾采用氧化铝涂层技术结合炭环工艺对钢爪进行保护，见图3。此方法虽对钢爪保护性较好，但其缺点也较明显，一是氧化铝涂层技术工艺复杂，成本较高；二是炭环在残极清理时，若清理不完全会对覆盖料造成污染，降低覆盖料保温性能，破碎后的炭环进入电解质液中成为炭渣，影响电解槽电流效率，故此方法未进行推广使用。

表1 不同炭块钢爪保护法的介绍

图3 氧化铝涂层技术和炭环工艺

四川启明星铝业采用牛皮纸-氧化铝环对炭块钢爪进行保护，见图4。此方法工序简单，成本低廉，并且炭块上槽后氧化铝板结，牛皮纸燃烧挥发，在后续的残极清理中不会对极上保温料和电解铝液造成污染，同时对炭块钢爪保护效果较好，见图5。

图4 牛皮纸—氧化铝保护环

图5 残极清理后的炭块钢爪

通过氧化铝—牛皮纸保护环运行6个月后，残极上覆盖料中Fe含量逐月下降，见图6。覆盖料中的Fe含量下降，当覆盖料被电解质液冲刷时，带入铝液中的Fe也就相应减少，铝液质量提高。

图6 2016年1-7月氧化铝牛皮纸保护环使用半年覆盖料中Fe含量变化

3 保温料分级使用研究

电解槽在实际生产中，更换炭块时，会产生两种物料：一种是残极覆盖料，另一种是从电解槽中天车爪出的爪斗料。为确保炭块保温料的物料平衡，这两种料最终都作为炭块覆盖料使用。经化验分析，两种料Fe含量比例不同，具体见表2。

表2 两种物料Fe含量分析(质量分数，%)

电解槽正常生产会消耗部分电解质液，电解质液的补充，大部分来自于炭块上的覆盖料，炭块快到换极周期时，电解质液或多或少会对炭块上的覆盖料进行冲刷，从而对电解质液进行补充，确保电解质液的平衡。而电解质“上炕”是电解质液面高度偏高所致，要避免电解质“上炕”现象，就必须控制电解质液面高度。四川启明星铝业300 kA电解槽在槽炭块为20组，炭块使用周期为31天，也就是3天内有2组炭块需要更换。电解槽内电解质液面高度一般在16～20 cm内波动，生产槽中一直存在快到换极周期的低残极，只要电解质液高度偏高，就有可能出现电解质“上炕”现象，残极上高铁物料就被冲刷进入电解槽，影响铝液质量。

更换新炭块时，若残极覆盖料破碎后直接覆盖在新炭块上面，当炭块消耗到换极周期时，电解质液将会冲刷含Fe量高的物料进入电解质液，造成原铝Fe含量增加。若将Fe含量偏低的爪斗料，破碎成直径10 cm左右的块料首先覆盖在新炭块上面，然后依次覆盖残极覆盖破碎料对电解槽进行保温。通过此措施，可有效减少电解质中过多的Fe元素进入电解铝液。此方法运行一个月后系列槽平均Fe含量从0.17%下降至0.15%。随着炭块钢爪保护环牛皮纸-氧化铝的配合实施，系列电解槽原铝Fe含量下降趋势更为明显。

当然，控制电解铝液中Fe含量的途径还有其他方面，包括采购氧化铝、氟化盐和石油焦中的Fe含量控制，阳极炭块浇注产生的铁渣清理，炭块钢爪氧化皮清理，覆盖料破碎时的除铁，以及电解槽破损槽维护等等。控制好Fe元素来源中的任何一个环节才能提高铝液品质，满足下游铝加工企业对铝液的质量要求。

4 结语

(1)通过使用氧化铝-牛皮纸保护环对阳极炭块钢爪进行保护，可有效减缓钢爪腐蚀，阳极覆盖料中Fe含量持续降低。

(2)将更换阳极炭块产生的两种物料采用分级使用，可有效降低Fe元素进入电解质液的量，降低电解铝液中Fe含量。