高抗氧化性预焙阳极对铝电解的积极作用

何 川

（贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550018）

近年来，我国电解铝工业无论是在产量上还是在装备技术水平上都得到了长足的发展，至2018年末，我国电解铝产能已经达到了约3600万吨。随着铝电解技术的不断发展和创新，电解槽技术不断向着大型、高效和节能降耗等方向前进。电解技术的不断创新与发展必将推动预焙阳极技术的优化与提高，高质量预焙阳极已经成为了新型电解槽的最基本需求之一[1]。阳极是铝电解槽的心脏，其质量的优劣直接影响到电解槽的工艺技术条件和技术经济指标。随着铝电解技术的不断发展与完善，预焙炭阳极质量对铝电解生产的重要性日益凸显。

1 存在的问题

一方面，国内各大型电解铝企业对预焙阳极质量的评价主要依赖于国家相关标准，其主要评价指标为：灰分、电阻率、耐压强度、真密度以及体积密度等五大指标。但是，这五大指标并不能完全衡量预焙阳极的质量。一部分电解铝企业开始增加抗氧化性能指标（CO2反应性及空气反应性）和微量元素指标等，这些指标对预焙阳极质量的评价同样起着非常重要的作用，国外各铝厂早已经将这些指标作为判断预焙阳极质量优劣的一个强制性标准[2]。然而，由于国内相关标准缺乏对这些指标的约束，导致这些指标的推广性较差。抗氧化性能较差以及微量元素含量过高的预焙阳极在电解槽上的最直观表现就是阳极掉渣明显，而这将对电解生产过程产生严重的不良影响。另一方面，由于国内大量的电解企业过度追求低生产成本、原材料的劣化以及电解操作工艺的改变，目前国内电解槽普遍存在阳极掉渣多、电解质炭渣含量高的现象。据生产统计，每生产一吨铝，打捞炭渣可达20kg～30kg，与国外先进电解槽无炭渣生产相比，存在着较大的差距。

2 炭渣产生的原因

炭阳极在整个电解过程中产生炭渣的原因主要由两部分组成，第一部分：炭阳极自身质量问题产生的掉渣；第二部分，铝电解生产过程中，因操作原因产生的掉渣。在这两部分原因中，第一部分原因为炭渣产生的最主要因素。因此，提升炭阳极质量是减少电解槽炭渣最主要的手段之一。

2.1 炭阳极自身质量原因

预焙阳极生产过程中使用的设备繁杂，生产工艺复杂，生产流程较长。因此，预焙阳极因质量问题产生掉渣的原因也比较多[3]。通过进一步的研步发现，这些质量问题主要体现在以下几个方面：

（1）原料质量的影响。生产预焙阳极的主要原料为石油焦和改质沥青，其中石油焦占比约86%，改质沥青占比约14%。生产原料的质量优劣对预焙阳极的质量有着至关重要的影响，石油焦的纯度、结构形式、孔隙率、灰分含量以及杂质成分含量，改质沥青中苯不溶物、喹啉不溶物、沥青软化点、灰分含量以及杂质成分含量等都是预焙阳极掉渣的影响因素。石油焦中含有多种有害杂质元素，这些元素以铁、硅、钙、铝、钠、镁、钒、钛、镍等为主。其中，钒、镍等杂质元素对空气反应性影响显著，而钠对CO2反应性有着很强的催化作用。在电解过程中，抗氧化性能较差或反应较快的部分率先氧化，不能与炭块整体同步氧化消耗，从而导致石油焦颗粒脱落，从而形成炭渣。

（2）石油焦煅烧的影响。煅烧主要是排出石油焦中的水分、挥发分，提高石油焦的真密度、降低石油焦电阻率。若煅烧过程中温度太低，煅烧不足，导致石油焦的真密度较低、电阻率高，在焙烧过程中石油焦将进一步收缩，从而导致预焙阳极产生裂纹。而阳极裂纹的产生，尤其是内部裂纹的产生是电解过程中阳极掉渣或掉块的又一主要原因。

（3）生阳极制造过程的影响。生阳极制造工序复杂，主要涉及到原料破碎、配料、混捏以及成型等主要程序，每一个程序操作或配置不当都将对阳极质量产生影响。研究发现，原料的粒级配比应当以大、中、小颗粒、粉料和改质沥青的合理用量为适宜性，以满足最大的堆积密度为基础，以满足形成足够的胶料为原则进行合理配料，同时辅以合理的混捏温度和混捏时间，才能生产出优质的糊料，再通过适宜的振动力和振动时间，才能生产出优质的生阳极。优质的生阳极通过焙烧工序后，将具有较强的抗氧化性能，从而降低了预焙阳极在电解过程中消耗速率和炭渣生成率。

（4）焙烧工序的影响。生坯焙烧过程中，焙烧升温速率、焙烧最高温度、保温时间以及填充料质量等工艺参数都会对预焙阳极的质量产生很大的影响。生坯焙烧过程主要经历四个阶段，低温预热阶段（制品温度200℃，火道温度350℃）、改质沥青焦化阶段（制品温度200℃～700℃，火道温度350℃～800℃）、高温烧结阶段（制品温度700℃～1050℃，火道温度800℃～1180℃）、制品冷却阶段，在这四个阶段中，低温预热阶段、改质沥青焦化阶段和冷却阶段主要决定预焙阳极的外观质量，只能部分改变预焙阳极的理化性能，而高温烧结阶段能够本质性地改变预焙阳极的各理化性能指标，是生产优质、高抗氧化性阳极最为关键的阶段。因此，合理的升温曲线、最合适的焙烧温度和保温时间将生产出产品质量均一、电阻率低和抗氧化强的预焙阳极。同时，进一步研究发现，适中的填充料粒度对提高预焙质量起着一定的积极作用。

2.2 电解过程中操作原因

预焙阳极在电解槽上承受着电、热、力、化学作用和物质流动的运动冲击等多种因素的作用，尤其与气体（空气、CO2）接触产生的氧化，这些反应和渗透是整体性的，并非只体现在阳极表面。因此，电解过程中电解槽电流密度分布不均匀、运行状况不稳定，将使得预焙阳极在电解槽环境中的条件恶化，消耗速度加快，同时产生大量的炭渣。

电解生产过程中，操作管理不够精细、作业质量糊糙、保温料（或覆盖料）不严实等造成阳极暴露于空气中，发生氧化反应，从而导致阳极掉渣。

3 炭渣的危害

炭阳极掉渣是长期困扰电解铝生产企业和炭阳极生产企业的难题之一。阳极掉渣会给电解生产造成严重的危害，其主要表现在以下几个方面：①增加电能消耗。铝电解质中的炭渣，若分离不好，会导致电解质电阻增大。进一步的研究表明，当电解质中炭渣量为0.04%时，电阻率增加约1%，炭渣含量为1%时，电阻率将迅猛增加约11%。②形成热槽。电解质中的炭渣过多，电解质电阻将增大，电解槽热收入也相应增加，从而引起电解质过热、槽温升高，热槽就此形成。而热槽的长时间运行还会对阴极的破坏力加大，缩短了槽寿命，在处理热槽时，还会消耗大量的氟化盐，生产环境进一步恶化。③阳极发热。由于阳极掉渣掉块，缩小了阳极的导电面积，阳极电流密度增加，导致阳极发热，进一步造成阳极耗量的增加。④造成电流空耗。电解质熔液表面漂浮有大量阳极炭渣时，若未及时清理，部分炭渣可能会与炭素阳极和侧部炭块或阴极形成一条导电通道，这时一部分电流会直接通过此导电通道进入阴极或侧部炭块而不能有效参与电解反应，侧部漏电的产生，导致了电流空耗。⑤阳极长包。由于炭渣大量聚集，不能及时清理出去，极易诱发电解槽角部或边部长包或长牙，导致电解槽电压摆动或压槽。⑥增加工人劳动强度。电解质中炭渣含量过大时，需要组织工人进行打捞，打捞炭渣不仅带走大量的电解质和热量，影响电解槽稳定，而且增大氟化盐消耗。打捞炭渣时要在电解槽的不同部位打洞，便于捞取炭渣，工人劳动量明显增加。⑦诱发阳极效应。电解质熔液表面漂浮的大量炭渣，会阻碍氧化铝粉有效溶解到电解质中，从而会导致电解槽阳极效应的发生。

4 高抗氧化性阳极对铝电解的优势

采用高抗氧化性阳极能给铝电解企业带来诸多优势，主要表现在以下几个方面：

（1）提高电流效率。由于高抗氧化性阳极不会或较少产生掉渣，因此电解槽中电解质电阻率维持在较低的水平。电解槽运行在相同的电压下，其有效极距得到了提高，从而可以提高电流效率。通过研究发现，高抗氧化性阳极能够有效提高电流效率0.5%～1.0%左右。

（2）减少阳极消耗。采用高抗氧化性阳极后，对比普通阳极，其基本不会或较少产生炭渣，阳极消耗可进一步降低，企业生产成本随之下降，同时还可降低生产工人劳动强度（减少捞渣时间和次数）。

（3）降低电解质消耗。电解槽打捞出来的炭渣需要经过分离，分离后的电解质经过处理后返回电解槽，但处理过程会导致部分电解质机械损失，此部分消耗需要补充氟化盐以维持物料平衡。

（4）减少炭渣处置。电解槽打捞出来的炭渣需要处理，采用高抗氧化性阳极后，此部分的处置费用可以节约，从而进一步降低企业的生产成本。

（5）降低氟化盐消耗。由于电解槽捞渣作业的减少，因此端部槽罩的开启次数相应地减少，可以提高集气效率，从而带来氟化盐消耗的降低。

（6）提高原铝质量。由于高抗氧化性阳极的生产对原料及生产工艺的要求更高，因此生产出的阳极杂质含量更低。阳极上槽后，会直接带来原铝质量的提高。

5 结论

空气反应性和CO2反应性是造成预焙阳极掉渣的最主要因素，高抗氧化性预焙阳极能够有效降低炭渣的产生。

相较于电解生产操作因素，预焙阳极自身质量因素是炭渣产生的最主要因素；而生产预焙阳极的原料以及预焙阳极生产工艺对预焙阳极质量起着决定性作用。

预焙阳极掉渣给铝电解稳定生产带来严重危害，主要表现在：增加电耗、形成热槽、阳极发热、电流空耗、阳极长包、诱发阳极效应以及增加工人劳动强度等方面。

高抗氧化性预焙阳极的采用，能够为铝电解企业带来诸多优势，主要体现在：提高电流效率、减少阳极消耗、减少电解质消耗、减少炭渣处置、降低氟化盐消耗以及提高原铝质量等方面。