第41卷第3期2019年6月甘肃冶金GANSU METALLURGYVol.41No.3Jun.,2019文章编号：1672-4461( 2019)03-0033-05降低500kA铝电解槽炭阳极消耗的生产实践曹国强(中国铝业股份有限公司连城分公司，甘肃永登730335)摘要:炭素阳极和氧化铝一样，作为铝电解工业生产的基本原材料之一。
降低炭耗也是降低电解铝生产成本的主要途径之一。
当电流效率为94%理论计算炭耗为354kg/t-Al,而实际生产中，预焙槽的实际炭耗量远大于理论炭耗量，两者之间的差值约在100kg/t-Al左右。
减少空气氧化烧损和阳极掉渣，提高阳极质量和操作水平，设置恰如其分的换极周期，合适的电流密度，采用低温、低效应系数、低过热度电解工艺，可以有效降低炭素阳极消耗。
关键词：降低;炭素阳极;消耗中图分类号:TQ151文献标识码：AProduction Practice of Reducing Carbon Anode Consumptionin500kA Aluminum Electrolysis CellCAO Guo-qiang(Liancheng Branch of China Aluminum Industry Co.Ltd.,Yongdeng730335,China)Abstract:Carbon anode,like alumina,is one of the basic materials for the industrial production of aluminium electrolysis.Reducing carbon consumption is also one of the main ways to reduce the production cost of electrolytic aluminium.When the current efficiency is94%,the theoretical carbon consumption is354kg/t-Al,but in actual production,the actual carbon consumption of the prebaked cell is much larger than the theoretical carbon consumption,the difference between the two is about100kg/t-Al.The consumption of carbon anode can be effectively reduced by reducing air oxidation burnout and slag drop,improving the quality and operation level of the anode,setting proper cycle of changing the anode,appropriate current density,adopting low temperature,low coefficient of effect and low superheat electrolysis process.Key Words:reduce；carbon anode；consume1引言现代电解铝工业追求高效率、低能耗、低成本、无严重污染的生产工艺。
电解铝的基本原理是霍尔-埃鲁特冰晶石-氧化铝熔盐电解铝法。
炭素阳极在铝电解生产过程中起着十分重要的作用，阳极炭块不仅承担着导电作用，而且还参与电化学反应。
炭素阳极和氧化铝一样，作为铝电解工业生产的基本原材料之一，在高温下参加电化学反应，炭素阳极随着电解过程的进行也在不断地消耗。
降低炭耗也是降低电解铝生产成本的主要途径之一。
近年来，中铝公司连城分公司500kA系列预焙铝电解槽实际炭耗量约在410kg/t-Al左右，在同行业中处于领先地位。
本文结合自己的工作经验,就分公司500kA预焙铝电解槽如何降低炭耗的生产实践，谈谈个人的粗浅意见。
2炭素阳极理论消耗铝电解过程的(电)化学反应方程可以用以下两个反应式表示。
在电解的过程中阳极反应产生CO?,反应方程式为：Al203+3/2C=2Al+3/2CO2在电解的过程中阳极反应也有可能产生CO,反应方程式为：A12O3+3C=2A1+3CO合并两式为：AI2O3+3/(l+N)C=2Al+3N/(1+N)CO2+3(1-N)/(1+N)CO合并式中:N为CO?的体积百分比。
2.1理论消耗在铝电解过程中，当只有发生:Al2O3+3/2C=34甘肃冶金第41卷2Al+3/2CO2这个反应时，即电流效率为100%时，所需炭的消耗量为理论炭耗。
当阳极反应只生成CO?时，阳极理论炭耗为333kg/t-Al。
当阳极反应只生成CO时，阳极理论炭耗为667kg/t-Al。
当阳极反应生成的气体有30%CO时，阳极理论炭耗为393kg/t-Al。
2.2实际消耗在铝电解生产过程中，炭素阳极除了要维持上述反应而消耗以外，还有许多额外的影响因素导致阳极的消耗，这些因素引起的炭耗总和称为实际消耗。
一般为410-520kg/t-Al o2.3毛耗和净耗生产1t原铝所消耗的阳极炭块的总量（包括残极）称阳极毛耗。
除去残极后每生产1t原铝所消耗的阳极炭块量称为阳极净耗，净耗也就是炼铝的实际消耗。
3炭阳极消耗的具体表现形式1988年，挪威的G.J.Housbon和 H.A.0ye[10, 11]把工业阳极消耗分为电化学消耗、化学消耗和机械消耗三种形式。
当然，除了上述三种消耗形式外,还有其它的一些形式如:操作不当引起的炭损耗以及残极回收的炭损耗等。
3.1电化学消耗阳极大部分消耗是直接由电化学过程即所谓的一次反应引起的。
按上述电化学反应方程式计算可知，铝电解炭阳极理论消耗量为333kg/t-Al,或0.112g/A•h。
但是，在生产实践中，阳极实际消耗值在400kg/t-Al以上,有的甚至超过了450kg/t-Al （仅就预焙槽吨铝炭耗而言），自焙槽吨铝炭耗更高。
如此大的差别是因为炭阳极的化学消耗和机械消耗等诸多额外炭消耗引起的。
3.2化学消耗化学反应消耗指的是阳极空气氧化、铝电解副（二次）反应以及布达反应所造成的炭阳极消耗。
⑴阳极空气氧化。
指的是阳极与空气中的氧之间发生的化学反应。
对于预焙阳极该反应发生在400七以上阳极的顶部和侧表面暴露在空气中的部分。
阳极空气氧化反应式如下：C（阳极）+025）-^023）或2C（阳抵）+C）2（g）—>2CO（g）（2）副反应。
电化学反应Al2O3+3/2C=2Al+3/ 2CO2产生的C02还会与溶解在电解质中的金属反应：3CO2（g）+4Al（diss）->3C+2Al2O3（diss）3CO2（g）+2Al（dE）->3CO（g>+A12O3丽）以上反应称为铝电解的副反应,也就是俗称的铝电解二次反应。
这些反应并没有直接体现阳极的消耗，但它们的进行导致了金属铝产量的降低，即降低了电解的电流效率，因而这些反应也就间接地增加了吨铝阳极的消耗。
⑶布达反应。
布达反应是指:C02（g）+C（m）-*2CO（g）,或称炭阳极CO?烧损。
文献资料表明：布达反应不仅发生在阳极表面上，而且可深入阳极内部5~10cm。
该反应对阳极消耗有重要影响，通常占阳极总消耗的5%~10%。
3.3机械消耗阳极的氧化无论是电化学反应的还是化学反应，首先在沥青焦上进行即通称的优先选择氧化。
这使得阳极表面粗糙度增加，骨料颗粒孤立或凸起，最终导致骨料与粘接剂焦即沥青焦的结合破坏，骨料从阳极上掉下来,其后果首先是造成阳极炭耗增加;其次是导致电流效率的降低。
因为，在正常生产中，电解质中炭渣含量一般低于0.1%,而局部的不均匀性可造成炭渣积累达0.4%以上。
极距空间中炭渣颗粒的不良影响通常表现在阻碍电荷传递，炭渣的积累还会使电解质的电阻增高，从而导致电解质温度升高，电解出来的金属铝反溶（二次溶解）以及与C02的逆反应速度加快,最终降低电流效率。
3.4其它消耗阳极中不可避免地含有一些无机物杂质如S、Fe、Na、V等，其中很多杂质在阳极工作中表现出加速阳极与空气和C02的反应，造成阳极的额外消耗增多。
除此以外,在残极的处理、新极和残极的搬运以及现场操作过程中有损耗。
4降低炭阳极消耗的途径铝电解槽使用的炭阳极为组装阳极组（图1）,俗称阳极炭块，是将阳极铝导杆、钢爪和预焙阳极炭块组合为一体的工艺过程，导杆和钢爪以焊接的形式、钢爪头和预焙阳极炭块以磷生铁浇注的形式连接在一起（图1）。
阳极炭块组一般为单块阳极，也有双块组和三块组。
用于浇铸阳极炭块的磷生铁一般含磷0.8%~1.2%。
磷生铁的成分对于浇铸性能和钢与炭块之间的接触电阻影响很大。
在生产中要求浇铸用的磷生铁具有流动性能好、热膨胀性强、电阻率低、冷态下易脆裂等特点。
在浇注磷生铁前，钢爪预先在石墨液中浸沾，其作用是防止浇入铁水时铁水侵蚀钢爪，并改善钢爪与铸铁之间的接触状态。
阳极炭块一般为长方体,在其导电方向的上表第3期曹国强：降低500kA铝电解槽炭阳极消耗的生产实践351.吊孔;2.阳极导杆;3.爆炸焊块;4.铸钢抓;5.磷生铁;6.炭碗;7.阳极炭块图1阳极炭块组面有2~4个直径为160-180mm、深为80-110mm 的圆槽.俗称炭碗。
在阳极组装时，炭碗用来安放阳极爪头，通过磷生铁浇注，使阳极导杆与阳极炭块连为一体.组成阳极炭块组。
生产中对阳极组装的外观要求是:⑴铝导杆弯曲度不大于15mm；(2)组件焊缝不脱焊，爆炸焊片不开缝；⑶钢爪长度不小于260mm,各钢扑偏离中心线不大于10mm,钢爪直径不小于135mm,铸铁环厚度不小于10mm；⑷磷铁浇注饱满平整，无灰渣和气泡。
在生产中,预焙槽有数十组阳极组成，每一组一般由1~2块炭块组成,炭素阳极在高温下参加电化学反应，炭素阳极随着电解过程的进行也在不断地消耗，阳极炭块消耗到一定程度，需按照周期进行更换。
这是铝电解生产中的炭素阳极的最主要的消耗。
空气氧化烧损和阳极掉渣也增加了炭素阳极消耗。
除之此外，阳极质量、操作水平、电解工艺对炭素阳极消耗的影响十分明显。
4.1减少空气氧化铝电解温度高、腐蚀性强、材料的使用环境极其恶劣。
正常电解生产温度一般为930七左右，阳极表面温度较高，槽内的热空气一接触裸露的阳极，就会迅速的被氧化燃烧，这是造成炭耗增加的主要原因。
避免热空气和裸露的阳极接触，阳极表面必须覆盖氧化铝粉料,防止氧化烧损。
防止阳极氧化烧损工作必须从新极换进电解槽的那一刻做起，直到成为残极被换岀槽外为止，这期间必须做好以下工作:先用壳面块破碎料把新极表面、相邻极缝堵好，打好基础,再上炭素组装车间返回的电解质破碎料，最后在表面覆盖一层新鲜氧化铝粉料，厚度以埋住保护环为准;碰到下料口和出铝口极时，事先需用拳头大的壳面块把下料口和出铝口贴近新极侧面堵住，形成“围堰”，使壳面块破碎料不会掉入下料口和出铝口。