铝电解技术中减少碳渣的措施

　　前言

　　近年来，随着大型铝电解槽生产技术的进步和管理水平的快速推进，电解槽生产工艺技术参数的匹配更加合理，电解槽运行的稳定性不断提高，电解槽各项生产技术指标不断提升。

　　但是铝电解生产过程中原材料质量对电解槽运行的稳定性及生产指标的影响越来越引起企业生产管理人员的关注，特别是阳极质量。阳极碳块作为铝电解的心脏部分，其质量的好坏，直接影响着电解的进行和产品的质量。

　　如果碳块的质量达不到要求，将在铝电解质溶液中产生过多的碳渣，对铝电解过程产生一系列不利的影响，极易造成电解质电压升高，导致热槽的产生，这不但引起电解消耗的增加，而且当热槽产生时将恶化铝电解的生产的诸多技术经济指标，同时对电解槽的寿命也有影响，因此减少铝电解生产中的碳渣产生成为铝电解槽生产管理中的重要一环。

　　碳渣产生的根源

　　阳极质量不稳定。预焙碳块是由石油焦、沥青焦、沥青通过破碎、煅烧、配料、混捏等工序烧制而成，如果采用的原材料及工艺不合乎要求就会产出不合格的碳块。如：耐压强度低、空隙度大、杂质大等，从而导致阳极的氧化和碳粒在阳极表面的脱落进入电解质中形成碳渣，有时会形成掉块和裂缝，在电解质的冲蚀和洗刷下，形成碳渣。由于碳块质量而引起的碳渣是生产中碳渣形成的主要原因。

　　预焙阳极质量不合格是电解生产过程中碳渣产生的主要原因，然而预焙阳极质量的好坏又与生产阳极所使用的原材料，如石油焦、或市场上直接采购的锻后焦，煤沥青、残极等炭素生产用原材料中微量元素对阳极质量的影响。

　　炭素生产的主要原材料石油焦，其中的V、Ni等杂质元素对空气反应性影响非常明显，而Na对CO2反应性和空气反应性有着较强的催化作用。其次，电解生产过程中更换出的残极，表面粘附的电解质若清理不干净，阳极生产配料时带入到阳极中，特别高分子比的电解质，带入大量的Na。另外工艺波动和原料配方等也会生产出不合格的炭块。

　　预焙阳极从焙烧炉内出炉后阳极表面粘结的填充料清理不干净，进入电解槽后，随着电解反应的进行，逐渐脱落进入电解质中成为碳渣。

　　电解生产过程中产生的碳渣

　　作业操作质量较差引起的掉渣。换极作业质量十分重要，尤其在没有按照技术规范操作时，阳极也易掉渣。新阳极在安装初期不能实现全电流工作，阳极安装过低时浸润在电解质中受其冲刷易形成掉渣；另外，新极安装过低时，在电流导全时由于极距较均值要小，造成电流过大，导致强热应力，破坏阳极强度形成爆块和掉渣。其他作业质量，如氧化铝保温料覆盖不当，造成阳极外露产生阳极氧化掉渣，尤以出铝口、烟道端、下料口的阳极角部较为明显。

　　电解槽槽况不佳引起的掉渣。当电解槽况出现异常时，阳极的工作状况也随之恶化，如槽温升高，阳极的抗氧化性减弱，同时槽温高，侧部炉帮化空易富集碳渣，电解槽排渣功能减弱，易造成电解质含碳。1.4.2电解生产过程中，精细化管理不到位，作业质量粗糙，换极后保温料封盖不密实，甚至到处冒火，或暴露在空气中，高温阳极与空气接触后，氧化掉渣。

　　下料打壳锤头由于长期高温炙烤变形，靠近锤头处的阳极由于锤头粘附电解质，锤头增大，打壳下料过程中将阳极表面的保温料打掉，露出阳极表面，与空气接触氧化掉渣。

　　新建电解槽装炉时使用的焦粒，在电解槽焙烧启动结束后，打捞不干净遗留的碳渣。

　　阴极炭素内部的冲蚀剥落。在铝电解过程中，阴极炭素内部的冲蚀剥落和破碎是铝电解溶液产生碳渣的又一来源。铝电解槽启动后，由于钠的渗透，电解质溶液和铝的侵蚀和冲刷，阴极炭素内衬不久就会产生剥落，钠渗入阴极炭块是引起剥落的主要原因。钠的渗入使炭块内部产生应力，导致炭块体积膨胀，并变得疏松、多孔，以致剥落形成碳渣。

　　二次反应生成游离的固态碳。铝电解过程中的二次反应，不仅降低电流效率，而且还带来另一方面的不利的影响，即溶解在电解质溶液中的铝将阳极气体中的CO2和CO还原C，在电解质溶液中形成细微的游离态碳渣。

　　其反应有两种：

　　第一种反应为，在电解质的溶液中溶解的铝与CO2反应生成CO，而CO又与AL反应生成C，即：

　　2AL（溶解）＋2CO2=AL2O3＋3CO（1）

　　2AL（溶解）＋3CO=AL2O3＋3C（2）

　　第二种反应为，电解质中的铝直接将CO2还原成C，

　　3AL（溶解）＋3CO2=2AL2O3＋3C（3）

　　在上述两种反应中反应（3）对于在铝电解质中生成碳渣的作用，比反应（2）的作用要大，但这两种反应所产生的碳渣，不是电解质溶液中产生碳渣的主要原因。

　　碳渣对电解过程的影响

　　正常生产过程中，随着铝电解生产的持续进行，炭阳极随着生产的进行而慢慢地消耗，正常生产阳极消耗产生的碳渣，在合理的工艺技术条件下，可以从电解质中顺利的分离出来，对生产没有太大的影响，但是实际生产中很难有这种相对理想的生产状态存在。因此，作为生产管理人员要时刻关注电解质内碳渣量的变化，以减少对电解生产的影响。

　　增加电能消耗

　　铝电解溶液中的碳渣，导致电解质的电阻增大，其结果造成电解质电压降的升高，增加铝电解生产的电能消耗。据具有关专业人士报道，当铝电解质溶液中的碳渣含量达到1%（重量）时，电解质导电率约降低11%，由此可见碳渣对电解质的导电率的不利影响是极为显著的，碳渣的颗粒越小，对降低电解质的导电率的作用越大。

　　形成热槽

　　若电解质中的碳渣积累到一定浓度时，由于比电阻的增大，必定造成电解质电压降升高，从而使电解槽两极间的电能收入额外增加，引起电解质过热，槽温升高，形成热槽。热槽形成后，电解槽的热平衡被破坏，正常工艺技术条件受到影响，同时会使电解槽的阴极受到损坏，影响槽寿命，此外在处理热槽时，还消耗大量的氟化盐，故其危害作用是非常巨大的。

　　造成电流空耗

　　当铝电解质熔液表面漂浮有大量碳渣时，部分碳渣成为炭素阳极和侧部或阴极的导电通道，一部分电流会直接通过碳渣进入阴极或侧部，而不能参与电解反应，形成侧部漏电，电流空耗，严重时会造成侧部漏炉。

　　阳极长包

　　由于碳渣大量聚集，及时不能清理出去，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。

　　诱发阳极效应

　　大量碳渣漂浮在电解质表面，导致氧化铝不能及时溶解到电解质中，从而诱发阳极效应。

　　增加工人劳动强度

　　电解质中碳渣含量过大时，必须组织工人打捞，打捞碳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。打捞碳渣时要在电解槽的不同部位打洞，便于捞取碳渣，工人劳动量明显增加。

　　减少炭渣的措施

　　做好原材料供应管理

　　石油焦、煤沥青和煅后焦等炭素生产的主要原材料要选择性的采购，并根据检测结果及炭块抗氧化性能进行搭配使用，对产品质量不稳定的供应商采取停止供货措施。对于掺配的残极，其表面的电解质要全部清理干净，尽量减少电解质进入阳极内。

　　提高阳极制作工序的加工质量

　　提高炭素阳极制品质量，其根本在于提高阳极系统工序生产质量，即石油焦煅烧质量，成型配方、糊料混捏温度及混涅质量、生块成型质量，生块高温焙烧质量。规范各项作业操作程序，严格执行技术标准，确保阳极表面和内在理化指标满足电解生产的需要。

　　加强微量元素的分析检验

　　对影响炭阳极质量，导致影响炭阳极在电解槽中使用效果和铝质量的微量元素，如V、Na、S、Ca、Fe等均要严格控制，造成电解槽炭阳极掉渣的V、Na等活性强的元素，更应予以关注，并通过不同产地和质量指标混合配料，使其达到最佳配比。

　　改进阳极炭块形状，采用下表面无棱角抗冲刷阳极碳块。

　　下表面无棱角碳块是将碳块的侧面与底面的过渡角由90度直角形状改造成倒角状或圆弧状。通过试验，可以观察到1天前换上的新极，导电性能很差，但下棱角却由直角变成了圆弧状，说明此时的圆弧状形成的主要原因是由电解质冲刷阳极炭块，而炭块的这一直角全部变成碳渣进入到电解质中。无下棱碳块主要优点是抗冲刷力强，能有效减少槽中碳渣量。

　　选用高质量的阳极炭块

　　在前面关于碳渣来源中的讨论中，由于炭块质量不合格是造成炭粒脱落生产碳渣的主要原因。因此采用高质量的炭块是减少电解质溶液产生碳渣的重要措施。因此，预焙阳极块进厂之前就要进行严格的质量检验，防止不合格阳极进入生产线。

　　选用优质的阴极碳块

　　与阳极碳素材料一样，阴极碳块的质量优劣对碳块的剥落程度有影响，在砌筑电解槽阴极时采用优质阴极侧部碳块和底部碳块能较有效地承受和抵抗铝电解质溶液和铝液的侵蚀和冲刷，从而减少碳块的剥落，减少碳渣的产生。

　　采用低温铝电解生产工艺

　　由于铝的二次反应也是产生碳渣的一个原因，所以在电解生产过程中就要减少二次反应的发生。积极应用并优化低电压、低氧化铝浓度、低分子比、低温度、高极距等新工艺，从而保证电解生产在较低的温度的温度下进行，保持合理的过热度，既有利于碳渣分离，又能减少铝的二次反应损失，从而减少碳渣是生产。

　　保持适当厚度的保温料

　　实践证明，保温料过薄易使空气与阳极表面接触，电解槽内处于高温状态下的阳极炭块与空气接触表面氧化掉渣速度较快，保温料必须覆盖密实，避免与空气接触。此外，使用面壳块进行覆盖时，面壳块粉碎的粒度是越细越好，利于保证阳极覆盖的密实度。

　　保持适当的电解质水平

　　电解质水平的高低是决定炭块氧化掉渣的主要因素之一。电解质水平过低，电解槽热量损失快，不利于槽况稳定，但电解质水平过高，特别是超过残极上表面，电解质液流淌在炭块的表面时，致使残极上的保温料溶化，形成空间，会加剧炭块氧化，碳渣量激增。所以，要生产实际保持合理的电解质水平。

　　结论

　　在铝电解正常生产中碳渣的纯在是不可避免的，当电解槽中碳渣的含量达到一定程度时就会影响电解槽正常生产，带来负面影响。

　　在电解槽日常生产中，要提高阳极质量、提高换极质量、调节电解质成分及高低、控制电解温度、充分利用一切可能的机会打捞碳渣等措施，来减少碳渣对电解生产带来影响。