鋁電解技術(shù)中減少碳渣的措施

    近年來,隨著大型鋁電解槽生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和管理水平的快速推進(jìn),電解槽生產(chǎn)工藝技術(shù)參數(shù)的匹配更加合理,電解槽運行的穩(wěn)定性不斷提高,電解槽各項生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)不斷提升.

    但是鋁電解生產(chǎn)過程中原材料質(zhì)量對電解槽運行的穩(wěn)定性及生產(chǎn)指標(biāo)的影響越來越引起企業(yè)生產(chǎn)管理人員的關(guān)注,特別是陽極質(zhì)量.陽極碳塊作為鋁電解的心臟部分,其質(zhì)量的好壞,直接影響著電解的進(jìn)行和產(chǎn)品的質(zhì)量.

    如果碳塊的質(zhì)量達(dá)不到要求,將在鋁電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生過多的碳渣,對鋁電解過程產(chǎn)生一系列不利的影響,極易造成電解質(zhì)電壓升高,導(dǎo)致熱槽的產(chǎn)生,這不但引起電解消耗的增加,而且當(dāng)熱槽產(chǎn)生時將惡化鋁電解的生產(chǎn)的諸多技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),同時對電解槽的壽命也有影響,因此減少鋁電解生產(chǎn)中的碳渣產(chǎn)生成為鋁電解槽生產(chǎn)管理中的重要一環(huán).

    碳渣產(chǎn)生的根源

    陽極質(zhì)量不穩(wěn)定.預(yù)焙碳塊是由石油焦、瀝青焦、瀝青通過破碎、煅燒、配料、混捏等工序燒制而成,如果采用的原材料及工藝不合乎要求就會產(chǎn)出不合格的碳塊.如:耐壓強度低、空隙度大、雜質(zhì)大等,從而導(dǎo)致陽極的氧化和碳粒在陽極表面的脫落進(jìn)入電解質(zhì)中形成碳渣,有時會形成掉塊和裂縫,在電解質(zhì)的沖蝕和洗刷下,形成碳渣.由于碳塊質(zhì)量而引起的碳渣是生產(chǎn)中碳渣形成的主要原因.

    預(yù)焙陽極質(zhì)量不合格是電解生產(chǎn)過程中碳渣產(chǎn)生的主要原因,然而預(yù)焙陽極質(zhì)量的好壞又與生產(chǎn)陽極所使用的原材料,如石油焦、或市場上直接采購的鍛后焦,煤瀝青、殘極等炭素生產(chǎn)用原材料中微量元素對陽極質(zhì)量的影響.

    炭素生產(chǎn)的主要原材料石油焦,其中的V、Ni等雜質(zhì)元素對空氣反應(yīng)性影響非常明顯,而Na對CO2反應(yīng)性和空氣反應(yīng)性有著較強的催化作用.其次,電解生產(chǎn)過程中更換出的殘極,表面粘附的電解質(zhì)若清理不干凈,陽極生產(chǎn)配料時帶入到陽極中,特別高分子比的電解質(zhì),帶入大量的Na.另外工藝波動和原料配方等也會生產(chǎn)出不合格的炭塊.

    預(yù)焙陽極從焙燒爐內(nèi)出爐后陽極表面粘結(jié)的填充料清理不干凈,進(jìn)入電解槽后,隨著電解反應(yīng)的進(jìn)行,逐漸脫落進(jìn)入電解質(zhì)中成為碳渣.

    電解生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳渣

    作業(yè)操作質(zhì)量較差引起的掉渣.換極作業(yè)質(zhì)量十分重要,尤其在沒有按照技術(shù)規(guī)范操作時,陽極也易掉渣.新陽極在安裝初期不能實現(xiàn)全電流工作,陽極安裝過低時浸潤在電解質(zhì)中受其沖刷易形成掉渣;另外,新極安裝過低時,在電流導(dǎo)全時由于極距較均值要小,造成電流過大,導(dǎo)致強熱應(yīng)力,破壞陽極強度形成爆塊和掉渣.其他作業(yè)質(zhì)量,如氧化鋁保溫料覆蓋不當(dāng),造成陽極外露產(chǎn)生陽極氧化掉渣,尤以出鋁口、煙道端、下料口的陽極角部較為明顯.

    電解槽槽況不佳引起的掉渣.當(dāng)電解槽況出現(xiàn)異常時,陽極的工作狀況也隨之惡化,如槽溫升高,陽極的抗氧化性減弱,同時槽溫高,側(cè)部爐幫化空易富集碳渣,電解槽排渣功能減弱,易造成電解質(zhì)含碳.1.4.2電解生產(chǎn)過程中,精細(xì)化管理不到位,作業(yè)質(zhì)量粗糙,換極后保溫料封蓋不密實,甚至到處冒火,或暴露在空氣中,高溫陽極與空氣接觸后,氧化掉渣.

    下料打殼錘頭由于長期高溫炙烤變形,靠近錘頭處的陽極由于錘頭粘附電解質(zhì),錘頭增大,打殼下料過程中將陽極表面的保溫料打掉,露出陽極表面,與空氣接觸氧化掉渣.

    新建電解槽裝爐時使用的焦粒,在電解槽焙燒啟動結(jié)束后,打撈不干凈遺留的碳渣.

    陰極炭素內(nèi)部的沖蝕剝落.在鋁電解過程中,陰極炭素內(nèi)部的沖蝕剝落和破碎是鋁電解溶液產(chǎn)生碳渣的又一來源.鋁電解槽啟動后,由于鈉的滲透,電解質(zhì)溶液和鋁的侵蝕和沖刷,陰極炭素內(nèi)襯不久就會產(chǎn)生剝落,鈉滲入陰極炭塊是引起剝落的主要原因.鈉的滲入使炭塊內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,導(dǎo)致炭塊體積膨脹,并變得疏松、多孔,以致剝落形成碳渣.

    二次反應(yīng)生成游離的固態(tài)碳.鋁電解過程中的二次反應(yīng),不僅降低電流效率,而且還帶來另一方面的不利的影響,即溶解在電解質(zhì)溶液中的鋁將陽極氣體中的CO2和CO還原C,在電解質(zhì)溶液中形成細(xì)微的游離態(tài)碳渣.

    其反應(yīng)有兩種:

    第一種反應(yīng)為,在電解質(zhì)的溶液中溶解的鋁與CO2反應(yīng)生成CO,而CO又與AL反應(yīng)生成C,即:

    2AL(溶解)+2CO2=AL2O3+3CO(1)

    2AL(溶解)+3CO=AL2O3+3C(2)

    第二種反應(yīng)為,電解質(zhì)中的鋁直接將CO2還原成C,

    3AL(溶解)+3CO2=2AL2O3+3C(3)

    在上述兩種反應(yīng)中反應(yīng)(3)對于在鋁電解質(zhì)中生成碳渣的作用,比反應(yīng)(2)的作用要大,但這兩種反應(yīng)所產(chǎn)生的碳渣,不是電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生碳渣的主要原因.

    碳渣對電解過程的影響

    正常生產(chǎn)過程中,隨著鋁電解生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行,炭陽極隨著生產(chǎn)的進(jìn)行而慢慢地消耗,正常生產(chǎn)陽極消耗產(chǎn)生的碳渣,在合理的工藝技術(shù)條件下,可以從電解質(zhì)中順利的分離出來,對生產(chǎn)沒有太大的影響,但是實際生產(chǎn)中很難有這種相對理想的生產(chǎn)狀態(tài)存在.因此,作為生產(chǎn)管理人員要時刻關(guān)注電解質(zhì)內(nèi)碳渣量的變化,以減少對電解生產(chǎn)的影響.

    增加電能消耗

    鋁電解溶液中的碳渣,導(dǎo)致電解質(zhì)的電阻增大,其結(jié)果造成電解質(zhì)電壓降的升高,增加鋁電解生產(chǎn)的電能消耗.據(jù)具有關(guān)專業(yè)人士報道,當(dāng)鋁電解質(zhì)溶液中的碳渣含量達(dá)到1%(重量)時,電解質(zhì)導(dǎo)電率約降低11%,由此可見碳渣對電解質(zhì)的導(dǎo)電率的不利影響是極為顯著的,碳渣的顆粒越小,對降低電解質(zhì)的導(dǎo)電率的作用越大.

    形成熱槽

    若電解質(zhì)中的碳渣積累到一定濃度時,由于比電阻的增大,必定造成電解質(zhì)電壓降升高,從而使電解槽兩極間的電能收入額外增加,引起電解質(zhì)過熱,槽溫升高,形成熱槽.熱槽形成后,電解槽的熱平衡被破壞,正常工藝技術(shù)條件受到影響,同時會使電解槽的陰極受到損壞,影響槽壽命,此外在處理熱槽時,還消耗大量的氟化鹽,故其危害作用是非常巨大的.

    造成電流空耗

    當(dāng)鋁電解質(zhì)熔液表面漂浮有大量碳渣時,部分碳渣成為炭素陽極和側(cè)部或陰極的導(dǎo)電通道,一部分電流會直接通過碳渣進(jìn)入陰極或側(cè)部,而不能參與電解反應(yīng),形成側(cè)部漏電,電流空耗,嚴(yán)重時會造成側(cè)部漏爐.

    陽極長包

    由于碳渣大量聚集,及時不能清理出去,極易誘發(fā)電解槽角部或邊部長包或長牙,導(dǎo)致電解槽電壓擺動或壓槽.

    誘發(fā)陽極效應(yīng)

    大量碳渣漂浮在電解質(zhì)表面,導(dǎo)致氧化鋁不能及時溶解到電解質(zhì)中,從而誘發(fā)陽極效應(yīng).

    增加工人勞動強度

    電解質(zhì)中碳渣含量過大時,必須組織工人打撈,打撈碳渣不僅帶走大量的電解質(zhì)和熱量,影響電解槽穩(wěn)定,而且增大氟化鹽消耗.打撈碳渣時要在電解槽的不同部位打洞,便于撈取碳渣,工人勞動量明顯增加.

    減少炭渣的措施

    做好原材料供應(yīng)管理

    石油焦、煤瀝青和煅后焦等炭素生產(chǎn)的主要原材料要選擇性的采購,并根據(jù)檢測結(jié)果及炭塊抗氧化性能進(jìn)行搭配使用,對產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的供應(yīng)商采取停止供貨措施.對于摻配的殘極,其表面的電解質(zhì)要全部清理干凈,盡量減少電解質(zhì)進(jìn)入陽極內(nèi).

    提高陽極制作工序的加工質(zhì)量

    提高炭素陽極制品質(zhì)量,其根本在于提高陽極系統(tǒng)工序生產(chǎn)質(zhì)量,即石油焦煅燒質(zhì)量,成型配方、糊料混捏溫度及混涅質(zhì)量、生塊成型質(zhì)量,生塊高溫焙燒質(zhì)量.規(guī)范各項作業(yè)操作程序,嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),確保陽極表面和內(nèi)在理化指標(biāo)滿足電解生產(chǎn)的需要.

    加強微量元素的分析檢驗

    對影響炭陽極質(zhì)量,導(dǎo)致影響炭陽極在電解槽中使用效果和鋁質(zhì)量的微量元素,如V、Na、S、Ca、Fe等均要嚴(yán)格控制,造成電解槽炭陽極掉渣的V、Na等活性強的元素,更應(yīng)予以關(guān)注,并通過不同產(chǎn)地和質(zhì)量指標(biāo)混合配料,使其達(dá)到最佳配比.

    改進(jìn)陽極炭塊形狀,采用下表面無棱角抗沖刷陽極碳塊.

    下表面無棱角碳塊是將碳塊的側(cè)面與底面的過渡角由90度直角形狀改造成倒角狀或圓弧狀.通過試驗,可以觀察到1天前換上的新極,導(dǎo)電性能很差,但下棱角卻由直角變成了圓弧狀,說明此時的圓弧狀形成的主要原因是由電解質(zhì)沖刷陽極炭塊,而炭塊的這一直角全部變成碳渣進(jìn)入到電解質(zhì)中.無下棱碳塊主要優(yōu)點是抗沖刷力強,能有效減少槽中碳渣量.

    選用高質(zhì)量的陽極炭塊

    在前面關(guān)于碳渣來源中的討論中,由于炭塊質(zhì)量不合格是造成炭粒脫落生產(chǎn)碳渣的主要原因.因此采用高質(zhì)量的炭塊是減少電解質(zhì)溶液產(chǎn)生碳渣的重要措施.因此,預(yù)焙陽極塊進(jìn)廠之前就要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗,防止不合格陽極進(jìn)入生產(chǎn)線.

    選用優(yōu)質(zhì)的陰極碳塊

    與陽極碳素材料一樣,陰極碳塊的質(zhì)量優(yōu)劣對碳塊的剝落程度有影響,在砌筑電解槽陰極時采用優(yōu)質(zhì)陰極側(cè)部碳塊和底部碳塊能較有效地承受和抵抗鋁電解質(zhì)溶液和鋁液的侵蝕和沖刷,從而減少碳塊的剝落,減少碳渣的產(chǎn)生.

    采用低溫鋁電解生產(chǎn)工藝

    由于鋁的二次反應(yīng)也是產(chǎn)生碳渣的一個原因,所以在電解生產(chǎn)過程中就要減少二次反應(yīng)的發(fā)生.積極應(yīng)用并優(yōu)化低電壓、低氧化鋁濃度、低分子比、低溫度、高極距等新工藝,從而保證電解生產(chǎn)在較低的溫度的溫度下進(jìn)行,保持合理的過熱度,既有利于碳渣分離,又能減少鋁的二次反應(yīng)損失,從而減少碳渣是生產(chǎn).

    保持適當(dāng)厚度的保溫料

    實踐證明,保溫料過薄易使空氣與陽極表面接觸,電解槽內(nèi)處于高溫狀態(tài)下的陽極炭塊與空氣接觸表面氧化掉渣速度較快,保溫料必須覆蓋密實,避免與空氣接觸.此外,使用面殼塊進(jìn)行覆蓋時,面殼塊粉碎的粒度是越細(xì)越好,利于保證陽極覆蓋的密實度.

    保持適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)水平

    電解質(zhì)水平的高低是決定炭塊氧化掉渣的主要因素之一.電解質(zhì)水平過低,電解槽熱量損失快,不利于槽況穩(wěn)定,但電解質(zhì)水平過高,特別是超過殘極上表面,電解質(zhì)液流淌在炭塊的表面時,致使殘極上的保溫料溶化,形成空間,會加劇炭塊氧化,碳渣量激增.所以,要生產(chǎn)實際保持合理的電解質(zhì)水平.

    結(jié)論

    在鋁電解正常生產(chǎn)中碳渣的純在是不可避免的,當(dāng)電解槽中碳渣的含量達(dá)到一定程度時就會影響電解槽正常生產(chǎn),帶來負(fù)面影響.

    在電解槽日常生產(chǎn)中,要提高陽極質(zhì)量、提高換極質(zhì)量、調(diào)節(jié)電解質(zhì)成分及高低、控制電解溫度、充分利用一切可能的機會打撈碳渣等措施,來減少碳渣對電解生產(chǎn)帶來影響.