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。阳极作为铝电解生产的主要原材料，近年来由于电解铝产能的快速增加，铝电解用炭素产业也得到快速发展，炭素产品由于受原材料质量、装备水平、管理水平、工艺控制，以及成本等因素制约，市场上阳极质量良莠不齐，进入电解槽后其质量的好坏，直接影响着电解槽的稳定运行。炭渣作为铝电解生产的伴生物，随着电解生产的不断进行，炭渣也时刻不停的产生着。若使用炭块达不到质量标准或日常操作管理不精细，在电解生产过程中，将产生大量的炭渣，对铝电解过程产生一系列不利的影响，表现为电解质电压降升高，槽温上升，电解槽内铝的二次反应增加，电流效率下降，突发效应增加等，不仅造成电能消耗增加，而且对电解槽正常的运行参数和技术经济指标产生严重影响，并且增加电解槽管理的难度和工人劳动强度。因此减少铝电解生产中的炭渣产生成为铝电解槽生产管理中的重要一环。
本文从炭素生产原材料、生产过程控制、产品质量，以及电解生产管理方面进行逐一分析。
1 炭渣产生的根源
1.1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。
1.2阳极质量不稳定。预焙阳极质量不合格是电解生产过程中炭渣产生的主要原因， 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。另外工艺波动和原料配方等也会生产出不合格的炭块。
1.3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炭渣。
1.4电解生产过程中产生的炭渣。
1.4.1阳极质量差异性产生的炭渣。不少电解铝厂家电解生产使用的阳极炭块来源于多家炭块供应商，在生产过程中同一台电解槽使用不同厂家阳极，这些阳极由于厂家不同，同一等级的阳极，难免在阳极的理化指标和整体质量均匀性方面存在差异性，生产中常出现阳极导电不均，消耗不平衡，产生大量的炭渣。
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。
1.4.3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。
1.4.4新建电解槽装炉时使用的焦粒，在电解槽焙烧启动结束后，打捞不干净遗留的炭渣。
1.4.5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炭渣的又一来源。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，以致剥落形成炭渣。
近年来，异型阴极的大量使用也是电解质中炭渣增多的又一个原因。异型阴极的凸台主要作用是阻止槽内铝液在磁场作用下的快速流动，但是凸台在阻止铝液流动的同时也不断受到铝液的冲刷，并逐渐形成炭粒进入到电解质中，特别是运行2-3年的电解槽，凸台的消耗十分明显，异型阴极表面的凸台与凸台之间逐渐形成平缓的波浪形式。
1.4.6电化学反应产生炭渣。电解过程中的二次反应，不仅降低电效，而且还带来另一方面的不利影响，即溶解在电解质中的铝将阳极气体中的CO2和CO还原，在电解质熔液中形成细微的游离性炭渣。一种是电解质熔液中熔解的铝与CO2反应生成CO,CO与Al反应生成C，另一种是电解质中的铝直接将CO2还原成C。
2 炭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炭渣，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炭渣量的变化，以减少对电解生产的影响。
2.1增加电能消耗。铝电解质中的炭渣，分离不好导致电解质的浓度增大，并造成电解质的压降升高，电解槽运行电压相应抬高。
2.2形成热槽。若电解质中的炭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，电解质电阻增大，热收入增加，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，同时会使电解槽阴极受到损坏，影响槽寿命。此外在处理热槽时，还要消耗大量的氟化盐，恶化工作环境，危害较大。
2.3造成电流空耗。当铝电解质熔液表面漂浮有大量炭渣时，部分炭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炭渣进入阴极或侧部，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。
2.4增加工人劳动强度。电解质中炭渣含量过大时，必须组织工人打捞，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。
2.5阳极长包。由于炭渣大量聚集，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。
2.6诱发阳极效应。大量炭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。
3 减少炭渣的措施
3.1炭素生产环节
3.1.1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。
3.1.2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。
3.1.3加强煅烧、成型、焙烧等工序工艺参数优化和过程精细化管理，严格控制每道工序产品的质量检验，保证操作质量。
3.1.4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。
3.2电解生产环节
3.2.1选用高质量的阳极炭块。在前面关于炭渣来源中的讨论中，由于炭块质量不合格是造成炭粒脱落生产炭渣的主要原因。因此采用高质量的炭块是减少电解质溶液产生炭渣的重要措施。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。
3.2.2采用高品质的阴极炭块。与阳极炭素材料一样，阴极炭块的质量好坏对炭块的剥落程度有影响，在砌筑电解槽阴极时采用高质量的阴极侧部炭块和阴极底块，能有效地承受和抵抗铝电解质溶液和铝水的侵蚀和冲刷，从而减少炭块的剥落。
3.2.3采用低温铝电解生产工艺。由于铝的二次反应也是产生炭渣的一个原因，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，既有利于炭渣分离，又能减少铝的二次反应损失，从而减少炭渣是生产。
3.2.4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。
3.2.5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，炭渣量激增。所以，要生产实际保持合理的电解质水平。
4 结论
4.1减少电解生产过程中炭渣的产生，必须从阳极生产用原材料、过程工艺控制入手，加强过程质量检验分析，努力提高阳极合格率。
4.2加强进入电解生产线的阳极质量控制，做好电解生产工艺管理，推进精细化作业，提高操作质量，最大限度地减少炭渣的产生，才能保证电解槽的稳定运行，取得良好的经济技术指标。
参考文献
[1]冯乃祥.铝电解[M]北京：化学工业出版社，2006.
[2]王平甫，宫振等.铝电解阳极生产与应用[M]北京：冶金工业出版社，2005.
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编辑：中冶有色技术网
来源：河南神火铝电公司
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2024年12月13日 ~ 15日 
