铝电解用预焙阳极上部结构优化及开槽的节能和降耗探索

黄龙

摘要：本文根据生产实践具体情况，分析及改进预焙阳极上部结构尺寸优化的目的是有利于铝电解过程中保温覆盖料能较好地堆积,对预焙阳极起到覆盖保护的作用,同时减少预焙阳极无效重量,降低预焙阳极的制造和使用成本。还针对影响炭碗开槽预焙阳极质量的主要因素提出了稳定煅烧工艺，改善焙烧升温制度，提高生阳极体积密度等具体有效的措施。

关键词：预焙阳极；结构尺寸优化；炭碗间开槽；节能减排；降低阳极毛耗

预焙阳极是铝电解生产中的重要组成部分，它在铝电解生产中起着核心作用，阳极炭块内在质量的好坏和各项技术参数的设计是否合理，都直接影响着电解铝生产工艺、各项经济指标以及生产成本。但节能减排是企业生存和发展的永恒主题,也是一个有责任的企业实现和谐社会和实现可持发展的必然要求。在国家“十四五”明确要求单位 GDP能耗降低13.5%，二氧化碳排放降低18%的目标指引下,企业再一次选择对阳极上部外形进行挖潜。

1 阳极炭块上部结构仅起到与钢爪连接的作用,因此还可以在上部继续进行结构尺寸优化, 尽量减少生产阳极炭块的糊料用量。阳极炭块在电解槽使用时顶部需要堆积保温覆盖料, 怎样才能使料更有效地堆积也是考虑的方向。

1.1 预焙阳极上部结构尺寸的优化应围绕降低预焙阳极在以下三个方面来进行。

一是减少炭块的“无效”部分从而减少生产预焙阳极炭块的糊料用量，降低阳极的制造成本；

二是铝电解过程中保温覆盖料能较好地堆积，对预焙阳极炭块起到覆盖保护的作用；

三是通过对预焙阳极炭块改进，在一定程度上降低预焙阳极炭块单耗。

一般地，在所有几何体中，球体的表面积是最大的，因而结合以上三点，将预焙阳极炭块上部顶面改为圆弧面比较好。

1.2 预焙阳极炭块上部结构尺寸优化有以下几个效果

（1）将上部凸台与阳极炭块主体结合部改为圆弧状， 大大减小了阳极炭块成型过程中该部位由于应力集中产生 裂纹的可能性；同时，也降低了阳极炭块在焙烧过程中裂 纹扩展和新裂纹产生的几率，有利于改善预焙阳极炭块的理化性能，提高阳极炭块的使用效果。

（2）由于上部凸台外形的尺寸优化，使得阳极炭块挂槽后能够更好的堆放阳极炭块覆盖料，漏入电解质大大减 少，有利于改善电解质的粘度，降低电解质电阻，在一定程度上有利于降低电解能耗 。

（3）由于阳极炭块外形改进后，可以更加平稳的堆放覆盖料，并根据低电压要求增加保温层厚度，因此，对阳极炭块的保护作用也有了提高，有利于减少阳极氧化，降低吨铝阳极单耗。

（4）阳极炭块氧化程度的降低，必定导致温室气体排放量的减少，有利于改善环境空气质量。阳极炭块上部凸台改造，可减少单块阳极炭块重量，平均每块生块节约糊料8～12kg左右在换极周期、电流效率不变的情况下，吨铝阳极单耗降低6kg。

2 本文的生产实践采用的是六爪双阳极预焙阳极组，每块预焙阳极上部分布有三个炭碗。由于其铁碳接触面有限，铁碳接触界面的电阻受制于接触面，在铝电解使用过程中有一部分电能用来克服此电阻，若能增大接触面，便可降低界面电阻，从而节约电能；同时在浇注和使用过程中，阳极钢爪容易弯曲变形，致使钢爪存在较高的返修率和报废率，从而增加铝电解使用预焙阳极的生产成本。

2.1 炭碗间开槽预焙阳极生产实践的客观条件

从预焙阳极铝电解生产成本构成及生产工艺分析，原材料和燃料及动力在生产成本中占主要部分，受成本构成项固有的局限，企业可以降低生产成本的途径有：优化工艺技术条件、强化电流强度、降低预焙阳极炭耗、降低吨铝直流电耗、延长槽寿命以降低折旧费和修理费。降低铝电解生产成本的措施往往是同时或者交互进行的，下面对以上各项进行分析和探讨。在技术改造中，企业创造性地把大型预焙槽的强化电流强度先进生产工艺；低电解温度、低氧化铝浓度、低效应系数、低分子比、高极距或高工作电压、智能模糊控制技术。经过企业的优化和改进，目前生产工艺已经在成功运行数年，开创了在炭碗间开槽预焙阳极应用成功的案例。

2.2 生产实践中存在的技术困难

（1）在确定模板尺寸和焊接时，要求模板与压头之间留有3-5mm的间隙。间隙留得过小，可能会影响上压头转动，导致炭碗损伤；间隙留得过大，则会使炭碗与沟槽之间的隔层加厚，焙烧后很难清理，在清焦过程中还极易导致炭碗和沟槽损伤，影响预焙阳极合格率。

（2）炭碗容易发生不在同一水平面，从而对浇注产生影响。解决办法为：加强对上压头水平和底模水平的定期测试及调整；进一步优化成型工艺配方、稳定沥青配入量，提高成型系统工艺技术条件，从而减少生块的变形和裂纹等缺陷；在装炉焙烧时，严格执行焙烧升温曲线，保证焙烧块的质量。

2.3 炭碗间开槽预焙阳极实践的优势

（1）可大大降低人工劳动强度及天车启动次数。碗孔之间开槽后可使预焙阳极组装更加方便，操作人员浇铸时只需在一个炭碗内倒铁水，三个炭碗都会浇满，不但减轻了工人的劳动强度，且大大减少了天车频繁启动次数，节约电耗，同时延长了设备的使用寿命。

（2）由于碗孔之间开槽，在处理残极时更加容易。

（3）由于三个铁环是连在一起的，这样可以使电流分布更加均匀，使电解槽更加平稳运行，阳极消耗均匀，底部平整，不容易形成铁环粘爪。

（4）可以从根本上克服钢爪变形等问题。钢爪的弯曲变形是在电解高温下，由于钢爪梁和炭块的热膨胀系数不同，两者形成了热膨胀的位移差，使钢爪头发红变软，从而造成了钢爪的弯曲变形。如果在碗孔之间开槽则浇铸的铁环和槽内铁块将三个爪头连在一起，而铁环、槽内铁块和钢梁的膨胀性相同，从而克服了炭块膨胀不足对钢爪造成的变形，从而不需要对弯曲的钢爪进行校直。

（5）开槽后三个炭碗相通，浇铸时铁水从中间炭碗向两侧炭碗均匀流动，减少杂质，降低了铁碳压降，还由于浇铸速度降低，增大了铁水的排气量，克服了铁环的气孔，提高了铁水的浇铸质量。

2.4 炭碗间开槽预焙阳极节能探究

（1）强化电流强度

铝电解生产中最主要的技术参数是电流强度，因为它决定着铝产量。当电流强度确定之后，电压是重要参数，因为它决定着电能消耗率。所以现代铝电解槽采用越来越大的电流强度，并且对槽电压进行自动控制，以便在低电耗率下取得相对大的生产量。

（2）阳极炭块加高技术

阳极炭块高度最佳化后，残极率下降了，炭块毛耗相应下降，抵消阳极电压升高的影响后仍有可观的经济效益。从而取得最佳经济效益。由于阳极炭块加高70mm，在阳极整个使用周期中，阳极电压升高15mv，影响电耗指标。由于阳极加高，延长阳极使用周期4～5天，减少了更换次数，因此，也就减少了因更换阳极捞面壳块使铝液和电解质波动的次数，从而间接地使电流效率稍有提高，同时也相应地减少了氟化盐的挥发和氧化铝的飞扬损失等。

（3）提高电流效率

提高电流效率和降低槽平均电压都可以降低吨铝直流电耗，而且提高电流效率还能增加产量，一举两得。由于先进技术条件的成功应用，技术创新槽的电流效率提高了，不考虑工作电压不增加，可增产原铝。具体包括以下几点：一是根据槽型，选择良好的技术参数；二是加强管理，保持稳定的技术条件；三是精心操作，提高各项工作质量；四是建立和保持理想的槽膛内型；五是保持铝业平静，减少铝的二次氧化损失；六是加强科研试验，积极引进新技术。

3 结论

3.1 对阳极顶部外形的历次优化后, 每一块预焙阳极比最初设计时节约糊料14～20kg,不仅资源得到节约,而且更有利于顶部覆盖料的堆积,防止顶部氧化,减少CO₂排放,使返回残极更规整,硬度更高。同时利于铝电解的使用及操作,对提高劳动生产率及改善环境起到了积极作用,达到了高效低耗的目的。

3.2 碗孔之间开槽，可以从根本上克服钢爪弯曲变形的问题，降低阳极毛耗。碗孔之间开槽，可降低铁碳压降，达到节能目的。总而言之，本实践方法是可行的，技术改造具有实际意义，同时也具有节能的经济价值。

参考文献

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