铝电解槽应用优质阳极炭块的

1、铝电解槽应用优质阳极炭块的技术经济分析与评价郑州轻金属研究院王平甫李庆宏罗英涛济宁炭素工业总公司宫振李庆义贾鲁宁李广明摘要本文从铝电解生产的阳极消耗电耗阳极破坏性故障减少强化电流活力等方面与阳极性能的关系入手计算和分析了铝电解槽应用优质阳极与一般阳极与质量差的阳极的差别论述了判别方法指出应用优质阳极吨铝成本降低400元以上关键词铝电解优质阳极炭块技术经济一问题的提出2002年我国电解铝产量已达436万t产能520万t铝电解消耗阳极产品阳极糊炭块约250260万t其中预焙阳极电解槽铝产量约320万t消耗阳极炭块约180190万t预计2003年我国电解铝产量将达到540万t其中预焙阳极电解槽铝产量

2、将达到约440万t预计消耗阳极炭块约250万t2002年国内有阳极炭块生产厂100余家总产能超过200万t随着伊川豫港铝电集团12万t炭素厂投产关铝6万t炭素厂的投产以及济宁茌平三门峡新安商丘白银武汉兰州南山永城青海等地扩建或新建阳极生产线的投产2003年国内阳极炭块总产能将达到280万t供大于求20万t以上国内10万t以上铝厂自办或联办炭素厂势头未减国内阳极炭块市场交易量约7080万t市场供应量超过100万t从2001年起国内阳极炭块市场转为买方市场产品过剩价格一路下滑在阳极生产原料石油焦和煤沥青涨价超过40%情况下阳极炭块由29003100元/t27002900元/t跌至24002750元

3、/t一些炭素厂大打价格战用不计成本的低价求得占有市场一席之地产品价格低无利润空间只好用低价质量差的原料和带病的设备粗略的工艺以求减少亏损如果严格按照ISO国际标准的十几项指标包括物化性能应用性能和微量元素检验是可以区分优质阳极的但是由于当前我国阳极炭块质量标准仍是常规的强度电阻率灰分真密度和体积密度 等几项指标绝大部分工厂对阳极炭块的热学应用性能指标和微量元素还不能检测所以阳极炭块的优质与否主要靠在电解槽上的应用效果来区分这样区分时效性慢加上许多铝厂不能做到一台电解槽只用一个工厂生产的炭块不同厂生产的炭块要分开槽使用因此鱼目混杂好坏难分一些铝厂采购阳极时谁价格低购谁的使我国优质阳极的生产面临难

4、题一般新铝厂刚建成新电解槽焙烧起动时绝大多数铝厂坚决选择优质阳极宁可价格上贵200300元/t也一定选择优质阳极但正常生产中许多铝厂尤其中小铝厂对使用优质阳极和一般阳极缺少严格试验对比甚至混用在采购阳极时仅注意价格因素在铝电解槽生产中使用优质价格相对较高还是使用质量一般或质量稍差价格相对较低的阳极炭块好呢二者在铝电解槽使用过程中有多大差异本文试图从技术和经济上分析与评价这一问题二铝电解槽阳极消耗的计算铝电解槽阳极炭块消耗分净耗残极等部分组成阳极总消耗由于阳极质量不同和电解槽工作状况不同阳极的总消耗炭耗在390580千克/t铝之间我国在430580千克/t铝之间图1为阳极消耗组成图 图1 阳极消

5、耗图阳极性能影响阳极消耗主要有三种不同的机理即CO2与阳极的反应破坏性空气与阳极的反应破坏性和热冲击裂纹掉渣掉块阳极底部处在960左右温度下的熔融电解质液体和同样温度40mbar压力的CO 2气体包围浸泡中阳极上部暴露在500左右的空气中有氧化铝粉保温层由于炭阳极基体由经煅烧的原料石油焦颗粒和由煤沥青经焙烧的粘结焦组成加上微量元素和杂质引起的活性差异阳极与CO2和空气的反应是有选择性的破坏有两种形式一是部分炭质点与CO2或空气直接反应生成CO或CO2通称氧化损失或氧化度960COC + CO 400600C + O空气CO + CO2 二是由于粘结焦已氧化掉剩余的炭骨料疏松脱落掉掉渣通称脱落度

6、或粉尘损失氧化损失加上脱落损失为总损耗率通常用mg /cm2h表示总损耗剩余部分100%总损耗率为残存率也可用作表示阳极炭块与空气或CO 2反应的总指标阳极工作时处在电热和力的变化冲击下材质不均时易产生热冲击裂纹掉块引起阳极机械损耗和阳极故障生阳极是不透气的在焙烧期约40%的沥青挥发份跑掉而出现开口气孔直径大于50微米的开口气孔决定了阳极的透气率透气率大的炭阳极CO2和空气可渗透到阳极内部反应加速阳极损耗使阳极在使用后期疏松 图2 阳极的选择性燃烧国外根据对各种预焙阳电解槽工作特性阳极质量特性电流效率和阳极消耗指标等连续二十年的统计分析得出了根据阳极质量特性和电解槽工作状况计算阳极净耗的公式N

7、C C+334/CE+1.2BT960 1.7CRR + 9.3AP +8TC 1.5ARR式中NC阳极净耗390480 Kg/tC电解槽性能参数270310CE电解槽电流效率8795 %BT电解槽工作温度940980 CRR CO2反应剩余率7592 %AP空气渗透率0.5 5.0 nPmTC导热系数 3.0 6.0 W/MkARR空气反应剩余率5593%其中电解槽性能系数C与槽结构设计操作水平有关电解槽结构和操作不同同样质量的阳极阳极消耗有明显区别同样质量的阳极在甲铝厂使用基本正常在乙铝厂使用可能引起严重问题其原因在于此CE电流效率当电流效率为88%时阳极理论消耗380 Kg/t电流效率为

8、95%时阳极理论消耗为350 Kg/t电流效率越高阳极消耗越少电流效率由电解槽结构电解操作水平阳极质量等因素决定阳极性能越好电解槽越稳定电流效率越高BT电解槽工作温度935980电解槽最佳温度一般高出电解质结晶温度1015槽温越高电流效率越低每升高10电流效率减少1.0 1.5%槽温越高阳极CO 2反应空气反应破坏性越严重每升高10阳极消耗增加12 Kg/tCRR阳极二氧化碳剩余率是阳极使用性能的一项重要指标用50 60mm的阳极试样960温度下在CO 2气氛中反应7小时ISO反应和振动脱落后的残极率当其它参数不变时CO2反应剩余率为92%的优质阳极比CO2反应剩余率为82%的质量差的阳极阳极

9、净耗减少17 Kg/tARR阳极空气反应剩余率5060mm试样在525550温度下与空气反应除去反应量和振动脱落量为反应剩余率它也是阳极一项重要的应用性能指标当其它参数不变时阳极的空气反应剩余率由82%提高到92%阳极消耗减少15 Kg/tAP阳极的空气透气率是在一定压力下以一定的体积的空气通过一5020mm阳极试样而测得的时间来决定结果用nPm表示1达西/9.87 优质阳极在2 3.0 W/mK由于阳极工作时浸泡于960的电解液中导热系数高引起阳极上部温度高会增大阳极电压降和阳极的气体反应损耗观测到阳极导热系数提高2.0 W/mK阳极顶部温度升高55阳极消耗增加16 Kg/t 导热系数与阳极

10、原材料和焙烧温度有关以上从阳极的几项重要使用性能指标空气和CO2反应性透气率和导热率计算使用优质阳极度和普通阳极消耗量的差异概括如下表优质阳极与一般阳极和质量较差阳极的几项使用性能指标对比 说明CO2反应性用残极率称为完好率更确切指阳极与CO2反应后的剩余量有译为破坏度的似为反意空气反应性亦为残极率或完好率按以上参数计算铝电解槽使用优质阳极计算的阳极消耗量比用质量差的阳极少消耗81.5 Kg/t折合节省人民币228元比使用一般阳极少消耗40.75 Kg/t折合人民币114元在工业电解槽上优质阳极使用到后期时阳极内部很少氧化质密而坚硬外形平整完好而质次的阳极在使用后期由于CO2和空气的反应质量疏

11、松酥脆其导电与电化学反应性远不如初值得注意的是不同厂家质量不一致的阳极一定不要用混用在同一台电解槽上如果在同一台电解槽上混用质量不一的阳极优质阳极越到后期承载的电流越大消耗越快质次的阳极由于其电阻高导电少甚至消耗缓慢如同众多出力不一的马拉同一架车车行后期出力大者早劳衰是同一道理从阳极质量上考虑优质阳极专用可以延长阳极使用天数可以提高电流密度强化电流提高铝产量但从电解槽稳定性考虑正常生产中若已购进质量不一差别较大的阳极混用可以减缓质次阳极引起的电解工艺波动换句话说阳极分开使用质次阳极对电解的干扰更为明显三铝电解槽阳极节电计算阳极炭块电阻率一般在5268m焙烧温度原料质量阳极生产工艺条件影响阳极电

12、阻率优质阳极电阻率5258m一般阳极电阻率5865m质量差的阳极电阻率 > 65m甚至70m以上须指出炭阳极与铸铁钢爪接触的铁炭电压降比较大这一节点的电阻率与炭阳极电阻率成正比即炭阳极电阻率小接点电阻率也小近二十年来由于电解铝技术和阳极技术的巨大进步铝电解槽阳极电压降已由上世纪八十年代的550mv 700mv降至280400mv成为铝生产电耗降低的三大因素之一工艺自控提高电效降低阴阳极电压降减少热损失铝电解槽炭阳极的电压降分配见下图 图3 阳极电压降的分配1铝导杆钢架4mv2钢架本身 30mv3钢架炭块60mv 4炭块本身 180mv5铝导杆炭块 280mv新的300KA预焙阳极电解槽阳

13、极电压降280350mV铁炭电压降50 120mV炭块本身180mv铝电解生产用在阳极的上的电耗由17002000度/t 降至800度/t左右所用电耗占电解铝总电耗的比例由14%降至6.5%使用优质比使用一般阳极电阻率低10%节约电耗85度/t使用质次的阳极比使用一般阳极电阻率高10%将多耗电85度/t使用优质阳极比使用质量次的阳极少耗电170度依0.3元/度计折合人民币约51元/t四阳极热冲击电解槽故障减少的效益分析引起电解槽工艺紊乱的三大因素是电解槽结构辅助系统设备机电故障操作管理失误与阳极故障电解槽焙烧开动及投产初期第一种因素和第二种因素是引起电解工艺紊乱的主要原因在铝电解正常生产中百分

14、之五十的工艺紊乱与阳极质量有关严重的阳极裂纹掉渣和阳极热冲击碎裂脱块对电解生产的危害作者有专文论述3使用劣质阳极每台电解槽日捞炭渣量3050Kg氟化盐消耗增加20Kg/t以上电流效率降低1.1 1.5%电耗增加150500度/t使用优质阳极和使用劣质阳极比较将使铝生产成本降低200300元/t更严重的大批量的阳极故障形成电解槽事故经济损失将更加惨重五强化电流的技术经济潜力六优质阳极的检验与判别应用我国当前采用的铝用阳极炭块质量指标和检验方法尚很难检验与判别优质阳极YS/T2851998我国炭阳极理化指标见下表表2 我国炭阳极理化性能灰份 % 电阻率 m 热膨胀率 % CO 2反应性 mg/cm

15、 2h 耐压强度 MPa 体积密度 g/cm 3 真密度 g/cm3 牌号 不 大 于 不 小 于 TY 1 0.50 55 0.45 4532 1.50 2.00 TY 2 0.80 60 0.50 5030 1.50 2.00 TY 3 1.00 65 0.5555 29 1.48 2.00 其中膨胀率和CO 2反应性由于国产测试仪器精密性差检测方法标准不严谨少数厂家虽有此仪器但基本不用 形同虚设90%的厂家没有这类仪器我国当前对铝用阳极炭块质量判别除外形外主要仍用灰份强度电阻率体积密度和真密度五项尤其把电阻率小于55 m 看作优质与否的主要标准这与实际偏差很大我国郑州长城铝业公司中铝公司

16、河南分公司山东济宁炭素公司几年来大量向美国加拿大法国等出口阳极炭块均采用国际标准或瑞士R&D 标准并且他们均为此花费数百万元引进十几种铝用炭阳极测试仪器和检测方法已全部投入使用国外检测判别优质阳极的十几项指标中尤其重视铝电解应用性能指标并且每批货样要求一个全分析检验单如表3表3 优质阳极质量要求 性 能 指 标单 位 测 试 方 法 指标要求范围 体积密度g/cm 3 ISO 838 1.53 1.55 电阻率m ISON 752 5358 抗弯强度 MPa ISON 848 812 抗压强度MPa DIN 51910 4050 导热率W/mK ISON 813 3.5 4.0 真密度

17、g/cm 3 ISO DIN 9088 2.05 2.10 残极率 90CO 2反应性 脱落失重率 % ISO 804 8残极率 85 空气反应性脱落失重率 % ISO 805 6 V 150 Si 200 Fe 300 Ca 150 微量元素 Ni ppm ISO 837 150 中铝河南分公司山东济宁炭素公司除对外接待进行分析外已将上述检测指标方法用于阳极生产中并与郑州轻金属研究院和郑州平甫铝炭公司一起消化引进仪器几年前花400多万元以上引进铝用炭阳极测试方法与仪器用于检验和判定优质阳极现在仪器国产化有利于进一步推广现阶段以采用国际标准较适用因为国内行业标准的扩充与修订尚需时日国内对这种软技术投资渠道不畅重视不够这是使我国部分产品粗放的原因之一 七结 语通过以上技术经济分析得出结论铝电解厂应用优质阳极比应用质量差的阳极可降低阳极消耗81Kg/t 可节电170度/t 可减少氧化掉渣热冲击裂纹掉块等损失提高电流效率1.0 1.5%等综