邹晋;刘克明;曹美蓉;陆德平
【摘 要】通过对铝电解用阳极的电能耗进行分析,从阳极结构组成方面详细分析了影响阳极压降的因素,对改善阳极压降的措施进行了总结和对比,综述了如何降低阳极压降是降低铝电解电耗的有效途径. BLK222【期刊名称】《江西科学》
【年(卷),期】2013(031)006
【总页数】6页(P792-796,859)
【关键词】阳极压降;电解铝;节能降耗宜为凯姆
【作 者】邹晋;刘克明;曹美蓉;陆德平
【作者单位】江西省铜钨新材料重点实验室,江西南昌330029;上海市现代冶金与材料制备重
点实验室,上海200444;江西省铜钨新材料重点实验室,江西南昌330029;江西省科学院应用物理研究所,江西南昌330029;江西省铜钨新材料重点实验室,江西南昌330029
【正文语种】中 文
【中图分类】TF821
0 引言
我国电解铝工业是新中国成立后逐步发展起来的，改革开放30年来，我国电解铝工业实现了飞速发展，2001年产业规模一举达到世界第一。随着铝产量的逐年增长，其消费量也同步增长，尤其是过去10年，中国经济持续高速发展，带动了铝消费相关行业的高增长率［1］。我国电解铝工业经过50多年的迅速发展，铝电解技术总体上已达到了国际先进水平，但与国际同行对比，整体技术上仍存在能源综合利用效率低，生产成本高的不足。我国电解铝的生产成本中电力成本占到总成本的30%～40%，降低吨铝电耗是降低电解铝生产成本、节约能源最直接最有效的途径，电解铝行业要持续、健康发展，提高市场竞争力，节能降耗非常重要［2，3］。
本文对铝电解工艺的电能耗进行了分析，提出降低阳极组压降是降低吨铝电耗的有效途径，阐述了降低阳极压降的可行性、途径和潜力。
1 电解铝工艺电耗分析
现代电解铝工业生产采用冰晶石氧化铝熔融电解法，原材料主要包括氧化铝、冰晶石和氟化盐、炭素材料等。以冰晶石为溶剂，以氧化铝为溶质，以炭块作为阳极，通入强大的直流电后，在950℃ ～970℃下，在电解槽内进行电化学反应。使溶解于电解质中的氧化铝在阴、阳两极发生电化学反应，阴极上析出铝液，阳极上主要析出CO2气体［4］。
在冰晶石氧化铝熔体中，Na+是主要的电流传递者，Al3+以铝氧配离子的方式存在，在950℃左右，铝析出时的过电压为10～100 mV，钠的平衡析出电位比铝的约负250 mV，研究表明在阴极上离子放电时，不存在很大的过电压，因此阴极上析出的金属主要是铝。然而随着电解质分子比的增大、温度的升高、Al2O3浓度的减少以及阴极电流密度的提高，当两者电位差接近时，钠离子就有可能同铝离子一同放电，造成电流效率的损失，因此在工业生产中，为了保证铝的一次反应充分进行，宜采用酸性电解质体系，保持较低的温度，维持尽可能大的 Al2O3浓度［5，6］。阴极过程基本反应式为:
阳极主要反应过程就是配位阴离子中的氧离子在炭阳极上放电析出O2，然后与炭阳极反应生成一次阳极产物CO2。阳极过程基本反应式为:
阴阳两极总反应式:
根据吨铝的电耗率公式:
式中:W为铝液直流电耗(kWh/tAl);V平为电解槽平均电压(V);η为电流效率(%)。直流电耗与平均电压成正比，与电流效率成反比;而与电流大小、时间长短无关。因此，降低铝液直流电耗的途径一是降低平均电压，二是提高电流效率。平均电压主要由槽工作电压、阳极效应分摊电压、公用母线分摊电压构成。槽工作电压是指电解槽阳极母线到阴极母线之间的电压降，由电解槽的阳极压降、阴极压降、氧化铝分解压降和电解质压降组成:V工作 =E分解 +V阳极 +V电解质 +V阴极 +V母线，在槽工作电压的构成中，分解电压和母线压降在目前正常运行槽的生产控制状态下降低的幅度很小，除电解质压降可降低的幅度相对较大外，阳极压降、阴极压降都具有一定的降低空间［7］。 2 阳极组结构
铝电解阳极组由阳极母线、铝导杆、钢爪和炭块四部分构成，结构示意图如图1所示。阳极由阳极母线和阳极炭块组构成，阳极炭块组中，铝导杆和钢爪通过铝-钢爆炸焊片连接，铝导杆-铝-钢爆炸焊片-钢焊接使其形成一个整体。焊块上表面与阳极导杆多采用氩弧焊进行铝-铝焊接，其下表面与钢爪通常采用电弧焊进行钢-钢焊接，钢爪为多爪并排结构，钢爪和炭块通过磷生铁浇铸黏接。 图1 阳极组结构示意图
3 阳极组压降分析
阳极是预焙槽的“心脏”，预焙槽阳极由阳极母线、铝导杆、钢爪和炭块联接而成。研究和改善阳极的导电性能，延长其各构件的使用寿命并减少维修费用，降低槽工作电压，是降低吨铝电耗的有效途径。
根据阳极组的构成，分析认为引起阳极压降的因素有6个部分:(1)母线压降;(2)铝导杆压降;(3)爆炸焊片压降;(4)钢爪压降;(5)钢-炭压降;(6)炭块压降。
3.1 母线压降
母线的主要作用是作为电流的载体，整流后的直流电通过母线引入电解槽上，槽与槽之间通过铝母线串联而成，所以电解槽有阳极母线、阴极母线、立柱母线和软带母线;槽与槽之间、厂房和厂房之间还有联络母线［8，9］。
阳极母线属于阳极上部结构的一部分，其工作环境在60～66℃左右，其压降在电解槽运行期间基本不变，其实际值取决于电解槽的母线配置及安装［10］。母线配置一旦确定，母线本体压降即确定，各焊接点压降取决于第一次安装时焊接的质量，但立柱母线与阳极大母线间焊接点的压降每次大修后视接触面清理程度而又变化，电解槽通电后此值不会改变，所以降低阳极母线压降的潜力不大。
3.2 铝导杆压降
生物碳阳极母线中的电流由纯铝或铝合金导杆引入槽中，其电导率由本身材料、质量、尺寸及工作温度决定，工作环境温度在400～500℃之间。由于铝导杆处于氧化铝等粉尘和烟气较大的环境中，使用一段时间后，铝导杆表面易粘结粉尘等污物，使阳极母线与铝导杆的接触电阻增大，接触压降上升，所以要用刷子或清洗剂将铝导杆与阳极母线接触面的粉尘清刷或清洗干净，保持铝导杆表面光洁，从而降低接触压降［4，5］。根据 V=I× ρ×l/s，从铝
导杆工作条件分析，降低铝导杆压降的空间不大。
3.3 爆炸焊片压降
铝-钢爆炸焊片的主要功能是为了解决铝导杆和钢爪横梁2种不同材质的连接问题而采用特殊工艺制成的一种过渡连接部件。在阳极导电装置中，复合爆炸焊片的上部铝平面部分与铝导杆的下端平面采用铝-铝环形焊缝连接，下部钢平面部分与钢爪的上平面采用钢-钢环形焊缝连接。这2种环形焊缝的断面尺寸都小于铝导杆基本断面和钢爪横梁基本截面积，增加了压降［2，11，12］。铝-钢爆炸焊片在使用过程中经受反复的高温加热和冷却的循环，这样的循环过程易导致铝钢界面生成Fe-Al金属间化合物，Fe-Al相属于硬脆相，且强度很低，如果界面复合层厚度控制在一定范围内时，脆硬的Fe-Al相呈棒状分布，可以增强复合界面的结合性能，而当界面层厚度超出该范围时，脆硬的Fe-Al相呈片状分布，则会引起界面层脆化，从而降低界面的结合强度，使钢铝复合界面在应力的作用下开裂，导致电阻增加。同时工况下易由于电流分布不均导致焊口开裂，脱极事故时有发生，因此爆炸焊片压降有一定下降空间［13，14］。
3.4 钢爪压降
家庭百科阳极钢爪也叫电解爪，有平行三爪、四爪、立体四爪、六爪、八爪等型号，其主要作用是夹持阳极炭块。钢爪通常选用ZG230～450低碳钢铸造而成，多爪并排，工作环境处于高温电解质中。影响钢爪压降的主要原因有化学成分、晶体缺陷、铸件质量等。
低碳钢中五大主要元素是 C、Si、Mn、S、P，以及残余的Ni、Cr、Cu等微量元素，这些元素中S和P是有害元素，严重影响钢件质量，含量越低越好。除了C和Fe原子形成间隙固溶体外，其它合金元素都能与Fe形成置换固溶体。无论是间隙固溶体还是置换固溶体，这些原子溶入铁中，都能使铁的晶格发生畸变，引起铁的固溶强化。但是，随着溶质原子溶入的数量增加，金属的电阻也逐渐升高。由于目前钢爪多采用普通铸造工序，不可避免地产生夹渣、气孔、缩松等铸造缺陷，降低了钢爪的致密度，结果必然影响钢爪的导电性能，同时钢爪受热应力易弯曲、易被侵蚀。由于钢爪在阳极组中的重要组成，因此是影响阳极压降过大的因素之一［15～18］。
3.5 钢-炭压降东方热线首页
钢爪和炭块是用磷生铁来连接，磷生铁要求压降低、浇注温度低、流动性好、浇口饱满平滑不产生裂纹、具有冷脆性、易压脱回收等，所以阳极炭块与钢爪之间的接触压降主要与具体符合说
磷生铁成分、浇注工艺和与炭块的接触面积有关。由于磷生铁与钢爪的线膨胀系数相差很大，且其工作环境的温度变化很大，如果磷生铁和炭块间接触不良，钢爪和炭块之间产生松动，易发生阳极脱落现象，影响钢-炭压降升高［19～21］。
磷生铁中五大元素 C、Si、Mn、S、P 对浇铸质量也有重要的影响。磷铁中的P含量增加，铁水的熔点降低，铁水流动性提高，对浇铸有利。C、Si含量增加，铁水的流动性降低，石墨化程度增加。磷铁中的S是阻碍增C的元素，还具有强烈的白口化作用，可影响导电率和铁水流动性，是浇铸中的有害元素，必须严格控制其含量，含S较高的磷铁中，随着 Mn含量的增加，铁水的流动性下降［22］。钢-炭压降也是影响阳极压降过大的因素之一，有一定下降空间。
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