姜海濤， 周 平， 湯昌廷

(南山鋁業(yè)股份有限公司， 山東 煙臺(tái) 265713)

輕金屬

400 kA預(yù)焙槽新型陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)的應(yīng)用

姜海濤， 周 平， 湯昌廷

(南山鋁業(yè)股份有限公司， 山東 煙臺(tái) 265713)

本文介紹了一種新型陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)在鋁電解生產(chǎn)中的試驗(yàn)情況。該保護(hù)環(huán)能有效地保護(hù)陽(yáng)極鋼爪，使其免受電解質(zhì)侵蝕，從而延長(zhǎng)了換極的周期，降低了陽(yáng)極消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

400 kA鋁電解槽； 鋼爪保護(hù)環(huán)； 炭陽(yáng)極； 經(jīng)濟(jì)效益

0 引言

在現(xiàn)代鋁電解工業(yè)中，陽(yáng)極鋼爪是一種常見的鑄鋼件，如果說炭陽(yáng)極是電解工藝的“心臟”，那么陽(yáng)極鋼爪就是“主動(dòng)脈”。鋼爪是聯(lián)接陽(yáng)極和鋁導(dǎo)桿的部件，在電解生產(chǎn)過程中，鋼爪充當(dāng)一個(gè)導(dǎo)電體接入電解槽，同時(shí)起到支撐和聯(lián)接鋁導(dǎo)桿的作用。陽(yáng)極鋼爪所處的工作環(huán)境十分惡劣，長(zhǎng)期處于高溫腐蝕性氣氛中，環(huán)境溫度大概為400～600 ℃，很容易受到電解質(zhì)侵蝕而使鋼爪變細(xì)，縮短其使用周期[1-2]，詳見圖1。

圖1 某鋁廠陽(yáng)極鋼爪變細(xì)現(xiàn)象

電解生產(chǎn)中，炭素陽(yáng)極需要定期更換。當(dāng)接近換極周期時(shí)，由于陽(yáng)極已接近控制高度，若電解質(zhì)水平保持較高，電解質(zhì)(940 ℃)可能會(huì)漫過陽(yáng)極上部(俗稱電解質(zhì)“上炕”)，詳見圖2。當(dāng)陽(yáng)極上部鋼爪周圍沒有保護(hù)措施時(shí)，侵蝕性很強(qiáng)的電解質(zhì)與鋼爪發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，造成鋼爪被侵蝕變細(xì)。鋼爪變細(xì)后會(huì)造成陽(yáng)極電流分布不均，電耗增加。另外，鋼爪被侵蝕后，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入電解質(zhì)中，進(jìn)而造成鋁液雜質(zhì)含量升高[3-4]。

圖2 某鋁廠電解質(zhì)“上炕”現(xiàn)象

為解決這一問題，通常采取的措施是將陽(yáng)極鋼爪進(jìn)行保護(hù)，即采用陽(yáng)極保護(hù)環(huán)。本文采用了一種新型環(huán)保的陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)，該保護(hù)環(huán)保護(hù)效果好，成本低，操作簡(jiǎn)單易行。

1 陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)的制作

本試驗(yàn)采用的是氧化鋁保護(hù)環(huán)替代傳統(tǒng)的炭環(huán)，目的是減少電解質(zhì)里的碳渣量，保證原鋁質(zhì)量的穩(wěn)定，同時(shí)，確保電解質(zhì)保持較高水平。為了使氧化鋁保護(hù)環(huán)運(yùn)行穩(wěn)固，防止氧化鋁流失，本試驗(yàn)采用了牛皮紙外環(huán)和氧化鋁粉填充相結(jié)合的方法制作保護(hù)環(huán)。

保護(hù)環(huán)的制作過程：把牛皮紙剪成矩形(518×80±50 mm)，圍在陽(yáng)極鋼爪上制成環(huán)狀，然后往中間空間內(nèi)灌滿氧化鋁粉即可完成。換極時(shí)，將保溫料覆蓋到陽(yáng)極表面，將其裝入電解槽中，然后打入粉料將其覆蓋。在電解槽高溫的作用下，經(jīng)2 d左右保護(hù)環(huán)形成結(jié)殼，對(duì)鋼爪進(jìn)行保護(hù)。新制作的陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)及上槽使用后的保護(hù)環(huán)見圖3和圖4 。

圖3 新制作的陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)

圖4 在電解槽中使用后的保護(hù)環(huán)

2 陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)在電解槽上的使用

2.1 換極周期和殘極厚度

使用陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)的主要目的是防止電解質(zhì)對(duì)鋼爪侵蝕，充分利用陽(yáng)極的有效厚度，進(jìn)而延長(zhǎng)陽(yáng)極換極周期，降低陽(yáng)極消耗。本次試驗(yàn)中，帶有保護(hù)環(huán)的陽(yáng)極使用一個(gè)換極周期后，對(duì)殘極、保護(hù)環(huán)高度等進(jìn)行了測(cè)量，并與該廠一區(qū)其它殘極進(jìn)行了比較，結(jié)果見表1。測(cè)量結(jié)果表明：使用陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)后，陽(yáng)極更換周期由原來的30 d延長(zhǎng)為31.5 d，殘極厚度降低了2.3 cm。從保護(hù)環(huán)剩余高度上看，在電解槽中經(jīng)過31.5 d后的保護(hù)環(huán)基本保持原高度(85±5 mm )，環(huán)浸泡高度約為34 mm。

表1 殘極、保護(hù)環(huán)高度及換極周期統(tǒng)計(jì)表

圖5為加設(shè)保護(hù)環(huán)的殘極照片，從圖中可以看出，清理后的一組陽(yáng)極八個(gè)鋼爪上的保護(hù)環(huán)都完好存在，鋼爪未受到電解質(zhì)的侵蝕。這是由于保護(hù)環(huán)中的氧化鋁在高溫下易于固結(jié)，與鋼爪緊密結(jié)合成一體對(duì)鋼爪起到很好的保護(hù)作用。

圖5 加設(shè)保護(hù)環(huán)的殘極

圖6 四臺(tái)試驗(yàn)槽鋁液中Fe含量變化曲線

2.2 鋁液中Fe含量的變化

陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)的主要作用是保護(hù)陽(yáng)極鋼爪免受高溫電解質(zhì)的侵蝕，從而達(dá)到提高原鋁質(zhì)量的目的。圖6統(tǒng)計(jì)了該車間四臺(tái)試驗(yàn)槽鋁液中Fe含量的日平均值，從圖6中可以看出，1035#、1036#、1037#、1038#槽使用1個(gè)月陽(yáng)極保護(hù)環(huán)以后(7月1日開始使用)，F(xiàn)e含量均逐漸降低，四臺(tái)槽的Fe含量均降到了0.10%，特別是1036#槽由最初的0.398%降到0.0567%。這充分說明陽(yáng)極保護(hù)環(huán)對(duì)鋼爪能起到很好的保護(hù)作用，使鋁液免受鋼爪侵蝕帶來的污染。

2.3 電解質(zhì)水平的測(cè)量

為了驗(yàn)證鋁液中Fe含量是否受到電解質(zhì)水平的波動(dòng)而影響及保護(hù)環(huán)是否能起到保護(hù)鋼爪的作用，在試驗(yàn)過程中，對(duì)四臺(tái)試驗(yàn)槽的電解質(zhì)水平進(jìn)行了測(cè)定。測(cè)試結(jié)果見圖7，從圖7中可以看出，1035#、1036#、1038#槽電解質(zhì)水平在八月至九月內(nèi)平均值集中分布在18～20 cm，1037#槽偏高，大約在20～22 cm。對(duì)比圖6中這四臺(tái)槽的Fe含量變化情況可知，F(xiàn)e含量的降低并不是因?yàn)樵囼?yàn)槽中電解質(zhì)水平降低，相反，1037#、10378#槽在指標(biāo)考核后期電解質(zhì)水平還逐漸升高，最高值甚至達(dá)到24 cm，這個(gè)高度已使“電解質(zhì)上臺(tái)”，但并未引起鋁液中Fe含量的升高，這,充分說明陽(yáng)極保護(hù)環(huán)在起作用，它可以保護(hù)鋼爪免受電解質(zhì)侵蝕。

2.4 鋼爪外形尺寸與鋼爪損壞率

鋼爪使用若干周期以后，從外形上看，加設(shè)保護(hù)環(huán)的鋼爪要比沒有保護(hù)環(huán)的外形更加規(guī)整。試驗(yàn)過程中，測(cè)量了多組使用周期相同的陽(yáng)極鋼爪周長(zhǎng)，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，加保護(hù)環(huán)的陽(yáng)極鋼爪(試驗(yàn)組)實(shí)測(cè)周長(zhǎng)為330.3 mm，接近于原鋼爪周長(zhǎng)345.4 mm(直徑為55 mm),而未加設(shè)保護(hù)環(huán)的鋼爪實(shí)測(cè)周長(zhǎng)為282.6 mm。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是陽(yáng)極鋼爪未受保護(hù)在電解質(zhì)的侵蝕下逐漸變細(xì)。

圖7 四臺(tái)試驗(yàn)槽電解質(zhì)水平變化曲線

試驗(yàn)組對(duì)比組鋼爪編號(hào)實(shí)測(cè)周長(zhǎng)L1鋼爪直徑d1鋼爪編號(hào)實(shí)測(cè)周長(zhǎng)L2鋼爪直徑d2SY-111345.455.0DB-111302.148.1SY-112331.052.7DB-112314.050.0SY-113332.853.0DB-113266.942.5SY-114312.749.8DB-114248.739.6平均值330.352.6平均值282.645.0周長(zhǎng)差值L1-L2=47.7直徑差值d1-d2=7.60

注明：每個(gè)鋼爪實(shí)測(cè)周長(zhǎng)均為8個(gè)爪的周長(zhǎng)平均值。

使用陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)后，由于有效保護(hù)了鋼爪，使得鋼爪損壞率有所降低，表3中統(tǒng)計(jì)了該區(qū)自使用保護(hù)環(huán)以后陽(yáng)極鋼爪的損壞情況。

表3 保護(hù)環(huán)使用前后鋼爪損壞率比較 %

3 效益分析

(1)成本價(jià)：制作陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)外環(huán)所用的牛皮紙按0.5 mm厚，進(jìn)口價(jià)7 500元/t，每t牛皮紙約為1.2 m×3 000 m=3 600 m2。單個(gè)保護(hù)環(huán)面積：3 600/(0.80×0.518)=0.041 4 m2，單個(gè)保護(hù)環(huán)價(jià)格：7 500/0.414=0.086元。折算成t鋁，每t鋁需2個(gè)保護(hù)環(huán)，則每t鋁成本價(jià)增加近0.2元。

(2)陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)的使用使換極周期延長(zhǎng)了1.5 d，可降低陽(yáng)極毛耗37 kg/tAl，若預(yù)焙陽(yáng)極炭塊按2元/kg計(jì)算，則可節(jié)約成本74元/tAl，扣去成本0.2元，則直接經(jīng)濟(jì)效益73.8元/tAl。

(3)陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)的使用，增大了鋼爪與陽(yáng)極接觸處的面積，降低了接觸壓降,與使用前相比，鋼爪壓降降低5 mV左右，則節(jié)電約15 kW·h/tAl。

(4)由于陽(yáng)極消耗量的降低，減輕了陽(yáng)極組裝的壓力，從而降低了陽(yáng)極組裝費(fèi)用。同時(shí)，減少了殘極返回量，節(jié)省了殘極運(yùn)輸成本。

(5)延長(zhǎng)換極周期，給電解生產(chǎn)帶來較多益處。一是減少了換極操作對(duì)電解槽的擾動(dòng)，使鋁電解槽的工況更加穩(wěn)定，提高生產(chǎn)效率；二是降低了吊車的運(yùn)行頻率，降低設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用；三是減少換機(jī)次數(shù)，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；四是減少打開集氣罩的頻次, 降低了電解煙氣對(duì)車間環(huán)境的影響。

4 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)制備的氧化鋁保護(hù)環(huán)能有效地保護(hù)陽(yáng)極鋼爪不被電解質(zhì)沖刷和浸蝕，殘極的平均高度由181 mm降低到～158 mm左右,陽(yáng)極的可用有效高度增加了23 mm。

(2)該保護(hù)環(huán)在電解槽上使用2個(gè)月后，鋁液中Fe含量明顯降低，四臺(tái)試驗(yàn)槽測(cè)試結(jié)果顯示，F(xiàn)e含量均降至到0.01%以下。電解質(zhì)水平的變化并未影響到鋁液中Fe含量，保護(hù)環(huán)起到保護(hù)鋼爪的作用。

(3)鋼爪外形尺寸對(duì)比測(cè)量表明，加設(shè)保護(hù)環(huán)的鋼爪直徑要比未加設(shè)的長(zhǎng)7.6 mm，且鋼爪破損率降低3.4%。

(4)使用保護(hù)環(huán)后，換極周期由原來的30 d延長(zhǎng)到31.5 d，可降低陽(yáng)極毛耗37 kg/tAl，產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為73.8元/tAl。

[1] 胡彬, 雷永祥．陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)技術(shù)在鋁電解預(yù)焙槽上的應(yīng)用[J]．青?？萍迹?006(4)：50-52．

[2] 解正業(yè), 趙天德, 王金融．預(yù)焙鋁電解槽用陽(yáng)極鋼爪自焙炭素保護(hù)環(huán)的開發(fā)和應(yīng)用[J]．輕金屬， 2003(10)：31-33．

[3] 楊玲．200 kA預(yù)焙槽陽(yáng)極鋼爪保護(hù)炭環(huán)應(yīng)用[J]．設(shè)備管理與維護(hù)，2006(11)：24-26．

[4] 王平甫, 宮振．鋁電解炭陽(yáng)極技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002．

Applicationofsteelanodeclawguardringfor400kApre-bakedcell

JIANG Hai-tao， ZHOU Ping， TANG Chang-ting

This paper introduces the test of the anode steel claw guard ring in aluminum electrolysis production. The guard ring can effectively prevent the anode steel claw from scouring and erosion of the electrolyte and can prolong the period of anode replacement, decreasing the consumption of anode and thus cost saving.

400 kA aluminum electrolytic cell； steel claw guard ring； carbon anode； economic benefit

TF821

B

1672-6103(2017)06-0025-04

姜海濤(1985—)，男，山東煙臺(tái)人，碩士，工程師，從事鋁冶煉技術(shù)管理工作。

2017-04-21