维普资讯 http://www.cqvip.com ・４４－ 铝 镁通讯 ２００６年Ｎｏ４ 铝用炭阳极净耗的计算及影响因素 黄 华 （中国铝业郑州研宛院，河南 郑州４５００４１） 摘耍：本文主要氟逑了计算铝用炭阳极净耗的经验套式噩其影响因素。 关■词：阳极；净瑗耗；反应性；电解槽 ２各因子对炭阳极净耗的影响 １ 引言 ２．１电解槽因子 理论上讲生产１吨铝需消耗３３４ｋｇ碳阳极，实 包括不同的电解槽设计参数和炭阳极的形状、 际生产中的毛耗在５００—６００ｋｇ之间，净耗在４００ 尺寸对炭阳极的消耗都有不同程度的影响，电解槽 —５００ｋｇ左右。炭阳极过量消耗是由多方面引起 因子在净耗里的分量占２７０—３１０，不同的电解槽设 的。除受炭阳极的氧化性能，即炭阳极与二氧化碳 计参数和炭阳极的形状对净耗的影响大约有８— 的反应性及炭阳极与空气的反应性影响外，还与很 １０％左右的差异。 多很多因素有关。下图解析了电解过程中炭阳极消 ２．２电流效率 耗的几个组成部分。 电流效率一般在０．８２—０．９５％，对净耗的影响 还是比较大的，电流效率的多少最大可引起净耗 ５６ｋｇＣ／ｔＡｌ左右的差距。占总净耗的１２％左右。 ２．３电解槽温度 电解槽温度一般为９６０℃，由于槽型和操作工 艺条件的不同会有一定的差异，电解槽的操作温度 一般在９４５—９８０℃之间。由这部分产生的差异为 阳极滑耗示Ｉ圉 （一１８—２４）ｋｇＣ／ｔＡｌ之间。对总净耗的影响为 １９９１年Ｆｉｓｃｈｅｒ博士在文章中提出了一个计算 一４－－５．３％左右。 炭阳极净耗的经验公式。说明了影响炭阳极净耗的 ２．４ ｃｏ２反应残极率 因素很多，电解槽的效率和温度、炭阳极的抗氧化性 Ｃ０２反应残极率是ＣＯ２反应性的一项重要指 能及空气渗透率对阳极的净耗都有很大影响的。该 标。高温下炭阳极将与Ｃｏ２气体发生的羟基化反 公式表述为： 应： ＮＣ＝Ｃ＋３３４／ＣＥ＋１．２（ＢＴ一９６０）一１．７ＣＲＲ Ｃ＋ＣＯ２－＋ＣＯ （１） ＋９．３ＡＰ＋８ＴＣ一１．５ＡＲＲ 电解生产中，阳极界面上由于电化学反应产生 ＮＣ［ｋｇ／ｔＡ１］ 净碳耗４００—５００ 二氧化碳；高温下Ｃ０２与碳会发生逆向反应生成 Ｃ ［一］ 电解槽因子 ２７０—３１０ ＣＯ，使阳极产生过量的消耗。这一反应过程有可能 ＣＥ ［％］ 电流效率０．８２—０．９５ 发生于界面表面，也有可能发生于结壳的下面。释放 ＢＴ ［℃］ 电解槽温度 ９４５—９８０ 出的二氧化碳聚集在阳极周围从电解槽中逸出，消 ＣＲＲ［％］ ＣＯ２反应残极率７５—９０ 耗阳极炭块但没有任何金属的产生。上述反应还造 ＡＰ ［ｎＰｍ］ 空气渗透率０．５—５．０ 成电解槽底部液体的流动，由于压力的关系还将使 ＴＣ ［ｗ／ｒｎｋ］热导率 ３．０—６．０ 产生的气体进入阳极块内部，使得阳极块消耗更大。 ＡＲＲ［％］ 空气反应残极率６０—９０ 由于粘合剂碳的选择性氧化，还会导致内部气孔中 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年ＮＱ４ 铝 镁通 讯 ・４５・ 的微粉脱落及较大炭颗粒的脱落。因此测定阳极的 要频繁的转动试样，使得粘结剂选择性氧化产生的 Ｃｏ２反应性，测定Ｃｏ２反应残极率是衡量阳极质量 的重要指标。 一灰尘脱落，以便能够在炉外收集。样品上松散的颗 粒用颠转仪进行强制脱落。 目前，国内外各铝业公司和炭素厂都把炭阳极 的ＣＯ２反应性及空气反应性作为炭阳极的质量指 般情况下炭阳极的Ｃ０２反应性其残极率在 ６５％一９５％之间，多数在７５％一９０％之间。它在阳 极净耗方面的贡献是阳极残极率的１．７倍。是对阳 极净耗产生较大影响的一个指标。阳极残极率越 大。净耗就越小，阳极残极率越小，其净耗就越大。 标，这对提高我国炭阳极的整体质量水平，降低铝生 产成本有重要的现实意义。 ２．６空气渗透率ＡＰ［ｎＰｍ］ 比如６５％残极率的阳极和９５％残极率的阳极，其净 耗相差大约５１ｋｇＣ／ｔＡ１。占总净耗的１２％左右。 即将颁布的行业标准将由国际标准转化而来， 其测定原理是将 ０×６０ｍｍ的圆柱形预焙阳极试 样置于马弗炉中，通人ＣＯ２气体。在温度９６０＊（３下反 应７个小时。测量试样的质量损失和用颠转仪测定 产生的灰尘。称量未反应的残留圆柱体试样，称为 未反应残留或残极，以质量百分数计算所得的结果， 为残极率。 ２．５空气反应残极率 暴露于空气中的炭阳极与空气的反应，即常称 的空气反应性。 Ｃ＋ｏ２一Ｃｏ２ （２） 在电解槽中阳极的表面温度通常在５５０～ ６５０℃之间，炭与氧气在７００℃以下优先生成ｃｏｚ， 此反应是放热反应，是引起空气氧化的主要原因，这 个反应象Ｃｏ２一样也会导致碳的过量消耗。如果 有气体浸透进阳极内部，这种氧化将会变得更加严 重，如果粘合剂焦发生选择性氧化的话，也会导致碳 粒的脱落。 暴露于空气中的阳极在使用中即使是低于其点 火温度，其表层也会产生不同程度的氧化。当阳极 覆盖不好，及表层温度过高时空气氧化就变得更为 严重。 一般情况下炭阳极的空气反应性残极率在 ６０％一９０％之间之间。它在阳极净耗方面的贡献是 阳极残极率的１．５倍。也是对阳极净耗产生较大影 响的一个指标。阳极残极率越大，净耗就越小，阳极 残极率越小，其净耗就越大。比如６０％残极率的阳 极和９０％残极率的阳极，其空气氧化性方面的差异 对其净耗的贡献相差大约４５ｋｇＣ／ｔＡ１。占总净耗的 １Ｏ％左右。 新的行业标准将由国际标准转化而来。首先将 尺寸为 ５０×６０ｍｍ的试样加热到５５０℃，然后以 １５℃／｝ｌ的速度冷却到４００＊（３±Ｉ＊Ｃ。在反应过程中 处于电解槽上部的阳极，其底部释放出的二氧 化碳聚集在阳极周围从电解槽中逸出，由于压力的 关系还将使产生的气体进入阳极块内部，在气体渗 透阳极的情况下，内部也将发生类似于阳极表面的 反应： ＣＯ２燃烧：Ｃ＋ｃｃｈ－－２ｃｏ （９６０Ｃ±２０℃） 空气燃烧：Ｃ＋０２；ｃｃｈ（４００Ｃ－８００℃） 炭阳极是由石油焦、煤沥青胶结组成的多孔材 料，可以渗透液体和气体。空气渗透率是指是在一 定压力下、一定时间内，一定体积的空气通过一定断 面和厚度试样的一种性质，可通过测定在室温下一 定量的空气透过试样时所受到的阻力来确定。空气 渗透率与材料的体积密度成反比的关系。一般体积 密度越大空气渗透率越小。但与气孔率没有直接的 函数关系，因为只有贯通气孔才能通过空气。 材料的气体渗透性极大地影响着这两个燃烧反 应。更为严重的是气体渗透率越大将导致阳极掉渣 的增加，最终增加阳极额外消耗。气体浚透率一般 为０．５—５．０，对阳极净耗的影响非常可观，所占比 重１８．６—１８６ ｋｇＣ／ｔＡ１不等，差别很大。 ２．７热导率Ｔｃ［ｗ／ｍｋ］ 热导率与阳极温度有很大的关系。温度越高热 导率就越大。为方便起见，目前国际标准沿用的是 室温下的热导率。热导率对炭阳极的消耗影响也很 大，ＴＣ前的系数是８，在热导率ＴＣ为从３．０增加 到６．０［ｗ／ｍｋ］时，其净耗会增加２４ ｋｇＣ／ｔＡ１。 ３ 总结 ＮＣ＝Ｃ＋３３４／ＣＥ＋１．２（ＢＴ一９６０）一１．７ＣＲＲ ＋９．３ＡＰ＋８ＴＣ一１．５ＡＲＲ 在上述公式里出现了７个因子，这７个因子都 是对炭阳极净耗影响较大的主要的因素，是２０多年 多台电解槽经验的总结。有了这个公式我们可以有 针对性地去改善我们电解槽的操作条件，工艺制度， 有方向地去改善阳极质量，以便减少阳极净耗。