铝电解槽用阳极炭块组装过程的研究

铝电解生产中，阳极采用碳素材料制作，在生产过程中阳极炭块[1]是不断消耗的，生产1t铝需要消耗533kg左右的碳素阳极，一般阳极块高度的设计可使用30d左右，每块阳极的更换周期为1个月，电解使用后返回的阳极(称为残极)，残极经处理和磷生铁浇铸等一系列过程重新进行阳极的组装。此过程中铝导杆、钢爪、Al-Fe爆炸焊块反复使用，磷生铁重熔后进行浇铸。

1 碳素阳极在电解生产过程中的作用

在铝电解槽内，碳素阳极的主要作用是：导电和参与化学反应。如图1所示，电流由阳极大母线导入电解槽，经铝导杆传入高林生铁钢爪，经阳极炭块进入电解质，经由铝液导入阴极大母线进入下一个电解槽。

在电解生产过程中，阴阳两极(如图2所示)的反应为：

阴极反应：2Al3+ + 6e = 2Al

阳极反应：3O2- - 6e + C = 1.5CO2

阳极炭块参与阳极反应，与氧气反应生成二氧化碳气体

2 阳极炭块各部分要求及组装过程

铝导杆、爆炸焊块、钢爪：要求导电性良好，抗拉强度高，能承担阳极炭块的重量。在阳极组装过程中残极处理、传输、高磷生铁浇铸。工艺流程，如图3所示。

图1 阳极炭块结构简图

图2 铝电解生产阴阳两极示意图

图3 阳极炭块组装流程图

3 残极处理的过程及要求

残极处理要经过电解质清理、残极压脱、磷铁环压脱、经过钢爪抛丸清理、导杆矫直、钢爪离线校直、导杆清刷、钢爪表层蘸石墨。对各步骤具有严格的要求。电解质清理，残极通过托盘清理、人工清理和残极抛丸清理，将残极上的电解质清理干净。防止残极炭块重新回收利用焙烧减小焙烧炉的寿命，降低新阳极的质量。残极压脱，电解质清理干净后，高度不超过300mm的残极，由残极压机压脱下并破碎，其粒度小于400×330×300mm3。磷铁环压脱，通过磷铁环压脱机将磷铁环从钢爪上压脱，压下的磷铁环送至磷铁环打磨滚筒，打磨干净的磷铁环返回使用。经过钢爪抛丸清理、导杆矫直、钢爪离线校直、导杆清刷、钢爪表层蘸石墨后，钢爪、导杆、爆炸焊连接再次进入阳极组装过程。

4 高磷生铁浇铸的过程及要求

残极经过处理后，通过磷生铁进行浇铸，将新的阳极碳块和导杆组连接在一起，连接部位是导杆组的钢爪与碳块的碗间隙之间，盛装在台包中的熔融状态的磷生铁水，借助于浇注机将其注入到钢爪与碳碗间隙之间冷却后使导杆组与碳块结合为一体。该浇注工序是组装的最关键的一道工序，直接关系到阳极组装质量优劣，进而影响着电解槽电流效率变化及铁碳压降全系列稳定等关键指标，因此磷生铁的组成及配方，使用方法是保证阳极组装质量最为关键技术环节之一。

4.1 高磷生铁浇铸的要求

对钢爪材质和碳素质均有良好的粘结强度，保证在电解过程中避免阳极的脱落；具有良好的导电性能，保证电流在各爪之间的均匀分布；用后的阳极组装在磷铁环压脱工序中，要求磷铁环要有一定脆性，以利于磷铁环压脱；磷生铁浇注前后的热膨胀系数和冷态收缩系数小，避免磷生铁与钢爪和碳碗之间形成间隙。

4.2 磷生铁反复使用存在的问题

由于磷生铁要循环使用，导致在熔化过程中碳、硅、锰元素的不断烧损，磷、硫两种元素含量的不断富集，从而造成成分的严重偏差，而现在国内普遍使用现成的磷生铁，忽视了各种元素含量的调整，形成了整个循环过程磷生铁成分混乱无序，严重影响了阳极的浇铸质量，造成铁碳压降居高不下。

磷生铁反复烧损过程中，在1 300℃的高温下，碳和硅元素存在着0.4%～0.7%的烧损量，磷和锰元素的烧损量为0.1%～0.3%，硫元素的变化不定，如果控制除硫办法，就能把硫元素控制在范围内，否则起相反作用，硫上升标准超限，就会造成不良因素。

这样，导致磷生铁中的元素含量发生改变，致使磷生铁本身的导电性就会变差，流动性不好，铁环热裂现象较为严重，浇铸好的铁环收缩性大，表面不饱满光滑平整，内部充型能力差，气孔缺陷较多，铁环和炭块碗孔不能充分接触，最严重的是铁环会出现1～3道裂纹现象，这样的阳极上槽后铁环受热膨胀时，铁环先将裂缝合拢后才胀紧碗孔壁，会造成铁环对碗孔壁胀力的减小，使铁碳压降增加，有的甚至钢爪松动造成阳极脱落事故[2]。

5 阳极炭块运输过程中存在的问题

阳极炭块在传输过程中，由于炭块质量为1t左右，转角传输容易脱离原来轨道，且不易传输，但是对于生产工艺流程较长的生产环节，不设置转角传输，从生产工艺开始至结束所需要占地狭长，这样不易管理，且浪费生产空间。所以现在设计一个良性运转的转角运输设备是非常必要的，不但节省空间、人力，而且便于管理，减少事故的多发率。

6 阳极组装过程中如何提高阳极的性能和工作环境

①磷生铁成分要及时进行化验，根据化验后的成分及时进行磷生铁的成分调整。 ②严格控制硫的含量，防止晶间聚集，降低铁环热裂现象和磷铁环收缩率过大。 ③适当控制碳、硅、磷的成分区间，即保证磷生铁的流动性好，又可使其具有一定脆性，易压脱。 ④改良阳极组装过程中阳极运输设备。