铝电解阳极故障成因分析

《铝电解阳极故障成因分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铝电解阳极故障成因分析（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、铝电解槽阳极故障成因分析刘伟中铝包头铝业炭素厂2009 年 1 月 8 日1阳极脱落与掉块 52 阳极长包 63阳极断层 84阳极掉渣 84.1炭渣的形成 94.1.1阳极的选择性氧化 94.1.2铝同阳极气体的逆反应生成游离的固态炭 114.1.3阴极炭素内衬的冲蚀剥落 124.2炭渣的分布状态 124.2.1漂浮状态 124.2.2悬浮状态 134.2.3与Al反应生成AIC13344.3炭素生产工艺对掉渣的影响 144.5电解工艺与操作对掉渣的影响144.6炭渣的危害 164.6.1 电解质电阻升高 164.6.2 导致热槽的产生 174.6.3 侧部漏电，造成电流损失。 184.6.4

2、 导致氟化盐损失 184.6.5 增加工人的劳动 184.7阳极掉渣预防与减少 194.7.1 通过改善阳极质量减少掉渣 194.7.2 通过加强电解工艺与操作的管理，减少阳极掉渣 205阳极裂纹 236阳极掉角 257阳极碎裂 25铝电解槽阳极故障成因分析刘伟（中铝包头铝业炭素厂）摘要 ：本文对铝电解阳极故障的成因进行了分析并提出了解决的具 体措施。关键词：铝电解 阳极 故障 成因电解槽经常表现的阳极故障（病状）有：阳极掉块、阳极长包、阳 极裂纹断层、阳极块脱落、阳极局部过热、电流分布不均、大量炭渣落 入电解质使电解质含炭、阳极四周氧化燃烧、阳极倾斜等。发生阳极故障，破坏了电解槽正常生产技术

3、条件使电解槽出现紊乱 状况：电压摆动、电压升高、铝水滚动、电解质表面不结壳、电解槽局 部不导电、不工作、引起电流效率急剧下降、直流电单耗及原材料单耗 急剧上升、电解操作困难、铝品位下降等恶劣后果，甚至导致停槽。这些故障，主要由两方面原因造成，即阳极质量问题及电解作业不 当。电解槽内发生阳极故障，要从电解、炭素两个方面进行分析，如果 武断地下结论是阳极质量的问题，会给解决问题带来方向性错误，必须 改变国内一些铝厂对这一问题的错误认识。1阳极脱落与掉块在预焙电解槽上，由于阳极块组装质量或电解操作质量问题，出现 个别阳极脱落、掉块（部分脱落），严重时一个槽在短时间内（几小时之内） 出现多组脱落（三组

4、以上），对电解槽的运行产生极大的破坏，甚至被迫停 槽。1.1 预焙阳极炭块因磷生铁成分、浇铸不牢或阳极炭碗缺陷，当在电 解槽上使用时，其受热膨胀，会发生阳极炭块与钢爪脱离的现象。磷生铁成分配比不合理，受热膨胀过大或过小可能造成阳极脱落； 阳极组装时浇铸不牢，或组装块叉运过程造成钢爪松动，在电解槽使用 过程中也会造成阳极脱落。此种掉块很容易辨别，只要磷铁还在炭碗内，而钢爪已脱出即为此 种类型，俗称“脱裤子”。1.2 阳极炭块出现大裂纹，也会裂开掉块。1.3 电解槽内电解质波动剧烈，电解质不断冲刷阳极上部和钢爪，发 现不及时，造成钢爪熔化，使阳极脱落。1.4 阳极电流分布不均，电解槽内部分阳极电流

5、过小，部分阳极电流 过大，形成偏流，导致钢爪发纸，温度过高，严重时短时间内使炭块与 钢爪连接处的磷生铁或铝导杆与钢爪间的铝-钢爆炸焊熔化，造成阳极脱 落，掉入槽内。引起阳极多组脱落的原因主要是阳极电流分布不均而引发的严重偏 流。形成阳极偏流的原因主要有： 液体电解质太低（150mm以下），浸没阳极太浅，阳极底掌稍有 不平，就会使阳极电流集中，形成偏流。 阳极长包，未及时处理，造成电流不均，形成偏流。 抬母线时阳极卡具位置紧固不一致，或有阳极下滑，未及时调整， 造成阳极块底掌不平，极距小的某阳极块或某些阳极块就会通过的电流 多，造成电流不均，形成偏流。 母线上个别阳极卡具紧固不牢，阳极下滑，未及

6、时调整，也会引 起阳极电流偏流。 炉底沉淀较多，厚薄不一，使阴极电流集中，从而引起相对应的 阳极电流集中，形成偏流。1.5 由于保温料覆盖不好，阳极上部氧化严重，磷生铁周围的炭块全 部氧化掉，造成阳极掉块。1.6 槽电压保持不当，造成长时间压槽，阳极与伸腿或沉淀接触，造 成阳极电流负荷过重，引起阳极掉块。一般而言，电解槽正常生产过程中如果发生阳极脱落，其主要原因 是由于阳极电流分布不均匀和阳极组装质量造成的，阳极质量对阳极脱 落影响极小。2 阳极长包阳极底掌由于某种原因消耗不良，在底掌形成包状或锥形凸起物， 称之阳极长包。阳极长包一般发生在电解槽正常生产期间，但是有些情 况下电解槽焙烧启动后期

7、也可能发生阳极长包现象。2.1 由于炭块内部质量不均匀，在电解槽上使用过程中，电解消耗速 度不一，造成炭块下表面局部突出，形成阳极长包。此种现象一般较少。2.2 由于电解质粘度大，槽内炭渣多且分离不好，随着电解质在槽内 循环，大量炭渣集中在电解质运动旋涡里，粘在阳极底掌上，造成阳极 消耗不均而长包。12.3 由于电解槽局部阴极上存在大量电阻大的电解质结块妨碍了电 流正常通过，此时该部位相对应的阳极局部难以消耗而逐渐形成包块。2.4 由于阳极底面某部分粘结着导电不良的电解质沉淀，使该处电流 通过少，阳极消耗就缓慢，结果这个部位就以锥型形态凸出，形成阳极 长包。2.5 电解工艺调整不当，使电解槽发

8、生热槽时，电解质发黏和沸腾不 良，炭渣不能顺利地从阳极底掌中央部位分离出来，而浮积在阳极底掌 的某一区域内，使该区域的导电性能恶化，导致通过该区域的电流减少 而引起长包。2.6 电解工艺调整不当，电解槽发生冷槽时，由于边部肥大，伸腿长， 阳极端头易接触边部伸腿，引起阳极靠大面端头长包。2.7 阳极某部位由于降阳极、出铝等操作与伸腿上的沉淀接触，沉淀 粘在哪里，哪里就长包。2.8 由于阳极没卡紧使阳极下沉粘上沉淀。22.9 电解槽出现冷槽或热槽时,物料平衡遭到破坏,都会引起阳极长包,1国家职业资格培训教程-铝电解工下册，P236，吴鸿等，贵州科技出版社2006年12月2国家职业资格培训教程-铝电

9、解工下册，P235，吴鸿等，贵州科技出版社2006年12月 只是行程不同,阳极长包的部位有所不同,长包后电解槽的状况有所差异。3阳极断层预焙阳极断层是指阳极有水平方向的断层，甚至断裂掉入电解槽内阳极水平断层在阳极焙烧期间和电解槽正常生产过程中都会发生， 但是这种现象发生的几率非常小。阳极断层主要是因为在阳极内部存在水平方向的裂纹，形成的主要 原因一般都认为是由于阳极在成型过程中，同一块阳极使用不同混捏锅 的糊料，使用这两种物料在成型中形不成紧密的整体，继而当生阳极在 焙烧过程中形成水平裂纹，如果使用前没有发现就会造成水平断层。4阳极掉渣所谓炭阳极氧化掉渣是指电解槽运行中阳极炭块底部周围不断有炭

10、 渣。炭渣的直径从11到几毫米不等。炭渣脱离阳极、不仅增大了炭耗， 更重要的是脱离阳极的炭渣，失去了电化学作用，它们进入电解液并被 电解液浸润渗透，悬浮于电解质中。目前世界上所有电解铝都使用炭阳极，还没有一种阳极能够替代。 炭渣可以从炭阳极、炭阴极以及电解过程中铝的二次反应等途径产生， 是电解过程中必然要发生的。炭渣一方面产生，一方面通过与空气的氧 化反应和燃烧也在消耗。当产生量和氧化量达到平衡时，槽内碳渣量并 不增加，对电解行程并无影响。4.1炭渣的形成电解质里的炭渣，主要来源于因阳极炭块的选择性氧化而造成的炭 粒剥落，少量细炭粉则是由于铝同阳极气体发生逆反应而生成的，此外 还有一部分炭粒来

11、自因阴极炭块受铝液冲刷而造成的剥落。4.1.1阳极的选择性氧化（1）阳极选择性氧化机理在预焙阳极的物质组成中，骨料为不同粒度的煅后石油焦，一些厂 还使用电解返回的残极，粘结剂为煤沥青。煅后焦、残极、粘结剂焦（沥 青经过高温焙烧后）是形成阳极炭块三种不同的炭源，它们的燃点是不 同的，其化学活性是也不一样的，这种差别导致了阳极的选择氧化。粘结剂沥青炭在电解过程中被优先氧化，活性相对较小的骨科焦则 不能顺利完全氧化，这种现象称作选择性氧化。粘结剂沥青炭的选择性 氧化可以归于它的较大的化学活性、在电解时较低的阳极过电压和电解 质熔体较大的润湿性，这种机理已被电解之后所观察到的阳极表面干料 炭粒凸出于阳

12、极表面的现象所佐证3。正是由于构成阳极物质的氧化过程 不同步，导致消耗较慢的骨科焦颗粒从阳极表面脱落，进入电解质熔液 中形成炭渣。（2）阳极选择性氧化的类型阳极的选择性氧化包括炭阳极与空气的氧化反应以及炭阳极与 CO2在电解界面上的氧化反应两类。空气反应消耗电解槽中，阳极的顶部温度随着使用天数的增加不断升高，如果操作不当，覆盖不好，就会暴露在空气中，发生如下反应，产生烧损。450C。- 800C CO2a）2C + O2450C -800CCOb）通过热力学计算可知，在温度低于727C。时，反应（a）占主导地位; 而温度高于727C时，反应（b）占主导地位。在正常电解条件下，炭阳 极上表面温度

13、小于500C，所以阳极发生氧化反应主要生成CO。2CO2反应消耗（布达反应消耗）电解槽中，阳极的底部温度约为960C,而且阳极一部分处于阳极气 体包围之中，与CO发生如下反应，产生烧损。2C + CO2962C 、2C0通过热力学计算分析，在960C。条件下，布达反应的平衡气体成分是98.42%CO与1.58% CO 。铝电解槽温度通常在960C左右，热力学上非常2有利于上述布达反应。CO2与碳的反应主要是在CO2从电解中逸出，经过 阳极四周时发生。4有学者专门研究了两类反应产生的阳极的消耗量，空气反应约占阳 极消耗的17%, CO2反应约占阳极消耗的4%。在工业铝电解生产中，阳极在参与反应的

14、同时，由于粘结剂与骨料 的反应性不同，沥青焦被优先氧化，使粗大的骨料炭凸出于阳极表面， 一部分骨料达到一定程度后靠自身的质量掉落下来，一部分骨料在机械 冲击、流体冲刷下掉落下来，形成掉渣。炭素阳极的选择氧化造成骨料 焦炭粒脱落是铝电解质熔液中产生炭渣的主要原因。阳极侧面粉化和脱落的大小程度与阳极的质量和电解槽的操作参数 有关。54.1.2 铝同阳极气体的逆反应生成游离的固态炭在电解槽中，铝同阳极气体会发生逆反应生成游离的固态炭。铝电解过程中的二次反应不仅降低电流效率，而且还带来另一方面的不利影响，即溶解在电解质熔液中的铝将阳极气体中的CO和CO还原成C,在2 电解质熔液中形成细微的游离态炭渣。

15、造成铝同阳极气体的逆反应有二种：第一种反应是溶解在电解质溶液中的A1直接将CO还原成C :24AI（溶解）+ 3CO 二 2AO3+3C（固态）（1）第二种反应是在铝电解质熔液中溶解的AL与CO反应生成CO,而2CO又与AL反应生成C,即：2AL （溶解）+ 3CO 二 AIO+3CO（2）2232AL（溶解）+ 3CO 二 2Al2O3（溶解）+3C （固态） （3）在上述两种反应中，反应（1）对于在铝电解质熔液中生成炭渣的作用较大。导致生成游离态炭的两种二次反应不是铝电解质熔液中产生炭渣的主要原因。4.1.3阴极炭素内衬的冲蚀剥落在铝电解过程中，阴极炭素内衬的剥落和碎裂是铝电解质熔液中产 生炭渣的又一来源。铝电解槽启动后，由于钠的渗透以及电解质熔液和铝液的侵蚀和冲 刷，阴极炭素内衬不久就会产生剥落。对于由无定形炭制造的阴极炭块 来说，这种现象是常见的。钠渗入阴极炭块是引起剥落的首要原因，钠 的渗入使炭块内部产生应力，导致炭块体积膨胀并变得疏松多孔，从而 形成剥落。4.2 炭渣的分布状态4.2.1 漂浮状态当电解质熔液与炭