【文章內(nèi)容簡介】 KW以上），電解系列生產(chǎn)的任何波動都會造成電網(wǎng)或自備電廠較大的影響，甚至威脅供電安全?！　∪狈⒃趯﹃帢O破損機理與規(guī)律透徹掌握基礎上的“精細設計”技術和提高槽壽命的綜合技術措施，電解槽難以達到設計壽命，早期破損率高。影響中國大型槽槽壽命的問題除了中國普遍認為的陰極炭素材料質量方面的原因外，電解槽的設計、筑爐材料、筑爐質量、焙燒啟動、正常生產(chǎn)操作及生產(chǎn)管理等方面均存在一些問題。導致這些問題的深層次原因是，中國尚缺乏對鋁電解槽破損（常稱為陰極破損）機理與規(guī)律的深入掌握及在此基礎上的“精細設計”技術和提高槽壽命的綜合技術措施。隨著電解槽容量的不斷擴大，槽壽命問題就更加突出?！　≈袊X業(yè)股價缺乏先進的生產(chǎn)操作技術，作業(yè)成本高。中國300KA級的特大型預焙鋁電解槽投入工業(yè)應用的時間短。又不能完全照搬以前在大型預焙槽上的相關經(jīng)驗（這些經(jīng)驗也有很大局限性）。焙燒啟動過程中電流分布不均的問題更突出且焙燒啟動過程中的能耗大；投入運行后電解槽的物理場（電場、磁場、流場）容易波動，熱平衡的維持較困難；槽電阻極易受外界的干擾而波動，陽極效應發(fā)生后熄滅困難，且由于電解槽的慣性大，一旦出現(xiàn)槽況波動或槽況異?，F(xiàn)象，很難快速恢復正常。新型電解鋁用鋼殼鋁芯陽極爪　　就中國電解鋁整體生產(chǎn)狀態(tài)而言，能源綜合利用效率要比國際先進水平低15%左右，主要表現(xiàn)在：電流效率相差23個百分點；噸鋁電耗相差300800Kwh；電解鋁用陽極生產(chǎn)過程能耗相差3Gj/t左右；電解鋁陽極消耗相差3060Kg（折合標準煤約75150Kg）；電槽槽壽命相差1000天左右；。中國電解鋁行業(yè)從2002年開始，電解鋁產(chǎn)量開始過剩，受下游行業(yè)需求下降影響，中國2008年電解鋁過剩預計達到50萬噸。電解鋁需求增速放緩，受經(jīng)濟危機影響，來自房地產(chǎn)和汽車行業(yè)的需求增速大幅下滑，而來自于電力設備行業(yè)的需求仍保持快速增長，包裝行業(yè)對電解鋁的需求量保持穩(wěn)定，2008年電解鋁需求增速在10%左右。中國鋁土礦資源稀缺，產(chǎn)能擴張不可持續(xù)。中國礦資源稀缺，鋁礦資源只能維持10年，中國的資源不可能再支撐電解鋁行業(yè)年均20%左右的擴張速度。電解鋁的生產(chǎn)成本價在15000元/噸17500元/噸，而電解鋁的價格僅為13400元/噸，行業(yè)虧損嚴重。原料進一步下跌，中國電解鋁企業(yè)的平均生產(chǎn)本也在15000元左右，因此鋁價大幅下跌的可能性很小。2009年6月份左右鋁價有可能回到15000元/噸。 電解鋁的市場供應狀況全球電解鋁產(chǎn)量平穩(wěn)增長，增產(chǎn)動力依然來自于中國。2005年世界電解鋁產(chǎn)量3191萬噸，%，其中中國產(chǎn)量767萬噸，%。2006年全球電解鋁產(chǎn)量達到3380萬噸。2006年6月份全球日平均產(chǎn)量（不包括中國），較5月份日均產(chǎn)量增長了700噸，%。，較五月份日平均產(chǎn)量增長了1975噸，%。中國依然是全球電解鋁增產(chǎn)的主動力，%，中國產(chǎn)量的變化趨勢對全球電解鋁供應起到了決定性的作用[5]。中國電解鋁行業(yè)發(fā)展的狀況決定中國國內(nèi)電解鋁供應一直較為充裕，2005年電解鋁平均產(chǎn)能1070萬噸，產(chǎn)能利用率75%，從6月份國內(nèi)數(shù)據(jù)看，中國的產(chǎn)能已經(jīng)得到了一定程度的釋放。中國建電解鋁項目11個，建設總能力112萬噸，尚有10個擬建電解鋁項目，總能力140萬噸。2006年電解鋁生產(chǎn)能力達1160萬噸，2007年達1250萬噸。電解鋁建設工藝簡單技術含量低建設周期短，有充足資金投入，從開工到建成投產(chǎn)僅需要了9個月。生產(chǎn)機器電解鋁上游行業(yè)氧化鋁產(chǎn)能迅速擴張，產(chǎn)業(yè)鏈向電解鋁行業(yè)延伸，成為電解鋁產(chǎn)能增長的主要動力。電解鋁行業(yè)所處的成長發(fā)展階段決定了產(chǎn)量增長是主基調，電解鋁企業(yè)競爭，重組購并，不斷擴張，行業(yè)集中度提高，也將推動產(chǎn)能的增長。電解鋁行業(yè)的購買方即鋁消費商，在中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國城市化進程中基礎設施、公共事業(yè)、住房和汽車等消費品，極大地帶動中國電解鋁消費需求。電解鋁行業(yè)處于高速發(fā)展成長期階段，行業(yè)優(yōu)勝劣汰，行業(yè)集中度不斷提升。2003年至2005年電解鋁總產(chǎn)量從554萬噸上升至767萬噸，增產(chǎn)213萬噸，其中僅中國十大電解鋁廠實現(xiàn)增產(chǎn)91萬噸。生產(chǎn)廠家從141家減少至95家。 我國電解鋁技術存在的問題 電解槽壽命我國鋁電解槽壽命比國外電解槽壽命短。至今沒能解決。對鋁電解生產(chǎn)來說，影響鋁電解槽壽命的原因是多方面的：有電解槽結構設計的問題，有電解槽內(nèi)襯材料選擇與內(nèi)村材料的合理結構設計的問題，有筑爐方法的問題，有筑爐質量的問題，也有電解槽焙燒啟動的方式、方法問題，更有電解槽早期技術管理和正常情況下電解工藝的選擇與操作問題。應該說，上述各個過程和環(huán)節(jié)的好壞，都會影響電解槽的壽命。多年前，我國電解鋁廠引進了國外的鋁電解槽焦粒焙燒干法啟動的技術，取代了落后鋁液焙燒技術。盡管焦粒焙燒并不是屬于我國自主知識產(chǎn)權技術，但對我國電解鋁廠應該是一個技術上的進步。值得關注的是，盡管我國引進和使用了這一較為先進的鋁電解槽焙燒技術，但槽壽命沒有明顯的提高。以最早使用這一焙燒技術的白銀鋁廠為例，電解槽的壽命仍然在1500天左右。由此可見，就我國電解鋁廠來說，僅僅以焦粒焙燒干法啟動取代鋁液焙燒，想大幅度提高我國鋁電解槽的壽命的目的不能實現(xiàn)。另一方面也說明了提高電解槽壽命是一個系統(tǒng)的工程。就我國電解鋁廠而言，電解槽內(nèi)襯材料的選擇和內(nèi)襯材料結構設計、筑爐方法、筑爐質量，以及電解槽啟動后的早期技術管理、正常的工藝技術操作等方面都存在不同程度的問題，都對電解槽的壽命有影響。而我國電解鋁廠對這些方面的認識和了解不多，缺乏深入的研究。在談及提高電解槽的壽命時，過去聽到比較多的建議是使用石墨化和半石墨化的陰極炭塊、硼化鈦陰極涂層等技術。誠然這些措施對電解槽的壽命改善有好處，但它們并不是提高我國鋁電解槽壽命的根本措施。綜上所述，總結過去的經(jīng)驗，可以認為，我國如果不從電解槽內(nèi)襯結構材料的選擇與結構設計、筑爐方法、筑爐質量、焙燒和啟動的方法和質量，早期技術管理以及合理的電解槽工藝制度等各個方面上去研究、去改進、去提高，是不可能達到國際上電解槽壽命2500～3000天的技術水平的。 陽極質量對于電解槽陽極質量上的差別，沒有數(shù)量上的概念。由于我們沒有健全的、與國外可供比較的質量檢測方法、技術，也沒有可信、可比的數(shù)據(jù)，很難對這一問題作出準確、定量的結論。我個人認為我國鋁電解槽陽極質量極不穩(wěn)定，好壞差別很大。由于供應的多渠道和質量檢測手段落后、不完善，檢測技術與質量標準和國際不接軌，缺乏對原材料性能、結構和成份進行配料等方面的工藝和技術研究，是造成陽極質量差的根本原因。 鋁電解槽炭陽極之所以用石油焦做陽極，是因為在所有來源廣、成本低且純度高的炭素材料中，非石油焦莫屬。評價鋁電解槽炭陽極的質量指標有多個方面，如密度、孔隙度、強度、電導率、導熱率、抗氧化性能、對CO2的反應性能、透氣率、抗熱沖擊性能等等。在這些質量指標中，有些具有相關性，如電導率和導熱系數(shù)之間就有很強的相關性，這是所有固體導電材料固有的特性。陽極炭塊導電性與導熱性的好壞，同陽極炭塊和石油焦本身的煅燒溫度、炭塊密度和孔隙度大小有關。導熱性、導電性好的陽極炭塊必然有較好的抗氧化性能。 對工業(yè)鋁電解槽來說，比較直觀的是看重炭陽極的導電、導熱性能和抗氧化性能。因為這些性能好的陽極可以承受更大的電流密度，陽極電壓降低，抵抗高溫氧化的能力強，陽極消耗少。這些優(yōu)點是鋁電解槽提高電流效率、降低電能消耗的基本保障。 電流密度我國電解鋁廠的大型預焙陽極電解槽電流密度一般在0．7A／cm2左右，屬于低電流密度電解槽，而國外同類型的大型預焙陽極電解槽的陽極電流密度一般在0．8A／cm2以上。目前世界上最大的最先進的法國AP50(500kA)電解槽的陽極電流密度為0．8A／cm2，新西蘭迪拜新系列的200kA電解槽的陽極電流密度為0．88 A／cm2。這意味著，同樣大小電解槽在其它技術經(jīng)濟指標不變的情況下，以陽極電流密度0．7A／cm2與0．8 A／cm2相比，后者電解槽的產(chǎn)量比前者高14％，這無疑使鋁電解生產(chǎn)的成本大大降低。高電流密度電解槽代表著先進的鋁電解槽設計和技術水平，過去我國電解鋁廠一直認為，提高電解槽的電流密度最大的技術障礙是陽極質量問題，我國電解鋁廠陽極質量低，不能承受更大的陽極電流密度。但最近的湖北華盛鋁廠60kA改成75kA小預焙陽極電解槽，使用國產(chǎn)陽極，電流密度到達0．81A／cm2。實踐證明我國電解鋁廠，使用優(yōu)良的國產(chǎn)陽極炭塊，可以承受0．8A/cm2的陽極電流密度。 電流效率不論從理論上，實踐上，提高電流效率都是通過減小和降低電解槽中已經(jīng)電解出來的金屬鋁的溶解量來實現(xiàn)的。因此提高鋁電解槽的電流效率基本上有4種方法：①減少鋁液和電解質熔體的攪動，即增加鋁液鏡面動力學的穩(wěn)定性；②提高鋁電解槽的陰極電流密度和盡量降低除陽極底掌以下面積之外的陰極鋁液面積相對陽極底掌面積的比率，如，減少電解槽陽極到邊部的距離，或在相同的大面和小面寬度下采用更大電流強度的電解槽。理論上如果在磁場影響和其它設計參數(shù)不變的情況下，大槽子應該比小槽子有更高的電流效率；③減少鋁在電解質中的飽和溶解度，這與電解質的成份和溫度有關；④降低陰極鋁向電解質熔體中的溶解速度。應該說，在這4種方法中，前兩個是與電解槽的設計和電解槽操作的穩(wěn)定性有關的，第三種方法則完全是鋁電解槽操作的工藝條件，即對電解成份和溫度的選擇有關的，而最后一種方法，即與電解槽的設計和電解槽的操作的穩(wěn)定性有關，也與電解槽工藝條件的選擇有關。目前，國際上電解鋁廠電流效率最高的電解槽當屬Pechiney在加拿大魁北克的325kA電解槽系列，該電解槽系列年平均電流效率為96．0％，電耗13．0kWh／kgAl，炭陽極凈耗0．397kg／kgAl(理論值0．333kg／kgAl)。目前世界上最大的500kA電解槽AP50，長18m，寬5m，陽極電流密度0．8A／cm2，電流效率95．0％，2003年4月公布的電流效率為95．9％，也接近96％。令人驚奇的是這么高的電流效率是在973℃(325kA槽)、963℃(500kA槽)以及過熱度6．8℃(325kA槽)、9．7℃(500kA槽)的技術條件下取得的。這是當今國外采取的高電解溫度、較高電解質初晶溫度、低過熱度、高電解槽穩(wěn)定性、低電解質電阻、低過電壓、低效應系數(shù)、高電流效率的鋁電解槽工藝操作技術路線。我國同類型的300kA電解槽的電流效率一般在93％左右，系列年平均電流效率很難突破94％，對于其它類型的大型預焙陽極電解槽的電流效率也一般都徘徊在93．5％左右[6]。在我國電解鋁廠中，直習慣于用傳統(tǒng)的低溫、低分子比來提高電流效率的方式組織生產(chǎn)。這也不能說完全不對，實驗研究表明，低溫、低電解質分子比確實有降低鋁在電解質熔體中的溶解度和溶解速度，減少鋁的溶解損失，顯著提高電流效率的作用。但低溫、低電解質分子比的負面作用是，電解質成份的穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性大大降低，由于電解質成份不穩(wěn)定性增加，容易產(chǎn)生沉淀，而沉淀又不容易溶解，槽幫不結殼，伸腿過長、過大，造成水平電流大，槽電壓不穩(wěn)，鋁水擺動大，效應系數(shù)多，電解質電阻大，反電動勢高等缺點。而不容易使低溫、低分子比操作達到理想的提高電流效率的目的。此外，由于電解槽的熱穩(wěn)定性降低，電解槽陰極內(nèi)的電流分布不均，槽內(nèi)襯應力不均勻，也容易降低電解槽的壽命。加拿大鋁冶金專家Utigard從鋁和電解質的表面張力、電導、相圖、過熱度、電解質成份的穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等各方面，綜合分析并得出了使電解槽實現(xiàn)穩(wěn)定的基本技術條件是，電解質溫度應不低于955℃，對于添加有LiF的電解質的電解溫度應不低于940℃。 過熱度對我國電解鋁廠來說，過熱度是一個新概念，所謂過熱度即電解質溫度與電解質初晶溫度之差。一般認為，最好的電流效率是在不失去電解槽的穩(wěn)定性的情況，用盡可能低的電解溫度實現(xiàn)的。然而過低的電解溫度容易在槽底產(chǎn)生沉淀和造成槽膛不規(guī)整，因而會引發(fā)槽子不穩(wěn)定。有些文獻報道，電解溫度每降低10℃，可使電流效率提高2％～3％。實驗室研究表明，降低電解溫度會使電流效率連續(xù)升高，但在工業(yè)電解槽上，當過熱度恒定時，電解溫度的高低對電流效率幾乎是沒有什么影響。國際著名的鋁冶金專家豪平(Haupin)對大量的電流效率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明，電解槽的電流效率更依賴于過熱度，而不是電解質溫度，其原因現(xiàn)在尚未搞清。最初，人們把較低過熱度對電流效率提高所取的效益歸結于，適當?shù)倪^熱度會使電解槽形成較好的槽幫結殼。而最近Solheim研究指出，較低的過熱度可以在鋁陰極表面沉積一層冰晶石殼膜，因而可阻止鋁的溶解損失，提高電解槽的電流效率。Haupin也同意這種觀點。然而過熱度太低時也會引起過多的冰晶石沉積和沉淀，而導致電解槽的不穩(wěn)定。因此，最佳的電解質過熱度必須由實踐加以確定。最佳的過熱度的大小應與電解質的分子比、電解質初晶溫度有關。分子比較低時，需要適當提高一點過熱度，因為在此時，電解質的初晶溫度的變化受電解質分子比變化的影響較大。目前國外大型預焙陽極電解槽的過熱度一般在8～10℃，法國彼斯涅AP50電解槽的電解質過熱度為9．7℃，電解質的初晶溫度953℃，電解質的分子比2．15，電流效率95．9％；AP35(350kA)電解槽，電解質分子比2．1～2．2，平均電解質初晶溫度953．7℃，過熱度7．8℃，電流效率96．0％。由此可見，國外大型預焙陽極電解槽電解質的過熱度一般都在8～10℃，并將這一數(shù)值作為電解槽的重要工藝技術參數(shù)和控制指標。我國電解鋁廠目前也開始對這一技術問題加以重視。我們與沈陽東英冶金工程科技有限公司共同用自己開發(fā)和制造的儀器，對撫順鋁廠200kA系列電解槽電解質初晶溫度、電解溫度和過熱度進行測量得出，電解質熔體的過熱度在9～20℃之間，各電解槽電解質初晶溫度和過熱度的差別較大?？偟膩碚f，我國電解鋁廠電解質的初晶溫度較低，而過熱度較大，系列電解槽的平均電流效率在93．5％左右。參照法國彼斯涅鋁電解的操作經(jīng)驗，如果這種電解槽的平均過熱度能降低到8～9℃，其電流效率有可能上一個臺階。如果全國鋁廠都能將過熱度作為個重要的工藝技術參數(shù)加以控制并確定在8～10℃的范圍內(nèi)，可以預見，我國電解鋁廠電解槽的電流效率將會打破現(xiàn)在的水平，上升到一個新水平[7]。 鋁電解槽初晶溫度和過熱度的控制技術在鋁電解生產(chǎn)過程中，取得好的技術經(jīng)濟指標和電解槽運行穩(wěn)定，是工業(yè)鋁電解生產(chǎn)追求的目標，這只有通過控