湖南大学夏金童 2012 年 4 月

湖南大学 夏金童 2012年4月国外铝电解技术发展与预焙阳极生产和质量热点问题分析

一、国外铝电解技术的趋向 世界最大的百万吨级-迪拜铝厂

进入新世纪以来，我国电解铝工业发展迅速，自2001年以来，产能以年均17%的速度递增，产量以15.7%的速度增长。进入新世纪以来，我国电解铝工业发展迅速，自2001年以来，产能以年均17%的速度递增，产量以15.7%的速度增长。据报道2011年，产能可达2500万吨以上,产量约1900万吨，能耗和阳极净耗呈逐年下降趋势。作为预焙阳极生产企业不但需对国内铝厂铝电解生产技术要熟悉,而且也应该对国外铝厂的发展动态有所了解,这对企业的健康发展是有益的。

1、对国外相关铝厂发展趋向关键注意点 • 新建扩建的铝厂与铝产量 • 电解槽的大型化趋势和电流强度 • 铝电解槽系列参数与运行指标 • 阳极的电流密度和阳极的单耗 • 阳极尺寸变化 • 阳极效应与原因 • 提高电流效率的措施和方法吨铝电耗 • 阴极材质与电流密度及寿命等参数与指标

海湾地区已投产和在建新铝厂

印度、俄罗斯、冰岛和马来西亚 在建和拟建铝厂的项目

2、近期铝电解技术发展的特征 • 新建和扩建铝厂系列和电解槽的大型化：电流强度350KA-400KA,500KA槽进入市场。 • 电流密度向着阳极0.9A/cm2- 1.0A/cm2方向发展。 • 电流效率提高到96%和直流电耗降低到12.8kwh/kgAl已经成为国际铝业界的奋斗方向。 • 正在积极研究在阳极高电流密度下降低极距的可能性。 • 氟的排放量已经小于0.2kg/t.Al，阳极效应已经小于0.05次/天/槽,自动熄灭成功率98%，时间35-45秒钟，目标15秒钟。

3、国际上400-500KA电解槽情况 • 海德鲁将275KA槽强化到300KA实现工业化。有6台400KA试验槽2008年初在挪威Ardal铝厂投产，实现高电流密度和低电压的目标。 • 迪拜铝厂在第8系列的40台350KA的电解槽，效率高达96%。此技术已经用于中东阿布扎比70万吨铝项目的建设中。 • PECHNEY的3台AP50，即500KA电解槽在2007年取得95.5%的效率和13300kwh/t的直流电耗,2008年又出现AP50B型槽,电流530KA。 • 迪拜是世界上全部采用预焙槽的百万吨级的大型铝厂。

4、迪拜CD-20G1和CD-20G2以及D-20电解槽的指标

5、提高电流效率的措施 （1）稳定供电电流是最重要的；（2）采用高过剩量的AlF3，严格控制稳定的氟化铝浓度和过热度是提高电流效率的第二大因素；（3）控制氧化铝的浓度在1.5-3.5%之间，然而由于分子比太低(高过剩量的AlF3)导致效应系数的增加和极距ACD的降低。迪拜的专家认为：由于极距的降低，显著的改进了能量效率或槽电压。虽然，高电流密度可以取得很高的电流效率，但是在低分子比和较低极距的条件下运行，条件十分苛刻。

6、阴极电流密度对电流效率的影响 • 许多实际例子都说明阴极电流密度对提高电流效率的贡献不可抹杀。 • 典型电解槽的阴极电流密度是0.75A/cm2，而且通常认为0.8A/cm2是极限，但是CD-20的实际阴极电流密度是0.93A/cm2，而D20是0.91A/cm2。 • 在给定设计的电解槽上，生成铝的二次反应是一个常数，因此，在电解槽电解质温度、电解质成分和槽帮基本不变的条件下，阴极电流密度越高，电流效率必然也随之提高。

在阴极，钠和铝是按照下列反应式协同在阴极上沉积的。在阴极，钠和铝是按照下列反应式协同在阴极上沉积的。 Al+3NaF（在冰晶石中的NaF）AlF3（在冰晶石中）+3Na（在铝中）钠平衡的浓度是随着电解质操作温度的降低和AlF3过剩量的增加而降低的。所以在高阴极电流密度和更底的分子比条件下，Na在铝中含量减少了，当然由于生成的铝多了，所以电流效率就提高了。

要研究石墨质和石墨化炭块的化学/机械磨损问题,因为高电流密度的阴极必须采用高阳极电流密度，必然要采用高导电率的阳极和阴极材料。要研究石墨质和石墨化炭块的化学/机械磨损问题,因为高电流密度的阴极必须采用高阳极电流密度，必然要采用高导电率的阳极和阴极材料。要重新考虑内衬设计以保证热平衡发生变化的调整,同时也要研究新的计算机控制技术。

7、阿联酋迪拜Dubal 5 台DX槽330KA试验槽(TMS2009-高电流密度) 全厂阳极宽度是805mm..全厂阳极电流密度超过0.95A/cm2,

8、最近有关高电流密度下的极距研究 • 历史的经验和对电解过程的新认识以及许多新的发明与创造,使今天有可能将过去认为难实现的事变为可能。 • 过去阳极电流密度最多可以达到0.8-09A/cm2 。 • 现在可以在1.0A/cm2条件下获得电流效率96%和电耗小于13000kwh/tAl的成绩。 • 高电流密度的应验指出,阳极质量非常重要。 • 特别是电解槽绝不能过多的积累炭渣，并且阳极不能长包。

9、几个典型高电流密度槽型的运行指标 M.L=Light Metals

10、我国与国外部分铝厂AP30 铝电解槽用预焙阳极性能指标

国外铝厂10年前的阳极质量控制指标仍然优于国内目前用于大型铝电解槽的预焙阳极质量。国外铝厂10年前的阳极质量控制指标仍然优于国内目前用于大型铝电解槽的预焙阳极质量。目前国外大型铝电解槽电流密度达到了0.9 ~ 1.0A/cm2，我国200kA以上大型槽多数在0.72 ~0. 76 A/cm2,个别最好的在0. 80 ~ 0. 85 A/cm2。相对而言，我国铝用阳极质量提高的步伐跟不上铝电解技术发展的节奏。

二、预焙阳极

“十二五’铝行业专项规划相关经济技术指标：“十二五’铝行业专项规划相关经济技术指标：电解铝直流电耗全国平均达到12500千瓦时／吨以下，电流效率达94%，阳极效应系数达到0.05次／槽·日，阳极净耗400 千克／吨铝等一系列技术经济指标已列入 “十二五”铝行业专项规划。 2015年，这些指标一定要达到，任务艰巨，需要做大量工作，其中重要的是在预备阳极、阴极质量提高和稳定上作文章。

预焙阳极(亦称炭阳极或阳极）被称作“铝电解槽的心脏”，是因为阳极的质量直接影响着铝电解槽的运作状况及其技术经济标。预焙阳极(亦称炭阳极或阳极）被称作“铝电解槽的心脏”，是因为阳极的质量直接影响着铝电解槽的运作状况及其技术经济标。炭阳极是铝电解槽正常工作的基础，是铝电解工艺条件稳定的核心。从铝电解槽对阳极的要求角度出发,铝厂希望炭素厂提供的预焙阳极不但质量优良而且更需要质量稳定。

预焙阳极电解槽炼铝 铝电解基本原理图一、铝电解生产概论

电解槽的产出平衡示意图

1、当前的热点问题 如何提高和稳定预焙阳极的质量,降低生产成本因素很多, 以下几条是当前的热点: 降低阳极电阻率的方法与技术高硫焦生产预焙阳极的技术粉焦为主要原料生产阳极的技术以低灰炭质原料替代石油焦生产阳极技术阳极和铝电解添加剂的综合问题

2、原料对预焙阳极电阻率的影响 • 石油焦的结构、气孔率对煅后焦的粉末电阻率大小至关重要。 • 其中石油焦的气孔率是随着生焦挥发分的变化而变化的，所以应严格控制生焦挥发分的含量。 • 特别需注意:微量元素和流态化焦细粉问题。

煤沥青成分中β 树脂粘结性好,焦化值大，结焦性能好，孔壁结实，结构呈纤维状，制品的强度高，电阻率小。在γ 树脂含量一定的条件下，β 树脂分子量大小不但影响黏结强度，而且影响预焙阳极块混捏、成型性能。特别需注意:沥青中γ组分的问题。

3、煅烧温度对预焙阳极电阻率的影响 • 煅烧最高温度一般控制在1 350 ℃左右即可满足炭阳极用煅后焦的要求。 • 煅焦电阻率与其煅烧温度和真密度成反比。 • 阳极电阻率与煅烧焦电阻率成正相关性。 • 特别需注意:煅烧焦的真密度问题。

4、生阳极质量对预焙阳极电阻率的影响 • 确定合适的原料配方以及相对应的沥青含量是生产优质阳极的关键。 • 将各种不同直径颗粒料配合使用的目的在于减少制品的气孔率，气孔率的减少意味着颗粒间接触点和接触面积增多，这对提高制品的导电性能非常有利。 • 特别需注意:混捏与成型问题。

5、混捏与生坯密度 • 理论上混捏温度应高于沥青软化点的（60---80）℃。 • 沥青黏度最低温区:（沥青软化点×2）±20 ℃。 • 由于我国改质沥青的粘度较高，对煅后焦的湿润性差，为了保证混捏质量，需提高糊料的混捏温度，这对成型造成了较大的难度。

国外对配料混捏工艺温度的要求是干料预热温度比液体沥青配料温度高10～15 ℃左右,混捏温度可高达180～190 ℃左右（多为爱立逊或布氏快速混捏机）。国外阳极生坯密度≥1.64g/cm3（成型机带有抽真空装置）。国内生坯密度≥1.62 g/cm3。

6、润湿与润湿角 • 润湿角为固液两相接触点对液滴所作的切线与固体材料水平面之间的夹角。 • 润湿角可用光学方法测量。 • 通常认为，固体炭质物料能否被液态煤沥青润湿的标准是两者的接触角在0～90度之间，润湿角越小，则沥青与固体炭质物料颗粒表面接触得越好，此时沥青对炭质颗粒的附着力越大。

温度越高，煤沥青的黏度越低，煤沥青的润湿性能也越强。温度越高，煤沥青的黏度越低，煤沥青的润湿性能也越强。润湿程度取决于液态煤沥青的表面张力和两相界面接触角大小。沥青的表面张力越小，润湿效果越好，即黏附功越大，沥青与炭质颗粒黏结得越牢固。

7、细粉与沥青的匹配是阳极质量的关键 • 阳极配方中，粉料表面积占总干料表面积的9 0 % 以上，对粘结剂配入量起决定性作用。 • 粉料的波动往往会直接影响到阳极理化性能。 • 布朗值可为：磨粉： 3200 ± 200 收尘粉： 6200 ± 400 特别需注意：细粉（包括细度与用量）与沥青的最佳匹配是阳极配料的关键，也是阳极质量稳定的关键。

8、焙烧对预焙阳极电阻率的影响 • 阳极的电阻率取决于焙烧后阳极的致密性和均质性以及碳原子微观结构排列的有序程度。 • 焙烧需最大限度地提高生坯沥青的析焦量。 • 尽可能使阳极烧结和收缩充分、均匀。 • 理论和实践表明，焙烧的升温速率、最终焙烧温度和保温时间对阳极电阻率有很大的影响。 • 特别需注意:填充料与炉子负压的问题。

9、高硫焦生产预焙阳极的技术 • 阳极含硫高不但影响产品质量而且给炭素企业和铝厂带来越来越大的环保与质量压力。 • 针对国内高硫石油焦越来越多，低硫焦来源相对减少且价格越来越贵现状，采用高硫与低硫石油焦掺配使用以降低预焙阳极的硫含量是目前国内炭素行业最普遍的做法，这样可以较好的将原料中的硫及其它微量元素含量降低到合适范围，满足用户的需要。

目前高硫石油焦脱硫的化学物理方法很多但实用性很低。目前高硫石油焦脱硫的化学物理方法很多但实用性很低。性价比高的高硫石油焦脱硫技术的开发是我国优质预焙阳极生产的关键技术,也是我国乃至世界铝工业稳定持续发展的关键所在。将高硫石油焦通过适当高温处理是目前性价比最好的脱硫方法,并且可提高阳极的综合性能。

10、石油焦粉焦为主要原料生产阳极的技术 • 石油焦是炼油厂的副产品，其价值在炼油化工产品中占比例很少，炼油厂从自身经济效益出发，会最大限度的挖掘炼油产品的高收益，无暇顾及石油焦用户的需要。 • 含焦泥焦粉低质量的石油焦会越来越多，这对石油焦需求最大的预焙阳极产品及铝业技术进步危害十分深远。

目前，由于国内许多炼油厂生产的石油焦细粉含量较多、质量差且波动大，难以保证生产出优质阳极。目前，由于国内许多炼油厂生产的石油焦细粉含量较多、质量差且波动大，难以保证生产出优质阳极。采用焦粉添加适当粘结剂直接压密方法煅烧是一种较好的方法,但粘结剂等推高了成本使之难以推广。采用环保废料添加少量助剂可有效降低焦粉制块成本, 且最终阳极综合性能不降低,抗氧化性得到提高。

11、以低灰炭质原料替代石油焦生产阳极的技术11、以低灰炭质原料替代石油焦生产阳极的技术 • 几十年来，国内外预焙阳极是以石油焦为干料，煤沥青为粘结剂制造而成。 • 石油资源必定越来越少, 石油焦会更加货紧价扬。 • 利用价格较低的资源丰富的低灰炭质原料代替部分石油焦制造优质预焙阳极是我国铝用炭素长期有序发展的关键技术,也是铝工业稳定持续发展的又一关键所在。

12、常用添加剂和目的 • 铝电解生产中,一般常用的添加剂主要有氟化铝、氟化镁、氟化钙及氟化锂(或碳酸锂) 等, 这些添加剂在现代铝电解生产中已得到高度的重视, 加入添加剂的主要目的： • 降低铝电解电解质初晶温度； • 降低电解温度及工作电压,达到大幅度降低电耗的效果； • 增加电解质导电率, 提高电流效率； • 降低氟化盐及阳极的消耗等。 • 特别注意：理论上这些添加剂也可加入预焙阳极中，与常用炭制品添加助剂相结合，调用得当可取得好效果。

谢谢!

湖南大学夏金童 2012 年 4 月