电解铝阳极压降改善的途径与措施

第３ｌ卷第６期江西

ＪＩＡＮＧＸＩ

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Ｖ０１．３ｌＮｏ，６

Ｄｅｃ．２０１３

２０１３年１２月

文章编号：ｌｏｏｌ一３６７９（２０１３）０６—０７９２—０６

电解铝阳极压降改善的途径与措施

邹

晋１’２，刘克明１，曹美蓉３，陆德平１

（１．江西省铜钨新材料重点实验室，江西南昌３３００２９；２．上海市现代冶金与材料制备重点实验室，上海２００４４４；

３．江西省科学院应用物理研究所，江西南昌３３００２９）

摘要：通过对铝电解用阳极的电能耗进行分析，从阳极结构组戊方面详细分析了影响阳极压降的因素，对改善阳极压降的措施进行了总结和对比，综述了如何降低阳极压降是降低铝电解电耗的有效途径。关键词：阳极压降；电解铝；节能降耗

中图分类号：唰２Ｉ

文献标识码：Ａ

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Ｏ

引言

我国电解铝工业是新中国成立后逐步发展起

不足。我国电解铝的生产成本中电力成本占到总

成本的３０％～４０％，降低吨铝电耗是降低电解铝

生产成本、节约能源最直接最有效的途径，电解铝行业要持续、健康发展，提高市场竞争力，节能降耗非常重要心‘引。

本文对铝电解工艺的电能耗进行了分析，提出降低阳极组压降是降低吨铝电耗的有效途径，阐述了降低阳极压降的可行性、途径和潜力。ｌ

来的，改革开放３０年来，我国电解铝工业实现了飞速发展，２００１年产业规模一举达到世界第一。随着铝产量的逐年增长，其消费量也同步增长，尤其是过去１０年，中国经济持续高速发展，带动了

铝消费相关行业的高增长率…。我国电解铝工

业经过５０多年的迅速发展。铝电解技术总体上已达到了国际先进水平，但与国际同行对比，整体技术上仍存在能源综合利用效率低，生产成本高的

收稿日期：２０１３一０８—３０；修订日期：２０１３一ｌｏ一３ｌ

电解铝工艺电耗分析

现代电解铝工业生产采用冰晶石氧化铝熔融

作者简介：邹晋（１９８３一），男，江西乐平人，博士研究生，主要从事金属材料研究工作。基金项目：江西省铜钨新材料重点实验室开放基金（２０１２一ＫＬＰ一５）。

第６期

！！垩篁！皇壁塑里竖垦堕坚兰竺兰堡皇堕竺————二兰

电解法，原材料主要包括氧化铝、冰晶石和氟化２

盐、炭素材料等。以冰晶石为溶剂，以氧化铝为溶阳极组结构

质，以炭块作为阳极，通人强大的直流电后，在

铝电解阳极组由阳极母线、铝导杆、钢爪和炭

９５０℃～９７０

ｃｃ下，在电解槽内进行电化学反应。

块四部分构成，结构示意图如图ｌ所示。阳极由

使溶解于电解质中的氧化铝在阴、阳两极发生电阳极母线和阳极炭块组构成，阳极炭块组中，铝导

化学反应，阴极上析出铝液，阳极上主要析出Ｃ０：杆和钢爪通过铝一钢爆炸焊片连接，铝导杆一铝一钢气体：４。。

爆炸焊片。钢焊接使其形成一个整体。焊块上表在冰晶石氧化铝熔体中，Ｎａ＋是主要的电流面与阳极导杆多采用氩弧焊进行铝一铝焊接，其下传递者，Ａ１３＋以铝氧配离子的方式存在，在９５０℃表面与钢爪通常采用电弧焊进行钢一钢焊接，钢爪

左右，铝析出时的过电压为１０～１００ｍＶ，钠的平为多爪并排结构，钢爪和炭块通过磷生铁浇铸黏

衡析出电位比铝的约负２５０ｍＶ，研究表明在阴极接。

上离子放电时，不存在很大的过电压，因此阴极上析出的金属主要是铝。然而随着电解质分子比的增大、温度的升高、Ａｌ：Ｏ，浓度的减少以及阴极电流密度的提高，当两者电位差接近时，钠离子就有可能同铝离子一同放电，造成电流效率的损失，因此在工业生产中，为了保证铝的一次反应充分进行，宜采用酸性电解质体系，保持较低的温度，维持尽可能大的Ａｌ：Ｏ，浓度‘ｘ…。阴极过程基本反应式为：

Ａ１３＋（配离子）＋３ｅ＝Ａｌ

（１）

阳极主要反应过程就是配位阴离子中的氧离子在炭阳极上放电析出Ｏ：，然后与炭阳极反应生成一次阳极产物ＣＯ：。阳极过程基本反应式为：

Ａ．母线；Ｂ．铝导杆；ｃ．爆炸焊片；Ｄ．钢爪；Ｅ．磷生铁；Ｆ．炭块

２０２‘（配离子）＋ｃ一４ｅ＝ｃＯ，ｔ（２）

图ｌ

阳极组结构示意图

阴阳两极总反应式：

３

阳极组压降分析

Ａ１２０３＋３／２ｃ＝２Ａｌ＋３／２Ｃ０２

Ｔ（３）根据吨铝的电耗率公式：

阳极是预焙槽的“心脏”，预焙槽阳极由阳极

形＝２９８０×ｙｆ／叼

（４）

母线、铝导杆、钢爪和炭块联接而成。研究和改善式中：形为铝液直流电耗（ｋｗｈ／ｔ。Ｉ）；咋为电解槽

阳极的导电性能，延长其各构件的使用寿命并减

平均电压（Ｖ）；叼为电流效率（％）。直流电耗与少维修费用，降低槽工作电压，是降低吨铝电耗的

平均电压成正比，与电流效率成反比；而与电流大有效途径。

小、时间长短无关。因此，降低铝液直流电耗的途根据阳极组的构成，分析认为引起阳极压降径一是降低平均电压，二是提高电流效率。平均的因素有６个部分：（１）母线压降；（２）铝导杆压电压主要由槽工作电压、阳极效应分摊电压、公用降；（３）爆炸焊片压降；（４）钢爪压降；（５）钢一炭压母线分摊电压构成。槽工作电压是指电解槽阳极降；（６）炭块压降。母线到阴极母线之间的电压降，由电解槽的阳极

３．１母线压降

压降、阴极压降、氧化铝分解压降和电解质压降组

母线的主要作用是作为电流的载体，整流后成：ｙ工怍＝Ｅ分解＋ｙ阳圾＋ｙ电解质＋矿阴｝醍＋ｙ母线，在槽的直流电通过母线引入电解槽上，槽与槽之间通工作电压的构成中，分解电压和母线压降在目前过铝母线串联而成，所以电解槽有阳极母线、阴极正常运行槽的生产控制状态下降低的幅度很小，母线、立柱母线和软带母线；槽与槽之间、厂房和除电解质压降可降低的幅度相对较大外。阳极压厂房之间还有联络母线邛’９１。

降、阴极压降都具有一定的降低空间一Ｊ。

阳极母线属于阳极上部结构的一部分，其工作环境在６０～６６℃左右，其压降在电解槽运行期

：！竺：————————————————————————————————————————————————～

江西科学

２０１３年第３ｌ卷

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间基本不变，其实际值取决于电解槽的母线配置及安装¨…。母线配置一旦确定，母线本体压降即确定，各焊接点压降取决于第一次安装时焊接的质量，但立柱母线与＿｜骝极大母线问焊接点的压降

每次大修后视接触面清理程度而又变化，电解槽通电后此值不会改变，所以降低阳极母线压降的

潜力不大。３．２铝导杆压降

阳极母线中的电流由纯铝或铝合金导杆引入

槽中，其电导率由本身材料、质量、尺寸及工作温度决定，工作环境温度在４００—５００℃之间。由于铝导杆处于氧化铝等粉尘和烟气较大的环境中，

使用一段时间后，铝导杆表面易粘结粉尘等污物，使阳极母线与铝导杆的接触电阻增大，接触压降上升，所以要用刷子或清洗剂将铝导杆与阳极母线接触面的粉尘清刷或清洗干净，保持铝导杆表

面光洁，从而降低接触压降Ｈ’５Ｊ。根据ｙ＝，×ｐ×ｆ／ｓ，从铝导杆工作条件分析，降低铝导杆压降的空间不大。

３．３爆炸焊片压降

铝一钢爆炸焊片的主要功能是为了解决铝导

杆和钢爪横梁２种不同材质的连接问题而采用特

殊工艺制成的一种过渡连接部件。在阳极导电装置中，复合爆炸焊片的上部铝平面部分与铝导杆的下端平面采用铝．铝环形焊缝连接，下部钢平面

部分与钢爪的上平面采用钢．钢环形焊缝连接。这２种环形焊缝的断面尺寸都小于铝导杆基本断面和钢爪横梁基本截面积，增加了压降蟑Ｊ１’圮１。铝一钢爆炸焊片在使用过程中经受反复的高温加

热和冷却的循环，这样的循环过程易导致铝钢界面生成Ｆｅ—Ａｌ金属间化合物，Ｆｅ—Ａｌ相属于硬脆相，且强度很低，如果界面复合层厚度控制在一定范围内时，脆硬的Ｆｅ．Ａｌ相呈棒状分布，可以增强

复合界面的结合性能，而当界面层厚度超出该范

围时，脆硬的Ｆｅ—Ａｌ相呈片状分布，则会引起界面

层脆化，从而降低界面的结合强度，使钢铝复合界

面在应力的作用下开裂，导致电阻增加。同时工况下易由于电流分布不均导致焊口开裂，脱极事故时有发生，因此爆炸焊片压降有一定下降空

间㈨…。

３．４钢爪压降

阳极钢爪也Ⅱｑ电解爪，有平行三爪、四爪、立体四爪、六爪、八爪等型号，其主要作用是夹持阳极炭块。钢爪通常选用ｚＧ２３０～４５０低碳钢铸造

而成，多爪并排，工作环境处于高温电解质中。影响钢爪压降的主要原因有化学成分、晶体缺陷、铸件质量等。

低碳钢中五大主要元素是Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ，以及残余的Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ等微量元素，这些元素中Ｓ和Ｐ是有害元素，严重影响钢件质量，含量越低越好。除了Ｃ和Ｆｅ原子形成间隙固溶体外，其它合金元素都能与Ｆｅ形成置换固溶体。无论是问

隙同溶体还是置换固溶体，这些原子溶入铁中，都

能使铁的晶格发生畸变，引起铁的固溶强化。但是，随着溶质原子溶入的数量增加，金属的电阻也逐渐升高。由于目前钢爪多采用普通铸造工序，不可避免地产生夹渣、气孔、缩松等铸造缺陷，降低了钢爪的致密度，结果必然影响钢爪的导电性能，同时钢爪受热应力易弯曲、易被侵蚀。由于钢爪在阳极组中的重要组成，因此是影响阳极压降过大的因素之一＿卜…１。３．５钢一炭压降

钢爪和炭块是用磷生铁来连接，磷生铁要求压降低、浇注温度低、流动性好、浇口饱满平滑不产生裂纹、具有冷脆性、易压脱回收等．所以阳极炭块与钢爪之问的接触压降主要与磷生铁成分、浇注工艺和与炭块的接触面积有关。由于磷生铁与钢爪的线膨胀系数相差很大，且其工作环境的温度变化很大，如果磷生铁和炭块间接触不良，钢爪和炭块之问产生松动，易发生阳极脱落现象，影

响钢一炭压降升高ｕ”２１３。

磷生铁中五大元素ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ对浇铸质量也有重要的影响。磷铁中的Ｐ含量增加，铁水

的熔点降低，铁水流动性提高，对浇铸有利。Ｃ、ｓｉ

含量增加，铁水的流动性降低，石墨化程度增加。磷铁中的Ｓ是阻碍增Ｃ的元素，还具有强烈的白

口化作用，可影响导电率和铁水流动性，是浇铸中

的有害元素，必须严格控制其含量，含ｓ较高的磷

铁中，随着Ｍｎ含量的增加，铁水的流动性下降晗２１。钢．炭压降也是影响阳极压降过大的因素之一，有一定下降空间。３．６炭块压降

阳极炭块是铝电解生产的主要原料之一．它作为导体将直流电导入电解槽，并作为电解槽阳极材料参与阳极反应，吨铝炭耗约为４００～５００ｋｇ。炭块的内在质量和技术参数直接影响到电解槽的正常生产和原铝的产量、质量、炭耗和电耗等各项经济指标。炭阳极的过量消耗，不仅会增加

第６期邹晋等：电解铝阳极压降改善的途径与措施

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铝的生产成本，严重的会影响电解槽正常工作参数．甚至造成病槽。在电解生产中，炭块的压降主要由炭块质量及厚度、换极质量及周期、阳极电流密度、组装质量因素等决定一２３。“。优化阳极炭块

电阻率测定试验，与爆炸焊相比，具有明显的节能效果。近年来一些新型焊接方法的提出，为异种

金属连接的发展提供了更多的空间，如扩散焊、激

光钎焊、磁脉冲焊等，然而，这些焊接方法还不够

的质量和结构，对改善其性能和降低吨铝能耗有

一定意义。成熟、不够完善，特别是在提高焊接生产效率、改善接头性能方面有待做进一步的研究＿川。

４．２钢爪压降改善途径

４

改善途径与措施

通过上述分析，本文认为铝电解阳极组结构

中的母线、铝导杆和炭块都在设计安装期间就已确定，难以改进，而铝一钢连接、钢爪和钢一炭连接

在工作中需经常更换或修复，压降降低空间更大，因此降低阳极组压降的途径应该主要从这３个方

面开展。

４．１爆炸焊片压降改善途径

铝与钢２种金属性质的巨大差异决定了用常规电弧熔化焊方法很难实现铝与钢的焊接。在熔

化焊得到的焊接接头内，易生成大量硬而脆的Ａ１．

Ｆｅ金属间化合物，这些金属间化合物的存在使得焊接接头不具有使用性能。因此目前，应用于铝一钢异种金属连接的焊接方法多为固相连接方法ｉ２６｜。

目前对改善爆炸焊片压降的研究集中在２个

方面：（１）改善爆炸焊片与铝导杆（或钢爪）之间的焊接工艺；（２）采用其他连接方法。

韩丹群嵋刊等认为改变爆炸焊片与铝导杆（或钢爪）之间的焊口形状，不仅降低了爆炸焊片的

压降，降低了电耗，同时提高了材料利用率。张

辉旧副提出多层复合铝钢过渡接头的方法，多层复合金属层包括合金铝层、钛层、铜镍合金层和钢层，各层之间采用爆炸焊连接，能够有效地改进和提高铝钢过渡连接材料的综合性能。王涛∽１采

用在改进焊接坡口的同时采用异形爆炸焊块进行补强。在铝导杆与爆炸块钢材部分之间，利用异

形爆炸块将其连接起来作为爆炸块钢一铝复合面的补强板。提高了爆炸焊片与各焊口间的抗拉强度的同时。导电率也有所提高。

孙悦志四。认为热浸涂铝渗铝工艺可制得界面结合完整、规则的钢／铝复合界面，界面电阻小，性能优于爆炸焊制成的导电柱结合界面，同时降低电解铝生产成本。陈虎政∞¨在阳极钢爪上部、开一个空腔，在空腔内铸铝，铸铝直接与铝导杆焊接，从而摒弃了爆炸焊块。蒋文学一引等人采用搅拌摩擦焊制备出了成形良好的铝钢焊接头。通过

根据生产实践经验，改善钢爪压降的主要途格控制碳、硅含量，而且控制其它合金元素的添加。

杂质元素控制在≤０．７％。王从曾∞¨建议把钢爪的化学成分控制到ｚＧ２００—４００要求的范围。，目前，稀土添加在钢铁行业中已经大量利用，

稀土易和氧、硫、铅等元素化合生成熔点高的化合因此在钢水中加入稀土，可以起到净化钢的效果，径比铁的原子半径小，很容易填补在其晶粒及缺

粒细化，减少裂纹通过缺陷的贯通而扩散的可能，从工艺方面采取措施，采用电弧炉熔炼容易

同时铸型内部要均匀刷涂料，有利钢液流动，避免影响钢一炭压降的主要因素有：（１）磷生铁质降低磷生铁自身压降的主要途径是：优化磷径是合理控制化学成分。综合考虑钢爪导电、强度及加工性能等方面的要求和钢爪用钢的主要成

分，阳极钢爪在生产时，应该严格控制钢爪中Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ等元素。钢爪中由于溶入其它合金原子而造成铁的晶格畸变。这些元素的原子溶入量越大，铁的晶格畸变程度就越大，钢爪的导电性能就越差。张志强∞列提出阳极钢爪在生产时，要严

控制硫、磷的含量分别为５＜Ｏ．０３％，Ｐ＜Ｏ．０３５％，

物，使杂质分布在晶粒内部丽不是分布在品界上，改善钢爪导电性能。由于稀土元素的金属原子半

陷中，并生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶强化晶界，改善钢的力学性能。

控制化学成分，冶炼过程中充分脱氧除气，扒渣干

净；浇注时严格控制温度，在浇包内镇静一段时间

再浇；铸件补缩要充分，防止产生缩孔、缩松缺陷；

铸造缺陷的产生，铸件冷却时间要尽可能缓慢。采用消失模铸造工艺生产的阳极钢爪，外观质量较高，缺陷少，且劳动强度也有明显降低，劳动环境明显改善，与传统砂模相比有明显的优

势弧３５’３６｜。

４．３钢～炭压降改善途径

量与浇铸工艺；（２）钢爪头的表面光洁度；（３）钢一炭的接触面积。

生铁配方，改善磷生铁浇铸工艺。合理调整磷生

・７９６・

江西科学

２０１３年第３ｌ卷

铁中Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ五大元素的含量，提高Ｃ含

量。降低Ｓｉ、Ｐ含量，除Ｓ。黄涌波一７。３剐发现增大

铸铁中Ｃ、ｓｉ、Ｐ含量有利于减小了铸铁的热膨胀系数；降低Ｓｉ、Ｐ的含量，可减少材料电阻率；适量添加微量元素Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｕ等能降低磷生铁的线膨

胀系数，改善脆性，有利于与炭块结合。曾健一’通过改变磷生铁Ｃ、Ｓｉ、Ｐ这３种元素的成分，提高ｃ含量，降低ｓｉ、Ｐ含量，实现了浇注压降的降低。中南大学Ｈ叫采用磷生铁复合添加剂降低压降的

方法目前已开展工业应用。

其它改善钢一炭接触电阻的途径有：浇铸前对炭碗清理做到碗内、碗边无灰尘、杂物；加强除锈

及杂质清理工作，有效清除钢爪表面的铁锈和杂

质，能增加磷铁与钢爪的结合力，降低接触电阻，防止炭块脱落；钢爪上涂石墨涂料的配比应严格

按标准配料旧’４１｜。改善钢爪和炭碗的结构也有

助于降低钢．炭压降。秦晓明Ｍ副鉴于现行钢爪在反复使用过程中容易剥落变细的问题，提出采用

非同径结构，既有利于安全节能，又不影响磷铁环压脱。赵红军Ｈ３’４４Ｊ认为钢一炭的接触电阻与接触面积有关，接触面积越大，电阻越小，他通过适当

增大预焙炭块的碗径和碗中斜槽的数量，采用炭

碗问开槽的方法增加磷生铁与炭块的接触面积，

来降低成品阳极组的钢一炭压降。王春龙Ｈ纠认为

减小炭碗直径不仅可以节省磷铁用量，易于压脱，过流面积虽然减小，但磷铁环厚度同样减小，因此

也能降低阳极压降。

５

结束语

我国电解铝企业中约７０％的产能需要网电

供应，在电解铝成本中，电力成本占铝锭生产成本

的４０％左右，而国外铝厂的电力成本占铝锭生产

成本的２５％左右。中国是世界产铝第一大国，而铝电解生产所消耗的电能占整个有色金属生产总能耗的８６％以上，因此，铝电解工业的节能减排

对实现有色金属乃至全国的节能减排目标具有举足轻重的作用，是国家节能减排的重大需求。据

分析，目前我国电解铝企业间阳极压降的差异，主

要是爆炸焊片压降、钢爪压降和钢・炭压降的差

异，而其共同难题是钢一炭压降偏高，且有较大的下降空间。依据现行生产数据计算，如电解铝产能为３０万∥ａ，阳极压降每降低１０ｍＶ，吨铝电耗降低３２ｋｗｈ，每年电解过程中节电产生的经济效益将达４００万元，这对于提升我国铝电解工业的

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电解铝阳极压降改善的途径与措施

作者：作者单位：

邹晋， 刘克明， 曹美蓉， 陆德平， ZOU Jin， LIU Ke-ming， CAO Mei-rong， LU De-ping

邹晋,ZOU Jin(江西省铜钨新材料重点实验室,江西南昌330029;上海市现代冶金与材料制备重点实验室,上海200444)， 刘克明,陆德平,LIU Ke-ming,LU De-ping(江西省铜钨新材料重点实验室,江西南昌,330029)， 曹美蓉,CAO Mei-rong(江西省科学院应用物理研究所,江西南昌,330029)江西科学

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引用本文格式：邹晋.刘克明.曹美蓉.陆德平.ZOU Jin.LIU Ke-ming.CAO Mei-rong.LU De-ping 电解铝阳极压降改善的途径与措施[期刊论文]-江西科学 2013(6)