阳极

第三章阳极

有人把阳极称为铝电解槽的“心脏”，这说明了在电解铝生产中阳极所起的作用有多大。所以，对现在所使用的活性阳极改进和新阳极的研发成为了每个厂家面临的问题。目前，好多厂家在阳极生产技术方面取得了很大的成果，先后研发出开槽阳极、高位阳极。另外，在惰性阳极的开发上也取得了实验性的进步，一旦惰性阳极投入使用，将大大降低铝电解的生产成本。

1开槽阳极

在电解生产中，电解槽内部产生许多气体，如CO2、CO、Al-O-F 混合气体以及CF气体。这些气体大部分是在阳极下部产生的。从理论上定性分析，气泡的行为大致可以分为三个阶段：（1）气泡在阳极扺掌生成长大与脱附；（2）阳极扺掌下，在压力梯度和流主导作用体引力起下的气泡运动；（3）阳极侧部，浮升力起主导作用下的气泡运动。气泡的运动将是电解质产生伴有濡动的对流运动，影响电流和磁场分布，使电解质—铝液界面产生波动，严重时电流完全切断而发生阳极效应。另外，气泡在阳极底部形成一定厚度的气泡层，同时在电解质中也有一定的气泡存在，这些无疑增加了槽电压，从而增加了电能消耗。从提高电流效率和降低阳极过电压的角度出发，我们希望气体尽快从阳极底掌排除，这样即有利于降低气漠过电压，又可以减弱二次反应，还可以减弱大气泡逸出对极距的干扰。提高阳极气体排出

速度的方式主要有两种，其一是加快电解质的运动速度，但这样以提高铝液流速和铝液在电解质中的扩散速率降低电流效率为代价；其二是缩短阳极气体的运动距离，这就是阳极排气沟技术的应用，它只需增加排气沟的制作费用。推广阳极排气沟技术可以实现阳极气体快速平缓逸出，降低气泡噪声，达到提高效率和降低电耗的节能目标。

1.1阳极开槽工艺

阳极开槽机有两种方式，一是在生阳极成形过程中成槽；另一种是生快焙烧后加工成槽。两种开槽方式都有各自特点，但对阳极生产成本和阳极在电解槽中的性能有很大的负面影响。

目前炭块底部开槽工艺，是在预焙阳极生块焙烧成为熟块后，再使用跣刀或圆盘锯等机械设备，在阳极底部进行开槽。在阳极快上用机械加工的方法开槽通常是在情理填充料之后。所使用的设备有装在心轴上的单片圆锯或装在同一心轴上的多片圆锯，锯片由齿轮驱动。

模具开槽是在生阳极块成型模台上配有扁条状突起物，使成型后的生阳极块上带有横沟。模具开槽工艺的突出特点是省时省力，在基本不改变原有平底预焙阳极的成型工艺的基础上只做简单改进，就能生产出优质的底部或侧部带槽的预备阳极，克服了现有开槽工艺存在的诸多弊端。针对不同形状、不同方法、不同深度的底槽或侧槽，通过改造现有成型模具，采用简易办法使之成形成槽，不仅产品合格率高，而且脱模轻松方便。

1.2开槽阳极类型和尺寸的确定

开槽阳极技术在国外已经属于成熟技术，基本不存在技术风险，而对我国来说却是新进发展的节能有效措施。关于阳极排气沟技术国内的介绍文献很少，只有中南大学的李哲教授等曾对排气沟对流体运动做过一定研究。因此，要确保开槽阳极于大型预备铝电解槽上成功应用并最大化的实现增效降耗的目的，必须设计选择恰当的阳极开槽类型和尺寸并配套实时相应的技术。预焙阳极块上开槽的种类和典型尺寸见表2-1.

表2-1 预焙阳极块上开槽的种类和典型尺寸

底部带槽的阳极炭块，开槽一般为纵向贯通一到三道，底部等距设置，曹宽约为10mm。国际上普遍采用双钩排气，沟深300到400mm。在我国大型预焙阳极电解生产中阳极开槽普遍采用纵向开槽，开槽原

则是“开槽方向指向中锋，使阳极气体从中锋排出”。

2高位阳极

国内原来铝厂大都采用阳极高度500至540mm左右，原阳极设计高度的选择，主要依据贵州铝厂和白银铝厂的经验，此经验数据主要受当时阳极制造技术限制。随着阳极制造技术的进步，为加大阳极高度，降低残极率，延长换极周期提供了技术支持；这是实现降低炭耗的有效途径。加高阳极，延长阳极更换周期，降低阳极总耗已成为铝电解生产稳定操作降低阳极炭耗的一种趋势。然而，随着阳极高度越大，则电解槽立柱母线越高，上部金属结构抬高，苛重加大。阳极电压降增加，一般阳极碳素部分平均电压降140V左右，如果采用610mm 高度与540mm高度相比，阳极碳素部分电压降升高至160V，平均升高20mV，每吨铝多耗电64.1kWh。此外，若阳极高度过高，不利于阳极上覆盖氧化铝的保温作用。所以要经济确定好阳极高度。

随着阳极高度的增加，电阻会增加（R=pl/S），当阳极炭块一定时，S为定值，随着l增加，则R相应增加）将造成阳极消耗功率P=12R 的增加，就使电耗提高。节约的炭耗和消耗的电能之间必有优值，其值就是阳极经济高度。考虑到国内阳极炭块的尺寸及阳极炭块高度的增加所带来的电耗，以及阳极大母线及钢爪的承重能力，再结合阳极高度与炭耗的关系并考虑到我国电费价格较高的特点，在阳极电流密度为0.69～0.73A/cm2较低情况下，为了节能，不易采用阳极炭块较高的尺寸，但在强化电解槽时，增加电流强度，提高阳极电流密度，

可以适当提高阳极高度，增加热损失，保持电解槽热平衡。

3惰性阳极

所谓惰性阳极，是指那些在目前通用的冰晶石—氧化铝熔盐电解中不消耗或微量消耗的阳极。当采用惰性阳极进行电解时，电解反应式为：

Al2O3→2Al(1)+1.5O2(g)

在1300Ｋ下，三氧化铝的分解电压是２．２Ｖ，这是由于阳极未参与反应，并且未能提供能量。因此理论能量消耗高达９.２４ｋＷ·ｈ／ｋｇ（Ａｌ）。

在理论上，惰性阳极和活性阳极两者之间的三氧化二铝分解电压相差１Ｖ左右，电耗量差约３ｋＷ·ｈ／ｋｇ（Ａｌ）．传统冰晶石—氧化铝熔盐电解的能量利用率是相当低的，不到５０％；而阳极是消耗性的，生产每吨铝需要６００ｋｇ炭阳极，炭质侧壁容易遭受腐蚀，电解槽使用期短。碳阳极占成本：５％～２０％、极距大，消耗巨大的电能。碳电极在生产过程中发生反应生产CO2、CF4、C2F6和大量的沥青烟气，造成了巨大的环境污染。

随着铝应用和铝冶炼的规模不断扩大，铝冶炼的发展面临着新的挑战，大力发展新技术势在必行。其中使用不消耗阳极(惰性气体)取代碳阳极已成为国内外广泛研究的课题，这是因为：（1）在应用碳阳极时，阳极上气泡大，阳极过电压达到0.4～0.6V,而应用惰性阳极时，阳极上气泡小，阳极过电压只有0.2V，这就可以找回0.3V；