铝电解阳极钢爪腐蚀的危害、原因及防腐技术

铝电解阳极钢爪腐蚀的危害、原因及防腐技术
铝电解阳极由铝导杆、钢爪和预焙炭块三个部分组成，钢爪连着炭块和铝导杆，承担阳极的重量，还要输送强大的电流。

在350~900℃的高温下，阳极钢爪易受到电解质、极上料、空气和电解烟气的侵蚀，同时还承受热应力、电磁力和碰撞力的破坏，很容易受到腐蚀。

钢爪腐蚀不仅会缩短其使用寿命，形成“细腰”现象，且钢爪被腐蚀后形成的腐蚀物会进入电解质中，影响原铝的质量、电流的分布以及对电解槽运行工况的正确判断。

所以减少阳极钢爪腐蚀，对延长钢爪使用寿命、提高原铝质量、降低生产成本有着重要的意义。

本文结合某铝厂300kA系列预焙铝电解槽阳极钢爪腐蚀问题，分探究钢爪腐蚀的危害、原因及过程并就当前铝电解工业阳极钢爪防腐技术的现状与进展进行介绍。

一、阳极钢爪腐蚀的危害
1．缩短钢爪使用寿命
当阳极钢爪腐蚀到一定程度腐蚀层自动剥落时，就会使钢爪“细腰”处的有效截面积减小，通过钢爪“细腰”处电流密度变大，作为导电体的钢爪产生的焦耳热就会变大。

加之高温电解质对钢爪的热辐射和热传导、阳极自身重量三者的共同作用下，就会使钢爪发生变形，严重时会导致阳极钢爪报废，缩短钢爪的使用周期，增加铝生产成本。

以某铝厂年产20万吨原铝为例，钢爪腐蚀严重时，阳极钢爪平均使用周期约为15个周期，远低于国外水平。

每年因腐蚀报废的钢爪超过1万根，修复费用高达1000万元以上，大大增加了生产成本。

2．降低铝液质量
在铝电解过程中，阳极钢爪表面被腐蚀，腐蚀层会脱落，大量含Fe的物质进入电解极上覆盖料和残极，导致阳极炭块和极上覆盖料Fe含量偏高，最终导致金属铝液Fe含量偏高，影响原铝的质量。

某铝厂资料显示，钢爪腐蚀严重时，铝液中的45~60%Fe(约550~650ppm)来源于电解返回料（也称极上覆盖料）或残极，原铝含铁量≤0.08%的槽子数占总槽数的百分比降至10%，波及到铝锭及合金的正常生产，影响产品质量和公司效益。

3．影响对电解槽运行工况的正确判断
通常铝生产者以铝液中Fe、Si含量的高低来判断电解槽是否漏槽。

在正常生产条件下，电解铝液中的Fe含量不超过0.1~0.2%,Si含量不超过0.15%。

当严重腐蚀、大量的含铁物质进入电解槽时，会使铝液中的Fe含量急剧升高。

此时就有可能误导生产者做出电解槽已经漏槽、须立即停槽的决定。

非正常停槽会带来巨大的经济损失。

4．影响阳极的浇铸质量
腐蚀形成的“细腰”使钢爪易向内弯曲，致使阳极钢爪轴向中心线和炭碗轴向中心线不重合，钢爪浇铸时磷铁水均匀分布效果较差，不利于阳极组装和阳极更换。

钢爪上形成的腐蚀层也会阻碍磷铁水的流动，浇铸的磷铁环质量较差，铁碳连接处电压降升高，情况严重时会造成阳极脱落。

5．影响阳极电流分布
首先，阳极钢抓腐蚀会使钢爪“细腰”处的有效截面积减小，通过钢爪“细腰”处电流密度变大，产生的焦耳热就会增大。

其次，钢爪的四个爪头由于腐蚀而直径差异较大时，对电流均衡分配不利。

腐蚀越严重的钢爪电流密度越大，导致阳极消耗差异较大，增加露底化爪的概率。

总之，阳极钢爪腐蚀严重时会出现爪头发红，钢爪电阻增加，极端情况会导致阳极脱落。

6．造成极上覆盖料的积压
在铝电解过程中，极上覆盖料在阳极更换过程中随残极送到综合车间进行清理，覆盖料经筛分破碎后返回电解车间在阳极更换收边时使用。

阳极钢爪表面腐蚀，腐蚀层脱落，大量含Fe物质进入极上覆盖料。

为了正常生产，就需要置换极上覆盖料，用新鲜的氧化铝替代极上覆盖料。

这样被置换下来的极上覆盖料会造成积压，实际上就是氧化铝原料的积压。

以某铝厂年产20万吨原铝为例，每年由于钢爪腐蚀造成的极上覆盖料高达2000多吨，增加公司的运营成本。

阳极钢爪被腐蚀会影响原铝的质量，电解槽系列中原铝含铁量≤0.08%的槽子数占总槽数百分比下降，造成电流分布不均，缩短钢爪使用周期，造成极上覆盖料积压，增加生产成本。

二、阳极钢爪腐蚀原因及过程
1．阳极钢爪腐蚀的原因
由钢爪腐蚀物化学成分可知，钢爪腐蚀主要是Fe发生氧化造成的。

从化学反应角度看，钢爪氧化需要高温及氧化性气氛两个条件，而电解体系中有氧化性的物质主要为O2、CO2、SO2、氟化物等。

有研究表明，在350~900℃的温度下，O2与Fe发生反应时△r Gθ为-1300~800kJ/mol；CO2、SO2、氟化物等物质与Fe发生反应时△r Gθ为-200~500kJ/mol，因此Fe更易被O2氧化。

通过以上分析可知，钢爪腐蚀主要因为Fe与O2发生氧化反应。

这也就解释了为什么钢爪腐蚀最严重的部位在中间，而不是下部温度最高的位置或上部空气最丰富的位置。

因为中间位置温度高同时槽上部空气又可以通过返回料渗透进入该位置，因此氧化腐蚀最强烈；而下部空气无法渗透进去，上部反应温度又不足，所以钢爪腐蚀不严重。

2．钢爪腐蚀过程分析
铁氧化为气固反应，本质上可以认为是一种电化学腐蚀，Fe失去电子而被氧化。

阳极钢爪表面腐蚀过程为：
•O2向金属表面扩散，经吸附、离解形或O2-，金属原子M失去电子氧化形成M2+；
•O2-通过氧化产物层向（M|MO)界面扩散，M2+通过氧化产物层向（MO|O2)界面扩散；
•O2-及M2+在氧化产物层外层（MO|O2界面），内层（M|MO界面），以及内部反应形成氧化物，随着氧化反应进行，氧化产物层逐渐变厚。

Fe与氧化性气体（主要是O2)反应时，产物层结构为：当570℃以上为3层：Fe2O3|Fe3O4|Fe x O|O2；
当570℃以下为2层：Fe2O3|Fe3O4|O2。

产物Fe2O3晶体与Fe3O4晶体结合牢固，但Fe x O晶体缺陷较多，容易分层，与金属Fe结合不牢，因此氧化产物层易脱落。

三、阳极钢爪防腐技术
Fe与O2发生氧化反应是阳极钢爪腐蚀的主要原因，温度和O2浓度是影响化学反应的主要因素，要想预防或者减缓阳极钢爪被腐蚀，可通过降低温度或降低O2浓度来实现。

当下通过铝熔盐电解法降低温度来预防或者减缓阳极钢爪被腐蚀是非常困难的。

所以，隔绝阳极钢爪与O2接触，降低O2浓度是防止钢爪腐蚀的主要研究方向。

目前，铝电解厂采用的阳极钢爪防腐方法有阳极覆盖料管理、阳极钢爪保护环、涂层技术、包裹技术等。

1．阳极覆盖料管理
阳极覆盖料管理，也称极上保温料管理，即在更换阳极后，在阳极钢爪四周，用粉状氧化铝或者极上返回料覆盖到最大极限（不能覆盖到爆炸焊接处为限）。

该法虽然降低了钢爪被空气氧化，但是变厚覆盖料的防腐方法对调节电解槽热平衡的可控性差，某种程度上，变更覆盖料厚度法未解决钢爪被氧化腐蚀的问题。

2．阳极钢爪保护环
阳极钢爪保护环即给钢爪套上一个保护环，将阳极钢爪与极上料、电解质等物质隔离，降低钢爪工作温度，减缓阳极钢爪被腐蚀，延长阳极使用周期，防止钢爪涮爪。

根据保护环的材质来分，可将保护环分为炭环、铝灰环、氧化铝环、金属基保护环、覆盖料基保护环等。

（1）炭环
炭环是铝电解厂最早使用的钢爪保护环，其制作工序为用
石墨、焦油、残极粉、沥青等原料按一定比例进行配料，经混捏、压制成型、焙烧等工序制作而成。

该法不仅减少了电解废
料对环境污染、降低了电解铝生产成本，还对阳极钢爪进行了
保护。

目前，大部分铝电解厂用炭环预防阳极钢爪腐蚀。

该法虽然能将钢爪与覆盖料隔离，但是未解决钢爪被电解烟气和空气氧化腐蚀的问题，而且炭环容易被氧化，所以只能一定程度减缓钢爪腐蚀。

（2）铝灰环
铝灰环就是将铝电解厂合金车间副产品铝灰经破碎、筛分、压制成型、烘干等工序制作而成。

以10~60%铝灰为基体，14~20%煤沥青为粘结剂，配入7~76%石墨粉和不高于30%石油焦或残极颗粒，经混捏、振动压实成型、焙烧制备阳极钢爪保护环。

该法的优点是铝灰、石墨粉和石油焦的掺配，降低了石油焦或残极颗粒的使用量，节省了优质炭素资源，提高了保护环的抗氧化性，降低CO2排放及保护环的制作成本。

（3）氧化铝环
炭环在使用过程中存在炭渣的脱落、污染电解质和铝液等问题。

为此，可用氧化铝粉代替炭素原料制备保护环，因为氧化铝不会污染铝液。

为了稳固氧化铝粉，目前常采用硬纸壳或牛皮纸围住钢爪，然后往中间空隙内灌入氧化铝粉。

以80~95%的氧化铝粉和5~20%的热固性酚醛树脂制成的铝电解阳极钢爪保护环，有效解决了阳极消耗量大，使用周期短等问题，同时改善铝电解槽内部环境，降低了炭渣量，提高了电解效率。