1 前言
近年来，由于铝电解产能过剩，铝价持续走低，2013年底，铝价跌至14100元/吨，铝电解行业出现行业性亏损。在铝电解变动成本中，碳阳极成本约占变动成本的12%。碳阳极是铝电解生产的主要材料之一，它的作用主要是将直流电导入电解质中，并参与电化学反应，铝电解生产中生产1吨铝需消耗碳阳极450～600kg/吨[1]。阳极消耗指标是铝电解生产中重要的经济指标之一，与阳极质量、高度、结构、生产管理、阳极电流密度等有关。阳极消耗每降低1kg/吨，增加经济效益约2元，因此降低碳阳极消耗可有效降低生产成本，增加企业经济效益。
2 铝电解生产过程中的阳极消耗
阳极消耗是铝电解中的一个重要消耗指标，统计时以生产1t原铝所消耗的阳极碳块的总量（净耗和残极之和），俗称阳极毛耗，阳极毛耗一般为450～600kg/t[1]。
图1 阳极消耗示意图[2]
2.1 碳阳极净耗
碳素阳极消耗分为电化学消耗、化学消耗和机械消耗，三者消耗之和在电解中俗称为净耗。电化学消耗主要碳与氧化铝发生电化学反应，在铝电解过程中，含氧络合离子在阳极表面放电与高温的碳反应并产生CO2和CO，CO2和CO以气体的形式离开阳极[2]。其电化学反应式如下：
式中N—CO2为体积百分数，%；（1-N）--CO体积百分数，%。
按照上述公式，当CO2气体为100%，生产1吨原铝需消耗阳极333.3kg/t，当CO气体为100%，生产1吨原铝需消耗666.7kg/t。按实际生产80%的CO2和20%的CO气体组成计算，生产1吨原铝需消耗阳极370Kg/吨[2]。在生产中，阳极净耗实际在400～450kg/t，阳极净耗远大于理论消耗，这是是由于阳极碳块的掉渣和氧化等额外消耗引起的。
2.2 残极
残极是指预焙阳极碳块在电解槽上使用以后的残余部分，在阳极使用周期内随着阳极被逐渐消耗，阳极机构带动阳极下降，以保证电解槽极距的稳定。当使用一定时间后，碳块变得很薄（13～18cm），为防止阳极钢爪被电解质熔化，必须更换新的阳极碳块组。铝电解生产中残极量一般占阳极总量的15～25%[1]。
3 降低阳极毛耗的措施
铝电解生产中碳阳极毛耗与阳极质量、阳极结构、阳极高度、阳极电流密度、阳极使用周期、生产管理等有关系。如何降低阳极毛耗？铝电解生产中一是使用质量好的阳极、加强阳极保温工作防止阳极氧化减少阳极净耗；二是改变阳极结构，减少阳极上体台重量；三是适当增加阳极高度和阳极电流密度；四是加强电解槽技术条件管理，使电解槽长期处于平稳状态，提高电解槽电流效率。在确保电解质能较好溶解氧化铝的条件下，降低电解质高度，延长电解槽使用周期。这些措施铝厂根据自身实际情况，可选择采用一种或多种措施降低阳极毛耗。
论文发表
3.1 某铝厂2008年至2010年阳极消耗情况
某铝厂160kA系列电解槽共130台，强化电流强度至168kA，年产能近6万吨，电解槽有24块阳极，阳极规格为1450*660*560mm，使用周期29天，残极平均高度为13～17cm。从2008年至2010年三年的统计数据看，平均阳极毛耗为508kg/t-Al，净耗为410kg/t-Al，残极消耗为98kg/t-Al。净耗和残极分别占阳极总重的80.56%和19.44%（具体数据见表1和图2）。
图2 三年平均阳极净耗和残极消耗
3.2 优化方案
该铝厂阳极一直采用集团内部单位生产的阳极，质量较稳定，没有出现阳极质量事故。电解槽生产平稳，操作良好，电流效率较为稳定。因此想通过提高阳极质量，提高电流效率，提高操作质量来降低阳极消耗的空间很小。针对生产实际运行情况，考虑阳极高度为560mm，阳极使用周期为29天，可以适当提高阳极，延长阳极使用周期，降低阳极消耗，适当增加阳极长度，降低阳极电流密度，确保电解槽有效极距。将阳极上梯台高度适当增加，减少阳极使用后残极重量，从而降低阳极消耗。于是对阳极结构进行优化，优化后阳极规格为1480*660*580mm，上梯台高度从原来的70mm增加到105mm，阳极重量从原来的755kg，增加至770kg，阳极使用周期从29天延长至31天（见图3和图4）。
图3 优化前阳极结构图
图4 阳极上梯台优化后的结构图
2010年12月底，碳素厂按图纸生产出优化结构后的阳极。2011年1月3日，选取三台电解槽采用优化后的阳极逐步替换原阳极，并将电解质高度由原来的170-190mm降低至160-180mm，通过近3个月时间进行现场试验，改进后的阳极使用到周期后，残极较为完整，高度平均为140mm，完全满足生产要求。4月开始在全系列推广应用。
4 优化后取得的效果
4.1 阳极消耗
2011年使用优化结构后的阳极，阳极毛耗降低至490kg/t，近三年阳极毛耗分别为490kg/t，484kg/t和484kg/t，残极率降低至15.29%，具体数据见（表2和图5）。
图5 2011-2013年平均阳极净耗与残极百分比图
4.2 阳极优化后与优化前毛耗对比
数据取优化前三年的平均值与优化后三年平均值对比，优化后，平均阳极毛耗降低22kg/t，残极消耗降低23kg/t，残极率降低3.66%。
4.3 阳极结构变化后对压降的影响
优化后，阳极高度增加20mm，阳极加长30mm，阳极电流密度由原来的0.7315A/cm2降低至0.7166A/cm2，阳极高度增加碳阳极压降，但阳极电流密度降低了碳阳极单位压降
根据欧姆定律，阳极压降为：v=d×ρ×h
公式中：V-阳极碳块压降，mV；
d -阳极电流密度，A/cm2；
ρ-阳极电阻率，Ω.mm；
h-阳极高度，mm。
不考虑上梯台和浇铸孔及长度尺寸对电流分布的影响，以上述公式计算，电阻率为60Ω.mm，优化后的阳极压降比优化前升高约3.6mv。
4.4 优化后获得的经济效益
某公司阳极采购价与残极销售价价差2000/吨左右，电价0.5元/kWh，生产原铝产能5.8万吨，电流效率90%，优化后阳极压降升8.6mV，以吨铝阳极毛耗节约22kg/t-Al计算。
吨铝减少阳极毛耗增加的效益为：
阳极高度增加减少的效益为：
年增加效益为：
近三年共增加经济效益约558.3万元。
4.5 优化后减少的工作量
优化后阳极使用周期延长，生产中换阳极数量减少，降低了现场工人劳动量，减少了对电解槽的干扰，这对稳定生产提高电流效率有益。
某公司系列共有130台168kA电解槽全部处于运行状态，每台电解槽有24块阳极，优化前阳极使用周期29天，优化后阳极使用周期31天，年减少换阳极数量为：
5 结语
（1）通过对阳极尺寸及结构进行优化，增加了阳极使用周期，降低了阳极残极率，从而降低阳极毛耗，将阳极毛耗从508kg/t-Al降低至484kg/t-A，应用后平均比优化前降低22kg/t-Al，减少换阳极数量2533件/年。
（2）优化后阳极压降有所上升，吨铝电耗有所增加，但是优化阳极结构后降低阳极毛耗比优化前更加经济。在电价0.5元/kWh，阳极价格与残极价格相差2000元/吨时，年增加效益186.1万元。
参考文献：
[1]王平甫，宫振.铝电解阳极技术[M].北京：冶金出版社，2010.
[2]邱竹贤.预焙电解槽炼铝[M].北京：冶金出版社，2005.
