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第一章绪论
20世纪80年代以前,工业铝电解的发展经历了几个重要阶段,其标志的
变化有:电解槽电流由24kA、60kA增加至100~150kA;槽型主要由侧插棒式(及
上插棒式)自焙阳极电解槽改变为预焙阳极电解槽;电能耗资由吨铝22000kW·h
降低至15000kW·h;电流效率由70~80%逐渐提升到85~90%。
1980年开始,电解槽技术打破了175KA的壁垒,采用了磁场补偿技术,配合点式下料及电阻追踪的过程控制技术,使电解槽能在氧化铝浓度变化围很窄的条件下工作,为此逐渐改进了电解质,降低了温度,为最后获取高电流效率和低电耗创立了条件。在今后的年份中,吨铝最低电耗曾降低到12900~13200kW·h,阳极效应频率比以前降低了一个数量级。
80年代中叶,电解槽更加大型化,点式下料量降低到每次2kg氧化铝,采用了单个或多个废气捕集系统,采用了微机过程控制系统,对电解槽能量参数每
5s进行采样,还采用了自动供料系统,减少了灰尘对环境的影响。进入90年代,进一步增大电解槽容量,吨铝投资较以前更节约,但是大型槽(特别是高出300kA)能耗其实不低于80年代初期较小的电解槽,这是由于大型槽采用较高的阳极电流密度,槽由于混杂效率不高而存在氧化铝的浓度梯度;槽寿命也有所降低,由于炉帮情况不理想,而且随着电流密度增大,增加了阴极的腐化,以及槽底积淀增加,后者是下料的频率比较高,而电解质的混杂程度不足造成的。尽管这样,总的经济情况还是优异的。
年代以来,电解槽的技术发展有以下特点:(1)电流效率达到96%;
(2)电解过程的能量效率凑近50%,其余的能量成为电解槽的热损而耗散;
(3)阳极的耗资方面,-Al;
(4)尽管设计和资料方面都有很大的进步,但是电解槽侧部仍需要保护性
的炉帮存在,否则金属质量和槽寿命都会受负面影响;
(5)保护电解槽的热平衡(和能量平衡)更显出重要性,既需要保证极距以产生足够的热能保持生产的牢固,又需要合适增大热损失以形成圆满的炉帮,提升槽寿命。
我国的电解铝工业可自1954年第一家铝电解厂(铝厂)投产算起,至2010
年已有56年历史,在电解槽设计中,已掌握“三场”仿真技术,在模拟与优化
方面采用了ANSYS和MHD等软件;能较好的办理电解槽的磁场、流场、热-电平衡等问题,为大型和特大型预焙槽的设计和制造确定了基础。
我国近几年开发应用的200kA及其以上容量的大型预焙铝电解槽均获取了较好的技术经济指标,以目前已开发应用的最大容量铝电解槽--350kA预焙槽为例,主要技术经济指标为:%;直流电耗13310kW·h/t-Al;阳极
净耗397kg/t-Al。
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第二章现代铝电解槽结构及预焙阳极炭块
现代铝工业已基本裁汰了自焙阳极铝电解槽,并主要采用容量在160kA以
上的大型预焙阳极铝电解槽(预焙槽)。
工业铝电解槽平时分为阴极结构、上部结构、母线结构和电气绝缘四大多数。
各种槽工艺制度不相同,各部分结构也有较大差异。图2-1是我国一种200kA预焙阳极铝电解槽结构图[1]。
图2-1我国一种200kA预焙阳极铝电解槽结构图
1-混凝土支柱;2-绝缘块;3,4-工字钢;5-槽壳;6-阴极窗口;7-阳极炭块组;
8-承重支架或门;9-承重桁架;10-排烟管;11-阳极大母线;12-阳极提升机构;
13-打壳下料装置;14-出铝打壳装置;15-阴极炭块组;16-阴极衬
上部结构
槽体(金属槽壳)之上的金属结构部分,统称上部结构,它分为承重桁架,阳极提升装置,打壳下料装置,阳极组,集气和排烟装置。
阳极炭块组
阳极组由炭块、钢爪和铝导杆组成,炭块有单块组和双块组之分,按钢爪数
量有四爪和三爪两种。钢爪与炭块用磷生铁浇注连接,与铝导杆一般采用铝-钢爆炸焊连接。与单块组不相同的是,双块组使用一根铝导杆连接着两块阳极。
阳极起落装置
预焙槽阳极提升装置有两种,一种是螺旋起重器式的起落机构;另一种是滚珠丝杠三角板式的阳极起落机构。
阳极提升装置为螺旋起重器起落机构,它由螺旋起重机、减速机、传动机构
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和马达组成。4个螺旋起重机与阳极大母线相连,由传动轴带动起重机,传动轴与减速箱齿轮经过联轴节相连,减速箱由马达带动。当马达转动时便经过传动机构带动螺旋起重机起落阳极大母线,固定在大母线上的阳极随之起落。提升装置安装在上部结构的桁架上,其行程为400mm,在门式架上装有与电机转动相关的辗转计,能够精确显示阳极母线的行程值。
承重结构
承重桁架如图2-7所示,下部为门式支架,上部为桁架,整体用铰链连接在槽壳上,桁架起着支承上部结构的其余部分和全部重量的作用。
图2-2一种200kA预焙阳极铝电解槽承重桁架结构图
1-桁架;2-支架或门;3-铰接点
加料装置
预焙铝电解槽上使用线下料装置,多数位于两排阳极中央空间部位,每次打
壳下料的间隔时间为60~120min。打壳机构分为铡刀型、刀齿混杂型,依照一
定间距固定在槽纵向中央可起落的工字钢梁上,其上部安装线加料定容器。定容
器由两条钢组成,两端用轴联接。
集气装置
预焙槽由上部结构盖板和槽周若干块可人工搬动的铝合金槽罩密封,分别由若干块大面罩、角部罩和小面罩组成。槽子产生的烟气由上部结构下方的集气箱齐集到支烟管,再进入墙外总烟管而到净化系统。
为了保证换阳极和出铝打开部分槽罩作业时烟气不大量外逸,支烟管上装有可调治烟气流量的控制阀,当电解槽打开槽罩作业时,将可调治阀开到最大地址,,使作业时烟气捕集率还可以保证达到98%。
阴极结构
电解铝工业所言的阴极结构中的阴极,是指盛装电解熔体(包括熔融电解质与铝液)的容器,包括槽壳及其所包括的衬砌体,而衬砌体包括与熔体直接接触的底部炭素(阴极炭块为主体)与侧衬资料,阴极炭块中的导电棒、底部炭素以下的耐火资料与保温资料。阴极的设计与建筑的利害对电解槽的技术经济指标
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(包括槽寿命)产生决定性的作用。阴极结构包括:槽壳结构,衬结构。
母线结构
整流后的直流电经过铝母线引入电解槽上,槽与槽之间经过铝母线串通而成,所以,电解槽有阳极母线、阴极母线、立柱母线和软带母线;槽与槽之间、
厂房与厂房之间还有联系母线。阳极母线属于上部结构中的一部分,阴极母线排布在槽壳周围或底部,阳极母线与阴极母线之间经过联系母线、立柱母线和软母线连接,这样将电解槽一个一个地串通起来,组成一个系列。
绝缘设施
在电解槽系列上,系列电压达数百伏至上千伏。尽管人们把零电压设在系列中点,但系列两端对地电压仍高达500V左右,一旦短路,易出现人身和设施事故。而且,电解用直流电,槽上电气设施用交流电,若直流窜入交流系统,会引起设施事故,需进行交、直流隔断。所以,电解槽好多部位须要进行绝缘。
在铝电解生产中,由于所采用的冰晶石—氧化铝熔盐电解系统拥有温度高、腐化性强等特点,作为阴、阳两极的导电资料,耗资量特别大。迄今为止能够抵
御这种强高温熔盐的腐化、且价格廉价而又拥有优异导电的,唯有炭素制品。所以,铝工业上均采用炭素电极——炭阴极和炭阳极。
阳极在电解槽的上部,是铝电解槽的心脏,它肩负向电解槽导入直流电和参加电化学反响的任务,阳极质量和工作情况的利害,直接影响着铝电解生产的主要工艺技术指标,诸如能量效率和电流效率,同时也直接影响着铝电解的生产成本;其余,炭阳极质量利害与铝电解生产过程的牢固性和工人的劳动强度亲近相关。铝电解生产对炭素阳极的基本要求以下:
要求阳极拥有优异的物理化学性能,减少阳极对空气和二氧化碳反响活性,以求达到降低炭耗、延长阳极更换时间、减少电解槽含炭渣量的目的。
要求阳极拥有优异的电化学性能,以求达到提升阳极电化学反响活性,降低电解过程中电能耗资的目的。
要求阳极杂质含量要少,省得在电解过程中进入成品而影响产质量量。
要求阳极质量更平均、更牢固,以求达到电解槽牢固操作和进一步降低阳极效应系数的目的。
铝电解预焙阳极由起初焙烧好的多个阳极炭块组成,每个阳极炭块组由2~4
个阳极炭块及导杆、钢爪等组成。预焙阳好多为中止式,每组阳极可使用l8~28天。当阳极炭块被电解反响耗资到原有高度25%左右时,为了防范钢爪消融,必定将旧的一组阳极炭块吊出,用新的炭块组取代,取出的炭块称为“残极”。我国铝厂、铝厂、铝厂、铝厂、铝厂、铝厂都有预焙阳极电解槽系列,总生产能力
达40万t。正在建设的轻金属研究院沁阳280kA预焙阳极电解试验厂,将成为我国铝电解工业试验基地。
预焙阳极的操作主要有吊出残极、清理残极、新炭块组组装、安装新炭块组
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等。由于预焙阳极操作简单,没有沥青烟害,易于机械化操作,易于电解槽大型化和高效益[1]。所以,外国新建大型铝厂多采用此种阳极。
尽管我们在阳极的物理化学及电化学性能方面睁开了好多应用研究,但由于受原料和现行生产工艺等客观条件的限制,我国的阳极质量还是不能够很好地满足生产的要求。要改变目前铝电解用炭阳极的不良工作情况,应从以下几方面着手。
第一,是从根本上对铝电解用阳极进行“革命”,那就是采用“惰性阳极技术”。长远的生产实践表示,传统的炭阳极最大的弊端就在于它是属于耗资性电
极,由此以致其必定进行周期性的更换,这样必然会带来多方面的问题:其一是大量的优异炭素原资料被耗资,这是原料的浪费;其二是由于需要如期更换,导
致电解槽电流分布和电解槽电解用炭阳极的综合性能热平衡经常碰到破坏,建立新的平衡需要补充热量,这是能源的浪费;其三是炭阳极在工作过程中拥有很高的过电位,以致电解槽工作电压提升,也就是增加了电解过程中的能耗;其四是由于炭阳极在使用过程中不平均氧化和炭粒零散,使电解质中积累炭渣,以致电解电流效率降低;其余,阳极的经常更换也增加了工人的劳动强度和工时。作者
认为在研究预焙阳极改性技术的过程中,以下几点不容忽视:1)增加剂原料的本源要广,价格要相对廉价;2)增加剂合成要简单,易于工业生产;3)增加剂的合成应尽量与阳极生产工艺相结合,可节约人力和设施的投入;4)增加剂的加入不对电解产品组成污染[2]。
我国的铝用预焙阳极主要朝以下三个方面发展:
环境保护
由于铝电解工业发展的诸多问题,以致了我国目前铝用预焙阳极发展的无序
状态,特别是众多自焙铝电解槽的改造,大有将铝电解工业的污染转移到阳极生
产工业的趋势。我国除少许与大型电解铝厂自己配套的炭素厂,如铝厂、铝厂、
平果铝厂等采用了较先进的环保技术外,大多数由阳极糊生产厂而发展起来的预
焙阳极生产厂都没有采用环推荐措。随着国家对环保政策的日益严格及人们对环
保意识的提升,我国已建、扩建、在建及拟建的预焙阳极生产厂将采用先进的环
保技术,如VIR反响器技术等,完好解决预焙阳极焙烧的环境污染问题;对于
沥青消融时的烟气污染,预焙阳极废残品的破碎、煅后石油焦的破碎、筛分等的
粉尘污染以及球磨系统的噪音等尚需进一步开发研究治理技术。
节约能源
我国众多的预焙阳极生产厂,较宽泛地存在着能耗高的问题,主要表现在罐式煅烧炉余热排空,焙烧炉燃烧系统没有实现自动控制技术,其余,还有相当一部分企业采用落后的倒焰窑焙烧技术,与国际先进水平存在较大差距,阳极能耗花销是国际先进水平的2倍。为此,采用新式的节能技术,达到节能降耗、降低生产成本、提质提产是各个生产企业追求发展的方向。目前,我们应大力实行已
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成熟的煅烧余热利用技术,积极引进与消化焙烧炉自动燃烧新技术,使我国的预焙阳极生产的能耗降低30%~50%。
提升预备阳极生产质量
尽管我国铝用预焙阳极生产获取迅猛发展,但所生产的预焙阳极质量(除
极少许出口的外)与国际先进水平对照仍有较大差距,应努力全面提升预焙阳极质量[3]。
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第三章阳极炭块在铝电解生产中的重要性及生产工艺
阳极炭块的组装是将阳极导杆,铸钢爪和预备阳极炭块组合为一体的工艺过程。阳极炭块组一般为单块组,也有双块组或三块组,铝电解槽由8~32组阳极炭块组组成。铝导杆用铝合金(95%Al+5%Si)制作。铝导杆与钢梁之间的联接用爆炸焊,钢梁下面焊接圆柱形钢爪。阳极炭块有布置钢爪抓头的炭碗。用振动成型生产的阳极炭块一般在振膜上油特地制炭碗的装置,成型,制碗一次完成。
阳极炭块一般使用周期为20~28天,阳极炭块直接放在铝电解槽的电解质中,并参加阳极反响。
每个预备阳极炭块组由三个部分组合而成,即铝导杆,铸钢爪和预焙阳极炭块。它们之间(导杆和铸钢爪之间)经过焊接,磷生铁浇注连接为一体,阳极炭块组如图4-1所示。
图3-1“单块组-四爪”阳极组结构表示图
预焙阳极(CarbonPrebakeAnode)是预焙阳极电解槽的重要组成部分,它由多组阳极炭块组和阳极提升机构部分组成,它参加电化学反响并把电流导入电解槽。每组阳极炭块由1~3块阳极炭块,阳极铝导杆和钢爪起初组成,其中以单块阳极组使用最为宽泛。炭块的数量和尺寸依照电解槽的容量和电流密度而定(一般为10~40组)。这些炭块组在槽成堆地排列在阳极水平母线的左右两侧,炭块组的铝导杆靠可转动的卡具固定在水平母线上,铝导杆起着输送电流和悬挂组的双重作用。阳极提升机构是起落阳极的机构。随着炭阳极的耗资,阳极机构带动阳极炭块组下降,当降至最低地址时,借助阳极提升机构,经过转接母线作业把水平母线提升,以保证在电解过程中阳极起落机构连续带动阳极炭块组下降,使阴阳极间的间距相对牢固。现代大型预焙阳好多采用自动控制。
长远的生产实践表示,炭阳极质量的利害,直接或间接影响着铝电解的各项经济技术指标,诸如电流效率、电能耗资、阳极炭耗等。所以,炭阳极在电解
铝工业中不能防范地处于举足轻重的地位,素来被业人士看作为铝电解槽的“心脏”。第一,阳极质量的利害直接影响着铝电解生产的主要工艺技术指标,诸如
能量效率和电流效率,同时也直接影响着铝电解的生产成本;其次,炭阳极质量
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的利害与铝电解生产过程中的牢固性和工人的劳动强度亲近相关;再者,炭阳极在工作中对环境的污染程度已经越来越碰到人们的关注,其中特别是针对自焙阳极铝电解的生产技术方面,外国均采用了一系列甚至是逼迫性的措施。随着世界铝电解技术的快速发展和环保意识的增强,合适于规模化操作和大型化生产以及环境污染相对较轻的预焙槽电解铝技术已经成为世界铝电解技术的主流。在我
国,从20世纪90年代后期就明确规定,要在新世纪初基本停止自焙槽电解炼铝,这标志住我国的铝电解工业将由过去的自焙槽生产为注意转变为向大型预焙槽
方向快速发展。但是,阳极的“质量问题”依旧将是阻拦我国铝电解整体水平向世界先进水平靠拢的主要阻拦之一,进一步提升我国阳极生产工艺技术也许在现有工艺技术条件的基础上改进作为预焙铝电解槽“心脏”的炭阳极的物理化学和电化学性能指标,能够有效地降低铝电解的生产成本,牢固铝电解生产操作和提升铝电解生产效率,对促进我国铝电解工业的发展,提升我国铝工业在国际市场上的竞争力有着不能小瞧的作用
阳极炭块的生产工艺包括原料的预碎、煅烧、破碎、筛分分级、配料,粘结
剂的预办理、混捏,混捏后的糊料成型、焙烧及清理加工,工艺流程图见图5-1所示。
图3-2阳极炭块生产工艺流程
碳素原料在间隔空气的条件下进行高温办理的过程。国煅烧石油焦的主要
设施有罐式煅烧炉和辗转窑。罐式煅烧炉依照物料与加热气流的流动方向,可分为顺流式罐式煅烧炉和逆流式罐式煅烧炉两种。煅烧石油焦的真空密度为
3
-1
。我国石油焦的煅烧多在碳素厂
~,粉末电阻率小于
650uΩ·m
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或铝厂进行。
破碎筛分破碎和筛分是指将煅烧石油焦破碎,依照配方要求筛分和磨粉分成不相同粒级的料,装入各自的料仓的过程。
配料按既定的配方进行。配方依照原料、产品的种类及性能要,经过科学实验和工业实践而获取。不相同产品的配方是不相同的。
阳极糊的典型配方见表3-1:沥青含量占总糊料的(28±3)℅。
表3-1阳极糊的典型配方
粒能/mm+4-4+2-2+1-1粉料
含量/℅﹤223±313±3余量483
预焙阳极炭块的配方有大颗粒配方和小颗粒配方两种,沥青含量依照干料配方和成型工艺而有所不相同,一般为16℅~18℅。
混捏的目的是使各种不相同颗粒的骨料平均混杂,使消融的沥青浸润颗粒表面,并浸透焦炭部的孔隙。在粘结剂粘结力的作用下,全部颗粒互相粘结起来,
形成拥有塑形的糊料,有利于成型。一般用中温煤沥青时混捏温度为(145±5)℃,用高温煤沥青时混捏温度为(18±5)℃。常用的混捏设施是中止式的混捏锅或连续混捏机。
阳极糊的成型较简单,铸成500kg以上大块或15kg以下的小块后冷却,使用时直接加载电解槽上部即可。但干阳极糊平时为1kg以下的球型小块。
阳极炭块平时用两种方法成型:震动成型和挤压成型。挤压成型设施采用水压机或油压机;振动成型采用专用的振动成型机组。振动成型法是目前大型铝电解厂制造阳极炭块宽泛采用的方法,生产率高,生产炭块质量好,且可直接之城炭碗。
80年代我国引进了先进的多工位振动成型机组,在一个可转的工作平台上,
连续完成下料、振动成型、脱模推出工序,使成型得以连续进行,大大提升了生产效率。
阳极炭块的焙烧目的是排出挥发分、使粘结剂焦化并与固体颗粒牢固地粘结在一起,提升炭块的机械强度和导电性能。生阳极块经板式输送机送入焙烧车间,经碳块编组站编为7块一组,置于专用的编组架上,产品装炉时由多功能机组一次夹2组碳块(共14块)装入焙烧炉。填充料的装、出炉操作,采用1台多功能
机组和1台填充料专用装出炉机组共同完成。生阳极的焙烧采用一台54室敞开式焙烧炉,共设3个火焰系统,每个火焰系统6室运转,焙烧曲线为26~30h/室,每个炉室8个炉箱,炉箱尺寸5300mm(长)×800mm(宽)×5600mm(深),每箱装3层,每层装7块,每个炉室装168块。焙烧炉用焦炉煤气作为燃料。按编制的时间表,
将装好生阳极炭块的焙烧炉室接入加热系统,加热系统烟气温度为1200℃,整
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个加热升温过程用计算机进行控制。经156~180小时完成加热焙烧后切断热源
走开加热系统,对炉室进行逼迫冷却,冷却到规定的时间后出炉。
生阳极炭块装入焙烧室时,需要在炭块周围和顶部填充焦粉,以防范炭块在高温焙烧时接触空气氧化。加热系统的火道采用负压运转,部分填充焦粉、生阳极炭块高温焙烧过程原料沥青中的挥发份等从焙烧室缝隙吸入火道被燃烧。
阳极焙烧分4个区,工作区-冷却区-加热区-预热区。6个室一周转。工作区为1个室,冷却区为1个室,加热区为1个室,预热区为3个室。工作区为装、出阳极区,冷却在冷却区由鼓风机逼迫通风冷却,风在冷却阳极的同时,自己也获取预热,热风作为加热区的一次空气助燃,燃烧后的废气进入预热区预热阳极。
焙烧阳极出炉时,第一用填充料装出炉机组去除覆盖在阳极上的填充料,尔后用多功能机组将两个炉箱的阳极(共14块)一次吊出送到清理站解组并清理,由阳极清理机组的机械刮刀机械清理,同时抽风吸尘。经清理及测试后合格的阳极炭块送到碳块库由堆垛天车堆垛储藏,外售。
在焙烧过程中,从焙烧炉排出的含有沥青焦油及粉尘的焙烧烟气进入净化系
统办理。炭阳极的焙烧对生产出高质量的预焙阳极起重视要的作用[5]。
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