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长寿命铝电解槽研究与开发

时间 2011-07-11 点击 1272
长寿命铝电解槽研究与开发
梁学民  冯冰  王有山  刘静
(河南中孚实业股份有限公司, 河南  郑州  451200)
    摘要:目前我国大型预焙槽普遍存在槽寿命短的情况,它直接影响工厂的整体效益。本文重点探讨一种新型铝电解槽侧下部结构设计和新型抗渗材料应用,对电解槽结构进行“精细设计”,期望达到提高电解槽寿命的目的。
    关键词:槽寿命;新型侧下部结构;新型阴极导电钢棒;新型抗渗材料;延长槽寿命
 
     前言
     目前,在我国,大型预焙槽的使用寿命不足1500天(1300天左右),与国际先进指标(2000-2500天)的差距甚远。随着电解槽向大容量(直流电流强度200-500KA)发展,电解槽的使用寿命既是铝业界愈来愈关注的一个反映生产技术水平高低的综合性技术经济指标,又是摆在铝业界面前的一项愈来愈突出的技术难题。因此,槽寿命成为当前困扰我国铝业界的头号问题。
据资料表明,直接影响铝电解槽寿命的五个环节的相对重要性百分数为:槽设计为20%、筑炉原材料为10%、筑炉工艺为20%、焙烧启动为25%、生产管理为25%。近年来随着筑炉工艺制度的建立、焙烧启动工艺的优化、生产管理水平的提高其相应的所占影响寿命的百分比而减少,而电解槽结构设计、筑炉原材料的重要性越来越明显。
 
    我公司技术人员根据中孚实业股份有限公司近几年来电解槽生产管理和电解槽大修刨炉经历,对铝电解槽寿命进行综合研究,致力长寿命电解槽探索和开发,在新型内衬结构和新材料应用方面取得了一些成果,达到对铝电解槽内衬进行“精细设计”设计目的。
     一、       新型铝电解槽阴极导电钢棒研究与开发
     目前铝电解槽所用的阴极导电体结构均是由阴极炭块与导电钢棒组合而成,垂直的阳极电流通过电解质、铝液层后,进入炭块层和钢棒,水平导出。由于钢棒截面均匀,镶嵌在炭块的沟槽中,电流在从垂直方向通过炭块进入钢棒时,由于炭块导电性远低于钢棒,电流在进入钢棒时,会在炭块中形成一定的分量的向出电端的水平电流,这种电流产生的磁场会对金属铝液层产生一个波动的力,造成铝液层的波动,从而影响电解生产,造成能耗高、效率低。目前,大型铝电解槽对磁场影响很敏感,虽然对母线系列进行了大量的优化,但阴极电流分布还不尽合理,阴极导电体内的电流流向还达不到要求。
为克服现有技术的缺陷,我公司研制了一种结构简单、组装方便、能够有效调整阴极炭块电流方向的异型钢棒。如图一所示,阴极导电钢棒由电流汇流段(1)、电流调整段(2)、和电流导出段(3)组成,其和传统阴极导电钢棒导电电流走向示意图如图二、三所示。
                                
                                   图一
                                  图二
                                  图三
     由于炭块的导电性远低于钢棒,钢棒汇流段较宽,与炭块上表面较近,电阻相对较小,把部分电流导向中部,电流调整段是一个斜面,电流通过时的阻力相对于中部逐渐增大,从而使传统钢棒流过此处逐渐增大的电流在通过此种钢棒时得以逐渐减小,从而提高电流的垂直度。应用此种阴极导电钢棒可有效调整阴极电流方向,减少电流的水平分量,减少对铝液层的磁干扰,提高生产效率。
二、       新型铝电解槽高抗渗材料研究与开发
在电解铝生产过程中,电解质熔体(Na与NaF)和铝液透过阴极炭块渗入到隔热层中,致使隔热层破损,保温性能变差。目前电解铝行业普遍采用干式防渗料来解决渗透问题,但是由于散状料在现场施工时需要捣打和震动设备压缩其密度,存在密度难以控制,空隙率大,质量波动大,使电解液易渗透,并且粉尘污染严重等诸多弊端,使用干式防渗料也很难保证施工质量与应用效果。
为克服以上弊端,我公司与郑州中实赛尔科技有限公司通过大量的实验室工业试验(试验式样如图四所示),研制出了一种施工方便,抗渗效果好且质量稳定、环保的防渗内衬材料——高效抗渗砖,已申请专利并应用在国家项目试验槽上,如图五所示。
 
图四                             图五
高效抗渗砖由于采用了特殊的成型工艺,与传统的防渗料相比空隙率低、贯通气孔少,抗渗透性能更高,从而提高了电解槽使用寿命;加入专门的结合剂和助熔剂,在特殊的烘烧工艺下排除结合水并有目的的堵塞形成的贯通气孔,达到高抗渗效果;高效抗渗砖在使用一个周期后,表面腐蚀层很容易与下层分离,只需去掉表面腐蚀层,腐蚀层以下可重复利用,节约大修费用。
三、铝电解槽阴极侧下部可压缩防渗结构研制与开发
根据几年来电解槽大修刨炉后破损情况:电解槽阴极碳块中间区域有大量的纵向裂缝并隆起;电解槽槽壳横向外凸变形较大。其主要原因是阴极碳块和钢棒在焙烧、启动及生产过程中受到较大的热应力,热应力无法释放便造成阴极碳块表面隆起、裂缝和槽壳横向鼓起。
目前电解铝工业生产用电解槽阴极内衬侧下部结构普遍采用高强浇注料砌筑,如申请人为贵阳铝镁设计研究院、公告号为CN2435406的中国专利公开了一种铝电解槽内衬机构,就是只在阴极炭块与槽体之间设置浇注层和保温层,由于阴极炭块与槽壳之间缺乏膨胀缓冲区,电解槽底部阴极炭块在生产运行中受热应力和化学应力作用下,在其长度方向上不可避免的产生膨胀,从而使炭块向上隆起加剧,并有可能造成底部阴极炭块产生裂纹、电解槽槽壳外凸变形等,严重制约着电解槽正常运行和使用寿命。且铝电解槽筑炉工艺中高强防渗料大量使用,由于其工艺包括加水搅拌、振动浇注、养护等工序,使用大量的能源、人力和设备投资,增加了劳动成本,致使筑炉施工周期普遍较长。
为解决以上技术难题,我公司技术人员的通过努力钻研,开发出一种结构简单,铺筑方便,能够缓冲膨胀、且防渗、并能有效延长槽寿命的新型铝电解槽阴极侧下部可压缩防渗结构。其特征主要是在耐火抗渗砖层与槽壳之间设置一具有可压缩性防渗耐高温层,取代浇注层。对比示意图如图六、图七:

图六  现有电解槽结构           图七 新型电解槽结构
此新型侧下部可压缩防渗结构有采用了可压缩性防渗耐高温层,在生产过程中大大缓冲了底部阴极炭块所产生的膨胀变形,从而降低了阴极炭块因膨胀受阻而产生的裂纹;具有较好的防渗性能和一定的保温性能,大大减少侧部漏炉的可能;极大的延长了电解槽的使用寿命。此外,可免去原筑炉工艺中的浇注料加水搅拌、振动浇注、养护等工序,节约了大量的能源、资源和设备投资,降低了劳动成本,大大减少了的筑炉施工周期;可减轻电解槽破损后刨炉作业的难度,具备可回收再利用的特性,因此在降低对环境污染的同时,也降低了企业生产成本。
 
综述
综上所述,我公司在我国目前尚缺乏对铝电解槽破损机理与规律的深入掌握情况下,对电解槽寿命在铝电解槽内衬设计及新型筑炉材料方面进行探索。新型铝电解槽阴极导电钢棒、新型电解槽结构和高效抗渗砖技术已申请专利并且正被应用在国家重大产业技术装备研制和重大产业技术开发专项“提高300KA级铝电解槽寿命关键技术”试验电解槽内衬中。三种新设计、新材料的综合应用的我公司320KA铝电解槽,槽寿命预期在2500天左右,达到国际先进水平。
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