预焙铝电解槽生产工艺与操作[1]

预焙铝电解槽生产工艺与操作实践 河南省铝冶炼工职业技能鉴定培训讲义 2005年 目录 绪论了解大型槽 认识大型槽 大型中心下料预焙槽的技术特点及管理思路第一章铝电解的基本理论第二章铝电解生产概况第三章铝电解槽的构造第四章铝电解槽的预热焙烧与启动第五章铝电解槽非正常期生产管理第六章铝电解槽主要操作第七章电解常规测量作业第八章铝电解槽正常生产管理第九章电解槽病槽及常见事故处理第十章铝电解槽破损与维护第十一章铝电解生产的计算机控制第十二章电解生产的电流效率第十三章电解生产的电能消耗与能量平衡第十四章主要技术经济指标核算第十五章铝电解生产管理第十六章铸造第十七章铝电解干法净化及原料输送 绪论 了解大型槽 认识大型槽 一 一 系列电流大 80kA80 160kA200 350kA1 输入热量多Q kI2Rt小槽怕冷 大槽怕热 避免热震荡 减小热冲击有关试验结论 300KA槽较长时间输入能量减少16 通过提高极距 减少电流 保持内部产生热量变化不大 从而对热平衡影响不大 强化散热意识 结构设计新材料应用热场计算合理重视铝水平管理 2 磁场力大F BIL 减小影响 保持规整槽膛减少水平电流较高铝水平 惯量m v 绪论 了解大型槽 认识大型槽 二 二 采用中心 中间 下料工艺1 下料点少而集中 4 6个点一线排列 提高AO的溶解性 保持槽底清洁 沙状AO 质水平适当高 高流速区选下料点 勤加工 少下料 低AO浓度 定期清理积料 调整加料 2 边部不加工 侧部热 炉帮易空 保持完好炉帮 加强侧部散热适当加工边部 三 阳极使用多块预焙炭块 24284020 2 1 阳极周期性更换 底部不平电流不匀 科学安排换极表提高换极精度保持较高的质水平 绪论 了解大型槽 认识大型槽 三 2 散热面增大 壳面增大25 30 阳极高矮不等 重视壳面保温1cm 60 90mv13 18cm四 使用计算机控制技术1 槽况的信息步入数据化 报表利用2 依赖合理技术条件的搭配 注重槽膛规整3 利用槽参数及 能量 物料 代用特征值判断槽况如 VAEAEAEWVVMTVV X日对策管理 处置量表 状态图 分析 图 表 指令表五 载氟氧化铝为主供原料 活性杂质流动性输送方式容积变化 第一章铝电解的基本理论 1 1铝的性质与用途1 自然界的铝铝是自然界分布极广 含量极丰富的金属元素 250多种矿物 活泼 无元素态 7 35 第三位占金属的三分之一 氧49 1 硅26 3 四 八位是FeCaNaKMg总占98 04 其余86种为1 96 物质状态 七态 气 液 固 等离子 超固 反物质 辐射场 金属基本分类 轻有色金属 铝109元素非金属18金属91种金属非金属O2Cl2FBS黑色金属FeMnCr有色金属轻金属AlMg重金属CuPbZn稀有金属Ta钽La镧Nb铌Zr锆贵金属AuAgPt半金属SiSe硒Te碲 铝电解的基本理论 一 2 关于铝第三周期3号主族元素 原子序号为13 可离解3个电子3s23p1 原子量26 98密度2 699 液态2 3 g cm3 熔点659 沸点2467 硬度为3导电系数36 37 10 4 1cm 1 为银的36 1 导热系数2 08J cm s 液 固收缩率6 6 线膨胀系数2 4 10 5 3 主要性质与用途 比重轻是Cu的三分之一航空航天业 导电性优良为同重铜的2倍电力 良好的防腐性建材 包装业 主要性质与用途 良好的导热反光性散热 反光材料 延展性好 可机加性强机械制造业 非磁性能精密仪器 再生利用率好为产量的15 18 成本仅5 与氧有很大的亲和力 能夺取许多金属氧化物中的氧 将其还原成金属脱氧剂 易于其他金属组成各种成分的合金汽车工业 铝电解的基本理论 二 1 2铝电解基本理论知识1 炼铝业发展史化学法 1825 18881825年丹麦H C Oersted 厄尔施泰 用钾汞齐还原 AlCl3 法 K Na NaCl AlCl3 Mg 1865冰晶石 电解法 1854 1854年德本生 Bunsen 法德维尔 Deville 电解氯化铝 氯化钠络盐1883年美布雷德利 Bradley 提出了氧化铝溶于熔融冰晶石电解的方案1886年美霍尔 Hall 和法埃鲁特 Heroult 同时申请了冰晶石 氧化铝熔盐电解专利H H法1888美匹兹堡两台610 400 5101 7 1 8kA16v23kg 2效率79 年产8 8 5t电耗约30000kwh t法1889英1890德1898奥1899挪威1906意1907西班牙1927苏19311890 产量180t 1930 27wt 1970 1025wt 2000 2400wt中国1936 1937 1952 1954 60kA2 5wt 1989 108wt 1999 263 113 wt 01 300 03 550 04 667 铝电解的基本理论 三 2 基础理论回顾 物质组成与变化 物理与化学 克原子 克分子 克当量 化学当量 摩尔 电流强度 电流密度 电阻 欧姆定律 分解电压 过电压 极化电压 两类导体直线方程 溶液 溶质 溶剂 溶 熔 液 物相铝土矿氢氧化铝氧化铝电解铝 原铝 铝锭 拜尔法 烧结 联合法 焙烧 氧化铝冰晶石 直流电高温 铸锭 铝电解的基本理论 四 3 电解质的性质初晶温度 熔点1008 过热度10 15 工业电解质 冰晶石 2 3 2 4 氧化铝 1 4 氟化镁 4 5 氟化钙 3 4 920 930 添加剂影响 氟化铝氟化钙氟化镁氟化锂氧化铝1 降温4 5 3 4 5 6 8 10 4 5 密度 单位体积所含物质的质量单位 g cm3900 1000 d铝 2 3g cm3d电解质 2 1g cm3相差约10 D冰晶石 3 053 0 832 10 3t1000 2 221 g cm3 导电度 物体导电能力的物理量 导电率 比电导纯冰晶石电导率2 8 0 02 工业电解质2 13 2 22 cm影响因素 温度氧化铝电解质含炭添加剂增 增 0 6 10 LiF增粘度表示液体质点相对运动的阻力 内摩擦力单位 pa s mpa s 纯冰晶石粘度2 8 10 3pa s粘度过大 流动性差 气体难排 电阻大粘度过小 氧化铝易沉淀 铝易溶解影响因素 温度成分氧化铝含量高 CR 降 表面性质液体抵消表面收缩的能力液 气间称表面张力液 液间称界面张力液 固间称湿润能力 用湿润角衡量液相组成 固体材料 气相组成 温度 90 湿润不良 90 湿润性好阴极 湿润良好 阳极与极化挥发性沸点以下液体分子逸出的程度 定温下蒸气压 在电解温度下电解质分子以气态逸出的现象为电解质的挥发性挥发性与沸点有关氟化铝氟化钠氟化镁氧化铝1260 1700 2240 2980 添加剂的影响 基本条件 不参与电化学反应 改善性质 吸水性挥发性小 价格低廉氟化铝 降分子比 降初晶温度 挥发大氟化钙 矿化剂 降初晶温度 界面张力氟化镁 加大炭界面张力 降初晶温度氟化锂 降初晶温度 8 10 增加导电度 1 3两极反应 阳极反应副反应O2 2e O2Al 溶 3CO2 Al2O3 3COC 2O CO2CO2 C 2CO阴极反应Al3 3e AlNa e Na4Al 溶 3C Al4C3总反应Al2O3 1 5C 2Al 1 5CO2 第二章铝电解生产概况 2 1铝电解生产工艺流程现代铝工业生产普遍采用冰晶石一氧化铝融盐电解法 电解铝生产以碳素材料为阳极 铝液为阴极 电解质为溶解有氧化铝的熔融冰晶石 经整流的强大直流电 数百kA 由阳极导入电解槽 经过 930 970 的 电解质与铝液层 由阴极导出 Al3 O2 分别在两极上进行电化学反应 阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体 其中含有一定量的氟化氢 HF 在阴极生成液体铝 铝液用真空抬包抽出到铸造车间净化后铸成成品铝锭 2 2铝电解所用原材料 1 主原料 氧化铝氧化铝俗称铝氧粉 分子式Al2O3 它是一种白色粉末状物料 熔点为2050 沸点约为3000 真密度为3 5 3 6g cm3 体积密度约为lg cm3 它的流动性很好 不溶于水 能溶于冰晶石熔体 它是铝电解生产中的主要原料 吨铝的理论消耗为1889kg t Al 实际消耗为1920 1940kg t Al 工业用氧化铝根据其晶体结构分为两种同分异构体 a Al2O3 Al2O3 铝电解对于氧化铝质量的要求主要是考核它的化学纯度和物理性能 Al2O3 1 5C 2Al 1 5CO210254x1000 x 102 1000 54 1889 kg t Al 1889 0 987 1 0 3 0 25 1924 5 1 化学纯度氧化铝质量首先是化学纯度要高 杂质含量和水分要低 因为氧化铝中那些电位比铝离子更正电性的元素的氧化物 如SiO2 二氧化硅 Fe2O3 氧化铁 在电解过程中会被铝还原 或者优先于铝离子在阴极析出 析出的硅 铁进入铝内 会降低铝的质量 而那些电位负于铝元素的氧化物 如Na2O CaO会分解冰晶石 使电解质成分改变 分子比升高 并增加氟化盐消耗 氧化铝中的水分同样会分解冰晶石生成HF 造成氟化盐损失 并增加铝中的氢含量 逸出大量的氟化氢污染环境 P2O5 V2O5 TiO2等杂质 则降低电流效率 我国氧化铝质量标准YS T274 1998 等级牌号化学成分 AO含量杂质含量 SiO2Fe2O3Na2O灼减一级AO 198 60 020 020 501 0二级AO 298 40 040 030 601 0三级AO 398 30 060 040 651 0四级AO 498 20 080 050 701 0 2 物理性能氧化铝的物理性能对于保证电解过程的正常进行具有重要作用 通常要求氧化铝具有吸水性小 在电解质中溶解性好 同时要求加料时飞扬损失小 活性大 粒度适宜 流动性好 能够严密地覆盖阳极 以防止阳极暴露于空气中被氧化 并很好保温 在烟气净化中有较好的活性 足够大的比表面积 能有效地吸收HF气体 这些物理性质主要取决于氧化铝的晶型 粒度和形状 按照氧化铝物理性能不同 一般分为三类 砂状 中间状 粉状 AL2O3俗称刚玉 是一种晶体结构完善 化学稳定性强的铝氧化物 氧化铝的种类 砂状氧化铝 AL2O3小于30 AL2O3较多 其颗粒为球状 平均粒度60 80微米 晶体表面疏松 比表面积大 活性强 流动性好 安息角25 30度 在电解质中溶解速度较快 粉状氧化铝 AL2O3较多 为80 95 其颗粒为片状或羽毛状 平均粒度20 30微米 安息角大于45度 流动性较差 中间状氧化铝介于两者之间 安息角35 40度 平均粒度30 50微米 AL2O3含量40 50 我国生产的氧化铝基本为中间状氧化铝 2 副原料 氟化盐 铝电解生产所用的溶剂主要是冰晶石和氟化铝 还有一些添加剂 如氟化钙 氟化镁 氟化钠 氟化锂等 统称氟化盐 其消耗为22 30kg t Al 1 冰晶石Na3AlF6 3NaF AlF3冰晶石有天然和人造两种 由于天然冰晶石储量极少 现代生产使用的冰晶石绝大多数为人工合成的 冰晶石是一种白色晶体 密度为2 95g cm3 硬度为2 5 熔点为1008 工业冰晶石是正冰晶石和亚冰晶石 5NaF 3AlF3 的混合物 分子比为2 0左右 有碱 中 酸之分 在铝电解生产中 冰晶石作为一种溶剂 理论上不消耗 在实际生产中由于挥发损失 碳素的吸附和机械损失等原因 使得冰晶石的损失量约为20 30kg t 冰晶石 氟化铝的生产 冰晶石生产以萤石 CaF2 95 为原料 酸法生产主要有两道工序 制酸CaF2 H2SO4 2HF CaSO4HF H2O 粗氟酸SiO2 6HF H2SiF4 2H2OH2SiF6 Na2CO3 Na2Si6 H2O CO2得精氟酸制盐6HF Al OH 3 H3AlF6 3H2O2H3AlF6 3Na2CO3 2Na3AlF6 3CO2 3H2O正冰晶石3NaF AlF3亚冰晶石5NaF 3AlF3氟化铝是由精氟酸与氧化铝泥浆起反应制得 3HF AL OH 3 AlF3 3H2O 在350 400 脱水得到AlF3 1 2H2O 冰晶石质量标准GB T4291 1999 等级化学成分 FAlNaSiO2Fe2O3SO4CaOP2O5H2O灼减不小于不大于特级5313320 250 050 70 100 020 42 5一级5313320 360 081 20 150 030 53 0二级5213320 400 101 30 2 0 030 83 0 副原料 2 氟化铝氟化铝是一种白色的细微粉末 颗粒比氧化铝稍大 流动性次之 它作为电解质的成分在电解槽中消耗比率最大 它作为一种添加剂 既可以补充电解质中的损失 又可以调整电解质的分子比 使分子比保持在一定范围 以保证生产技术条件的稳定 3 氟化钙氟化钙又称 萤石 是电解质的成分之一 其作用主要是对炉帮的形成有好处 可以使炉帮比较坚固 同时减低电解质的初晶温度 生产过程中要随电解质的损失而减少 由于氧化铝中少量的氧化钙与氟化铝反应可生成氟化钙 所以平时并不经常添加氟化钙 氟化钙只是在新槽启动时加入 副原料 4 氟化镁氟化镁可以改善电解质的性质 降低电解质温度 其作用与和氟化钙基本相似 5 氟化钠氟化钠是一种白色的细微粉末 易溶于水 作为一种电解质的添加剂 在装新槽料和启动是主要添加氟化钠 有些工厂用经济的碳酸钠代替氟化钠 这样可以加速电解质的沸腾与循环 有利于电解质成分均匀并降低成本 6 氟化锂氟化锂可以降低电解质的初晶点 提高电解质的导电率 使电解在较低的温度下进行 因此能够提高生产率 降低铝的能量消耗 但因其价格比较昂贵 在生产中没有得到大量应用 7 碳酸钠Na2CO3俗称纯碱 苏打 白色粉末 吸水性强 作用同氟化钠 是新启动槽的一种主要添加原料 Na2CO3 Na2O CO23Na2CO3 2Na3AlF6 12NaF Al2O3 3CO2 分子比升高 3Na2CO3 2AlF3 6NaF Al2O3 3CO2 分子比升高 比氟化钠价格低 易分解 添加效果明显8 碳酸锂 氟化锂 3Li2CO3 2Na3AlF6 6NaF 6LiF Al2O3 3CO2 3 阳极材料 在铝电解生产中 采用高温并具有很大腐蚀性的冰晶石 氧化铝熔盐电解质 要求阴 阳极的导电材料 必须能够抵御这种高温侵蚀性 且价格低而又能良好导电的 目前首选的只有炭素制品 因此 铝工业现均采用炭素电极 炭阴极和炭阳极 炭阴极的生产原料为高温煅烧无烟煤 石墨碎和煤沥青 炭阳极的生产原料为锻后石油焦和煤沥青 炭阳极的生产流程主要为煅烧 破碎 磨粉 配料 混捏 成型 焙烧 组装 在电解过程中 炭阴极原则上不消耗 只在破损后更换 炭阳极由于直接参与电化学反应而消耗 大型铝电解槽对炭阳极的基本要求 自焙槽阳极糊 预焙槽预焙阳极炭块 耐高温 膨胀率小 抗热震性好 强度高 具有较好的耐冲刷性 化学性质稳定 抗氧化和抗氟化物侵蚀性好 导电性 导热性良好 劣质阳极炭渣过多 槽温过高 效率过低 物料过耗 炉帮过空 发病过频 炭阳极的消耗 在铝电解生产中 阳极炭块不仅承担着导电作用 而且还参与电化学反应 阳极炭块质量的好坏 直接影响到铝电解的正常生产操作 阳极的消耗 原铝的质量和电流效率等技术经济指标 阳极的消耗可以表述为以下几种 理论消耗 393 400kg t Al纯电化学反应 净耗 410 420kg t Al含炭渣 氧化 总 毛 耗 530 540kg t Al含残极 消耗速度 1 40 1 50cm 日 1 理论消耗 Al2O3 1 5C 2Al 1 5CO21 5 122 26 98y1000y 18 1000 53 96 334kg t AlAl2O3 3C 2Al 3COx 667kg t AlWc X y 334 电解消耗 Al2O3 C 2Al CO2 CO式中N为CO2的体积百分比当气体比 70 3075 2580 20时阳极理论消耗分别为 392 381 371kg t Al3 1 7 1253 96x1000 x 3 12 1000 1 7 53 96 392 kg t Al 2 净耗NC 理论消耗 过耗过耗 氧化消耗 炭渣 不含残极的消耗 过耗率一般为5 8 约410 430kg t Al3 总 毛 耗 包含残极在内阳极总消耗 残极率 150 180mm 25 30 一般毛耗为520 560kg t Al阳极使用率 受炭块高度 残极情况 换极周期影响 总耗与阳极参数及质量相关 4 阳极消耗速度 阳极平均每天消耗的高度hc 式中hc阳极消耗速度cm dWc阳极净耗kg t Al420dk炭块体积密度g cm31 55i阳阳极电流密度A cm20 731 电流效率 92 hc 8 054 0 731 92 420 10 3 1 55 1 468 cm d 公式推导 dc Mc V Mc s hchc Mc sdc Wc MAl sdc 0 3356 24 I 10 3 Wc sdc 8 054 I阳 10 3 Wc dc 我国预焙阳极炭块质量标准YS T285 1998 等级灰分电阻率热膨胀率CO2反应性耐压强度体密度真密度 m mg cm2 hMpag cm3g cm3不大于不小于TY 10 50550 4540321 502 00TY 2080600 5050301 502 00TY 31 00650 5555291 482 00 第三章铝电解槽的构造 3 1 铝电解槽的发展冰晶石一氧化铝熔盐电解炼铝方法亦称霍尔 H H 法 是1886年美国Hall和法国Herorlt共同发明的 该法自1888年用于工业生产以来 为世界上铝工业生产一直沿用 一百余年来 随着铝电解生产技木的不断发展 以及能源成本的不断上涨 环境保护要求的日趋严格 电解槽的结构和容量也发生了重大变化 并不断地向大型化自动化发展 其改进过程大致是 小型预焙阳极槽 侧部及上部导电自焙阳极槽 中小型侧部加工预焙阳极槽 中间下料大型预焙阳极槽 3 2铝电解槽的分类 铝电解槽按阳极结构型式分为两大类四型式 自焙阳极电解槽 侧插棒自焙阳极电解槽上插棒自焙阳极电解槽预焙阳极电解槽 不连续预焙阳极电解槽连续预焙阳极电解槽铝电解槽按电流强度分为三个等级 小型电解槽 电流强度80KA以下中型电解槽 电流强度80KA 160KA大型电解槽 电流强度200KA 350KA槽型160kA以下160kA200kA级300kA级产能50 7 5 100 15 2 310 47 0 200 30 3 槽型选择 中间下料预焙阳极电解槽是采用点式下料器 每台电解槽有4 5个打壳下料装置 定期向槽中加料 具有工艺条件稳定 保持电解质中氧化铝浓度稳定的优点 并可以实现计算机智能控制 是一种高效率 低能耗 高产量 高劳动生产率的槽型 因此 现在国内外新建电解槽都采用中间点式下料预焙阳极电解槽 系列电流多为200 350kA 一般来说 现今建设规模为10万吨 年的铝厂适合采用160 240KA的电解槽 建设规模为20万吨 年的铝厂适合采用300 350KA的电解槽 3 3铝电解槽结构 工业铝电解槽通常分为阴极结构 上部结构 母线结构和电气绝缘四大部分 各类槽由于电流强度和工艺制度的不同 各部分结构也有较大差异 但基本结构形式却大体相类似 1 阴极结构阴极结构指电解槽槽体部分 由槽壳体 内衬砌体构成 两端进电电解槽的几何模型 多点进电电解槽模型 500kA 1 槽壳体槽壳为内衬砌体外部的钢壳 另含加固的摇篮架 它不仅是盛装内衬砌体的容器 而且还起着支承电解槽重量 克服内衬材料在高温下产生的热应力和化学应力 约束槽壳不发生变形的作用 槽壳在熔池部位必须具有较大的刚度和强度 为此 一般采用12一16mm钢板焊接而成 外部用型钢以一定形式加固 槽壳结构由无底槽的槽钢结构 有底槽的槽钢和型钢结构 发展到臂撑式结构槽壳 直到现今大容量的预焙电解槽都采用船形摇篮架槽壳 如图p25 3 5 2 内衬 电解槽内衬材料常见有四类 炭质内衬材料 耐火材料 保温材料 粘结材料 碳质内衬材料与电解质和铝液直接接触 受热冲击和腐蚀最大 内衬材料设计与质量 影响到电解槽的生产指标和槽寿命 上部要具有较好的散热性 以保证槽内上部形成规整的炉帮 槽侧下部和底部需要有良好的保温性 以保证电解所需温度 可节省电能 侧部采用绝缘 导热材料 底部保温材料的选择和组合应确保900 温度线落在阴极碳块下部 800 等温线位于干式防渗料上 内衬结构示意图 槽内衬材料分类 炭质衬材包括 底部炭块 侧部 炭 块及底部糊 耐火材料包括 耐火砖 干式防渗料及浇注料 保温材料主要有 硅酸钙板 硅藻土砖 轻质耐火砖 石棉板 氧化铝粉等 粘结材料主要指炭胶泥 水玻璃 腻子 炭化硅粘结料等现在新建铝厂槽内衬多采用底部铺砌石棉板 硅酸钙板 保温砖后 将干式防渗料铺在其上 用样板刮平 用砂石夯实后再铺砌阴极碳块 侧部采用氮化硅结合炭化硅砖 Si3N4 SiC 在生产中易形成稳定的炉帮 既保护了侧衬 又降低了槽侧壁的热损失 硼化钛复合层槽示意 Si3N4 SiC侧块复合形式 2 上部结构 槽体之上的金属结构部分 统称上部结构 可分为承重桁架 阳极提升装置 打壳下料装置 阳极母线和阳极组 集气和排烟装置 1 承重桁架承重桁架 图3 10 采用钢制的实腹板梁和门形立柱 板梁由角钢及钢板焊接而成 门型立柱由钢板制成门字型 下部用绞链连接在槽壳上 一方面抵消高温下桁架的受热变形 同时有利于大修时的拆卸搬运 门型立柱起着支承上部结构的全部重量的作用 2 阳极提升装置阳极升降装置有两种方式 一种采用蜗轮蜗杆螺旋起重器的阳极升降装置 一种采用滚珠丝杠三角板的阳极升降装置 蜗轮蜗杆螺旋起重器阳极提升装置由螺旋起重机 减速机 传动机构和电机组成 整个装置由4个或8个螺旋起重机与阳极大母线相连 由传动轴带动起重器 传动轴与减速箱齿轮通过联轴节相连 减速箱由电机带动 单电机一般7 5kw 双电机为5 5kw 2 与其相连的回转计可以精确的显示阳极母线的行程位置 滚珠丝杠三角板阳极提升装置 这种起重器左右各一套蜗轮蜗杆减速器和滚珠丝杠 起重器支架和阳极母线吊挂组成 如图3 10 p30 其工作原理为 滚珠丝杠向前推动时 三角板以杠杆原理带动阳极下降 当滚珠丝杠向后拉时则阳极上升 滚珠丝杠三角板阳极提升装置具有 结构简单 机械加工件少 易于制造和维修 传动效率高 造价低等优点 3 自动打壳下料装置该装置由打壳系统和定容下料器组成 一般从电解槽烟道端起安置4 5套打壳下料装置 出铝端另设一个打壳出铝装置 出铝锤头不设下料装置 打壳装置是为加料而打开壳面用的 它由打壳气缸和打击头组成 打击头为一长方形钢锤头 通过锤头杆与气缸活塞相连 当气缸充气活塞运动时 便带动锤头上 下运动而打击熔池表面结壳 下料装置由槽上料箱 下料器组成 料箱上部与槽上风动溜槽或原料输送管相通 筒式下料器安装在料箱的下侧部 4 阳极母线及阳极组阳极母线通过吊耳悬挂在螺旋起重器上 两端的母线用平衡母线连接构成一个框架结构 阳极母线靠小盒卡具使阳极导杆与其通过摩擦力接触在一起 进线端立柱母线与一侧阳极大母线通过软铝带焊接在一起 阳极碳块组由铝导杆 铝 钢爆炸焊块 钢爪和阳极碳块组成 铝导杆与钢爪用铝 钢爆炸块焊接 钢爪头与碳块用磷生铁浇注连接 磷铁含磷0 5 1 6 阳极组示意图见p31图3 10 阳极碳块有单块组和双块组之分 阳极碳块钢爪有三爪头 四爪头 5 集气和排烟装置电解槽上部敞开面由上部的水平罩板和槽周边若干铝合金槽盖板构成集气烟罩 槽罩板与铝导杆之间用石棉布密封 电解槽产生的烟气由上部结构下方的集气罩汇集到支烟管 再进入主烟管送到净化系统 为保证产生的烟气不滞留在集气箱内 在集气箱上部开出一排若干集气孔 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 支烟管上装有可调节烟气流量的控制闸阀 当电解槽打开槽罩作业时 可调节阀开到最大位置 通过加大排烟量 使作业时烟气捕集率仍能保证达到98 3 母线结构和配置 为了降低强大电流产生的磁场力的影响 人们采用了各种进电方式和母线配置方案 传统的中小型槽通常采用纵向排列 单端进电 阴极母线沿槽两大面直接汇集导向下一台槽的简单排布方式 现代大型预焙槽 都采用横向排列 双端或多点进电 出电侧阴极母线沿槽大面汇流 进电侧阴极汇流母线沿端部或槽底引出 采用这种非对称磁场补偿方案 可以削弱立柱 阳极母线以及列间相邻母线的磁场影响 磁场力作用下铝液 电解质流动及铝液面形状 300KA槽母线配置图举例 Q 300 S 300 G 300 4 电气绝缘 在电解槽系列上 系列电压达数百伏至一千多伏 20万吨系列一般为1200v 尽管人们把零电压设在系列的中点 但系列两端槽对地电压仍高达500V左右 一旦短路 易出现人身和设备事故 而且 电解槽用直流电 槽上电气设备用交流电 若直流窜入交流系统 会引起设备事故 因此 在电解槽上设置绝缘物不仅是保证设备和人身安全的重要措施 也是防止直流电旁路 槽上部绝缘大于2 0M 槽对地应大于1 0M AP 18 France AP 30 Bahrain AP 30 France 现代铝电解厂鸟瞰 第四章铝电解槽的预热焙烧与启动 铝电解槽的预热 焙烧 与启动 是铝电解生产过程中两个重要阶段 新建系列电解槽及大修后的电解槽 或由于某种原因临时停产未经大修又重新投产的电解槽 二次启动 在进入生产之前 必须经过焙烧与启动这一环节才能转入正常生产 焙烧与启动这一过程在电解槽的整个使用期内虽然时间不长 但对电解槽的使用寿命 保证电解正常生产却有重要的影响 4 1电解槽预热焙烧的目的和方法 电解槽预热焙烧的目的 1 加热并焙烧阴极 提高阴极温度 对阴极碳块间缝和槽周边的扎糊进行烧结焦化 以形成密实的炭素槽膛 2 烘干电解槽内衬材料 通过一定时间的缓慢加热 以排除槽体内耐火材料 保温材料 浇注材料等砌体的水分 3 提高槽膛温度 使阴 阳极温度接近或达到电解槽生产温度 以能顺利启动 预热焙烧方法 l 铝液预热法 用铝液作电阻体的电预热法 2 焦粒焙烧法 用焦炭颗粒作电阻体的电焙烧法 3 石墨粉焙烧法 用石墨粉作电阻体的电焙烧法4 燃料预热法 用油 天然气或煤气进行燃烧预热的方法 其对比如下 1 铝液预热法 铝液预热法是在电解槽内灌入一定量的铝液 覆盖在阴极表面上 并且与阳极接触 构成电流回路 产生热量 预热电解槽 铝水预热法一般需7 8天 由于铝液本身电阻很小 大部分热量则由阴极和阳极产生 对于预焙阳极电解槽 阳极通过高温焙烧后 电阻值较小 阴极采用半石墨化碳块 电阻值也不大 所以总发热量不大 升温速度较慢 过程中需通过提升阳极来提高槽电压 铝液预热时电解槽可一次通入全电流 铝液灌入电解槽内 可使阴 阳极良好地与液态铝水接触 可一次将阳极拧紧在母线梁上 毋须增加中间导体 铝液预热法的优点 l 操作简便 不需增加任何其他工具和材料相配合 2 电流 温度分布均匀 不会出现严重的局部过热现象 3 阴极碳块中水分挥发排除缓和 升温梯度小 温度上升慢 可减小阴极碳块热裂纹 4 启动后电解质清洁能省工省料 铝液焙烧的缺点 l 高温熔化铝水直接冲击阴极碳块表面 会使阴极碳块受到强烈的热冲击 影响阴极内衬寿命 2 当阴极有缝隙时 铝水会过早注入其中从而成为铝液渗透通道 为炭化铝的生成提供条件 引起阴极早期破损 3 由于电阻小 预热温度上升较慢 故预热时间较长 一般须7 8天 低效高耗 2 焦粒焙烧法 焦粒焙烧法是在阴 阳极之间铺上一层煅烧过的焦炭颗粒 其厚度为15一20mm 焦粒粒度在1一4mm之间 电解槽通电后 焦粒层作为电阻体在阴 阳极之间产生焦耳热来预热电解槽 同时 阴极和阳极本身的电阻也产生热量 在其内部预热 因阳极碳块直接坐在焦粒层上 为解决预热过程中产生的热应力 阳极导杆与阳极母线之间用临时导电软母线联接 因为这种软连接可以使阳极碳块有一定的活动自由度 以释放在焙烧时焦粒上抬的膨胀力 并使阳极重量能全部压实在焦粒上 保证阳极与焦粒良好接触 以获得均匀的阴阳极电流分布 在启动前拆除临时导电软母线 焦粒焙烧有如下优点 l 焙烧采用逐渐升温预热 电流分布均匀 也避免了灌入高温铝液时对碳块和扎缝的强烈热冲击 2 焦粒电阻值比铝液大 升温快 焙烧时间短 使用分流器可以控制预热速度 提高焙烧效果 好 3 焙烧启动期间熔化的首先是电解质 电解质液渗入预热期槽底阴极小裂缝中 冷凝后起到堵塞裂缝或修补缺陷的作用 可以有效预防槽早期破损 有利提高槽子寿命 焦粒焙烧的缺点 l 由于焦粒的密实程度及与阴阳极接触程度的影响 若铺焦不匀 装极不当 会使电流分布不均 阴极表面温度不均匀 可能产生局部过热现象 2 由于电流要分数次逐步提升 不能一次通全电流 需要使用分流器和阳极导杆导电软带 复杂了操作过程 3 启动后电解质碳渣多 需要较大量的清除碳渣 费工费料 焦粒焙烧的装炉方式 全满料 热利用好 干法 电解质通路 中缝空 湿法启动方便 注意保护阴极 全空腔 伸腿升温快 调整阳极方便 热利用率低 焦粒焙烧72h槽底温度典型分布 3 石墨粉焙烧法 石墨粉焙烧法是将石墨粉铺设在槽底作电阻体 阳极与阳极大母线用软连接方式全电流通电焙烧 温度达到700 800度时 灌入电解质启动 现在也有些工厂采用焦粒石墨粉混合焙烧法此法除与焦粒焙烧的优点相似外 还有如下特点 1 操作方便由于石墨粉电阻率低 不需分流器可以全电流通电焙烧 2 由于石墨粉粒度细 铺设厚度大 阳极与其接触良好 使得电流分布均匀 温度均匀 此法的缺点是在焙烧终止时 温度不够高 灌入电解质后只能用效应启动法 使槽底升温过快 焦粒石墨粉混合焙烧法 4 燃料预热法 加热采用燃烧喷嘴喷射火焰 在阳极上面加盖保温罩 使高温气体停留在槽内 并防止冷空气窜入 火焰在阴 阳极之间燃烧 依靠传导 对流和辐射 将热量传输到其他部位 此法的最大优点为升温快 可以控制加热速度 使阴极表面均匀受热 节省电能 其缺点是操作比较复杂 只能控制表面温度 内部温度靠热传导 温差较大 火焰燃烧时易使阴极和阳极表面烧损 焦粒焙烧期的管理 分流器的管理 发红 拆除 软连接的管理 分流与拆除槽温的管理 阳极电流分布均匀阳极的管理 钢爪 4 4铝电解槽的启动 铝电解槽启动的条件 1 阴极表面60 70 的温度达到900 以上 2 电解槽内60 的面积有10 15cm熔融电解质铝电解槽的启动方法有两种 即干法启动与湿法启动 前者通常在新电解厂开动时尚无现成的液体电解质的情况下头一 二台槽使用 系列中其他槽多采用湿法启动 即向槽中灌入一定量的电解质 在灌电解质的同时提升阳极 使电解槽完成启动 湿法启动又分为效应启动 槽电压20 25v 和无效应启动 槽电压小于12v 一般为10v左右 第五章铝电解槽非正常期生产管理 电解槽从启动结束到正常生产 需要一定的过渡时期 在这期间 电解槽将继续预热 使槽体建立起热量平衡 它从启动初时的高槽温 高槽电压 高电解质水平 高分子比以及高效应系数 逐渐达到具有足够高度的电解质液和铝液水平 并调整NB达到物料平衡 全面建立起合理的技术条件 使电解生产转入正常生产 非正常期一般需要2 3个月的时间 期间 电解槽要建立稳固 规整的槽膛 其他技术条件亦应调整到位 它是保证正常生产的先决条件 必须引起足够的重视 5 1启动初期的管理 非正常期槽子的特点 槽体 特别是槽底仍处于冷态 920 热平衡未形成 槽衬焙烧不彻底 需继续焙烧 技术条件未能建立 要摸索调整 槽膛没有形成 宜通过高槽温 高槽电压 高效应系数 高质水平 高分子比进一步建立热平衡 5 2启动后期管理 电解槽启动后24小时即可灌铝 灌铝后的电解槽即进入启动后期 目的 这期间电解槽将逐渐转入正常运行 虽然技木条件变化不甚激烈 但电解槽的运行却发生着质的变化 一是各项技术条件逐步过渡到正常生产控制范围 二是形成一定的槽膛内型 三是能量平衡 物料平衡逐渐建立 稳定 当这些变化完成之后 电解槽即进入了正常 启动后期管理的好坏是电解槽能否平稳进入正常生产及获得良好的经济技术指标的关键 1 技术条件的控制启动后期的管理主要有 槽电压 电解质成分 电解质水平 铝水平 分子比与效应系数管理等 1 电压管理电解槽从启动经过初期阶段 槽电压已从7一8V下降到5 5一4 8V 但正常生产槽的工作电压只有4 10v左右 因此必须在启动后的非正常期内逐渐将电压降到基准值 启动后一周槽电压可降到4 3v 每天约降0 1v以后每10 15天约降0 1v 一个月后降到4 15 4 18v 2 电解质分子比管理 对于新启动槽 电解质的分子比要求较高 第一周应在2 8以上第一个月内应保持在2 7 2 8以上 以使电解槽能够以高分子比结晶形成坚固的槽帮 保证进入正常生产期后具有稳定规整的槽膛内型 另外新启动槽阴极内衬会以较快速度吸收含钠盐 NaF 为满足内衬的吸收钠 也需要在启动初期保持较高分子比 电压与分子比管理 时间161218244872965天6天7天第二周第三周第四周h 4后后电压876664 84 74 64 54 44 34 254 24 15v 9 8 7 6 5 5 5 4 18分子比2 90以上2 852 82 7 分子比 氟化钠分子 摩尔 数 氟化铝分子 摩尔 数 2 氟化钠重量百分数 氟化铝重量百分数过量氟化铝5 8 10 12 5 13 分子比2 672 502 402 292 26 调整分子比的计算 使用分子比计算公式QAlF3 2P K1 K2 K2 2 K1 QNaF P K2 K1 2 K1使用重量比计算公式QAlF3 P K1 K2 K2 1 K1 QNaF P K2 K1 1 K1式中 p 槽中液体冰晶石部分的质量K1 K2 分别为调整前后分子 重量 比 1 某300kA槽15t成分 CaF25 Al2O33 分子比2 5 1 25 要调到2 3 1 15 加AlF3 P冰晶石部分15000kg 1 5 3 13800kgQAlF3 2P K1 K2 K2 2 K1 2 13800 2 5 2 3 2 3 2 2 5 533 3kgQAlF3 P K1 K2 K2 1 K1 13800 1 25 1 15 1 15 1 1 25 533 3kg2 某新启动槽20吨成分CaF25 Al2O32 8 分子比2 68 2 85加Na2CO3 3Na2CO3 2Na3AlF6 Al2O3 12NaF 3CO23 10612 42 0 631QNaF 20000 1 5 2 8 K2 K1 2 K1 18440 2 85 2 68 2 2 68 669 8kg 422 6kg 0 631 3 电解质水平管理新槽启动后 电解质水平要求较高 目的是通过足量的液体电解质储蓄较多的热量 有利于电解温度的保持和槽衬吸收及炉帮结壳的需要 电解质水平第一周宜保持在280一300mm 第二周保持在240 270mm 第三至第四周220一240mm 第四周以后逐渐保持在200 220mm 电解质高度的控制主要是通过控制槽电压来控制槽内热量输入及冰晶石添加量 电解槽启动后随着槽电压的降低 槽内热收入减少 电解质温度下降 电解质便沿着四周槽壁结晶成固体 从而使电解质水平逐渐下降 4 铝水平管理新槽启动12 24小时可分两次或一次灌入铝水 因此时槽膛较大 铝水高度一般控制在150一170mm 之后由于槽电压逐渐降低 槽帮逐渐形成 槽膛容积逐渐变小 铝水高度会增加 因此 应根据槽膛形成情况适当控制出铝量 启动后 三周内炉膛变化较大 无法通过三点测量一次决定5天吸出量 故须每天在出铝前进行出铝端一点测量而确定出铝量 5 效应系数管理由于新启动槽前几周无电解质结壳建立起的炉膛 其保温差 散热量较大 而且前期内衬吸热 电解槽热支出较大 再加上电解质分子比高 其初晶温度高 虽然前期有较高电压维持热收入 但炉底仍然容易出现过冷现象 致使电解质在炉底析出而形成炉底结壳 一旦出现此种情况很容易导致形成畸形炉膛 严重影响电解槽转入正常生产 另外会使阴极内衬出现裂纹 爆层 起坑等危害 导致电解槽早期破损 因此 新启动槽前期必须保持足够的炉底温度 适当增大效应系数 通过效应产生的高热量使炉底沉淀及时熔化掉 保持炉底干净 启动后期效应系数一般为1 0 1 2次 槽日 6 换极与出铝从启动第二天起开始按换极顺序每天更换阳极 随后根据顺序表依次更换 原则上启动第三天开始出铝 第一个月电流效率按80 以后按实际效率计算 为解决第一换极周期的高残极问题 也可以采取前三分之一周期压极 后三分之一双倍换并利用高残极的办法 这样 第一换极周期一般应比正常少2天左右 第二周期按正常进行 后详 2 槽膛内型的建立 电解槽正常生产应具备两个条件 一是各项技术条件达到正常生产范围 二是槽内建立起规整的槽膛内型 槽膛内型是指由槽内四周侧壁表面沉积的一层由冰晶石和刚玉组成的结壳 形成一个椭圆形的结壳槽膛 它是热 电的绝缘体 能够阻止电流从侧壁通过 阻止热量向四周散失 并把槽底的液体铝挤到槽中央部位 使铝液镜面收缩 有利于提高电流效率 电解槽生产中常见有三种不同的槽膛内型 1 冷槽槽膛 图7 1 a 此槽膛边部伸腿长而肥大 有的延伸到阳极之下 致使炉底冷而易起沉淀 电解质温度低而发粘 氧化铝溶解性能差 时间长了炉底便长成硬壳 使电解槽上部返热熔化槽帮 形成畸形槽膛而引发病槽难以管理 2 热槽槽膛 图7 1 b 此槽膛的边部伸腿薄而短 甚至无边部伸腿 铝液 电解质液摊得很开 直接与边部内衬接触 这种槽一是铝损失量增大 二是易出现边部漏电 产生水平电流 大幅度降低电流效率 三是易烧穿边部 引起侧部漏槽 3 正常槽膛 图7 1 c 正常槽的边部伸腿均匀分布在侧部四周 铝液被挤在槽中央部位 电流从阳极到阴极成垂直通过 具有这种槽膛内型的电解槽技术条件稳定 电解槽容易管理 电流效率很高 因此 在新槽炉膛建立过程中 必须避免形成过冷或热槽炉膛 第六章铝电解槽主要操作 铝电解槽作为炼铝的主要设备 运行过程中需要人工结合设备进行操作 电解槽的主要操作有 定时加料 NB 槽电压调整 RC 阳极更换 AC 效应熄灭 AEB 出铝 TAP 抬升母线 RR 铝水 电解质 M B 测量 边部加料 IRRF 捞碳渣 停槽作业 6 1阳极更换 AC 阳极更换周期是由阳极高度与阳极消耗速度所决定的 阳极消耗速度与阳极电流密度 电流效率与阳极假密度有关 hc 8 054 i阳 Wc 10 3 d阳 若阳极电流密度增大 电流效率提高 阳极消耗量大 阳极更换周期即缩短 根据阳极使用周期和电解槽阳极安装组数 便可确定阳极更换顺序 例 200kAi阳 0 730A cm2 91 Wc 425Kg t Ald阳 1 55g cm3h 570mm残极高155mm换极周期 hc 8 054 0 73 425 0 91 10 3 1 55 1 467 cm d H 570 155 14 67 28 28 28 天 1 阳极更换的原则为 一是要相临的阳极要错开3天以上时间更换 二是要母线梁两侧新旧阳极应匀衡分布 阳极更换必须交叉进行 简单说就是 相邻错开 交叉更换下表列出了某300KA20组双阳极更换顺序表 这种更换顺序基本上满足了以上要求 2阳极更换操作换极过程中重点质量控制工序为 与计算机联系 捞电解质块 新极安装精度 指安装的新极与残极底掌相平 加好覆盖料等环节 换极中 残极提出时槽电压会有少许上升 新极安装后扎边部加入了少量的氧化铝进入电解质中 若不与计算机联系 计算机若按常规处理 即作电压调整和定时自动加料 这样 阳极大母线会在残极提出后位置下降 换阳极时进入的氧化铝成为计划外的多余量 带来槽内氧化铝过剩 所以换极前应通知计算机 计算机便转入阳极更换程序控制 不作电压调整 监视该槽电压变化 待新极安装完毕后 待槽电压回复后 自动恢复到正常电压控制 并推迟下次下料时刻 计算机过程控制参数过程附加电压加电压时间停NB时间 mv 分钟 分钟 出铝80306换极1004010边加工1206015 提残极时会掉部分大结壳块于槽内 此结壳块会影响新极安装精度 大结壳块顶住阳极而不能安装到位 之后会在新极下会形成炉底沉淀 或接触阳极底掌造成阳极长包 从而影响电解槽正常运行 因此 残极提出后必须把掉入槽内的结壳块干净地捞上来 新极安装后会在一段时间内不导电或仅部分导电 16h约导50 24h导80 90 比热极消耗少 所以新极安装位置应比残极提高1 5 2 0cm 这样才能保证24小时后新极满负荷导电时阳极底掌有最大的水平度 使阳极电流均匀分布 新极装好后覆盖一定厚度的氧化铝 其作用为 一是防止阳极氧化 二是加强电解槽上部保温 三是迅速提高钢一碳接触处温度 减少接触电压降 保温料覆盖料一般为15cm左右 为确保新阳极的安装精度 现场采用两种方法 多功能天车装有阳极定位装置的 天车工按步骤操作 准确地定出残极在槽上的空间高度 并将此高度转换到新极上 定出新极的安装位置 操作过程参见多功能天车操作基准 第二种方法是在多功能天车无定位装置情况下 采用自制卡 兜 尺定位 该方法的实质是用卡尺将阳极安装高度从残极转给新极 定位过程见图6 1 阳极更换作业规程 作业准备 1 确认槽号 极号 从换极周期表中查出拟换极所在的槽号及相应极号 并记入作业日记 2 备块 准备好碎结壳面块 新阳极碳块 3 准备好操炉工具 换极作业步骤 1 揭开槽罩 以所换极为中心 视极数揭开三块或四块槽罩 2 扒料 用铝耙呈扇形将应换极上的氧化铝浮料和边部可扒出的电解质块 3 联系计算机 按槽控箱上的 更换阳极 键 与计算机取得联系 4 开缝 指挥天车工下降多功能机组打壳装置 打开拟换极四周的结壳 靠邻前两天所换极一侧不需开口 当换两块极时 必须打开两块极中间结壳 5 拔出残极 指挥天车工下降多功能机组 阳极提升装置 卡住导杆 下降阳极扳手 旋松卡具 缓慢地将阳极拔出 并吊离电解槽至通道位置 6 画线 用卡尺底部水平贴紧残极底掌 把水平母线上的下划线与卡尺对齐并在卡尺上画线 同时观察阳极的形状 看阳极是否有长包 掉角 氧化 化爪 裂纹等异常现象并作记录 然后指挥天车把残极吊至残极清理架放好 7 勾块 进行 三摸一推 大钩等工具把落入槽内的块勾出来 i 摸炉底情况 察看炉底是否有沉淀 结壳块 阴极破损等 进行处理并记录 ii 摸相邻残极的情况 检查邻极是否有裂纹 长包 化爪等异常 如有裂纹 化爪则提前换极 如有长包则提极清理 并记录清楚 iii 摸侧部炉帮状况 iv 将炉底沉淀推开 8 新极定位 天车工把残极吊至残极清理架上后 吊回一块新极 用卡尺底部水平贴紧新极底掌 以卡尺上划线为基准在新极导杆上水平画定位线 导杆上定位线应比卡尺上定位线低1 5 2cm 在此过程 注意检查阳极是否合格 不合格的不能用 160kA24组阳极换极周期26天 A面1919132137151152317换序阳极一二三四五六七八九十十十号一二B面换序20142248181042216126 新槽阳极更换举例 12345678 91011121314151617 残极剩余寿命17161514131211109A1B3A6B8A10B12A7B5 A2B7A9B11OA4B2A8B10A12 压极八天 正常换极 18192021222324