分類號 密級 U D C 編號 程碩士學(xué)位論文 論 文 題 目 230解槽焙燒啟動與 生產(chǎn)工藝技術(shù)條件的優(yōu)化 學(xué)科、專業(yè) 冶金工程 研究生姓名 華桂林 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 李 劼 教授 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘 要 要 大型預(yù)焙鋁電解槽節(jié)能降耗和焙燒啟動技術(shù)一直是國內(nèi)外鋁電解生產(chǎn)管理和科技工作者關(guān)注的重點(diǎn)。 作者通過多年鋁電解理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累， 以 230電解槽的焙燒啟動和生產(chǎn)技術(shù)條件為研究對象， 從眾多角度對鋁電解槽焙燒啟動和鋁電解生產(chǎn)過程的相關(guān)技術(shù)條件進(jìn)行了優(yōu)化研究，獲得了如下研究成果。 1、通過對生產(chǎn)現(xiàn)場的鋁電解槽原焙燒啟動方案的剖析，發(fā)現(xiàn)了其存在的不足，并提出改進(jìn)的被燒啟動方法。生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用改進(jìn)的焦粒焙燒啟動新方法，可以使電解槽的陰陽極電流分布更加均勻，升溫速度更加合理，槽溫分布更 均勻，從而避免了電解槽局部過熱的現(xiàn)象；此外，采用新的焙燒啟動方法可以使扎固糊焦化良好，從而有效延長電解槽的壽命，降低噸鋁生產(chǎn)生本。 2、根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場電解槽電流效率低的狀況，從電解質(zhì)溫度、分子比、氧化鋁濃度、陽極效應(yīng)系數(shù)、 極距、槽電壓、電解質(zhì)水平以及鋁水平等方面對電解工藝技術(shù)條件進(jìn)行了全面優(yōu)化。 生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果表明，優(yōu)化后的電解槽與對比槽相比，電流效率提高了 系列電流效率達(dá)到了 3、改進(jìn)的焙燒啟動技術(shù)和優(yōu)化工藝條件的實(shí)施，加上后期的科學(xué)管理，為系列電解槽平穩(wěn)運(yùn)行打下 了良好的基礎(chǔ)，一年的綜合考核結(jié)果表明，技術(shù)改進(jìn)后的電解槽不僅獲得了高效低耗運(yùn)行，同時也降低了工人的勞動強(qiáng)度，更有利于延長電解槽的使用壽命。 關(guān)鍵詞： 鋁電解槽 焙燒啟動 工藝技術(shù) 優(yōu)化 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 in to by In to s in 30kA as of in of as in of of of so to of of of in as as 南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 目 錄 錄 摘 要. .一章 文獻(xiàn)綜述.電解發(fā)展歷史 . 金屬鋁及其用途 . 熔鹽電解鋁技術(shù)的歷史與發(fā)展 .代鋁電解技術(shù)的基本原理 .代鋁電解生產(chǎn)基本工藝流程.電解槽及電解槽系列. 鋁電解槽槽型結(jié)構(gòu)剖析 . 現(xiàn)代鋁電解槽結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢 .代鋁電解槽焙燒啟動技術(shù). 焙燒的目的和過程分析 . 電解槽啟動技術(shù) .課題研究的目的和意義.二章 230型預(yù)焙槽焙燒啟動優(yōu)化技術(shù)實(shí)踐研究 .述 .30焙電解槽主要技術(shù)特點(diǎn)及工藝參數(shù)5.焙燒啟動方法的剖析 . 原焙燒啟動方法的選擇. 原焙燒啟動方法的實(shí)施7，8. 原焙燒啟動方法存在的問題.燒啟動技術(shù)方案的優(yōu)化 . 230焙陽極電解槽焦粒焙燒啟動技術(shù)要點(diǎn)分析. 230焙陽極電解槽焦粒焙燒啟動優(yōu)化措施研究.燒啟動優(yōu)化技術(shù)實(shí)施效果評價 . 214#和 319#槽焙燒啟動優(yōu)化效果評價. 412#槽焙燒啟動優(yōu)化效果評價 .章小結(jié) .三章 230焙槽電解生產(chǎn)技術(shù)綜合優(yōu)化研究 .南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 目 錄 述 . 30焙槽原有的生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)及問題剖析.30焙槽生產(chǎn)技術(shù)條件優(yōu)化匹配研究. 電解溫度. 分子比. 氧化鋁濃度 . 陽極效應(yīng)系數(shù) . 極距和槽工作電壓 . 電解質(zhì)水平 . 鋁水平 . 其它條件的優(yōu)化 .章小結(jié) .四章 結(jié)論與展望.考文獻(xiàn).致 謝. .南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 1第一章 文獻(xiàn)綜述 電解發(fā)展歷史 屬鋁及其用途 鋁在自然界中分布極廣，其資源豐富，在地殼中的平均含量為 僅次于氧與硅，居第三位。此外，鋁是一種可回收性很高的金屬，在工業(yè)用的結(jié)構(gòu)金屬材料中，鋁廢料的可回收性是最強(qiáng)的。建筑鋁門窗、廢舊汽車鋁件等在使用幾年或幾十年后，幾乎沒有腐蝕損耗，經(jīng)熔煉后金屬實(shí)收 率可達(dá) 9296，在某種程度上可以說是一種“可再生的”資源，是一種“取之不盡”的資源1 - 2。 宇宙飛船，飛機(jī)，船舶，火車及其它運(yùn)輸設(shè)備的制造、房屋、橋梁及構(gòu)架建筑、電纜、電器、雷達(dá)各種輕、重型機(jī)械和精密儀表的制造，稀有金屬冶煉等等，都需要使用鋁或鋁合金。鋁用在電氣工業(yè)上制造高壓電線、導(dǎo)電板、電纜、電器及各種電工制品，可以顯著地節(jié)約投 資。鋁 的導(dǎo)熱性能好，廣泛用來制造散熱器，冷氣設(shè)備、熱交換器，電熱器具和飲具等。利用純鋁的耐腐蝕性良好這一性質(zhì)，石油化工工業(yè)常用鋁及鋁合金制作各種耐腐蝕性的設(shè)備和儲運(yùn)用容器。鋁還具有良好的光和熱的反射能力，表面拋光后，能制作質(zhì)量高的反光鏡，又能作保溫材料。鋁在撞擊情況下不產(chǎn)生火花，故在易燃、易爆的要害部門的某些重要機(jī)構(gòu)和零件常用鋁制造。鋁粉的用途也很廣，粗鋁粉是煉鋼的脫氧劑，也是鋁熱法的主要原料?？捎盟€原鉻、錳、鎢、鋇、鈣、鋰等難還原的金屬。細(xì)鋁粉主要用作顏料、焰火及泡沫鋁等。食品包裝方面，廣泛用鋁作飲料罐、罐頭盒子等。 在鋁中加入相應(yīng)的元素可制成各種鋁合金。 鋁主要是以加工材料的形式進(jìn)入消費(fèi)市場的。目前，世界原鋁總產(chǎn)量的 70%左右被加工成加工材。由于鋁材具有一系列優(yōu)良的物理，化學(xué)性能和綜合使用性能，除航空，航天等軍事工業(yè)大量需要外，其應(yīng)用范圍已經(jīng)滲透到幾乎所有的工業(yè)部門和人們的日常生活用品中，成為國民經(jīng)濟(jì)，國防建設(shè)等領(lǐng)域的重要金屬材料。 鹽電解鋁技術(shù)的歷史與發(fā)展 有關(guān)鋁的文字記錄最早出現(xiàn)于公元一世紀(jì)羅馬作家蓋斯 普利紐斯（ 論文集。但是準(zhǔn)確的說，鋁的問世應(yīng)是 1825 年。至今雖然為時不長，但鋁冶金發(fā)展較快，它的發(fā)展過程大致可分為三個階段3： 最初是化學(xué)法煉鋁階段， 1825 年德國人韋勒 (F 用鉀汞齊，后來用中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 2鉀還原無水氯化鋁制得金屬鋁， 1845 年法國人戴維爾 (H 合鹽也得到金屬鋁，并在法國進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)，隨后羅西和別凱托夫分別用鈉和鎂還原冰晶石煉鋁成功，用此方法建廠煉鋁，應(yīng)用化學(xué)法煉出的金屬鋁總共約 200 噸。 1886 年美國霍爾 (法國埃魯特 (約而同地提出了利用冰晶石 為霍爾 創(chuàng)了電解法煉鋁階段?；魻?有一百多年的歷史。 1883 年美國匹茲堡建立了第一家電解鋁廠，從此鋁的生產(chǎn)進(jìn)入一個新的階段 。以后世界各國相繼采用冰晶石 國始于 1889 年，英國 1890 年，德國 1878 年，奧地利 1899 年，挪威 1906 年，意大利 1907 年，西班牙 1927 年，蘇聯(lián) 1931 年。 1888 年，美國匹茲堡電解廠開始采用冰晶石 氧化鋁熔鹽電解法煉鋁。瑞士冶煉公司也在同時采用該法煉鋁。以后其它各國相繼采用該法煉鋁。最初是采用小型預(yù)焙電解槽，本世紀(jì)初葉出現(xiàn)了小型側(cè)部導(dǎo)電的自焙陽極電解槽，電解槽的容量（電流強(qiáng)度）也逐漸由最初的 2展到 50更高，本世紀(jì)四十年代出現(xiàn)了上部側(cè)電的自焙陽極電解槽。 五十年代以后，大型預(yù)焙陽極電解槽的出現(xiàn)，使電解煉鋁技術(shù)邁向了向大型化、現(xiàn)代化發(fā)展的新階段，電解槽的容量已發(fā)展到 300上，電解槽的設(shè)計、安裝、操作控制都建立在現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)上。 電解煉鋁雖然仍舊是建立在霍爾 氧化鋁熔鹽電解的基礎(chǔ)上，但是無論是理論還是工藝上都取得了長足的進(jìn)步，并且在繼續(xù)向前發(fā)展。 由于近 20 年來現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們對鋁電解過程有了更深入的認(rèn)識。 特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及在電解鋁工藝上的應(yīng)用， 為電解槽建立起熱、電、磁力和流動等物理場的各種數(shù)學(xué)模型，使槽型設(shè)計更科學(xué)化和生產(chǎn)過程控制更自動化，其主要表現(xiàn)在電解槽容量大型化、高效化、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和勞動生產(chǎn)率提高，槽壽命延長和環(huán)保條件改善等方面。代表世界先進(jìn)潮流的 300上的高效大型預(yù)焙槽，就是在上述科技進(jìn)步的基礎(chǔ)上開發(fā)研制的。 當(dāng)前，世界各國正在競相發(fā)展大型中間下料預(yù)焙陽極電解槽，此種預(yù)焙槽并不是簡單的重復(fù)，而是向大型化、大電流、自動下料、自動處理陽極效應(yīng)、電子計算機(jī)控制生產(chǎn)的具有當(dāng)前先進(jìn)科學(xué)技術(shù)水平的現(xiàn)代化新槽型方向發(fā)展。 代鋁電解技術(shù)的基本原理 輕金屬通常是指比重小于 的比重 )的金屬，其中包括鋁、鎂鈹和堿金屬及堿土金屬。它們除了比重小以外，與氧、鹵族元素、硫和碳的化合物都非常穩(wěn)中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 3定，在電化次序表上，都是負(fù)電性很強(qiáng)的元素。 輕金屬的這些性質(zhì)使得用碳直接還原其氧化成金屬的過程很困難。 碳在高溫下還原氧化鋁，反應(yīng)的一次產(chǎn)物是鋁的碳氧化物，而不是金屬鋁或碳化鋁，從而碳還原氧化鋁是很難制得金屬鋁的。碳還原氧 化鎂在高溫下雖然可以得到鎂蒸氣，但反應(yīng)中鎂的平衡蒸氣壓遠(yuǎn)低于該溫度下鎂的飽和蒸氣壓。只有將反應(yīng)物迅速冷卻，使鎂的飽和蒸氣壓急劇降低到反應(yīng)所得的鎂蒸氣壓力之下；或者是在高溫下立即將反應(yīng)產(chǎn)出的 鎂蒸氣分離開來，才有可能使鎂成為金屬產(chǎn)出。前一種做法難度很大并且很不安全，后一種做法則是根本不可能的。堿金屬和堿土金屬也都與鎂相似，不適于采用碳熱還原方法制取，而只能以沸點(diǎn)更高的金屬為還原劑，由金屬熱還原法來制取。 輕金屬的負(fù)電性都很強(qiáng)， 通過電解其鹽類的水溶液的方法來制取金屬是不能如愿以償。因?yàn)檫@時陰極析出的是氫氧化物，陽極析出的則是氧。也就是電解的只是誰而已。所以只有用非水溶液電解質(zhì)才能電解得到輕金屬，這樣的電解質(zhì)主要是熔鹽。輕金屬的某些有機(jī)物也可以用作電解質(zhì)。但熔鹽電解實(shí)際上是生產(chǎn)各種輕金屬的主要的，有時甚至是唯一的工業(yè)方法。 鋁電解基本原理就是熔體中各種離子在陰、陽兩極上的電化學(xué)行為。 （ 1）陰極過程 a+是電流的主要傳遞者，所傳輸?shù)碾娏鬟_(dá)到總數(shù)的99%。在單一熔鹽電解過程中，傳輸電流的離子往往就是在電極上放電的離子。但是在復(fù)雜的熔鹽體系中，如 要根據(jù)它們的電極電位來確定。在其他條件相等時陽離子電位愈正，則在陰極上放電的可能性愈大，反之亦然。因此，在復(fù)雜的熔鹽體系電解過程中，可能出現(xiàn)某種離子傳遞大部分電流，而在電極上放電的卻是另外的離子的現(xiàn)象。 在冰晶石 經(jīng)證實(shí)在 1000左右，純鈉的平衡析出電位比純鋁的約負(fù) 250時根據(jù)研究表明，在陰極上離子放電時，并不存在很大的過電壓（鋁析出時的過電壓約 10。因此陰極上析出的金屬主要是鋁，即鋁是一次陰極產(chǎn)物。陰極反應(yīng)是： 配離子） + 3e = 鋁是包含在鋁氧氟配離子中。因此， 放電之前首先發(fā)生含鋁配離子的解離，但也不排斥配離子直接放電的可能性。 然而， 是隨著電解質(zhì)摩爾比的增大、溫度的升高、 兩者電位差降低到接近于零時，鈉離子就有可能同鋁離子一同中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 4放電，造成電流效率的損失。 為保證鋁的一次反應(yīng)充分進(jìn)行，宜采用酸性電解質(zhì)體系，在較低的溫度下電解，并維持盡可能大的 外槽內(nèi)還必須具備良好的傳質(zhì)條件，防止陰極上大量積聚。 （ 2）陽極過程 是由于陽極與陰極不同，炭陽極本身也參與電化學(xué)反應(yīng)。 鋁電解時的陽極過程是配位陰離子中的氧離子在炭陽極上放電析出 后與炭陽極反應(yīng)生成 2離子） + C - 4e = 次陽極產(chǎn)物應(yīng)該是 體。金詩伯和弗里格在陽極室用隔板隔開的電解槽上的試驗(yàn)結(jié)果表明，除了電流密度很低（ 情況外，陽極氣體幾乎都是純 是，工業(yè)槽上的陽極氣體總是含有 20 是由于炭渣的存在，或 代鋁電解生產(chǎn)基本工藝流程 現(xiàn)代鋁電解工業(yè)生產(chǎn)鋁，主要采用冰晶石 主體設(shè)備是電解槽，電解法原理為，直流電通入電解槽，在陽極和陰極上起電化學(xué)反應(yīng)，電解產(chǎn)物在陰極上析出鋁，陽極上是 75和 20 。電解槽內(nèi)，電解質(zhì)通常由冰晶石、氧化鋁和添加劑組成，電解溫度為 950密度為 液密度為 者因密度差別而分為上下層，鋁液用真空抬包抽出，經(jīng)過凈化、澄清和配料之后，澆鑄成商品鋁錠。其純度可達(dá)含鋁量 極氣體中含有少量有害的氟化物和瀝青煙氣，經(jīng)凈化后，廢氣排入大氣，收回的載氟氧化鋁返回電解槽。鋁電解的工藝流程如圖 1 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 5氧化鋁 冰晶石 氟化鋁 氟化鈣 氟化鎂 陽極炭塊 陽 極 氣 鋁 液 廢 氣 排 空 鋁 錠 圖 1代電解煉鋁流程圖 電解槽及電解槽系列 電解槽槽型結(jié)構(gòu)剖析 在鋁工業(yè)初期，曾采用 4000 8000A 小型電解槽4，其每晝夜的鋁產(chǎn)量不過24 28前大型電解槽的電流強(qiáng)度已達(dá)到 28 萬 40 萬安，每晝夜的鋁產(chǎn)量可達(dá) 2030 2900電解的電流效率，在鋁工業(yè)生產(chǎn)初期低于 80%，目前一般達(dá)到 90%，有的達(dá)到 94%。 電解槽電流強(qiáng)度的持續(xù)加大，顯然與整流設(shè)備的更新、電極生產(chǎn)的改進(jìn)、電解槽設(shè)計及采用計算機(jī)控制生產(chǎn)操作密切相關(guān)。鋁工業(yè)初期，曾采用小型直流發(fā)電機(jī)，電流只有數(shù)千安培。后來，改用了水銀整流器，現(xiàn)代普遍采用了大功率高效率的硅整流器組， 系列電流強(qiáng)度因此增加到 30 萬 A， 整流效率達(dá)到 95% 98%。 此外，在鋁工業(yè)生產(chǎn)初期，電解槽曾采用小型預(yù)焙陽極，這跟當(dāng)時電極工業(yè)的生產(chǎn)狀況相適應(yīng)。后來，在本世紀(jì)初 (1909 年 )生產(chǎn)鐵合金的電弧爐上出現(xiàn)了連續(xù)自焙陽極，鋁工業(yè)從 20 年代開始也采用了這種電極作為陽極，這就是側(cè)插棒電 解 槽 直流電 凈化、澄清、配料 鑄 錠 氣體凈化、回收 載氟氧化鋁 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 6式自焙陽極。隨后，為了擴(kuò)大陽極尺寸和簡化陽極操作，在 40 年代有發(fā)展了上插棒式自焙陽極。 自焙陽極的采用， 標(biāo)志著鋁電解槽結(jié)構(gòu)形式發(fā)展的第二個階段。但是，由于自焙陽極的電耗較高，并且因?yàn)殡姌O工業(yè)的高度機(jī)械化可制造大型預(yù)焙炭塊，所以從 50 年代中期開始有了兩項(xiàng)重大的改進(jìn)，這就是改造了小型預(yù)焙陽極電解槽，使之成為現(xiàn)代化的大型預(yù)焙陽極電解槽，與此同時還試驗(yàn)并采用了連續(xù)預(yù)焙陽極。預(yù)焙陽極電解槽的現(xiàn)代化是鋁電解槽發(fā)展的第三個階段?，F(xiàn)代鋁工業(yè)共有兩類、共四種形式的電解槽。 自焙陽極電解槽：側(cè)插棒式和上插棒式；預(yù)焙陽極電解槽：不連續(xù)式和連續(xù)式 下圖 1111別為上述 4 種形式鋁電解槽的示意圖。 圖 1預(yù)焙陽極電解槽簡圖 圖 1續(xù)式預(yù)焙陽極電解槽簡圖 圖 1焙陽極上插棒式電解槽簡圖 圖 1焙陽極側(cè)插棒式電解 上述幾種電解槽，各有其優(yōu)缺點(diǎn)： 在電解過程中，陽極大約以每小時 速度連續(xù)消耗著。在自焙陽極電解槽上，需定時向鋁箱內(nèi)補(bǔ)充陽極糊，因而陽極可以連續(xù)使用。但是，在不連續(xù)預(yù)焙陽極電解槽上，陽極消耗到一定程度時就要更換，不能連續(xù)使用。所中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 7以，自焙陽極的連續(xù)性正好適應(yīng)了電解生產(chǎn)過程的連續(xù)性，不連續(xù)預(yù)焙陽極則不能適應(yīng)。 但是，自焙陽極電解槽除了向外發(fā)散氟化物之外，還向外散發(fā)有害的瀝青煙氣，污染廠房內(nèi)外的空氣，這是很大的問題。這就要求采取密閉裝置和排煙凈化設(shè)施。預(yù)焙陽極已經(jīng)在焙燒爐內(nèi)焙燒過，它的瀝青煙氣正好在焙燒過程中用做燃料，不再在電解槽上散發(fā)出來。因此采用預(yù)焙陽極的電解廠房，煙害稍小些。 從陽極電壓損失方面加以比較，預(yù)焙陽極的電壓降只有 自焙陽極直接在電解槽上焙燒，焙燒并未完善，故陽極電壓降較大。側(cè)插棒陽極為 插棒陽極為 此，預(yù)焙陽極電解槽的電耗率，目前已經(jīng)降低到每噸鋁13000 14000自焙陽極電解槽的大約比它多 1000 從基建投資來看，預(yù)焙槽的上部金屬結(jié)構(gòu)和陽極結(jié)構(gòu)比較簡單，但是，采用預(yù)焙槽的工廠需要一整套陽極成型、焙燒和裝配鋼爪的設(shè)備，既需要額外一筆投資。唯有側(cè)插棒槽廠投資最省，陽極費(fèi)用也最低。 預(yù)焙陽極電解槽的另外一個主要優(yōu)點(diǎn)是可以大型化， 操作的機(jī)械化和自動化程度較高，電流效率較高，電耗率較低，煙害較小，所以新建的大型鋁廠多采用這種形式的電解槽。 近年來，人們正在積極研制惰性陽極、惰性陰極、絕緣側(cè)壁和多室槽。如能與低溫電解 (用 800 900下電解 )配合成功，則鋁電解生產(chǎn)將會發(fā)生重大的改革。這是鋁冶金的未來發(fā)展方向。 代鋁電解槽結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢 冰晶石 10 多年來，電解槽設(shè)計逐漸合理，容量大幅度增加，其科技含量、智能化程度越來越高，發(fā)展大型或超大型高效率、智能化的鋁電解槽已經(jīng)成為當(dāng)今電解鋁企業(yè)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志和趨勢， 世界鋁電解工業(yè)的技術(shù)及裝備水平已經(jīng)有了很大提高，在生產(chǎn)規(guī)模、電解槽容量、計算機(jī)應(yīng)用、機(jī)械化和自動化程度以及煙氣治理等方面都有了較大的進(jìn)步變化。 近年來，計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，帶動了電解過程物理場的深入研究和有關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立，使電解槽的設(shè)計從經(jīng)驗(yàn)向計算機(jī)輔助設(shè)計方向發(fā)展。由于電解槽設(shè)計漸趨合理，世界新建鋁電解槽容量大幅度增加。采用大容量、高效能的智能化鋁電解槽是 21 世紀(jì)電解鋁技術(shù)發(fā)展的主流。這種電解槽電流強(qiáng)度大、單槽及系列槽的鋁產(chǎn)量高、消耗低、電流效率高、使用壽命長、污染低。如法國彼施涅公司的 500大型鋁電解槽；加拿大阿爾瑪鋁廠 300鋁電解槽；委內(nèi)瑞拉鋁業(yè)公司 320鋁電解槽。 電解鋁工業(yè)未來技術(shù)發(fā)展方向是高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽和低污染，其涵義中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 8是：高產(chǎn)提高單槽及系列槽的鋁產(chǎn)量；優(yōu)質(zhì)提高鋁產(chǎn)品質(zhì)量；低耗減少電解鋁的電耗和氧化鋁原料及輔助物料消耗；長壽提高電解槽的壽命；低污染減少煙氣（氟化氫和二氧化硫）排放量，達(dá)到國家的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。 西方國家先進(jìn)電解鋁技術(shù)的發(fā)展，體現(xiàn)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的先進(jìn)性上： 1）槽型大，電流強(qiáng)度達(dá)到 300上； 2）電流效率高，一般達(dá)到 94%個別企業(yè)已經(jīng)提高到 96%； 3）噸鋁直流電耗低，一般為 13200別企業(yè)已經(jīng)降低到 13000 電解鋁新技術(shù)探索不斷進(jìn)行， 一些國家特別是西方國家企業(yè)正在研究開發(fā)電解鋁的最新技術(shù)，如為減少陽極消耗，美國濾液公司開發(fā)出的惰性陽極濕潤性陰極電解技術(shù)正在進(jìn)行工試驗(yàn)；法國彼施涅公司開發(fā)出的 500大型電解槽正在試驗(yàn)工業(yè)化生產(chǎn)；澳大利亞新建導(dǎo)流式電解槽；我國低溫鋁電解技術(shù)研究等。這些新技術(shù)的探索應(yīng)用，將大幅度提高單槽和系列槽的產(chǎn)量，而且更加重視環(huán)保和節(jié)能，進(jìn)一步降低電解鋁成本。 代鋁電解槽焙燒啟動技術(shù) 電解槽的焙燒在國內(nèi)較為成熟的有鋁液焙燒法和焦粒焙燒法。 燃?xì)獗簾ê推渌椒ㄓ写M(jìn)一步完善和推廣。 對于鋁液焙燒由于其耗電量約為焦粒焙燒法的一倍，且存在高溫鋁液注入陽解槽時，對表層冷搗糊有較大的破壞，同時由于焙燒時， 低凝固點(diǎn)的鋁液進(jìn)入電解槽陰極塊產(chǎn)生的裂紋中， 易形成向下滲漏的通道，破壞保護(hù)層，且易于使電解槽陰極炭塊造成斷層、電解槽陰隆起等一系列問題。但鋁液焙燒有簡便易行的優(yōu)點(diǎn)。焦粒焙燒時間短，耗電省，焙燒時生成的高凝點(diǎn)電解質(zhì)易于將電解槽陰極內(nèi)在焙燒時生成的裂紋填充，但操作相對繁瑣。對于大型預(yù)焙槽，國內(nèi)趨向于采用焦粒焙燒法。啟動方法國內(nèi)多采用濕法啟動，這樣有利于避免電解槽短時間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量。但對于新系列的首批電解槽，如果無電解質(zhì)供應(yīng)，可采用效應(yīng)啟動的方式進(jìn)行。 燒的目的和過程分析 鋁電解槽經(jīng)過焙燒工序可以達(dá)到如下目的： a）焙燒可使陰極結(jié)構(gòu)按一定的溫度梯度上升到一定溫度。 b）排出電解槽內(nèi)襯中的水份。 c）使電解槽內(nèi)糊料按一定溫度梯度上升 ，使糊料能夠得到較好的焙燒，從而使整個電解槽陰極形成一個結(jié)實(shí)的整體。 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 9d）電解槽內(nèi)形成一定量的電解質(zhì)，便于電解槽電壓得以調(diào)整，利于電解槽溫的上升。 焙燒過程必須較好的達(dá)到焙燒目的。否則每個環(huán)節(jié)均可能出現(xiàn)問題。且電解槽襯內(nèi)水份的排出和 在焙燒過程中，電解槽內(nèi)的炭素制品需要經(jīng)歷以下幾個主要階段： 1）低溫預(yù)熱階段 當(dāng)糊料加熱到 200時，糊料劑開始軟化，生制品呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，但還未發(fā)生明顯得化學(xué)和生理變化，主要排出吸附水。這時，由于制品體內(nèi)的溫差和壓力差，粘結(jié)劑產(chǎn)生遷移。該階段的升溫速度便快些。 2）粘結(jié)劑成階段 該階段糊料溫度在 200 700，粘結(jié)劑開始分解，排出大量揮發(fā)分，同時，分解產(chǎn)物進(jìn)行縮，形成半熱。在進(jìn)一步加熱，半熱轉(zhuǎn)變成粘結(jié)熱。該階段必須均勻緩慢升溫。過快，揮發(fā)份急劇排出，制品內(nèi)外溫差加大，引起熱應(yīng)力，會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。 3）高溫?zé)Y(jié)階段 制品溫度以 700以上，粘結(jié)劑焦化過程基本結(jié)束?；瘜W(xué)過程逐漸減弱，內(nèi)外收縮逐漸減小，升溫速度可提高一些。 解槽啟動技術(shù) 預(yù)陪槽在通電 80 120h 后，電解槽內(nèi)的平均溫度達(dá)到 900以上，且有一定數(shù)量的液體電解質(zhì)，此時具備啟動條件，啟動分為以下幾個階段： 1）打開啟動槽的出鋁口，將溫度在 970以上，分子比 上的液體電解質(zhì)吊運(yùn)到槽前，并緩慢從出鋁口灌入； 2）隨著電解質(zhì)的灌入，開始抬電壓到 這個過程中，由于電壓在 4 ，陽極底掌下面有部分陽 極沒有被電解質(zhì)完全浸潤，在強(qiáng)大的直流電作用下，緩慢抬極會造成部分陽極脫極，這就要求啟動時必須有相當(dāng)量的液體電解質(zhì)灌入槽子，而且抬極速度要快，越過這個“峽谷區(qū)域” ； 3）將冰晶石與純堿混合均勻后加入陽極中縫和槽四周加工面上“燜燒”至冰晶石完全熔化； 4）隨著固體物料的熔化，槽內(nèi)電解質(zhì)量逐步增加，此時電壓會下降，應(yīng)及時抬電壓至 5）待槽內(nèi)大部分物料熔化后，電解質(zhì)溫度達(dá)到 980以上，四個角部及陽極底掌下無阻礙，此時電壓自動回落至 右； 6）分多次灌入液體鋁，并維持一定的鋁水平 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 107）當(dāng)槽子結(jié)殼后，在殼面上加好保溫料，電解槽轉(zhuǎn)入啟動后期管理工作。 課題研究的目的和意義 作者所在的江蘇大屯鋁業(yè)公司經(jīng)過兩年多的發(fā)展， 各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均取得了較好的成績，今年（ 2006 年）上半年實(shí)際實(shí)現(xiàn)利潤 1780 萬元，噸鋁利潤 749 元。各項(xiàng)單耗指標(biāo)已位居國內(nèi)同規(guī)模 、同類型鋁廠前列，其中氧化鋁單耗為 1925 公斤 / 噸，在全國 98 家大型鋁廠中列第 15 位；原鋁直流電耗為 13538 度 / 噸，列第 26 位；電流效率為 ，陽極單耗為 / 噸，電解槽連續(xù)運(yùn)行 800 多天，沒有出現(xiàn)一臺病槽，這些也在同行業(yè)名列前茅。作者就大屯鋁業(yè)公司平穩(wěn)高效的槽況進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為成果顯著，其意義對大屯鋁業(yè)公司來說非常重大。作者認(rèn)為成績的取得離不開先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)管理，其中最為主要的就是焙燒啟動方法及后期管理和正常生產(chǎn)技術(shù)條件的及時優(yōu)化。 本文第一部分就 230 解槽的焙燒啟動過程進(jìn)行了跟蹤分析， 從焙燒啟動幾個階段的實(shí)踐數(shù)據(jù)入手，從兩次焙燒啟動過程和結(jié)果進(jìn)行對比，詳細(xì)分析了焙燒啟動的方案變化 , 技術(shù)條件的變化對 230 解槽焙燒啟動帶來的變化結(jié)果。第二部分則以提高大屯鋁業(yè)公司 230 焙電解槽電流效率為例， 從技術(shù)管理角度對影響其提高的主要因素進(jìn)行論證，并結(jié)合兩年的生產(chǎn)實(shí)踐情況進(jìn)行了分析總結(jié)，目的就是希望對我國 230預(yù)焙陽極電解槽后期的焙燒啟動和生產(chǎn)管理帶來幫助，并以此進(jìn)行總結(jié)來和同行交流。中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 230型預(yù)焙槽焙燒啟動優(yōu)化技術(shù)實(shí)踐研究 11第二章 230型預(yù)焙槽焙燒啟動優(yōu)化技術(shù)實(shí)踐研究 述 鋁電解槽，無論是新建系列的還是大修的，在投入生產(chǎn)運(yùn)行前，都必須進(jìn)行焙燒，然后啟動。對于電解生產(chǎn)來說，大型預(yù)焙鋁電解槽的焙燒啟動是一個極其重要的環(huán)節(jié)，它不僅關(guān)系到電解槽能否順利投產(chǎn)，而且影響正常生產(chǎn)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及槽壽命，歷來為國內(nèi)外各廠家所重視。隨著大型預(yù)焙鋁電解槽的發(fā)展，其自身的的工藝也隨之研究開發(fā)，不斷創(chuàng)新并加以應(yīng)用。特別是大型槽的焙燒啟動工藝，對于新系列的電解槽更為重要，也是鋁行業(yè)不斷研究的熱點(diǎn)之一。目前，國外先進(jìn)鋁廠采用燃?xì)獗簾?、焦粒焙燒等技術(shù)電解槽壽命為 3000 天，而我國電解槽壽命一般僅為 1800 天。本章通過剖析生產(chǎn)現(xiàn)場焙燒啟動技術(shù)，發(fā)現(xiàn)存在的問題，并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)措施。 30焙電解槽主要技術(shù)特點(diǎn)及工藝參數(shù)5隨著現(xiàn)代化電解工業(yè)的不斷發(fā)展，大容量的、高效、節(jié)能型電解槽生產(chǎn)技術(shù)在國內(nèi)外電解鋁廠已得到廣泛的推廣應(yīng)用， 江蘇大屯鋁業(yè)有限公司從”一流的裝備、一流的素質(zhì)、一流的人員、一流的設(shè)計”，并使之迅速轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力的角度出發(fā)，采用沈陽鋁鎂設(shè)計研究院的 230焙陽極電解槽，在鋁電解槽設(shè)計中，沈陽鋁鎂設(shè)計研究院的設(shè)計人員采用了很多先進(jìn)的鋁電解技術(shù)。 1) 窄加工面。采用窄加工爐面是中間下料預(yù) 焙槽發(fā)展的一種趨勢，它不僅有利于提高槽單位面積產(chǎn)能，降低投資而且還可以縮小陰極鏡面，減小水平電流的產(chǎn)生，提高電流效率。這一點(diǎn)無論在理論上還是生產(chǎn)中都已得到了驗(yàn)證。大屯鋁業(yè)公司 230焙陽極電解槽為大面加工面 300 面加工面為 420 2）采用干防滲材料。從近年來國外鋁廠的應(yīng)用來看采用干防滲材料可以有效地阻止電解質(zhì)向陰極保溫層內(nèi)滲漏， 從而達(dá)到延長槽壽命的目的。 電解槽內(nèi)襯，從下到上依次為一層石棉板，一層硅酸鈣板，兩層保溫磚，一層干式防滲料，在其上安裝陰極炭塊組。陰極炭塊組四周用底糊扎實(shí)。槽側(cè)部為一層 125 的側(cè)部炭塊。側(cè)部炭塊與陰極炭塊組之間的邊縫搗制成坡型，形成人造伸腿，有利于形成槽幫。并有部分槽安裝了碳氮化硅側(cè)部碳塊。 3）三角板陽極提升系統(tǒng)。即陽極升降裝置采用滾珠絲杠三角板升降機(jī)構(gòu)，包括 7.5 電機(jī)減速機(jī)，左右各一套蝸桿、滾珠絲桿、三角板起重器，起重中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 230型預(yù)焙槽焙燒啟動優(yōu)化技術(shù)實(shí)踐研究 12器支架和陽極母線吊掛等。水平移動距離 561 降行程 400 降速度100 mm/起重量為 80 t。滾珠絲杠三角板升降機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械加工件少，易于制造和維修，傳動效率高，造價低。 目前 230型預(yù)焙槽的主要工藝技術(shù)參數(shù)如表 2示。 表 2230型預(yù)焙槽的主要工藝技術(shù)參數(shù) 序號 項(xiàng) 目 名 稱 單 位 參 數(shù) 1 電流強(qiáng)度 30 2 母線進(jìn)電方式 - 大面 4 點(diǎn) 3 陽極電流密度 A/ 陽極碳塊尺寸 500660550 5 陽極塊數(shù) 個 32 6 陽極組數(shù) 組 16 7 陽極鋼爪數(shù) 個 6 8 陰極碳塊尺寸 280515450 9 陰極碳塊組數(shù) 組 20 10 槽膛平面尺寸 17603780 11 槽膛深度 70/560 12 大面加工面尺寸 00 13 小面加工面尺寸 20 14 陽極升降速度 mm/00 15 電解槽下料點(diǎn) 點(diǎn) 4 16 氟鹽下料點(diǎn) 點(diǎn) 1 17 電解槽電壓 V 8 分子比 爾比 19 電解質(zhì)溫度 930950 焙燒啟動方法的剖析 焙燒啟動方法的選擇 近幾年來，國內(nèi)外對大型預(yù)焙陽極電解槽焙燒基本有四種方法，分別是焦粒焙燒、燃?xì)猓ㄓ停┍簾?、鋁液焙燒、石墨粉焙燒等。其中鋁液焙燒法因?yàn)榈谷氲母邷劁X液會使內(nèi)襯材料受到較大的熱沖擊，破壞槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，影響槽壽命，已經(jīng)面臨被淘汰的境界。焦粒焙燒是一種成熟的、正在推廣的技術(shù)，燃?xì)獗簾壳笆且环N值得廣為提倡的方法，但因?yàn)樾枰^為復(fù)雜的設(shè)備，在技術(shù)上還需完善和發(fā)中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 230型預(yù)焙槽焙燒啟動優(yōu)化技術(shù)實(shí)踐研究 13展。而國內(nèi)只有湖北丹江鋁廠 用石墨粉焙燒法。文獻(xiàn) 6對這四種方法作了詳細(xì)的介紹，各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)列于表 2 表 2同焙燒方法的比較 焙燒方法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 焦粒焙燒 焙燒時間短。使用分流片和軟連接技術(shù)后可以控制預(yù)熱速度并能避免陰極局部過熱的現(xiàn)象。有利于預(yù)防槽底的早期破損 安裝和拆卸分流片及軟連接器的操作過程繁瑣。 啟動后電解質(zhì)內(nèi)炭渣多， 撈取工作量大燃?xì)猓ㄓ停┍簾?溫度分布更為均勻且加熱速率可控。不需電能且無陽極氧化問題。 陰極和搗固糊表面易出現(xiàn)裂縫。 加熱時間長且啟動時效應(yīng)時間長。 設(shè)備較復(fù)雜， 對維修、安全、 有毒氣體的防護(hù)要求較高 鋁液焙燒 焙燒過程簡單平穩(wěn)，最終溫度分布較均勻。啟動后電解質(zhì)潔凈。 焙燒時間較長。 灌入鋁液瞬間陰極、 搗固糊受到強(qiáng)烈的熱沖擊， 易早期破損， 對電解槽壽命影響較大。 石墨粉焙燒 焙燒時溫度及陽極電流分布更均勻。其他同焦粒焙燒 焙燒終了時，溫度不能再提高。 在灌入電解質(zhì)后， 效應(yīng)啟動會不會使?fàn)t底升溫過快還有待研究。 綜觀各種焙燒方法，焦粒焙燒不需要復(fù)雜設(shè)備，不需外加能源，即用炭粒連接電解槽的陽極和陰極 ,直流電流通過陽極炭粒陰極釋放出焦耳熱 ,使槽體得以焙燒 ,同時熔化電解質(zhì) ,為電解槽啟動創(chuàng)造了條件。其特點(diǎn)是：電流分布較均勻 ,熔化的電解質(zhì)可以充填內(nèi)襯的裂縫，阻止鋁液進(jìn)入炭內(nèi)襯裂縫，對提高槽壽命有利。本著穩(wěn)妥可靠的原則 ,盡可能地提高槽的使用期限 ,。而且焙燒時間短，電解槽焙燒均勻，質(zhì)量較好，有利于啟動和槽壽命的延長。參照國內(nèi)外對大型預(yù)焙陽極電解槽焙燒啟動經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)大屯鋁業(yè)公司工藝要求及實(shí)際情況，原方案決定對230焙陽極電解槽采用焦粒焙燒。 焙燒啟動方法的實(shí)施7， 8焙燒啟動過程包括如下內(nèi)容 1）電解槽設(shè)備聯(lián)動測試 主要項(xiàng)目 :(1)打殼機(jī)構(gòu)檢查 (2)加料機(jī)構(gòu)檢查 (3)槽上氣動管網(wǎng)檢查 (4)陽極提升裝置檢查 (5)排煙管風(fēng)量轉(zhuǎn)換閥檢查 (6)短路口拆卸 ,安裝檢查 (7)通道短路母線連接情況檢查確認(rèn)。槽控機(jī)聯(lián)動動作檢查確認(rèn)。 (8)效應(yīng)燈 ,限位器檢查確認(rèn) (9)小盒夾具檢查 (10)槽膛尺寸 ,“人造伸腿” ,炭縫糊帽等檢查。 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 230型預(yù)焙槽焙燒啟動優(yōu)化技術(shù)實(shí)踐研究 142）外部條件確認(rèn) 主要內(nèi)容 : (1)供電的電流、 電壓、 送停電等事宜。 (2)氣源壓力 (3)多功能機(jī)組、絕緣天車其它運(yùn)輸車輛齊全到位 (4)母線臨時吊具測試 (5)真空抬包 ,開口抬包預(yù)熱(6)放鋁流槽