2022年KA预焙阳极铝电解槽阳极组设计方案.docx
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1、精品学习资源第一章绪论20 世纪 80 岁月以前,工业铝电解的进展经受了几个重要阶段,其标志的变化有:电解槽电流由24kA、60kA 增加至 100150kA;槽型主要由侧插棒式(及上插棒式)自焙阳极电解槽转变为预焙阳极电解槽;电能消耗由吨铝22000kWh 降低至 15000kWh;电流效率由 70 80%逐步提高到 8590%;1980 年开头,电解槽技术突破了175KA 的壁垒,接受了磁场补偿技术, 协作点式下料及电阻跟踪的过程把握技术,使电解槽能在氧化铝浓度变化范畴很窄的条件下工作,为此逐步改进了电解质,降低了温度,为最终获得高电流效率和低电耗制造了条件;在以后的年份中,吨铝最低电耗曾
2、降低到12900 13200 kWh,阳极效应频率比以前降低了一个数量级;80 岁月中叶,电解槽更加大型化,点式下料量降低到每次2kg 氧化铝, 接受了单个或多个废气捕集系统,接受了微机过程把握系统,对电解槽能量参数每 5s 进行采样,仍接受了自动供料系统,削减了灰尘对环境的影响;进入90 岁月,进一步增大电解槽容量,吨铝投资较以前更节省,然而大型槽(特殊是超过 300kA)能耗并不低于 80 岁月初期较小的电解槽,这是由于大型槽实行较高的阳极电流密度,槽内由于混合效率不高而存在氧化铝的浓度梯度;槽寿 命也有所降低,由于炉帮状况不理想,并且随着电流密度增大,增加了阴极的 腐蚀,以及槽底沉淀增多
3、,后者是下料的频率比较高,而电解质的混合程度不 足造成的;尽管如此,总的经济状况仍是良好的;90 岁月以来,电解槽的技术进展有如下特点:(1) 电流效率达到 96%;(2) 电解过程的能量效率接近50%,其余的能量成为电解槽的热损而耗散;(3) 阳极的消耗方面,炭阳极净耗降低到0.397kg/kg-Al;(4) 尽管设计和材料方面都有很大的进步,然而电解槽侧部仍需要爱惜性的炉帮存在,否就金属质量和槽寿命都会受负面影响;(5) 爱惜电解槽的热平稳(和能量平稳)更显出重要性,既需要确保极距以产生足够的热能保持生产的稳固,又需要适当增大热缺失以形成完好的炉帮,提高槽寿命;我国的电解铝工业可自1954
4、 年第一家铝电解厂(抚顺铝厂)投产算起,至2021 年已有 56 年历史,在电解槽设计中,已把握“三场”仿真技术,在模拟与优化方面接受了ANSYS和 MHD等软件;能较好的处理电解槽的磁场、流场、热- 电平稳等问题,为大型和特大型预焙槽的设计和制造奠定了基础;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取得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:电流效率94.43%;直流电耗 13310kWh/t-Al;阳极净耗 397kg/t-Al;欢迎下载精品学习资源其次章现代铝电解槽结构及预焙阳极炭块2.1 现代铝电解槽结构
5、现代铝工业已基本剔除了自焙阳极铝电解槽,并主要接受容量在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;各类槽工艺制度不同,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-
6、阴极炭块组; 16- 阴极内衬2.1.1 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;1. 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,与铝导杆一般接受铝-钢爆炸焊连接;与单块组不同的是,双块组使用一根铝导杆连接着两块阳极;2. 阳极升降装置欢迎下载精品学习资源预焙槽阳极提升装置有两种,一种是螺旋起重器式的升降机构;另一种是滚珠丝杠三角板式的阳极升降机构;阳极提升装置为螺旋起重器升降机构,它由螺旋起重机、减速机、传动机构和马达组成;
7、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通过联轴节相连,减速箱由马达带动;当马达转动时便通过传动机构带动螺旋起重机升降阳极大母线,固定在大母线上的阳极随之升降;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有关的回转计,可以精确显示阳极母线的行程值;3. 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它部分和全部重量的作用;欢迎下载精品学习资源4. 加料装置图 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- 铰接点欢迎下载精品
8、学习资源预焙铝电解槽上使用线下料装置,多数位于两排阳极中心空间部位,每次 打壳下料的间隔时间为60120min;打壳机构分为铡刀型、刀齿混合型,依据确定间距固定在槽纵向中心可升降的工字钢梁上,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;5. 集气装置预焙槽由上部结构盖板和槽周如干块可人工移动的铝合金槽罩密封,分别由如干块大面罩、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集合到支烟管,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,支烟管上装有可调剂烟气流量的把握阀,当电解槽打开槽罩作业时,将可调剂阀开到最大位置,此时排烟量是平常
9、的 2.5倍,使作业时烟气捕集率仍能保证达到98%;2.1.2 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(包括熔融电解欢迎下载精品学习资源质与铝液)的容器,包括槽壳及其所包含的内衬砌体,而内衬砌体包括与熔体直接接触的底部炭素(阴极炭块为主体)与侧衬材料,阴极炭块中的导电棒、底部炭素以下的耐火材料与保温材料;阴极的设计与建造的好坏对电解槽的技术经济指标(包括槽寿命)产生准备性的作用;阴极结构包括:槽壳结构,内衬结构;2.1.3 母线结构整流后的直流电通过铝母线引入电解槽上,槽与槽之间通过铝母线串联而成,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
10、房之间仍有联络母线;阳极母线属于上部结构中的一部分,阴极母线排布在槽壳四周或底部,阳极母线与阴极母线之间通过联络母线、立柱母线和软母线连接,这样将电解槽一个一个地串联起来,构成一个系列;2.1.4 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,易显现人身和设备事故;而且,电解用直流电,槽上电气设备用沟通电,如直流窜入沟通系统,会引起设备事故,需进行交、直流隔离;因此,电解槽许多部位必要进行绝缘;2.2 预焙阳极炭块的基本概述在铝电解生产中,由于所接受的冰晶石氧化铝熔盐电解体系具有温度高、腐蚀性强等特点,作为阴、
11、阳两极的导电材料,消耗量特殊大;迄今为止能够抵抗这种强高温熔盐的腐蚀、且价格低廉而又具有良好导电的,唯有炭素制品;因此,铝工业上均接受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,它承担向电解槽导入直流电和参与电化学反应的任务,阳极质量和工作状况的好坏,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;此外,炭阳极质量优劣与铝电解生产过程的稳固性和工人的劳动强度紧密相关;铝电解生产对炭素阳极的基本要求如下:1. 要求阳极具有良好的物理化学性能,削减阳极对空气和二氧化碳反应活性,以求达到降低炭耗、延长阳极更换时间、削减电解槽含炭渣量
12、的目的;2. 要求阳极具有良好的电化学性能,以求达到提高阳极电化学反应活性, 降低电解过程中电能消耗的目的;3. 要求阳极杂质含量要少,以免在电解过程中进入成品而影响产品质量;4. 要求阳极质量更均匀、更稳固,以求达到电解槽稳固操作和进一步降低阳极效应系数的目的;铝电解预焙阳极由预先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;预焙阳极多为间断式,每组阳极可使用l8 28天;当阳极炭块被电解反应消耗到原有高度25左右时,为了防止钢爪熔欢迎下载精品学习资源化,必需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”;我国贵州铝厂、青海铝厂、郑州铝厂、抚
13、顺铝厂、白银铝厂、包头铝厂都有预焙阳极电解槽系列,总生产才能达40万t ;正在建设的郑州轻金属争论院沁阳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、安装新炭块组等;由于预焙阳极操作简洁,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 ;因此,国内外新建大型铝厂多接受此种阳极;2.3 改善阳极炭块质量的途径尽管我们在阳极的物理化学及电化学性能方面开展了许多应用争论,但由于受原料和现行生产工艺等客观条件的限制,我国的阳极质量仍是不能很好地中意生产的要求;要转变目前铝电解用炭阳极的不良工作状况,应从如下几方面着手;第一
14、,是从根本上对铝电解用阳极进行“革命”,那就是接受“惰性阳极技术”;长期的生产实践说明,传统的炭阳极最大的缺陷就在于它是属于消耗性电极,由此导致其必需进行周期性的更换,这样必定会带来多方面的问题: 其一是大量的优质炭素原材料被消耗,这是原料的铺张;其二是由于需要定期更换,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稳经常遭到破坏,建立新的平稳需要补充热量,这是能源的铺张;其三是炭阳极在工作过程中具有很高的过电位,导致电解槽工作电压提高,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均匀氧化和炭粒脱落,使电解质中积存炭渣,导致电解电流效率降低;另外,阳极的经常更换也增加了工
15、人的劳动强度和工时;作者认为在争论预焙阳极改性技术的过程中,以下几点不容忽视: 1)添加剂原料的来源要广,价格要相对低廉;2)添加剂合成要简洁,易于工业生产; 3)添加剂的合成应尽量与阳极生产工艺相结合, 可节省人力和设备的投入; 4)添加剂的加入不对电解产品构成污染 2 ;2.4 我国铝用预焙阳极生产进展趋势我国的铝用预焙阳极主要朝以下三个方面进展:1. 环境爱惜由于铝电解工业进展的诸多问题,导致了我国目前铝用预焙阳极进展的无 序状态,特殊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;我国除少数与大型电解铝厂自己配套的炭素厂,如青海铝 厂、贵州铝厂、平果铝厂等接
16、受了较先进的环保技术外,大多数由阳极糊生产 厂而进展起来的预焙阳极生产厂都没有实行环保措施;随着国家对环保政策的 日益严格及人们对环保意识的提高,我国已建、扩建、在建及拟建的预焙阳极 生产厂将实行先进的环保技术,如VIR 反应器技术等,完全解决预焙阳极焙烧的环境污染问题;对于沥青熔化时的烟气污染,预焙阳极废残品的破裂、煅后 石油焦的破裂、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争论欢迎下载精品学习资源治理技术;2. 节省能源我国众多的预焙阳极生产厂,较普遍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把握技术,此外,仍有相当一部分企业接受落后的倒焰窑焙
17、烧技术,与国际先进水平存在较大差距,阳极能耗消费是国际先进水平的 2倍;为此,接受新型的节能技术,达到节能降耗、降低生产成本、提质提产是各个生产企业寻求进展的方向;目前,我们应大力推广已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;3. 提高预备阳极生产质量尽管我国铝用预焙阳极生产得到迅猛进展,但所生产的预焙阳极质量(除极少数出口的外)与国际先进水平相比仍有较大差距,应努力全面提高预焙阳极质量3 ;欢迎下载精品学习资源第三章阳极炭块在铝电解生产中的重要性及生产工艺3.1 阳极组的基本结构阳极炭块的组装是将阳极导杆,铸钢爪和预备阳极炭块组
18、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832 组阳极炭块组构成;铝导杆用铝合金(95%Al+5%S)i 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;阳极炭块有安放钢爪抓头的炭碗;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 2028 天,阳极炭块直接放在铝电解槽的电解质中,并参与阳极反应;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)通过焊接,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
19、示意图预焙阳极( Carbon Prebake Anode )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,它参与电化学反应并把电流导 入电解槽内;每组阳极炭块由1 3 块阳极炭块,阳极铝导杆和钢爪预先组成, 其中以单块阳极组使用最为普遍;炭块的数量和尺寸依据电解槽的容量和电流 密度而定(一般为 10 40 组);这些炭块组在槽内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 输送电流和吊挂组的双重作用;阳极提升机构是升降阳极的机构;随着炭阳极 的消耗,阳极机构带动阳极炭块组下降,当降至最低位置时,借助阳极提升机欢迎下
20、载精品学习资源构,通过转接母线作业把水平母线提高,以保证在电解过程中阳极升降机构连续带动阳极炭块组下降,使阴阳极间的间距相对稳固;现代大型预焙阳极多接受自动把握;3.2 阳极炭块在铝电解生产中的重要性长期的生产实践说明,炭阳极质量的优劣,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、电能消耗、阳极炭耗等;因此,炭阳极在电 解铝工业中不行防止地处于举足轻重的位置,始终被业内人士看成为铝电解槽 的“心脏”;第一,阳极质量的好坏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, 炭阳极质量的优劣与铝电解生产过程中的稳固性和工人的劳动
21、强度紧密相关; 再者,炭阳极在工作中对环境的污染程度已经越来越受到人们的关注,其中尤 其是针对自焙阳极铝电解的生产技术方面,国内外均实行了一系列甚至是强制 性的措施;随着世界铝电解技术的快速进展和环保意识的增强,适宜于规模化 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 岁月后期就明确规定,要在新世纪初基本停止自焙槽电解炼铝,这标志着我国的铝电解工业将由过去的自焙槽生产 为留意转化成向大型预焙槽方向快速进展;但是,阳极的“质量问题”仍然将 是阻碍我国铝电解整体水平向世界先进水平靠拢的主要障碍之一,进一步提高 我国阳极生产工艺技
22、术或者在现有工艺技术条件的基础上改善作为预焙铝电解 槽“心脏”的炭阳极的物理化学和电化学性能指标,可以有效地降低铝电解的 生产成本,稳固铝电解生产操作和提高铝电解生产效率,对促进我国铝电解工 业的进展,提高我国铝工业在国际市场上的竞争力有着不行轻视的作用4 ;3.3 阳极炭块的生产工艺流程阳极炭块的生产工艺包括原料的预碎、煅烧、破裂、筛分分级、配料,粘结剂的预处理、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;欢迎下载精品学习资源图 3-2阳极炭块生产工艺流程碳素原料在隔绝空气的条件下进行高温处理的过程;国内煅烧石油焦的主要设备有罐式煅烧炉和回转窑;罐式煅烧炉依据物料与加
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