CN102409356B - 异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝电解工艺，具体涉及铝电解槽的预热焙烧方法，特别是针对异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法。本发明所解决的技术问题是焙烧异型阴极结构铝电解槽时，减少炭素材料的用量。该焙烧方法如下：A、在异型阴极的凹槽中填充基本物料，基本物料可不接触阳极；B、在异型阴极的凸台上铺设炭素材料，使炭素材料接触阳极；C、通电焙烧；其中，所述基本物料为电解质块或/和冰晶石。电解质块、冰晶石可以择一使用，也可以混合使用；混合使用时可采用任意比例混合。采用该焙烧方法明显减少了炭素材料用量、炭渣打捞工作量、以及过烧和掉快现象，为焙烧铝电解槽提供了一种行之有效的方法。

Description

异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法

技术领域

本发明涉及铝电解工艺，具体涉及铝电解槽的预热焙烧方法，特别是针对异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法。

背景技术

焙烧铝电解槽是把铝电解槽的内衬进行预加热的过程，一般需加热到900℃以上。这个过程直接关系到铝电解槽的启动质量，并影响到铝电解槽的后期生产和使用寿命，特别是铝电解槽的内衬寿命。焙烧铝电解槽的目的和作用是：(1)焦化：通过焙烧阴极炭块和侧部炭块之间的扎固糊使其焦化，使阴极炭块和侧部炭块成为一个整体；(2)除水：排除内衬中的水分，因为水分在高温内衬中极易形成气体，如不及时排出，则会在启动期或生产期使内衬产生膨胀，造成内衬漏洞；(3)均匀升高内衬温度：在焙烧过程中使内衬按不同层次、一定梯度均匀升温，提高阳极和阴极的温度以满足启动和正常生产的需要。

目前，国内外常用的焙烧工艺为铝液焙烧、焦粒焙烧和燃料焙烧。其中前两种焙烧工艺属于电热焙烧，即在通电的情况下，电阻发热作为热源来加热整个铝电解槽内衬。燃料焙烧属于热焙烧，是20世纪80年代才开发出的新技术，该技术采用外部加热的方式，如通过燃烧液体或气体燃料等，在铝电解槽上安装一定装置，依照设置好的焙烧曲线，使热量从铝电解槽的阴极表面向其内部传递来完成焙烧。铝液焙烧弊端较多，目前已经基本上被淘汰。燃料焙烧因其所用燃料多为天然气或油类，使用存在诸多安全隐患，所用设备较复杂，安装、使用和维修均需专业人员来完成，给使用带来不便；燃烧系统喷出的高温火焰会加快槽内空气流动，当超过500℃时，会加快阴极炭块和侧部炭块的氧化速度，因此燃料焙烧方法并未得到大面积推广。故绝大多数电解铝企业通常采用焦粒焙烧方法。

焦粒焙烧方式多在平面阴极结构的铝电解槽上采用，为了进一步降低原铝电耗，开始逐步采用一种非平面阴极结构的铝电解槽(异型阴极结构铝电解槽)，即在平面阴极上加开沟槽，通常铝电解槽阴极表面呈凹凸状，异型阴极的底部包括至少两个凸台，凸台之间形成凹槽。但是沟槽的采用增加了焦粒焙烧的难度，以300KA大型预焙铝铝电解槽为例，平面阴极结构的铝电解槽采用焦粒焙烧方法需要焦粒约800kg，石墨粉约200kg，增加沟槽后焦粒用量将达到2.5吨，石墨粉用量超过1吨，焦粒和石墨粉这类炭素材料在铝电解槽启动后必须要打捞出来，如此大的炭渣量给打捞工作造成了很大的困难；同时受铝电解槽高温因素影响，将有超过1吨的炭渣会留在铝电解槽内，这将会对铝电解槽的正常生产带来不利影响，导致铝电解槽电压、温度偏高，铝电解槽稳定性变差，最终会使原铝的单位能耗上升。若采用燃料焙烧处理异型阴极结构铝电解槽虽然可以克服打捞的问题，但是燃料焙烧会导致铝电解槽早期破损(资料显示某电解铝厂使用该方法，电解槽在启动不到3个月即发生漏炉现象)，影响生产企业的经济效益。

发明内容

本发明所解决的技术问题是焙烧异型阴极结构铝电解槽时，减少炭素材料的用量。

异型阴极结构铝电解槽的阴极表面呈凹凸状，包括至少两个凸台，凸台之间形成凹槽，在生产过程中应用凹凸阴极可减少铝电解槽内铝液流速，增加铝电解槽内铝液镜面的平稳性，在铝电解槽平稳的前提下达到降低铝电解槽极距的目的。

焙烧异型阴极结构铝电解槽的方法如下：

A、在异型阴极的凹槽中填充基本物料；其中，基本物料可不接触阳极，也可接触阳极；

B、在异型阴极的凸台上铺设炭素材料，使炭素材料接触阳极；

C、通电焙烧；

其中，所述基本物料为电解质块或/和冰晶石。电解质块、冰晶石可以择一使用，也可以混合使用；混合使用时可采用任意比例混合。

所述的炭素材料为焦粒或/和石墨。焦粒、石墨可以择一使用，也可以混合使用；混合使用时可采用任意比例混合。

铺设时，凹槽与阳极之间位置不再铺设炭素材料。由于，凹槽的采用增加了焙烧难度，也会增加炭素材料的用量，而采用本发明焙烧方法后，无需在凹槽与阳极之间铺设炭素材料；还意外的发现凹槽填充电解质块、冰晶石等物料的效果要明显优于填充高导电率的炭素材料的效果。

采用本发明焙烧方法有如下优点：

1、炭素材料用量减少，减少炭渣打捞工作量：

以300KA大型预焙铝铝电解槽为例，焦粒的用量可减少2-2.5吨，石墨粉的用量可减少0.6-1.2吨。大大减少了炭素材料的用量，也极大的降低打捞炭渣的工作量，同时大大降低了铝电解槽启动后液体电解质内的炭渣含量。

2、减少过烧和掉快现象：

传统方法以为在铝电解槽阴极沟槽内不能填充电解质块、冰晶石等导电性较差的物料，但是发明人在试制过程中发现在沟槽内填充电解质块、冰晶石等物料的效果要明显优于填充高导电率的炭素材料的效果，电解质块和冰晶石在铝电解槽通电后24小时左右即开始熔化，熔化后的高温液体导电性能较好，具有较强的流动性，其可以填满整个阴极沟槽，使整个阴极的导电均匀性明显增强，避免了电流的过度集中，大大降低了阴极炭块过烧现象的发生，减少或避免了焙烧过程中阴极掉块现象的发生。

附图说明

图1现有焙烧方法，阴极炭块表面凹凸的铝电解槽电解示意图。

图2本发明焙烧方法，阴极炭块表面凹凸的铝电解槽电解示意图。

图中标记为：1-保温料，2-阳极炭块，3-表面凹凸的阴极炭块，4-炭素材料，5-阳极导杆，6-电解质碎块和冰晶石粉料，7-阴极钢棒，8-凹槽，9-凹槽填充的基本物料，9’-凹槽填充的炭素材料。

具体实施方式

以下通过对本发明具体实施方式的描述说明但不限制本发明。

目前，焙烧阴极炭块表面凹凸的铝电解槽的方法有焦粒焙烧和燃料焙烧。采用燃料焙烧处理异型阴极结构铝电解槽虽然可以克服打捞的问题，但是燃料焙烧会导致铝电解槽早期破损，采用焦粒焙烧时，申请人曾经采用的方法如中国专利申请200910307733.9铝电解槽的预热方法记载的内容，在凹槽和凸台处铺设焦粒、石墨炭素材料，焙烧方法如图1，但是采用上述方法导致会产生大量的炭渣，给打捞工作带来难度，最终会有大量的炭渣留在铝电解槽中，会导致铝电解槽电压、温度偏高，铝电解槽稳定性变差，能耗增加等不利影响。

通过对现有技术的改进，本发明焙烧方法是在异型阴极的凹槽中填充电解质块或/和冰晶石替代曾采用的炭素材料，焙烧方法过程如下，示意图如图2：

A、在异型阴极的凹槽中填充基本物料；基本物料可不接触阳极，也可接触；

B、在异型阴极的凸台上铺设炭素材料，使炭素材料接触阳极；

C、通电焙烧；

其中，所述基本物料为电解质块或/和冰晶石。电解质块、冰晶石可以择一使用，也可以混合使用；混合使用时可采用任意比例混合。

所述的炭素材料为焦粒或/和石墨。焦粒、石墨可以择一使用，也可以混合使用；混合使用时可采用任意比例混合。

电解质是电解铝行业的常用物料，其主要成分：冰晶石、氟化铝、氟化钙及少量氧化铝。本发明所采用的基本物料电解质块来源如下：以往在应用焦粒焙烧时，为保证焙烧时温度不散失，可在铝电解槽中加入保温料后再通电预热焙烧，预热焙烧后加入电解液即可进行电解生产，所用保温料通常为冰晶石。冰晶石粉末作保温料用时，焙烧时靠近阳极下部的保温料会融化形成液体电解质，阳极上部的保温料会熔融形成一层壳，预热后，保温料不需要去除，加入电解液后参熔融后变成液态电解质。该液态电解质固化后就是电解质块，应用时可适当破碎至需要的粒度即可。

发明人意外的发现：在传统方法中一直认为凹槽中不能填充电解质块、冰晶石等导电性较差的物料，需要填充导电性能好的材料才行，但是在试制过程中发现凹槽内填充电解质块、冰晶石等物料的效果要明显优于填充高导电率的炭素材料的效果，电解质块和冰晶石在铝电解槽通电后24小时左右即开始熔化，熔化后的高温液体导电性能较好，具有较强的流动性，其可以填满整个阴极沟槽，使整个阴极的导电均匀性明显增强，避免了电流的过度集中，大大降低了阴极炭块过烧现象的发生，减少或避免了焙烧过程中阴极掉块现象的发生。

应用本发明焙烧方法时，凹槽与阳极之间位置不再铺设炭素材料，而是填充电解质块或/和冰晶石，凸台上的炭素材料与阳极接触，最终确保铝电解槽阳极与各材料充分结合，以便阳极电流能均匀通过阴极，形成电流回路。

基本物料和炭素材料的粒度及厚度要求如下：

基本物料：电解质块、冰晶石粒度要求在10cm以下。若粒度太大将会影响到物料的熔化速度，如果物料不能及时熔化，将会影响到焙烧期间电流的均匀性。

炭素材料：焦粒和石墨的粒度为0.1-3cm。

填充时，由凸台起算，炭素材料的厚度约为10-35mm，基本物料的厚度为炭素材料的厚度加凹槽的深度。

几种铝电解槽的焙烧方法见表1，从表1可以看出本发明方法的焙烧成本明显低于全焦粒焙烧和燃料焙烧，且不需要设备投入，操作简单，使用本方法启动的电解槽槽寿命也较高。

注：焙烧成本主要包括能源消耗成本和其它一次性消耗材料的成本。

表1不同焙烧方法的成本对比

焙烧方法	单台槽焙烧成本	焙烧设备一次性投入	操作难以程度	电解槽使用寿命
					本发明焙烧方法	约23000元	无	简单	1700-1900天
全焦粒焙烧	约32000元	无	简单	1600-1800天
					燃料焙烧	约31000元	100万左右	复杂	1500-1700天

炭素材料中的石墨宜采用粉末，粉碎细度为1-4mm，因为过细的粒度会导致填充料电阻值增加，过粗不利于填充料的均匀性分布，添加石墨粉主要作用是考虑其电阻率较焦粒低，且成分与焦粒一样，这样可以用增加石墨粉含量比例来降低整个铝电解槽焙烧期间的总电压，使预热过程平稳有序进行。

通过填充阴极凹槽的处理方式可减少阴极的凹槽与凸台表面电流分布的差异，从而防止应力过度集中而出现阴极破裂现象。在预热后凹槽中的冰晶石和电解质块会熔化在电解液中，无需打捞，仅需打捞炭素材料形成的炭渣。本发明焙烧方法保证了在生产过程中应用凹凸阴极可减少铝电解槽内铝液流速，增加铝电解槽内铝液镜面的平稳性，在铝电解槽平稳的前提下达到降低铝电解槽极距的目的。

以下通过几个应用实例证明本发明焙烧方法的有益效果。

实施例1

焙烧方法

A、在异型阴极的凹槽中填充冰晶石，冰晶石未接触阳极；

B、在异型阴极的凸台上铺设焦粒，使焦粒接触阳极；

C、加入冰晶石粉末作保温料，通电焙烧。

经焙烧合符要求后再加入电解液，冰晶石熔化进入电解液，焦粒浮在电解液表面，除去该浮层后即可进行电解。

效果：焙烧用电44560kwh，电费22280元，炭渣量365kg，启动1年内阴极无破损迹象。

实施例2

焙烧方法

A、在异型阴极的凹槽中填充电解质块，电解质块未接触阳极；

B、在异型阴极的凸台上铺设石墨粉，使石墨粉接触阳极；

C、加入冰晶石粉末作保温料，通电焙烧。

经焙烧合符要求后再加入电解液，冰晶石熔化进入电解液，石墨粉浮在电解液表面，除去该浮层后即可进行电解。

效果：焙烧用电43200kwh，电费21600元，炭渣量315kg，启动1年内阴极无破损迹象。

实施例3

焙烧方法

A、在异型阴极的凹槽中填充电解质块和冰晶石，其重量比为电解质块40％、冰晶石60％，使电解质块和冰晶石接触阳极；

B、在异型阴极的凸台上铺设石墨粉和焦粒，其重量比为石墨粉40％，焦粒60％，使炭素材料接触阳极；

C、加入冰晶石粉末作保温料，通电焙烧。

经焙烧合符要求后再加入电解液，冰晶石和电解质块熔化进入电解液，炭素材料浮在电解液表面，除去该浮层后即可进行电解。

效果：焙烧用电43900kwh，电费21950元，炭渣量336kg，启动1年内阴极无破损迹象。

实施例4

焙烧方法

A、在异型阴极的凹槽中填充电解质块和冰晶石，其重量比为电解质块90％、冰晶石10％，使电解质块和冰晶石接触阳极；

B、在异型阴极的凸台上铺设石墨粉和焦粒，其重量比为石墨粉10％，焦粒90％，使炭素材料接触阳极；

C、加入冰晶石粉末作保温料，通电焙烧。

经焙烧合符要求后再加入电解液，冰晶石和电解质块熔化进入电解液，炭素材料浮在电解液表面，除去该浮层后即可进行电解。

效果：焙烧用电43560kwh，电费21780元，炭渣量323kg，启动1年内阴极无破损迹象。

根据发明人的应用实例显示：

1、基本物料和炭素材料中的物质可择一应用，也可以混合应用，其比例对焙烧效果不产生影响，但是可以从成本角度考虑采用价廉的炭素类材料，如铝电解槽大修时产生的废旧炭素材料，将其破碎至一定粒度后即可使用。

2、基本物料和炭素材料的粒度对焙烧方法的影响是：本发明方法打破了焦粒焙烧方法的传统做法，攻克了非平面阴极铝电解槽焙烧难题，是铝电解槽焦粒焙烧方法的一次革新，它节约了生产成本，减少了铝电解槽的炭渣量，延长了铝电解槽的使用寿命；相比燃料焙烧，该方法操作简便，无额外的焙烧设备投入，安全性高(因燃料焙烧使用天然气和重油等易燃能源，在高温环境下使用存在很大的安全隐患)，而且电解槽寿命更长。

Claims (8)

1.异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法，其特征在于步骤如下：

A、在异型阴极的凹槽中填充基本物料；

B、在异型阴极的凸台上铺设炭素材料，使炭素材料接触阳极；

C、通电焙烧；

其中，所述基本物料为电解质块或/和冰晶石；

铺设时，凹槽与阳极之间位置不再铺设炭素材料。

2.根据权利要求1所述的异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法，其特征在于：填充基本物料时，择一使用电解质块或冰晶石；或采用任意比例混合的电解质块、冰晶石。

3.根据权利要求1或2所述的异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法，其特征在于：所述的炭素材料为焦粒或/和石墨。

4.根据权利要求3所述的异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法，其特征在于：铺设炭素材料时，择一使用焦粒或石墨；或采用任意比例混合的焦粒、石墨。

5.根据权利要求1、2或4任一项所述的异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法，其特征在于：在通电焙烧前，在铝电解槽中加入保温料。

6.根据权利要求5所述的异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法，其特征在于：所述保温料为冰晶石。

7.根据权利要求3所述的异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法，其特征在于：在通电焙烧前，在铝电解槽中加入保温料。

8.根据权利要求7所述的异型阴极结构铝电解槽的焙烧方法，其特征在于：所述保温料为冰晶石。