CN102808196A - 一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于其预热启动过程的步骤包含：（1）首先将电阻值和几何尺寸预先设计好的导电体做成多组直流分流元件；（2）在电解槽炉膛中铺设与电极组数相同/不同的电加热元件组；（3）利用电加热元件组，按照设定的升温曲线或步骤，进行烘干炉膛、熔化电解质、建立热平衡和炉膛内型；（4）通过改变直流分流元件的组数/串并联状态；（5）逐步更换惰性电极，并逐步调整分流元件组数/串并联状态。本发明能够很好的对惰性电极铝电解槽进行预热和建立热平衡；在惰性电极更换过程中，还能够保证槽电压稳定，使已上槽惰性电极通过的电流均匀，并且单台电解槽启动不影响系列电流，实现无扰动启动。
Description
技术领域
本发明属于铝冶炼领域，涉及一种适合惰性电极铝电解槽的预热启动方法。
背景技术
预热启动是铝电解槽在进入正常运行前，必须经历的一个重要过程。预热启动的主要作用是烘干和焙烧炉膛、熔化电解质、使液态电解质温度和深度达到目标值、建立能量平衡和物料平衡等。预热启动的主要目的是为电极进入运行状态之前，提供必要的运行环境。
传统预焙阳极铝电解槽常用的预热启动方法有：焦粒焙烧、铝液焙烧、燃气焙烧等。这些焙烧方法的形式尽管不同，但都是需要阳极参与焙烧，并且焙烧后需要高电压、高分子比、高电解温度的后期管理期来建立能量平衡和物料平衡后，才真正启动电解槽。
而对于惰性电极铝电解槽，由于其惰性电极往往不能直接参与焙烧，并且还需要工作在一个稳定的环境中，才能保证惰性电极的运行效果和使用寿命。所以传统铝电解槽的预热启动方法不能直接在惰性电极铝电解槽上使用。
在目前所能看到的专利文献中，对惰性阳极电解槽的焙烧启动大都间接沿用传统的方法，特别是焙烧阶段。
专利200510031315.3中所述，将惰性阳极用罐体承装，罐体采用石墨或碳素制品，承装后的电极如同炭阳极一样，可以在焙烧启动中或换极时使用，以避免热、电和热腐蚀性气体的冲击。通电后罐体会消耗掉，当露出惰性电极时，电极自然过渡到工作状态。
专利01820302.7中所述，将若干个惰性电极组合在一起，并加上绝缘保温材料，形成和炭阳极相似的形状。每组惰性电极组合可以替换现有槽中的一块或一块以上的炭阳极。其文中透露先用炭阳极焙烧启动电解槽，待电解槽运行稳定后，再用惰性阳极组进行替换。
US 6,537,438中所述，在预热启动电解槽时，将阴极外涂保护层。保护层中最里层接触炭阴极的为硼化钛层，中间层为金属铝或合金，最外层为炭。采用气体焙烧的方法，阳极为金属陶瓷阳极。阳极的保护层来源于焙烧过程中的氧化作用使其表层氧化。
从这些专利中看出，目前对惰性电解槽的焙烧启动，都在采取一定的措施，使其能够间接地采用传统的焙烧方法，而对于启动过程并没有太多的考虑。本专利发明人在已往专利中已有对惰性电极铝电解槽预热启动技术的阐述。
专利200910243383.4提供了一种惰性阳极铝电解槽的预热启动方法，主要是采用在炉膛铺设与电极组数相一致的电加热组件（直流或交流供电），在炉膛内装满电解质，通过加热至熔化电解质，继续添加电解质至所需水平。之后，降低加热组件功率，模拟正常运行时电解槽发热量，待各项技术参数稳定后，逐步用惰性电极更换加热电阻。
专利201110221899.6提供了一种铝电解槽的预热启动方法。将加热元件预埋到石墨/炭素电极中，形成预热电极。初期烘炉和熔化电解质采用加热元件加热；更换正常电极前，将预热电极通直流电，预热电极发生电解反应；逐一将预热电极提出，更换正常电极运行。该预热启动方法既可以应用到传统预焙炭阳极铝电解槽也可以应用到惰性电极铝电解槽。
在以上两个专利中，本专利发明人阐述了预先建立能量平衡、预先建立惰性电极运行环境的预热启动技术，使惰性电极通电后即可运行在一个稳定的环境中。但不足之处是：专利200910243383.4阐述的预热启动方法，其针对系列电解槽时会对系列电流产生影响；专利201110221899.6中所述的石墨/炭素电极在通直流电流发生电解反应后，其本身会逐步消耗。一方面要求在短时间将其更换成惰性电极，否则就会消耗完毕。另一方面脱落的碳渣会污染电解质，对惰性阳极不利。这些不利因素都会使得预热启动过程不平稳，对系列电解槽或对自身电解槽产生扰动。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，提供一种适合惰性电极铝电解槽预热启动的方法。该方法既可以用来预热炉膛、熔化电解质、预先建立热平衡和良好的炉膛内型，在惰性电极更换过程槽电压和电流分布保持相对均衡，并且单槽启动不影响系列电解槽电流，实现无扰动的预热启动惰性电极铝电解槽。
上述目的是通过下述方案实现的：
一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，其预热启动过程的步骤包含：
（1）首先将电阻值和几何尺寸预先设计好的导电体做成多组直流分流元件，这些直流分流元件可以分担电解槽全部直流电流；
（2）在电解槽炉膛中铺设与电极组数相同/不同的电加热元件组；
（3）利用所述电加热元件组，按照设定的升温曲线或步骤，进行烘干炉膛、熔化电解质、建立热平衡和炉膛内型，为惰性电极提供运行环境；
（4）通过改变直流分流元件的组数/串并联状态，来调整槽电压，使其与惰性电极更换后通电工作时的电压相同；
（5）逐步更换惰性电极，并逐步调整分流元件组数/串并联状态，以保持槽电压稳定，保证通过惰性电极的直流电流均匀稳定，以免破坏惰性电极；直至惰性电极全部更换完毕，分流元件停止分流，惰性电极承担全部直流电。
根据上述惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述电加热元件组可以采用交流电也可采用直流电，并且所述电加热元件组的发热体包含/部分包含/不包含步骤（1）中所述的直流分流元件
根据上述惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（1）中的直流分流元件的导电体表面采用/不采用耐蚀材料保护，能够在预热启动期间抵抗高温电解质熔体以及气氛的侵蚀。
根据上述惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（1）中的直流分流元件分担直流电过程所发出的热量全部/部分/无直接在空气中散发。
根据上述惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（1）中的直流分流元件分担直流电过程所发出的热量全部/部分/无用于槽内预热启动的烘炉或熔化电解质或建立热平衡过程。
根据上述惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（1）中的直流分流元件分担直流电过程所发出的热量全部/部分/无用于槽外物料烘干炉或电解质熔化炉或加热炉或烘箱。
根据上述惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（2）中的电加热元件组，其发热体由单独的加热电阻构成，并且通过调整交流/直流供电功率来改变发热功率。
根据上述惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（2）中所述电加热元件组，其发热体完全由步骤（1）中所述直流分流元件构成；并且可以通过改变直流分流元件的组数以及串并联状态，调整电加热元件组的整体电阻值和发热功率。
根据上述惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（2）中的电加热元件组，其发热体由加热电阻和步骤（1）中所述直流分流元件共同构成；通过改变加热电阻供电功率以及直流分流元件的组数以及串并联状态，调整电加热元件组的整体发热功率。
根据上述惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（1）、（4）、（5）中的直流分流元件，其组数和串并联状态均能够改变，以保证在惰性电极更换前和更换过程中均能保持槽电压稳定在惰性电极的工作电压附近。
本发明的有益效果：本发明采用直流分流元件，从而总的直流电流在单台电解槽预热启动过程中不发生变化，不影响系列电解槽电流；同时惰性电极在更换过程中自身槽电压稳定，使已上槽惰性电极通过的电流均匀稳定。
具体实施方式
本发明的惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法包含：
（1）首先将电阻值和几何尺寸预先设计好的导电体做成多组直流分流元件，这些直流分流元件可以分担电解槽全部直流电流；
（2）在电解槽炉膛中铺设与电极组数相同/不同的电加热元件组，电加热元件组可以采用交流电也可采用直流电，并且所述电加热元件组的发热体包含/部分包含/不包含步骤（1）中所述的直流分流元件；
（3）利用所述电加热元件组，按照设定的升温曲线或步骤，进行烘干炉膛、熔化电解质、建立热平衡和炉膛内型，为惰性电极提供运行环境；
（4）通过改变直流分流元件的组数/串并联状态，来调整槽电压，使其与惰性电极更换后通电工作时的电压相同；
（5）逐步更换惰性电极，并逐步调整分流元件组数/串并联状态，以保持槽电压稳定，保证通过惰性电极的直流电流均匀稳定，以免破坏惰性电极；直至惰性电极全部更换完毕，分流元件停止分流，惰性电极承担全部直流电。
步骤（1）中的直流分流元件分担直流电过程所发出的热量全部/部分/无用于槽内预热启动的烘炉、熔化电解质、建立热平衡过程，其热量还可以全部/部分/无用于槽外物料烘干炉、电解质熔化炉、加热炉、烘箱。
实施例1
用商业化的合金材料做导电体，制成18组直流分流元件；18组直流分流元件在分担电解槽全部直流电流后，其电压为2.70V~3.84V（电阻随温度变化的原因）；18组直流分流元件安放在电解槽外一个电解质熔化炉里，直流分流元件发出的热量用于熔化电解槽所用的电解质。
电解槽炉膛中铺设18组电加热元件组（与电极组数相等），通交流电加热；炉膛内装满固体电解质，根据升温制度升温，最终炉膛内电解质温度为780℃。不断将电解质熔化炉中液态电解质灌入电解槽中，直至电解质水平为38cm。然后，降低电加热元件组功率，模拟电解槽正常运行时电解槽的发热量。同时补充氟盐，调整电解质成分。48小时后建立能量平衡，炉帮厚度6.8cm。
逐步从电解槽炉膛中提出电加热元件组，更换惰性电极；每更换完一组惰性电极，断开一组直流分流元件，使相应大小的电流通过惰性电极，保持槽电压维持在3.8V左右；直至将18组惰性电极全部更换完毕，直流分流元件全部断开，惰性电极承担所有直流电流；最终槽电压3.88V，启动平稳，系列直流电流无变化，槽电压无大幅波动，电流分布均匀。
实施例2
用自制的合金材料做导电体，制成18组直流分流元件；18组直流分流元件在分担电解槽全部直流电流后，其电压为2.72V~3.86V（电阻随温度变化的原因）；9组直流分流元件安放在电解槽外一个电解质熔化炉里，直流分流元件发出的热量用于熔化电解槽所用的电解质；另外9组铺设在电解槽炉膛中，当电加热元件组使用，整体外尺寸与电加热元件组相同。
电解槽炉膛中铺设18组电加热元件组（与电极组数相等）；其中9组为直流分流元件构成，通过分担的直流电发热；另外9组通交流电辅助加热；炉膛内装满固体电解质，根据升温制度升温，最终炉膛内电解质温度为780℃。不断将电解质熔化炉中液态电解质灌入电解槽中，并补充固体电解质，直至电解质水平为38cm。然后，降低交流电加热元件组功率，使总功率接近电解槽正常运行时的发热功率。同时补充氟盐，调整电解质成分。48小时后建立能量平衡，炉帮厚度6.0cm。
逐步从电解槽炉膛中提出电加热元件组，更换惰性电极；每更换完一组惰性电极，断开一组直流分流元件，使相应大小的电流通过惰性电极，保持槽电压维持在3.8V左右；直至将18组惰性电极全部更换完毕，直流分流元件全部断开，惰性电极承担所有直流电流；最终槽电压3.9V，启动平稳，系列直流电流无变化，槽电压无大幅波动，电流分布均匀。
实施例3
用自制的合金材料做导电体，制成36组直流分流元件；36组直流分流元件在分担电解槽全部直流电流后，其电压为1.25V~1.88V（电阻随温度变化的原因）；每2组直流分流元件通过可拆卸的并联母线，并联构成一组电加热元件组，全部安放在电解槽炉膛中。
电解槽炉膛中铺设18组电加热元件组（与电极组数相等），18组全部由直流分流元件构成，通过分担的直流电发热；初始全部分流元件并联，以最小的发热功率运行；随着温度升高，以及熔化电解质的需要，不断拆除并联母线，减少直流分流元件的个数，以此增加发热功率；最终炉膛内电解质温度为800℃，电解质水平为40cm，通过增加或减小直流分流元件工作的个数，维持电解质温度不变。同时补充氟盐，调整电解质成分。48小时后建立能量平衡，炉帮厚度4.6cm。
逐步从电解槽炉膛中提出电加热元件组，更换惰性电极；并通过调整直流分流元件工作的个数，使槽电压维持在3.8V左右；直至将18组惰性电极全部更换完毕，直流分流元件全部断开，惰性电极承担所有直流电流；最终槽电压3.82V，启动平稳，系列直流电流无变化，槽电压无大幅波动，电流分布均匀。
以上实施例是本发明一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法中的3种不同的实施方式，但并不局限于上述具体的实施例。直流分流元件的材质、电阻值、形状尺寸、数量、安放形式、热量应用种类的变化，以及加热元件组与直流分流元件组配合使用的方式、形状、排列变化，这些具体形式的变化组合均属于本专利的范围。
Claims (10)
1.一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，其预热启动过程的步骤包含：
（1）首先将电阻值和几何尺寸预先设计好的导电体做成多组直流分流元件，这些直流分流元件可以分担电解槽全部直流电流；
（2）在电解槽炉膛中铺设与电极组数相同/不同的电加热元件组；
（3）利用所述电加热元件组，按照设定的升温曲线或步骤，进行烘干炉膛、熔化电解质、建立热平衡和炉膛内型，为惰性电极提供运行环境；
（4）通过改变直流分流元件的组数/串并联状态，来调整槽电压，使其与惰性电极更换后通电工作时的电压相同；
（5）逐步更换惰性电极，并逐步调整分流元件组数/串并联状态，以保持槽电压稳定，保证通过惰性电极的直流电流均匀稳定，以免破坏惰性电极；直至惰性电极全部更换完毕，分流元件停止分流，惰性电极承担全部直流电。
2.根据权利要求1所述的一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述电加热元件组可以采用交流电也可采用直流电，并且所述电加热元件组的发热体包含/部分包含/不包含步骤（1）中所述的直流分流元件。
3.根据权利要求1或2所述的一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（1）中的直流分流元件的导电体表面采用/不采用耐蚀材料保护，能够在预热启动期间抵抗高温电解质熔体以及气氛的侵蚀。
4.根据权利要求1或2所述的一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（1）中的直流分流元件分担直流电过程所发出的热量全部/部分/无直接在空气中散发。
5.根据权利要求1或2所述的一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（1）中的直流分流元件分担直流电过程所发出的热量全部/部分/无用于槽内预热启动的烘炉或熔化电解质或建立热平衡过程。
6.根据权利要求1或2所述的一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（1）中的直流分流元件分担直流电过程所发出的热量全部/部分/无用于槽外物料烘干炉或电解质熔化炉或加热炉或烘箱。
7.根据权利要求1或2所述的一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（2）中的电加热元件组，其发热体由单独的加热电阻构成，并且通过调整交流/直流供电功率来改变发热功率。
8.根据权利要求1或2所述的一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（2）中所述电加热元件组，其发热体完全由步骤（1）中所述直流分流元件构成；并且可以通过改变直流分流元件的组数以及串并联状态，调整电加热元件组的整体电阻值和发热功率。
9.根据权利要求1或2所述的一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（2）中的电加热元件组，其发热体由加热电阻和步骤（1）中所述直流分流元件共同构成；通过改变加热电阻供电功率以及直流分流元件的组数以及串并联状态，调整电加热元件组的整体发热功率。
10.根据权利要求1或2所述的一种惰性电极铝电解槽直流分流式预热启动方法，其特征在于，所述步骤（1）、（4）、（5）中的直流分流元件，其组数和串并联状态均能够改变，以保证在惰性电极更换前和更换过程中均能保持槽电压稳定在惰性电极的工作电压附近。
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