CN104694959B - 一种可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可适应弹性供电的自由停启式电解槽，是结合水电季节性变化的特点开发设计的铝电解槽，可以根据电力的变化情况随时停槽或开启，而电解槽受停启的影响较小，不需要进行电解槽大修就可以迅速恢复生产。本发明通过对电解槽设计、三场模拟仿真和新材料等方面的研究，开发一种不经过槽大修的情况下，实现≥3次以上的自由停启式电解槽，电解槽寿命≥1500天。本发明能降低工人的劳动强度，减少大修时阴极炭块对环境造成的污染，降低启动期间产生的大量污染气体的排放。

Description

一种可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽

技术领域

本发明属于电解技术领域，具体涉及一种可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽。

背景技术

熔盐电解法炼铝发展到今天已有100多年历史，最近20年来，技术创新突飞猛进，核心经济指标原铝交流电单耗从16000kWh以上降低至13000kWh左右，装备水平从原有的60kA自焙阳极电解槽提高到目前的400kA甚至500kA大型预焙阳极电解槽。

电解铝是典型的资源能源密集型产业，目前国内外的电解铝产能都在向资源充足、能源丰富的地区转移，构建水电铝一体化、煤电铝一体化的模式已成为产业发展的新趋势。在国内电解铝产能西移的过程中，水电资源优势为铝产业的发展提供了广阔的空间。但现有的铝电解槽是在均衡供电的前提下开发的生产技术，还不能适应水电季节性丰枯变化的供电特点。因此如何克服现有技术的不足是目前电解技术领域亟需解决的问题。

发明内容

由于现有的铝电解槽是在均衡供电的前提下开发的生产技术，不能适应水电季节性丰枯变化的供电特点。本发明提供一种可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽，广泛应用于适应水电季节性丰枯变化的铝电解生产及管理。

本发明通过下列技术方案实现：

一种可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽，含有槽壳，在槽壳底部从下而上依次设置保温层和阴极炭块层，所述的阴极炭块层内设置有阴极钢棒；

所述的电解槽内还设有炭阳极，在炭阳极上设置有阳极导杆；

所述的电解槽上罩有集气罩；集气罩上连接有烟气出口及下料装置；

在槽壳侧壁与炭阳极之间设有可拆卸式人工伸腿；该可拆卸式人工伸腿水平方向为多段拼接组合，每段的垂直方向上下组合，形成整体；

槽壳的外侧壁上固定安装有槽壳围板，槽壳置于电解槽摇篮架上，在槽壳的侧壁和电解槽摇篮架之间安装有预应力弹性组件；

还包括进电侧母线、端头绕行母线、槽底母线、出电侧阴极母线、阳极母线、立柱母线、进电侧阴极软母线和出电侧阴极软母线，且电解槽的端头两侧设有补偿母线，补偿母线与端头绕行母线相连接；

阳极导杆上设置有阳极母线，阳极母线连接立柱母线；

进电侧母线设在槽壳左侧位置，与立柱母线相连接；

端头绕行母线设在槽壳端头位置，与槽底母线相连接；

槽底母线设在槽壳下面位置，与下一台电解槽的进电侧软母线相连接；

出电侧阴极母线设在槽壳右侧位置，与下一台电解槽立柱母线相连接；

进电侧阴极软母线设在立柱母线与进电侧母线之间的位置，进电侧阴极软母线一端与进电侧母线连接，另一端与立柱母线连接；

出电侧阴极软母线设在出电侧阴极母线与下一台电解槽之间的立柱母线位置，出电侧阴极软母线一端与出电侧阴极母线连接，另一端与立柱母线连接；

所述的进电侧母线、端头绕行母线、槽底母线、出电侧阴极母线、阳极母线、立柱母线、进电侧阴极软母线、出电侧阴极软母线和补偿母线均采用的均为含有稀土元素铈的铝母线；铈的质量百分含量为0.1%；

槽壳内衬和保温层部分结构采用陶瓷纤维材料制成。

进一步，优选的是所述的预应力弹性组件为可伸缩式的。

进一步，优选的是槽壳围板与槽壳的连接方式为焊接。

本发明提供可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽，与现有的铝电解槽相比，具有以下特点：

（1）电解槽结构设计：通过铝电解槽物理场仿真模拟，建立仿真计算模型，研究不同类型阴极、内衬材料的电解槽热场分布规律与分布特征，通过结构参数的调整，不断优化适应丰枯弹性供电的自由停启式电解槽的结构设计方案，解决因停启而引起槽寿命短等问题。

（2）槽壳：本发明通过利用计算机仿真技术，对电解槽焙烧、启动和停槽生产全过程，建立数学模型进行模拟仿真计算，找出生产过程中电解槽热应力变化规律，根据其变化规律，开发出适应丰枯水电供电不均衡特点的新型结构槽壳。在不改变电解槽大致结构的前题下，对其结构进行改进，其特征在于在摇篮架侧部与槽壳之间加装可拆卸的预应力弹性组件。

（３）母线：分析现有电解槽母线结构特点在停槽50%的情况下面临的技术难题，根据丰枯水电的变化规律，开发设计出适应丰枯水电供电不均衡特点的新型母线。

适应丰枯水电供电不均衡特点的新型母线配置结构，包括进电侧母线、端头绕行母线、槽底母线、出电侧阴极母线、立柱母线、进电侧阴极软母线和出电侧阴极软母线，最大特点在于：(A)两侧设有补偿母线，最大限度地补偿铝液内磁场，实现磁场的均匀分布和电解槽的稳定运行。(B) 基于传统母线结构和尺寸，但铝母线采用含稀土元素铈（Ce），加入质量为0.1%的稀土铝合金母线，有效降低母线的电阻，实现在枯水期停槽50%的情况下，全系列母线压降满足生产运行。

（4）槽内衬新材料：在槽内不同部位存在的温度梯度，以及高温熔盐中钠离子析出后在炭素阴极内的膨胀使整个槽体发生结构变化。本发明针对铝电解槽Ｎ次停启面临的技术难题，从内衬材料的研究入手，开发一种可压缩变形且保温性较强的耐火材料。该材料较之常规保温耐火材料而言，可有效缓解停启槽时应力对槽内衬的破坏。主要应用于电解槽底部及侧下部结构中。

（5）可拆卸式人工伸腿：大量刨炉分析过发现电解槽周围糊及人工伸腿在生产初期的损耗较为严重，导致停槽的破损点基本集中在人工伸腿处。这是由于大型预焙槽采用的窄炉面设计使生产运行中人工伸腿处形成结壳的时间较长或无结壳，使该部位直接承受高温熔体冲蚀，缺陷易于暴露。一般的做法就是对破损的人工伸腿处进行局部的修补，但目前的检测技术还无法对修补的质量进行准确的判断。本发明针对局部人工伸腿的更换，研究开发可拆卸式人工伸腿，有效解决局部修复的难题，确保电解槽长寿命高效平稳运行。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

（1）与传统的铝电解技术比较，本发明更能有效结合水电的季节性变化特点，实现铝电解生产；

（2）本发明提供的可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽，不经过槽大修的情况下，实现≥3次以上的自由停启，槽壳变形量≤3‰，电解槽寿命≥1500天，大幅度降低生产成本；

（3）本发明大大降低工人的劳动强度，降低启动期间产生的大量污染气体的排放；

（4）本发明的可拆卸式人工伸腿，有效解决局部修复的难题，确保电解槽长寿命高效平稳运行；

（5）本发明电解槽及其内衬材料会有效化解电解槽内应力变化，降低内部槽体破损机率，减少裂缝和裂纹的出现，实现电解槽不需要进行大修就可以自由停启的目的。

附图说明

图1为本发明的可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽断面结构示意图；

图2为预应力弹性组件及其连接关系结构示意图；箭头所指的方向为应力方向；

图3为的母线结构示意图；

图1-图3中，1、槽壳；2、保温层；3、阴极炭块层；4、阴极钢棒；5、炭阳极；6、阳极导杆；7、集气罩；8、烟气出口；9、下料装置；10、可拆卸式人工伸腿；11、槽壳围板；12、电解槽摇篮架；13、预应力弹性组件；14、电解质；15、铝液；16、进电侧母线；17、端头绕行母线；18、槽底母线；19、出电侧阴极母线；20、阳极母线；21、立柱母线；22、进电侧阴极软母线；23、出电侧阴极软母线；24补偿母线；

图4为可拆卸式人工伸腿未组装的结构示意图，该结构组装后用于大面、小面侧部；

图5为可拆卸式人工伸腿未组装的结构示意图，该结构组装后用于角部；

图4和图5中，a为上部结构；b为下部结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或装置未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

如图1~图3所示，一种可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽，含有槽壳1，在槽壳1底部从下而上依次设置保温层2和阴极炭块层3，所述的阴极炭块层3内设置有阴极钢棒4；

所述的电解槽内还设有炭阳极5，在炭阳极5上设置有阳极导杆6；

所述的电解槽上罩有集气罩7；集气罩7上连接有烟气出口8，用于烟气排放，及下料装置9，用于下料；

在槽壳1侧壁与炭阳极5之间设有可拆卸式人工伸腿10；该可拆卸式人工伸腿10水平方向为多段拼接组合，每段的垂直方向上下组合，形成整体；如图4所示，将图中a和b组合起来，a置于b的左上方缺口处，即为可拆卸式人工伸腿，该结构可用于大面、小面侧部；如果是用于角部，则需要相应的调整a和b各个棱的角度，以适应相应的角部，如图5所示；图5为了清楚的展现出角度的改变，展现的a结构为图4的a展示方向旋转了90°后的视图；

槽壳1的外侧壁上通过焊接固定安装有槽壳围板11，槽壳1置于电解槽摇篮架12上，在槽壳1的侧壁和电解槽摇篮架12之间安装有预应力弹性组件13；所述的预应力弹性组件13为可伸缩式的；电解槽内有铝液14以及电解质15；图2为图1的俯视方向。

还包括进电侧母线16、端头绕行母线17、槽底母线18、出电侧阴极母线19、阳极母线20、立柱母线21、进电侧阴极软母线22和出电侧阴极软母线23，且电解槽的端头两侧设有补偿母线24，补偿母线24与端头绕行母线17相连接；

阳极导杆6上设置有阳极母线20，阳极母线20连接立柱母线21；

进电侧母线16设在槽壳1左侧位置，与立柱母线21相连接；

端头绕行母线17设在槽壳1端头位置，与槽底母线18相连接；

槽底母线18设在槽壳1下面位置，与下一台电解槽的进电侧软母线相连接；

出电侧阴极母线19设在槽壳1右侧位置，与下一台电解槽立柱母线相连接；

进电侧阴极软母线22设在立柱母线21与进电侧母线16之间的位置，一端与进电侧母线16连接，另一端与立柱母线21连接；

出电侧阴极软母线23设在出电侧阴极母线19与下一台电解槽之间的立柱母线位置，一端与出电侧阴极母线19连接，另一端与立柱母线21连接；

所述的进电侧母线16、端头绕行母线17、槽底母线18、出电侧阴极母线19、阳极母线20、立柱母线21、进电侧阴极软母线22、出电侧阴极软母线23和补偿母线24均采用的均为含有稀土元素铈的铝母线；铈的质量百分含量为0.1%；

槽壳内衬和保温层2部分结构采用陶瓷纤维材料制成。

槽壳内衬包括紧贴电解槽底部的结构和紧贴侧下部的结构；侧下部紧贴侧下部的结构包括电解槽大面及小面紧贴侧部槽壳部分。

本发明通过改进可满足电解槽自由停启≥3次以上；槽壳1为变形量≤3‰的相对柔性槽壳。

所述槽壳1内部的可拆卸式人工伸腿10可有效解决局部修复的难题，确保电解槽长寿命高效平稳运行。

电解槽自由停启过程中：本发明所提供的槽壳、内衬材料会有效化解电解槽内应力变化，降低内部槽体破损机率，减少裂缝、裂纹的出现，实现电解槽不需要进行大修就可以自由停启的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽，含有槽壳，其特征在于，在槽壳底部从下而上依次设置保温层和阴极炭块层，所述的阴极炭块层内设置有阴极钢棒；

所述的电解槽内还设有炭阳极，在炭阳极上设置有阳极导杆；

所述的电解槽上罩有集气罩；集气罩上连接有烟气出口及下料装置；

在槽壳侧壁与炭阳极之间设有可拆卸式人工伸腿；该可拆卸式人工伸腿水平方向为多段拼接组合，每段的垂直方向上下组合，形成整体；

槽壳的外侧壁上固定安装有槽壳围板，槽壳置于电解槽摇篮架上，在槽壳的侧壁和电解槽摇篮架之间安装有预应力弹性组件；

还包括进电侧母线、端头绕行母线、槽底母线、出电侧阴极母线、阳极母线、立柱母线、进电侧阴极软母线和出电侧阴极软母线，且电解槽的端头两侧设有补偿母线，补偿母线与端头绕行母线相连接；

阳极导杆上设置有阳极母线，阳极母线连接立柱母线；

进电侧母线设在槽壳左侧位置，与立柱母线相连接；

端头绕行母线设在槽壳端头位置，与槽底母线相连接；

槽底母线设在槽壳下面位置，与下一台电解槽的进电侧母线相连接；

出电侧阴极母线设在槽壳右侧位置，与下一台电解槽立柱母线相连接；

进电侧阴极软母线设在立柱母线与进电侧母线之间的位置，进电侧阴极软母线一端与进电侧母线连接，另一端与立柱母线连接；

出电侧阴极软母线设在出电侧阴极母线与下一台电解槽之间的立柱母线位置，出电侧阴极软母线一端与出电侧阴极母线连接，另一端与立柱母线连接；

所述的进电侧母线、端头绕行母线、槽底母线、出电侧阴极母线、阳极母线、立柱母线、进电侧阴极软母线、出电侧阴极软母线和补偿母线均采用的均为含有稀土元素铈的铝母线；铈的质量百分含量为0.1%；

槽壳内衬和保温层部分结构采用陶瓷纤维材料制成。

2.根据权利要求1所述的可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽，其特征在于，所述的预应力弹性组件为可伸缩式的。

3.根据权利要求1所述的可适应弹性供电的自由停启式铝电解槽，其特征在于，槽壳围板与槽壳的连接方式为焊接。