CN104937143B - 用于为电解池的阴极加装内衬的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及为电解池的阴极加装内衬的方法和设备。所述方法包括对电解池壳充填粉末材料，使用水平板调平，使用防尘膜覆盖充填的材料，然后进行压实。压实分两个阶段进行：初步静态处理和最终的动态处理，其通过使相应的作业部件经由至少2层构成的缓冲垫沿所述电解池阴极的纵轴相继移动而进行，所述缓冲垫的至少2层为：下层，所述下层防止粉末材料向移动方向移位；和上层，所述上层用于在缓冲垫和作业部件之间提供连接。具有驱动器的辊形式的静态压实单元借助弹性元件与具有振动激发器的动态压实单元连接，从而使动态压实单元能够沿所述辊的水平和竖直轴运动。本发明有助于减缓熔融氯化物盐渗入阴极隔热物的速率，并增加电解池的工作寿命。

Description

用于为电解池的阴极加装内衬的方法和设备
本发明提出的技术方案涉及有色金属冶金领域，具体而言，涉及在铝初级生产中使用不定型材料为电解池的阴极加装内衬。
铝初级生产用电解池的阴极由与下部热隔离的导电性阴极块构成。阴极块与隔热物之间存在耐火材料阻隔层；这些材料被设计用于防止氟化物盐和钠蒸气渗透进入隔热层。电解浴的液相成分由底部区块熔渗进入耐火材料的过程及其相互作用是复杂的现象，其涉及NaF/Na3AlF6和耐火材料之间的液态熔体界面处的物理和化学相互作用。耐火材料的结构是所述相互作用的主要因素。
根据达西定律，熔融氟化物盐渗入阻隔材料的驱动力是沿阻隔材料高度的压力梯度。
其中，q是熔融氟化物盐通过横截面(S)的体积流速，m3/(m2s)；k是渗透系数，m2；dP/dx是沿阻隔材料高度的压力梯度，Pa；μ是动态粘度，Pa·s。
由于阻隔材料是具有不同孔径分布的非均质结构，因而孔径范围可以常规划分为三个区域。对于大孔(大于100μm)而言，压力梯度主要由流体静力和重力决定。对于较小的通道孔而言，在存在上述力的情况下，毛细管力开始出现。由于潜在的毛细管作用能，压力梯度远高于大孔的情况，并且此种毛细管能够快速吸收熔融氟化物盐。熔融氟化物盐的渗透深度可由源于泊肃叶定律的比值决定：
其中：h是渗透深度；d是孔的直径；σ是表面张力；μ是熔体粘度。
如果进一步减小孔径，则存在压力梯度的增大(由于毛细管作用所致)，不过，另一方面，流体流动的液压阻力的增大快得多；因此，可以忽略氟化物盐通过此种孔的渗透。
由于其遵循等式(2)，氟化物熔体的渗透深度随熔体粘度的增大、表面张力的减小和接触(润湿)角的减小而减小。作为等式(2)的一部分，该熔体的物理和化学特性取决于该熔体的温度和组成。
在渗透过程的最初阶段，阴极下部区域中的主要成分是NaF。其可以借助冰晶石熔渗过程中在阴极块主体中进行的以下反应来解释：
4Na3AlF6+12Na+3C＝Al4C3+24NaF (3)
纯氧化铝耐火材料和氟化钠之间的相互作用按照β-氧化铝形成反应进行：
12NaF+34Al2O3＝3(Na2O*113Al2O3)+2Na3AlF6 (4)
因此，由于β-氧化铝反应产物的密度明显更低，因而在内衬中将发生体积变化，这将引发底部的垂向应力，并致使其可能破坏。当耐火材料中出现相对较少量的SiO2(约25％)时，除了等式(4)，还将发生霞石形成反应(5)：
6NaF+2Al2O3+3SiO2＝3NaAlSiO4+Na3AlF6 (5)
如果存在过量的耐火材料和少量NaF，霞石将与二氧化硅反应形成钠长石(NaAlSi3O8)其将处于玻璃状粘稠熔融态，以将防止相互作用前端进一步向下移动至电解池中阴极的下部：
NaAlSiO4+2SiO2＝NaAlSi3O8 (6)
铝硅酸盐耐火内衬和熔融冰晶石之间的反应区中因存在钠长石所致的熔体粘度的增大使氟化物盐渗入凹坑的下部绝缘层中的可能性降低。
由于铝硅酸盐耐火材料中SiO2含量的进一步增大(高于47％)，β-氧化铝将不存在于该反应区中，并且因反应(5)和(6)的组合而形成钠长石和霞石。在SiO2含量极高(72％)时，由于Al2O3不足，将难以形成霞石。
因此，在凹坑中使用的数目众多的耐火材料中，使用最为广泛的材料是含有铝硅酸盐的材料(28％<Al2O3<34％)，其相对较低的成本是重要因素之一。
上文显示了，具有细长弯曲状通道且具有致密堆积(颗粒对颗粒)的小尺寸颗粒的阻隔材料的特征在于较低的透气性以及熔融氟化物盐或其反应产物明显较慢地渗入阻隔材料中。此外，渗透方向上温度梯度的存在以及因钠长石形成所致的熔体粘度的增大共同减缓渗透过程。
常规地，使用不同尺寸的砖块形式的成型材料为电解池的阴极加装内衬；优选的是，这些成型材料是孔隙率较低且透气性较低的铝硅酸盐砖块。不过，阻隔性砖砌物的渗透性通常并不由各个砖块的性质限定，而是主要由砖块之间的接缝条件限定。用于密封接缝的耐火泥浆(砖砌物泥浆基于其上)由于其高孔隙率而易受氟化物盐和腐蚀性气体的影响。另外，用于制备砌砖物泥浆的水在低温下引发与电解池组件的问题，并对电解池阴极的隔热材料的耐久性有负面影响。
除了成型的阻隔材料，还存在相当多的使用具有不同粒径分布和矿物组成的松散粉末的经验；这些经验可有助于产生无缝层。在为电解池阴极加装内衬的过程中使用不定型材料的工艺在加装内衬时间和较少的劳动方面比使用砖砌物的工艺更优异。
已知一种加装内衬的方法，其包括对电解池阴极壳填充粉末材料，并用水平板(rack)调平该材料，其中采用不定型的填充材料，其与氯化物盐反应形成在阴极操作温度下是固体的化合物(Seltveit A.,Diffusion Barrier for Aluminium ElectrolysisFurnaces,美国专利第4536273号,1985年)。不过，测试结果没有确认该加装内衬方法的可行性，因为非紧实层的高孔隙度导致气态和液态成分连续供应至隔热物。
已知一种加装内衬的方法，其包括对电解池阴极壳充填粉末材料，使用水平板调平该材料，其中通过常规辊进行压实(L.Forrssblad,Vibratory Compaction of Soil andFoundations.在M.P.Kostelov编辑下翻译自英文,Transport,1987年,191页)。不过，静态形成的评价结果表明，其没有提供所需的内衬材料结构：低孔隙度和小尺寸孔。
已知一种加装内衬的方法，其包括对电解池阴极壳充填粉末材料，使用水平板调平该材料，其中使用配备有振动机构的压实机进行压实(美国专利第4184787号；Е 01C19/38)。该方法可使堆积密度有一定增大，不过所得阻隔层还具有相对较高的孔隙度(高达25％)，而且其表面上具有波浪状缺陷。
已知一种加装内衬的方法，其包括对电解池阴极壳充填粉末材料，使用水平板调平该材料，其中使用铁轨平台(其上安装了阴极)的外部振动进行不定型材料的压实(O.Siljan,O.Junge,B.Trygve,T.Svendsen和K.Thovsen,Experiences with Dry BarrierPowder Materials in Aluminium Electrolysis Cells–Light Metals,1998年,第573-581页)。该方法的缺陷是沿层厚度的材料偏析和颗粒分离；由此，对氟化物盐渗透的抵抗程度较低。这导致化学反应速度较高，这降低了电解池的工作寿命。
已知一种为电解池阴极加装内衬的方法，其包括对电解池阴极壳充填粉末材料，使用水平板调平该材料，其中通过空气捣固(ramming)从上部经热捣固糊进行压实(R.Weibel,Advantages and Disadvantages of Application of Various RefractoryMaterials for Cathodes.Proceedings:Aluminum of Siberia.Krasnoyarsk,2002年,第14-24页)。不过，热捣固糊的使用对环境有害，并且向冷捣固糊的转变和冰晶石比例的减小将降低电解池的工作寿命。
已知一种加装内衬的方法(Refractories for Cathodes of Electrolyticcells/S.G.Sennikov等–Ogneupory I Technicheskaya Keramika,2003年,第10期,第22-31页)，其包括对电解池阴极壳充填粉末材料，使用水平板调平该材料，在填充材料上依次铺设聚乙烯膜层，玻璃纤维层合片或MDF，并通过动态法将材料压实(使用具有振动器的压板(sled))。不过，当使用此种设备时，混合物的压实和去压实同时进行；结果，观察到压实材料的粉化。
已知一种加装内衬的方法，其包括对电解池阴极壳充填粉末材料，使用水平板调平该材料，其中使用配备有振动机构的压实机进行压实(美国专利第4184787号；E01C 19/38)。该方法可使堆积密度有一定增大，不过所得阻隔层还具有相对较高的孔隙度(高达25％)，而且其表面上具有波浪状缺陷。
已知一种加装内衬的方法，其包括对电解池阴极壳充填粉末材料，使用水平板调平该材料，其中压实过程开始于阴极壳的一角，并螺旋式进行(从阴极外侧向中心进行)。当移动振动器时，先前压实的区域发生重叠(若干厘米)。为了完成阻隔混合物的压实过程，需要使振动器经行(往返)若干次。
该方法的主要缺点在于，振动台多次经行(往返)于阻隔材料表面(由于振动台的尺寸较小)。所得阻隔层的参数取决于操作者的技能和细致。不过，最大的缺点在于，振动台的操作主要基于动态形成方法(在非最佳频率和重量特性下)。在内衬材料具有较低的体密度时，其将导致压实和去压实过程同时进行。结果，观察到压实材料的粉化。使用硬度不足的校对较薄的玻璃纤维层合片或MDF将生成不平坦的表面；如同使用振动压实机的情况，阻隔材料表面在加装内衬后呈波浪状。试图增大覆盖材料硬度则将导致压实过程的效率降低(EP 1127983；E01C 19/38；E02D 3/046)。
已知一种在电解池中形成无缝内衬层的方法，其包括对电解池阴极壳充填粉末材料，使用水平板调平该材料，使用防尘膜覆盖填充材料并压实，其中材料压实分两个阶段进行：初步静态冲击和最终的动态冲击，其通过使静态和动态压实作业工具在通过缓冲垫形成的内衬层的总宽度上沿电解池阴极的纵轴相继移动而进行；动态材料压实通过恒定静态载荷下的振动单元进行。
基于其目的和相似的特性，该技术方案已被选择为原型。
根据该技术方案，压实分两个阶段进行：初步静态冲击和最终的动态冲击，其通过使静态和动态压实作业工具在经缓冲垫形成的内衬层的总宽度上沿电解池阴极的纵轴相继移动而进行；动态材料压实通过恒定静态载荷下的振动单元进行。
该加装内衬的方法并不满足制造高品质、大深度和低体密度的阻隔层的要求。
使上述加装内衬的方法变得可行的技术装置是用于在电解池中形成无缝内衬层的设备(俄罗斯专利2296819,分类号C25C 3/06,C25C 3/08,发明公报第10期公布,2007年)。
基于其目的和相似的特性，该技术方案已被选择为原型。
用于在电解池中形成无缝内衬层的设备包括：驱动器；压实装置，其由静态处理单元和动态处理单元构成；静态处理单元被设计为辊和借助摇杆与该辊连接的驱动器，且动态处理单元的拉棒被设计为振动单元，其包括振动激发器(具有定向驱动力)，该激发器的安装方式使得其可以绕辊的水平轴移动。
该原型设备的主要缺点在于，在形成具有大深度和低体密度的阻隔层时，压实材料恰在静态处理单元之前推出。另外，当使用与处理表面呈锐角(由于整个结构的振动传送)的具有圆周驱动力的振动激发器或具有定向驱动力的振动激发器作为振动源时，缺乏使振动水平分量衰减的此种设计元件将造成技术问题。当使用此种振动源时，静态处理单元的电动机和该设备的其他元件经历振动，这将导致其失效并由此降低操作可靠性。
本发明提出的技术方案的目的在于，降低由不定型材料制成的内衬层的表观孔隙率，并提高设备的可靠性。
本发明的技术效果在于，减缓熔融氯化物盐和腐蚀性气态成分透过阻隔层渗入阴极隔热物的速率，并改善电解池的性能(降低生产1吨铝的动力消耗，并降低电解池的工作寿命)。
该作业如下进行：一种为阴极加装内衬的方法，其包括对电解池壳充填粉末材料，使用水平板调平，使用防尘膜覆盖填充材料，并分两个阶段进行压实：初步静态冲击和最终的动态冲击，其通过使静态和动态压实作业工具经缓冲垫沿电解池阴极的纵轴相继移动而进行；缓冲垫由至少2层制成：下层，其防止粉末材料向行进方向推进；和上层，其在缓冲垫和静态作业工具之间提供连接。压实沿阴极的纵向侧边在为阴极宽度的至少0.5的宽度内进行；缓冲垫的硬度在80Nm2～270Nm2的范围内变化，且缓冲垫的下层使用厚度为要形成的层的宽度的(2.5～4)*10-4、宽度为要形成的层的宽度的0.12～0.15且长度为要形成的层的宽度的0.2～0.25的厚钢板，其中，钢板在要压实的整个区域上沿阴极长边以棱对棱的方式放置成3～4列；并且为了缓冲垫和静态作业工具之间的连接，可放置橡胶-织物材料(厚度为钢板厚度的2～3倍)作为顶层。
当前任务如下进行：执行上述方法的设备包括：具有驱动器的辊形式的静态处理单元，和其上安装有振动激发器的动态处理单元；动态处理单元借助弹性元件与静态处理单元连接，以提供相对于辊的水平轴和竖直轴的同步运动。
本发明提出的设备的区别在于有助于执行上述任务的若干特征。
该设备可以以下述方式进行设计：动态处理单元和静态处理单元之间的连接可以借助由橡胶或金属弹簧制成的弹性元件完成。这将防止振动转移至电动机和其他元件；特别是，当使用相对于处理表面成锐角而安装在振动单元上的具有圆周驱动力的振动激发器或具有定向驱动力的振动激发器作为振动源时，这将防止振动转移至设备的金属结构，并一般性地提高装置的可靠性和耐久性。
本发明要求保护的方案的特征与最接近的相近方案和原型的特征的比较分析能够得出符合“新颖性”标准的结论。
所述设备的使用经验已经显示出以下优势：
·可以使用较宽范围的材料来为电解池加装内衬(归因于在压实过程中制作大尺寸层的能力)；和
·内衬材料的上层具有较高程度的压实。
仅由于方法参数与设备设计元件之间的上述关系，才使实现上述优势成为可能。本发明要求保护的方案与本领域的原型和其他技术方案之间的比较能够确定其中将本发明要求保护的方案与原型区分开的特征，这将可以得出其满足“创造性”标准的结论。
该技术方案的本质由特定设计的实例和附图所示。图1示出了用于在电解池中形成无缝内衬层的设备(侧视图)，其具有由金属弹簧制成的弹性元件；图2示出了用于在电解池中形成无缝内衬层的设备(侧视图)，其具有由橡胶制成的弹性元件。
用于在电解池中形成无缝内衬层的设备由以下部件构成：驱动盘1，其形成静态压实器(辊形式)的驱动单元；具有振动器3的振动单元2；位于载荷平台5的重物4，该载荷平台5借助弹性元件6和7(在图1中由金属弹簧制成，在图2中由橡胶制成)，弹性元件6和7借助摇臂8将振动单元和静态处理单元组合至压实装置中，其包括使振动单元沿辊的水平轴和竖直轴(锚)自由运动的能力。用于在电解池中形成无缝内衬层的设备的驱动器由齿轮电动机9和链条10构成。齿轮电动机9安装在摇臂8上，其上还安装了载荷平台5。
本发明要求保护的方案的技术实质如下：
齿轮电动机9和振动器3由控制面板启动。齿轮电动机9的转动经链条10传递至辊的驱动盘1。当转动时，驱动盘1使设备在处理材料上放置的缓冲垫表面上移动。对不定型内衬材料进行初步静态压实。由于来自振动单元2的冲击(在处理材料上)而进行最终的压实，振动单元2沿辊的水平轴和竖直轴移动，并经弹性元件单元负载有重物4。
为了确定振动压实单元(VCU)的最佳设计和过程参数，如图4所示在工作台上进行细小(粒状)材料的压实过程的实验研究。工作台包括具有粒状材料和局部VCU的容器，能够通过静态载荷与不同频率和强度的振动载荷一同提供粒状介质的变形。
当移动具有材料的容器中的VCU时，VCU由辊1(其也是运动机构)产生初始的静态载荷，并由振动单元2产生动态载荷，其振幅对频率的响应特性由激发器3设定。作为振动源，使用具有定向驱动力或圆周驱动力的激发器。VCU放置在填充有粒状材料5的容器4中，填充高度(材料面位置)为300mm～500mm。
材料经缓冲垫进行压实，缓冲垫由厚度为2mm的金属板6(图4)和橡胶板7(5mm厚)构成。在压实过程中，缓冲垫放置材料从辊底部推出，有助于减少空气中的灰尘含量，并将VCU保持在材料表面上(当压实的材料层具有大厚度时)。负载有两种可能的方式：第一种是静态方式(关闭振动单元)，第二种是联合方式(静态和动态)。在联合冲击条件下，位于辊和振动单元之间的材料将封闭于有限的体积中。材料从振动单元侧的推出将受到最终压实材料的阻挡；从辊侧的推出将受到初步压实材料的阻挡；从上部的推出将受到缓冲垫的阻挡。
材料和振动单元的振动加速由压电传感器8和9记录(图5)，这能够实现对振动的水平分量和竖直分量的同时监测。来自传感器的信号进行放大、整合并传输至个人计算机。
压实材料层的密度由由静态比重计B-1确定，且所得压实材料的密度由可携带式HMP LFG挠度计测得的动态弹性模量表征(图3)。
信息收集和测量结果处理使用(一种实验和处理单元的自动化软件系统)进行。
对于实验，使用6通道测量系统(图4)，其包括以下仪器：
-压电加速度计(Brüel&丹麦)；
-电荷放大器型号2635(Brüel&丹麦)；
-模数转换器E-440(CJSC L-Card,俄罗斯)；和
-个人计算机。
启动后，VCU沿填充细小(粒状)材料的容器移动(图5)。材料上可仅有静态冲击(在振动区块关闭时)，或有联合冲击(静态和动态载荷)。静态压实没有特别的关注，因为其与常规辊压没有区别。在第二种情况中，在固定的时间点时，位于振动单元2和辊3之间(图5，字母A和B标示了边界)的一部分初步压实材料1将封闭于有限的体积中。其一侧的移位(推出)受到已压实材料的阻挡；另一侧的移位(推出)受到由辊产生的压力的阻挡；上部的移位(推出)受到板4的阻挡。在振动单元的正下部，产生了压缩波并使材料变形，同时部分材料挤出进入封闭区域，这将对该区域中的粗大(粒状)物施加压力。另外，在振动和与其有关的流变效应的影响下，材料颗粒在此区域中发生相对运动(颗粒趋于形成更致密的结构)，并使空气和水分移位，即进行初步动态压实。在压缩载荷(由振动单元生成)直接冲击在材料上后，材料的形变过程完成。
为了确定最佳参数(在实验研究中)，对激发器的振幅对频率响应特性，移动(行进)速度和静态载荷进行了调整。
实验研究的结果在图6中以曲线图的形式呈现。在封闭体积(区域)中压实细小(粒状)材料的过程在45～60Hz的频率范围内最有效地进行，在同一处理时间，频率从35Hz增大至60Hz可以使密度增大5％～10％；频率的进一步增大将不再引发堆积密度的明显改变。在恒定的振动参数(加速度和频率)下，处理时间的增大将使得密度增大，其中极致密的堆积在最初的6～7秒内形成；进一步的负荷将使得密度进一步增大，但是其速率低得多。
与由振动振幅导致的振动冲击的增大相比，发现随着振动冲击频率的增大，压实材料的动态弹性模量更为快速地改变，这可以由图7所示的实验结果得到确认。曲线1a和1b表示压实材料的弹性模量与影响系统的力值之间的依赖关系，该力在恒定(静态)扭矩下取决于频率改变；曲线2a和2b对应于模量对力值的关系(该力在恒定频率下取决于静态扭矩改变)。
经实验确定，在振动压实过程中，细小(粒状)材料的密度主要受振动传递至粒状介质的加速度的影响；随着振动冲击频率增大，与由振动振幅导致的振动冲击的增大相比，压实材料的动态弹性模量更为快速地改变(图7)。在频率低于35Hz时，振动冲击的效率显著减小。
实验表明，静态载荷并未显著影响堆积物的动态弹性模量。不过，作为振动系统的一部分，静态载荷仅对系统的动态参数有影响。图8示出了相对于加速度的动态弹性模量与静态载荷值的关系。
图9示出了振动速度沿大部分压实材料的深度的测量结果。坐标原点与压实材料的见光表面结合。图3所示的曲线(关系)对应于振动频率为25Hz、34Hz和49.6Hz(分别为曲线1、2和3)。标记■、和●用于表示实验获得的点；其对应于振动频率为25Hz、34Hz和49.6Hz。
经确定，在所考虑(上述)频率范围内，压实物中的振动衰减是指数型的：
v＝v0·e-λ·h
其中，v0为振动单元的振动速度(压实材料的见光表面处)，m/s；v是压实材料在深度h处的振动速度，m/s；λ是衰减系数，由实验确定(λ＝4.4)；h是材料的见光表面至压实层的距离，m。
对于该材料(干燥的阻隔混合物)而言，在25～50Hz的范围内，振动冲击频率在该频率范围内并不会实质上影响材料沿厚度的密度。
发现材料的最高密度处于压实物的上层直到穿透深度(在该深度时振动衰减了e倍)处，其总计为230mm，在更大深度处，堆积密度减小(由于振动衰减所致的振动强度减小)。
当压实具有相同的粒度、物理性质和化学性质的材料时，由于振动速度在下层中减小，因而其密度随深度增大而显著减小(减小了5％～10％)。
以一个电解池计，采用以上阴极内衬将有助于实现不低于2,000美元/年的总成本效益(通过降低内衬材料的成本并降低加装内衬过程中的人力成本)。

Claims (9)

1.一种为电解池的阴极加装内衬的方法，所述方法包括对电解池壳充填粉末材料，使用水平板调平，使用防尘膜覆盖充填的材料，并分两个阶段进行压实：初步静态冲击和最终的动态冲击，其通过使静态压实作业工具和动态压实作业工具经缓冲垫沿所述电解池阴极的纵轴相继移动而进行，其中，所述缓冲垫由至少2层制成：下层，所述下层防止粉末材料向行进方向推进；和上层，所述上层用于在所述缓冲垫和所述静态作业工具之间提供连接。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述缓冲垫的硬度在80Nm2～270Nm2的范围内变化。
3.如权利要求1所述的方法，其中，使用厚度为要形成的层的宽度的(2.5～4)*10-4、宽度为要形成的层的宽度的0.12～0.15且长度为要形成的层的宽度的0.2～0.25的钢板作为所述缓冲垫的下层。
4.如权利要求1所述的方法，其中，压实沿所述阴极的纵向侧边在所述阴极的宽度的至少0.5的宽度内进行。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述钢板在要压实的整个区域上沿所述阴极的长边以棱对棱的方式放置成3～4列。
6.如权利要求1所述的方法，其中，为了所述缓冲垫和所述静态作业工具之间的连接，放置厚度为钢板厚度的2～3倍的橡胶-织物材料作为顶层。
7.一种在电解池中形成无缝内衬层的设备，所述设备包括：具有驱动器的辊形式的静态处理单元，和其上安装有振动激发器的动态处理单元，其中，所述动态处理单元借助弹性元件与所述静态处理单元连接，以提供相对于所述辊的水平轴和竖直轴的同步运动。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述动态处理单元和所述静态处理单元之间的连接能够借助由橡胶制成的弹性元件完成。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述动态处理单元和所述静态处理单元之间的连接能够借助由金属弹簧制成的弹性元件完成。
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