CN106435645B - 一种整体成形的铝电解槽阳极复合覆盖层及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铝电解槽的整体成形阳极复合覆盖层结构，在保证现有的氧化铝和电解质混合覆盖料的保温、防氧化功能的基础上，发明一种整体成形且可多次重复使用的铝电解阳极复合覆盖层，替代传统铝电解的电解质和氧化铝混合散装覆盖料层方式。阳极防氧化覆盖层（3）覆盖于阳极上表面，隔绝空气防止炭素阳极上表面氧化；阳极极上保温复合覆盖层（1）置于防氧化覆盖层（3）上方，形成覆盖电解槽全部阳极的覆盖层组，发挥保温和集气的作用；电解槽周边保温复合覆盖层（2）置于阳极外边缘到槽侧部块内边缘之间，槽膛内炉帮之上，覆盖包含长侧部和端部的全部周边。

Description

一种整体成形的铝电解槽阳极复合覆盖层及方法

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，涉及一种应用于生产运行中的铝电解槽的阳极覆盖层的保温、集气、防氧化，以及整体成形的复合覆盖层的新结构、新材料和热态重复使用技术。

背景技术

在铝电解电化学反应中，熔融电解质本身并没有反应消耗，但是作为反应媒介发挥核心作业。每次焙烧启动，总会新增冰晶石，导致体系电解质总量逐渐增加，这成为困扰老电解铝企业的难题，桥电5万吨。自预焙阳极电解技术诞生以来，将破碎后的电解质结壳块与氧化铝粉混合，作为阳极覆盖料使用的做法延续至今。

在现有铝电解槽在生产运行中，阳极覆盖料不直接参与电化学反应，但却是不可或缺生产原料，虽然在工艺流程中所占比重不大，但物料循环量大。现有阳极覆盖料层的成分是不同粒度大小的电解质颗粒和氧化铝颗粒的混合散装物料，其作用是保温、集气和防氧化。阳极覆盖料层主要靠人工砌筑和天车添加，在生产中存在如下问题：

1、覆盖料体系的物料循环量大

铝电解企业的覆盖料体系分两大部分：极上覆盖料和生产流程中循环料。以某420kA电解系列为例，单台电解槽的极上覆盖料约25吨，全系列共7000多吨，流程中的循环料量一般是极上覆盖料量的2倍，为14000吨，则体系总料量共计21000吨。每天需处理循环料量215吨，则每年体系总循环量78000多吨，另外，流程中根据需要变化循环料的粒度、成分、配比等。一方面，如此大物料量的循环运转量，企业需要付出巨大的人财物成本；另一方面，废电解质料价格目前约2200元/吨，上例中这部分原料的资金积压共计4620万元。

、覆盖料体系涉及的工序和流程多

如此巨大的覆盖料量和循环量，必然需要相应的车间、设备和人员来支持。覆盖料体系循环涉及电解车间、电解质破损、阳极组装、物料运输、物料输送等多个车间；涉及拔极、分离、破碎、运输、输送、砌筑、加料等15项作业；涉及各工种人员120多人；涉及各种关键专用设备20多种。仅以某电解质破损工段为例，每年消耗运行费用600多万元。

、换极引起的槽况波动

在电解操作中，换极是影响电解槽运行的最大因素，这是业界共识。对于铝电解电化学反应来说，稳定压倒一切，一旦槽况进入不稳定，必然导致电流效率降低和电耗升高。对于电解槽运行来说，稳定包含：物料平衡、热平衡、电流稳定、磁场稳定、流体稳定。而在电解生产三大常规操作出铝、换极、抬母线中，换极对上述的5项平衡和稳定都有较大影响，所以换极也是槽况波动的主要诱因。根据对某电解槽型大量运行数据的统计和分析，换极引起的电压波动换算成吨铝能耗为80度/吨铝，以某420kA年产能33万吨电解系列为例，换极波动电耗2640万度/年，以电价0.26元/度计，电费消耗686.4万元/年。

、残极覆盖料冷却和新极覆盖料加热，导致的热量消耗大

在传统换极操作，将残极及其覆盖料吊出后自然冷却，然后才能进行后续的处理，残极覆盖料层从500℃左右降至环境温度，此部分热量散发损失；另外，新极覆盖料层从环境温度升温至500℃，也需要消耗电能升温。根据测算，残极覆盖料冷却所丧失的热量和新极覆盖料加热所需要的热量，换算成吨铝电耗都约为26度/吨铝，总计52度/吨铝，以某420kA年产能33万吨电解系列为例，换极覆盖料丧失和加热总电耗1716万度/年，以电价0.26元/度计，消耗电费446.2万元/年。

、换极作业项目多，槽罩打开时间长，散热损失大

现有换极操作共有9项作业内容，整个操作过程一般需要30分钟左右，其中，人工扒开边缘的大块结壳块、人工打捞掉入电解液中的大结壳块、人工砌筑大块结壳块到新极中缝等作业，人员的操作环境极端恶劣危险，劳动强度高，安全隐患大；另外，天车打开残极覆盖料结壳、天车抓斗打捞掉入电解液中的结壳块、天车加新鲜氧化铝粉料至覆盖料顶等作业，天车运行和槽罩打开的时间长，使烟气抽风量加大，且与槽外热对流增加，导致能量损失较大，因此，在电解槽的控制系统中，专门设计了对换极散热的能量补充，补充电压一般为150~300mV，时间30~60min，但换极过程的实际电能补充一般超过300度/次换极，如果能减少作业，缩短换极时间，就可以降低补偿电压并缩短散热时间，减少换极能耗。

、电解多功能天车功能多结构复杂，天车工作量和维护量大

电解用多功能天车PTM主要功能有：

1）打壳机构——打开残极边缘结壳；

2）换极机构——扭紧或松开小盒卡具，更换阳极；

3）清渣抓斗——捞取大结壳块；

4）加料机构——新鲜氧化铝覆盖料仓和多自由度加料管；

5）出铝小车——稳定的出铝吊钩，保证出铝抬包不摆动。

另外，主小车上配旋转驾驶室，主要在打壳和换极操作时方便天车工观察作业。铝电解多功能天车功能多结构复杂，导致维护成本高，以某420kA年产能33万吨电解系列为例，一般配置多功能天车10~12台，每年维护的备品备件和人工成本在120~150万元。

、覆盖料体系循环量大，循环工序多，被污染的几率高，使得其进入槽内导致原铝被污染的几率也高

如前所述，每年覆盖料循环量7.8万吨，经历扒渣、捞块、运出、分离、破碎、运入、砌筑等多道工序，过程中容易进入砖块、碎石、灰渣、铁块、泥土等杂质，并在体系中逐渐累积，最终进入原铝中，导致Fe、Si等含量上升，破坏原铝质量，在下游铝加工对原铝质量要求越来越高的今天，原铝质量意味着价格高低。

、换极时结壳块和渣粉掉落槽底，清扫量巨大。

使用现有阳极覆盖料，在拔极，扒渣，捞块，砌筑等作业时，结壳块和渣粉不可避免会掉落，堆积在母线、软带和地面，日积月累，在槽底堆积如山，这是长期困扰电解企业的老大难问题。企业一般每两三个月会雇劳务工清扫一次，费时费力，非专业人员长期在槽底作业也存在安全隐患。

、覆盖料基本都是散装粉料，而且都在裸露环境分离、运输和砌筑，是粉尘污染的主要源头

以电解车间为例，其实主要灰渣和粉尘来源于覆盖料体系。电解车间主要进出原料有几种：

1）氧化铝——作为主要原料，从卸料到上槽，都是密封输送的；

2）氟化铝——通过氟化铝吊仓加料，但至少是袋装的；

3）炭阳极——无论残极新极，固体成形且有一定强度，不易散落；

4）而覆盖料——破碎电解质或粉料都是通过拖拉机运输，到电解车间后，直接倾倒地上，然后人工铲送，砌筑，填充至阳极上，因此覆盖料体系是电解企业灰渣和粉尘污染的主要源头。

、换极工人的劳动量大，作业环境极端恶劣，且安全隐患高

在电解操作工工作内容中，换极作业是最艰苦恶劣的作业。操作工需要穿戴重型防护装备，靠近裸露的900多度的电解质融液，克服高温、强磁、粉尘、浓烟等极端恶劣的环境因素，进行扒渣、捞块、砌筑、收边等重体力作业，这对操作工人的身心造成极大挑战，导致电解工岗位招人难，留人难，经常性不满员。

发明内容

本发明提供一种新型的铝电解槽的阳极覆盖方法和成套技术，在保证现有的氧化铝和电解质混合覆盖料的保温、防氧化功能的基础上，发明一种整体成形且可多次重复使用的铝电解阳极复合覆盖层，如图1，替代传统铝电解的电解质和氧化铝混合散装覆盖料层方式，如图2。本发明既可满足传统覆盖料层保温、集气和防氧化的要求，又可达到：降低电解铝企业的覆盖物料循环量；减少电解铝企业覆盖料处理流程及相关的人工和设备成本；省略多个换极作业工序，缩减换极时间和程序；降低传统换极作业对电解槽运行的影响等效果。

本发明的技术方案为：一种铝电解槽的整体成形阳极复合覆盖层结构，阳极防氧化覆盖层覆盖于阳极上表面，阳极极上保温复合覆盖层置于阳极防氧化覆盖层上方，形成覆盖电解槽全部阳极的覆盖层组，电解槽周边保温复合覆盖层置于阳极外边缘到槽侧部块之间，槽膛内炉帮之上，覆盖包含长侧部和端部的全部周边。

所述的阳极极上保温复合覆盖层配合专门的更换装置，在热态下进行更换和重复连续使用；各阳极极上保温复合覆盖层之间，以及阳极极上保温复合覆盖层与周边保温复合覆盖层之间无硬壳粘连。

所述的对于单次换极同时更换两块阳极的情况，单组阳极极上保温复合覆盖层分为三部分，左型复合覆盖层，中间复合覆盖层和右型复合覆盖层，分别覆盖两块阳极的左右及中间区域。

所述的对于单次换极只更换单块阳极的情况，单组阳极极上保温复合覆盖层分为两部分，分别覆盖单块阳极的左右区域；单组极上保温复合覆盖层的尺寸大小与对应阳极的尺寸相关，总长度范围1400～2000mm，总宽度范围500～1600mm。

所述的极上保温复合覆盖层分为外工作层、内保温层和封填层；外工作层的材料为铝硅系耐火材料、碳氮化硅或碳化硅定型耐火材料，内保温层的材料为硅酸铝纤维棉、硅酸钙板或陶瓷纤维耐火、保温材料，封填层为不定型浇注料，最终成形的极上保温复合覆盖层（1）的综合导热系数在0.1～2.5W/(m·K)，体积密度1000～3000kg/m3。

所述的所述的阳极极上保温复合覆盖层，预埋耐高温钢构件，并设置专用拆卸和装配夹具。

所述的所述的电解槽周边保温复合覆盖层的材料为铝硅系、碳化硅、碳氮化硅的耐火、保温材料复合成形，或选择单一耐火材料单独成形；电解槽周边保温复合覆盖层内预埋耐高温钢构件，并设置专用锚固夹具，固定于槽周边。

所述的阳极防氧化覆盖层使用氧化铝和电解质的粉料混合堆砌成形，或使用氧化铝和电解质的混合粉料预制成形，厚度1～5cm，铺设于阳极上表面。

阳极极上保温复合覆盖层除了具备传统覆盖料层的保温和集气功能外，还可配合专门更换装置，在热态下进行更换和重复连续使用；各阳极极上保温复合覆盖层之间，以及保温复合覆盖层与周边保温复合覆盖层之间无硬壳粘连，天车换极可直接拔出和吊入，摒弃了传统换极流程的天车打壳作业。

本发明的有益效果：

研发出可以重复使用的阳极复合覆盖层及换极操作装置，该成套技术应具备以下基本特征：

1）复合覆盖层系整体成形，综合保温性能可满足电解槽热场需求；

2）复合覆盖层具备传统覆盖料的保温、集气、防氧化功能；

3）复合覆盖层可在热态下可重复使用；

4）各阳极的覆盖层间不结硬壳，换极时可省略天车打壳过程；

5）使用机械装置，实现覆盖层的自动或半自动更换；

6）考虑电解槽中缝特殊设计，保证打壳下料顺畅和有效排气；

7）考虑边部复合覆盖层的特殊设计，保证极上复合覆盖层与边部复合覆盖层之间的结合。

本发明在保证现有的氧化铝和电解质混合覆盖料的保温、防氧化功能的基础上，可以减少覆盖料体系的循环量和处理量；可以减少覆盖料循环的工序和流程，降低循环成本；可以减少换极操作引起的槽况波动，提高运行稳定性；可以避免残极覆盖料的热散失和新极覆盖料的热支出；可以减少天车换极工序，缩短换极时间，从而减少换极热损失；可以减少天车换极过程中的作业项目，缩减天车使用负荷甚至部分功能，降低天车使用维护成本；可以降低覆盖料在循环流程中受污染几率，有利于提高原铝质量；可以避免换极时结壳块和渣粉掉落，降低清扫量；可以避免现有覆盖料灰渣对企业环境污染；可以改变换极作业方式，缩短作业流程，降低工人换极作业劳动强度，降低安全隐患。

附图说明

图1为本发明结构示意图主视图；

图2为本发明结构示意图俯视图；

图3为本发明结构示意图左视图；

图4为现有技术中氧化铝和电解质混合覆盖料层示意图；

图5为双阳极极上保温复合覆盖层示意图主视图；

图6为双阳极极上保温复合覆盖层示意图俯视图；

图7为双阳极极上保温复合覆盖层示意图左视图；

图8为单阳极极上保温复合覆盖层示意图主视图；

图9为单阳极极上保温复合覆盖层示意图俯视图；

图10为单阳极极上保温复合覆盖层示意图左视图。

具体实施方式

现有铝电解的电解质和氧化铝混合覆盖料层方式如图2，阳极覆盖料层9覆盖在阳极4上；本发明提供一种整体成形，且可多次重复使用的铝电解阳极复合覆盖层，如图1，既可满足传统覆盖料层保温、集气和防氧化的要求，可以减少覆盖料体系的循环量和处理量；可以减少覆盖料循环的工序和流程，降低循环成本；可以减少换极操作引起的槽况波动，提高运行稳定性；可以避免残极覆盖料的热散失和新极覆盖料的热支出；可以减少天车换极工序，缩短换极时间，从而减少换极热损失；可以减少天车换极过程中的作业项目，缩减天车使用负荷甚至部分功能，降低天车使用维护成本；可以降低覆盖料在循环流程中受污染几率，有利于提高原铝质量；可以避免换极时结壳块和渣粉掉落，降低清扫量；可以避免现有覆盖料灰渣对企业环境污染；可以改变换极作业方式，缩短作业流程，降低工人换极作业劳动强度，降低安全隐患。

本发明的实施例：如图1，阳极防氧化覆盖层3覆盖于阳极4上表面，隔绝空气防止炭素阳极上表面氧化；阳极极上保温复合覆盖层1置于防氧化覆盖层3上方，形成覆盖电解槽全部阳极的覆盖层组，发挥保温和集气的作用；电解槽周边保温复合覆盖层2置于阳极外边缘到槽侧部块内边缘之间，槽膛内炉帮之上，覆盖包含长侧部和端部的全部周边。阳极极上保温复合覆盖层1除了具备传统覆盖料层的保温和集气功能外，还可配合专门更换装置，在热态下进行更换和重复连续使用；各阳极极上保温复合覆盖层1之间，以及保温复合覆盖层1与周边保温复合覆盖层2之间无硬壳粘连，天车换极可直接拔出和吊入，摒弃了传统换极流程的天车打壳作业。如图1，阳极极上保温复合覆盖层1预埋耐高温钢构件，并配置专用拆卸和装配夹具7，将阳极极上保温复合覆盖层1安装于防氧化覆盖层3上方，同时也配合机械夹持装置，实现把热态的极上保温复合覆盖层1从残极上的拆除，再安装至新阳极上。如图1，周边保温复合覆盖层2材料和构成，选择强度高、耐火度和耐腐蚀性好的定型耐火材料（如铝硅系、碳化硅、碳氮化硅等）混合成形，或选择单一耐火材料单独成形；周边保温复合覆盖层2内预埋耐高温钢构件，并配置专用锚固夹具8，固定于槽周边。阳极防氧化覆盖层3使用氧化铝和电解质的粉料混合堆砌成形，或使用氧化铝和电解质的混合粉料预制成形，厚度1～5cm，置于阳极上表面。

对于目前最常见的单次换极同时更换两块阳极的情况，单组阳极极上保温复合覆盖层1分为三部分，如图3，左型复合覆盖层10，中间复合覆盖层11和右型复合覆盖层12，分别覆盖两块阳极的左右及中间区域；对于单次换极只更换单块阳极的情况，单组阳极极上保温复合覆盖层1分为两部分，如图4，分别覆盖单块阳极的左右区域；单组极上保温复合覆盖层1的尺寸大小与对应阳极的尺寸相关，总长度范围1400～2000mm，总宽度范围500～1600mm。

位于氧化铝打壳下料孔6和出铝口的覆盖装置，作开孔处理，以保证集气、打壳、下料和出铝操作的顺利进行

如在某槽全部实施本发明技术，则实施步骤如下：

1）某块阳极到更换周期，天车吊挂残极，打开小盒卡具，然后直接提出残极，连带其上的极上复合覆盖层，吊运至电解车间操作平台；

2）操作工将阳极防氧化层敷设于新阳极之上，此步与上步骤同时进行或提前完成；

3）带专用机械夹持装置的小车，将残极上的热态极上复合覆盖层夹持并分离，然后移至新极上组合装配；

4）天车吊挂新阳极，连带其上的极上复合覆盖层，吊运至槽上就位，紧固小盒卡具；

5）人工将少量氧化铝粉料填充至覆盖层间缝，关闭槽罩，换极完毕。

Claims (6)

1.一种铝电解槽的整体成形阳极复合覆盖层结构，其特征在于：阳极防氧化覆盖层（3）覆盖于阳极（4）上表面，阳极极上保温复合覆盖层（1）置于阳极防氧化覆盖层（3）上方，形成覆盖电解槽全部阳极的覆盖层组，电解槽周边保温复合覆盖层（2）置于阳极外边缘到槽侧部块之间，槽膛内炉帮之上，覆盖包含长侧部和端部的全部周边；极上保温复合覆盖层（1）分为外工作层、内保温层和封填层；外工作层的材料为铝硅系耐火材料、碳氮化硅或碳化硅定型耐火材料，内保温层的材料为硅酸铝纤维棉、硅酸钙板或陶瓷纤维耐火、保温材料，封填层为不定型浇注料，最终成形的极上保温复合覆盖层（1）的综合导热系数在0.1～2.5W/(m·K)，体积密度1000～3000kg/m³；所述的阳极极上保温复合覆盖层（1），预埋耐高温钢构件，并设置专用拆卸和装配夹具（7）。

2.根据权利要求1所述的一种铝电解槽的整体成形阳极复合覆盖层结构，其特征在于：阳极极上保温复合覆盖层（1）配合专门的更换装置，在热态下进行更换和重复连续使用；各阳极极上保温复合覆盖层（1）之间，以及阳极极上保温复合覆盖层（1）与周边保温复合覆盖层（2）之间无硬壳粘连。

3.根据权利要求1所述的一种铝电解槽的整体成形阳极复合覆盖层结构，其特征在于：对于单次换极同时更换两块阳极的情况，单组阳极极上保温复合覆盖层（1）分为三部分，左型复合覆盖层（10），中间复合覆盖层（11）和右型复合覆盖层（12），分别覆盖两块阳极的左右及中间区域。

4.根据权利要求1所述的一种铝电解槽的整体成形阳极复合覆盖层结构，其特征在于：对于单次换极只更换单块阳极的情况，单组阳极极上保温复合覆盖层（1）分为两部分，分别覆盖单块阳极的左右区域；单组极上保温复合覆盖层（1）的尺寸大小与对应阳极的尺寸相关，总长度范围1400～2000mm，总宽度范围500～1600mm。

5.根据权利要求1所述的一种铝电解槽的整体成形阳极复合覆盖层结构，其特征在于：所述的电解槽周边保温复合覆盖层（2）的材料为铝硅系、碳化硅、碳氮化硅的耐火、保温材料复合成形，或选择单一耐火材料单独成形；电解槽周边保温复合覆盖层（2）内预埋耐高温钢构件，并设置专用锚固夹具（8），固定于槽周边。

6.根据权利要求1所述的一种铝电解槽的整体成形阳极复合覆盖层结构，其特征在于：阳极防氧化覆盖层（3）使用氧化铝和电解质的粉料混合堆砌成形，或使用氧化铝和电解质的混合粉料预制成形，厚度1～5cm，铺设于阳极上表面。