CN116555836A - 一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，包括下列步骤：(1)在电解槽上安装电加热组件，并装满固体电解质；(2)将加热组件与独立交流电源连接；(3)调整独立交流电源的电流以及电流分布，使铝电解槽温度符合要求的升温曲线；(4)关闭独立交流电源并撤走电加热组件；(5)安装惰性阳极组件；(6)将铝电解槽电极与独立交流电源连接，(7)调整独立交流电源的电流以及电流分布，使铝电解槽达到并维持符合要求的温度；(8)断开独立交流电源；(9)将铝电解槽电极与系列电源连接，铝电解槽转入到正常电解工作状态；本发明的预热启动方法具有安全、易控制和对电极和电解槽无损伤的优点。
Description
技术领域
本发明公开了一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，属于熔盐电解铝冶炼领域，适用于电解温度为800～900°C的惰性阳极铝电解槽。
背景技术
金属铝的产量仅次于钢铁，中国电解铝的年产量达四千万吨。然而现行Hall-Héroult高温熔盐铝电解工艺采用消耗性碳阳极，每吨电解铝约消耗450公斤炭素材料，高温熔盐铝电解时碳阳极消耗排放CO2气体，还排放无法降解的强温室气体碳氟化合物(CF4、C2F6)、SO2气体和粉尘等污染物；预焙碳阳极生产过程中也会排放致癌性的芳香族化合物(PAH)、SO2、粉尘等污染物。而且在现行铝电解过程中，需要每月更换预焙阳极碳块，导致电解生产不稳定，并增加了劳动强度、工人面对高温熔体的人身风险和氟化物的无组织排放。
采用无碳惰性阳极铝电解新工艺，可成功解决上述问题，并可提高生产效率；惰性阳极铝电解技术属于有色金属冶炼行业需攻克的节能降碳关键性技术。
惰性阳极铝电解槽的电极结构可以分为水平结构和垂直结构。采用电极垂直布置的惰性阳极铝电解槽，其电极工作面积较电极水平布置的电解槽的电极工作面积可以增加，从而可以采用较小的电流密度，避免阴极附近的电解质液相线温度上升而结壳，另外垂直电极结构的铝电解槽单位占地面积的铝产出率较高，保温性较好，所以垂直电极结构的惰性阳极铝电解槽具有较多优势。
惰性阳极铝电解技术的关键技术之一是电解槽的预热启动。电解槽预热启动就是将电解槽的阴极和炉膛、电解质和铝液从室温预热至工作温度。铝电解槽的预热启动对电解槽的正常运行稳定性和电解槽的寿命有着至关重要的影响。
目前传统预焙碳阳极铝电解槽常用的预热启动方法主要有两种：焦粒焙烧和燃气焙烧，因为铝液焙烧法最初罐入的铝液对电解槽有很大的热冲击且铝液罐入电解槽易凝固而被彻底淘汰。这些焙烧方法的形式尽管不同，但都是需要阳极参与焙烧，并且当达到目标温度后，灌入液体电解质启动，24小时后再灌入液态铝转入非正常期生产。
对于垂直结构的惰性阳极铝电解槽，由于阴极“垂直”安放在电解槽炉膛底部，采用传统的焦料焙烧法启动电解槽，电解质中会存在大量碳渣，碳渣清理干净非常困难。
专利申请号 201910351580.1一种竖式电极铝电解槽预热启动方法提出了采用燃气焙烧法，但垂直电极结构的惰性阳极铝电解槽的电极间距小，安装燃烧器的操作空间非狭窄，燃气焙烧法操作复杂且气氛控制和温度控制要求严格。
专利申请号200910243383.4、专利申请号201210262136.0、专利号CN201220366230.6和专利号CN201020234516.X提出采用电加热方式预热启动垂直电极结构的惰性阳极铝电解槽，专利提出按铝电解槽系列电流进行加热组件电阻设计，采用直流分流元件对铝电解槽系统电流进行全部或部分分流，直流分流元件加热另外一个铝电解槽中的电解质，采用分流技术操作比较麻烦。
专利申请号 202180032376.9提出采用电加热方式预热垂直电极结构的惰性阳极电解槽，加热器数量与阳极组件数量相等，加热器电阻等于或接近阳极电阻，加热电源为电解槽系列的直流电源，当温度达到要求时，用惰性阳极组件来替代加热器。由于加热器采用低电阻大电流的加热方式，加热器的连接导线发热量也非常大。
发明内容
本发明公开一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，独立交流电源首先与电加热组件连接，使用较小电流预热电解槽炉膛和熔化固体电解质；惰性阳极组件安装后，独立交流电源又与铝电解槽的电极连接使液态电解质达到并维持要求的温度；电解槽系列电源与与铝电解槽的电极连接使铝电解槽转入正常电解工作状态。
一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，该方法包括下列步骤：
步骤1：在电解槽炉膛上安装电加热组件和在电解槽炉膛内装满固体电解质：
事先确定电解槽所需电加热组件数量，电加热组件数量可以等于或大于惰性阳极组件数量；
电加热组件包括加热电阻和导线，加热电阻两端与导线间采用焊接联接或浇铸或包覆联接，每个电加热组件的加热电阻值尽可能大，加热电阻单位长度电阻为导线单位长度电阻10倍以上以减少导线的发热量，加热电阻为电阻率较高的高温耐蚀材料，导线为电阻率低且耐1000°C以上高温的金属材料，导线表面有抗高温腐蚀材料保护层，抗高温腐蚀材料为选用氧化铝、二硼化钛或碳化硅中的一种；
电加热组件的加热电阻接近但不接触电解槽炉膛的底部，并且加热电阻位于两排阴极板中间；
电解槽炉膛底部安装的垂直阴极板表面可覆盖有一层0.01～0.1mm厚的铝箔或铜箔；
电解槽安装数个监测温度的热电偶。
固体电解质覆盖在电加热组件的加热电阻周围；
步骤2：断开电解槽与系列电源的连接，将电加热组件与独立交流电源进行连接：
断开电解槽与系列电源的连接，包括了断开铝电解槽的阳极母线与立柱母线的连接，并将铝电解槽的阴极汇流母线与上级铝电解槽的阴极汇流母线短路；
将电加热组件的两端导线与独立交流电源两端进行连接；
独立交流电源的最大输出电流为系列电源电流值的120%，最大输出电压为36V，频率为40～200Hz，电源输出电流为系列电源电流值的0～120％连续可调。
步骤3：按照铝电解槽的启动工艺，调整独立交流电源的电流以及电流分布，以使所述铝电解槽达到启动工艺要求的温度值：
电解槽升温过程中预热电解槽炉膛，使固体电解质熔化，可不断向电解槽添加固体电解质；
铝电解槽的启动工艺为铝电解槽的升温和保温曲线；
降低电源电流以降低加热功率使电解槽处于恒温状态，在铝电解槽的各项物理和化学指标达到要求后并保持一段时间，向电解槽中添加液态电解质使电解质水平符合工艺规定要求；
向电解槽中灌入高温液态铝；
添加高温液态电解质使电解槽温度高于电解槽正常工作温度20～50°C，以便惰性阳极安装完毕后电解槽的温度不低于电解槽正常工作温度太多；
步骤4：关闭独立交流电源，并撤走电加热组件，
步骤5：安装惰性阳极组件：
惰性阳极组件安装前事先被进行预热，预热温度取决于惰性阳极材料的抗热冲击性能；
预热惰性阳极表面覆盖有一层氧化铝保温隔热层，以减慢惰性阳极组件在安装过程中的温度下降速度，避免惰性阳极遭受过大的热冲击而影响其寿命；
步骤6：将独立交流电流与电解槽电极连接：
将独立交流电流与电解槽电极连接包括将独立交流电源两端分别连接在铝电解槽的阴极汇流母线和阳极母线或立柱母线上；
步骤7：电解槽的阳极和阴极在交流电源下进行电解，实际上电极上基本没有铝液析出，但是由于焦尔效应液态电解质通电得到加热；
调整独立交流电源的电流以及电流分布，使铝电解槽液态电解质达到并维持符合要求的温度；
需要说明的是独立交流电流与电解槽电极连接后使用的电流值和独立交流电流与电加热组件连接后所使用的电流值是不相同的。
在断开铝电解槽与独立交流电源的连接前，铝电解槽电解质温度应高于电解槽正常电解温度10～40°C，以便在铝电解槽与系列电源连接后，电解槽的电解质温度仍然略高于正常电解温度。
步骤8：断开铝电解槽与独立交流电源的连接
步骤9：铝电解槽与系列电源连接，铝电解槽转入到正常电解工作状态：
断开铝电解槽与独立交流电源的连接，快速将铝电解槽与系列电源连接；
铝电解槽各项物理和化学指标达到工艺要求，启动正常电解生产。
如果在电解槽上安装预热的惰性阳极组件后，电解槽温度仍高于电解槽正常工作温度20°C以上，则可将铝电解槽直接与系列电源连接，铝电解槽直接转入到正常电解工作状态。
需要说明的是上述工序切换作业是快速的，甚至是同时进行的，以减少切换时间，维持电解槽的温度。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特列举本申请的具体实施方式。
有益效果
本发明提出一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法有下列优势：
1)采用独立低压交流电源，确保电解槽启动的生产安全；
2)使铝电解槽的启动过程容易控制，提高了启动过程中电解槽温度的控制精度，降低了操作难度及劳动强度；
3)独立交流电源与惰性阳极和阴极连接调节电解质温度，未使用大直流电流来调节电解质温度，从而延长阴极和惰性阳极的寿命，有效地延长铝电解槽的寿命。
附图说明
图1：铝电解槽预热启动流程图
实施方式
下文中将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在实施例中，提供了一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，以该方法应用于垂直电极结构铝电解槽为例进行说明，包括以下步骤：
电加热组件准备：
确定铝电解的定电加热组件数量N，根据电加热组件的安装空间确定加热电阻，电阻公式可计算加热电阻的电阻值；
R=ρL/S
式中：ρ-加热电阻电阻材料的电阻率，L-长度，S-横截面积；
铝电解槽的电加热功率为：
W最大=NI2R电
式中：R电-每个加热组件的加热电阻值，I-每个加热组件的电流。
在相同的电加热功率情况下，加热电阻越大，所需电流越低。
所需独立交流电源最大输出电压可按下列公式进行估算：
电加热组件应尽量设计较大的加热电阻，这样相同加热功率的电加热组件可减少流经每个加热组件的电流；为了减少电加热组件的导线发热，应尽量选用电阻小的导线和较小的加热组件电流；
在满足电加热组件使用条件的前提下，应尽量选用电阻率高的材料作为加热电阻(包括但不限于石墨，镍铬合金电阻，耐热不锈钢0Cr20Ni25)，并且加热电阻长度大和截面积小，而应尽量选用电阻率低的材料作为导线，并且导线的截面积大。
准备独立交流电源：
电源输出电压为0～36V，电流为系列电源电流值的0～120％可调，电源频率为40～200Hz。
断开电解槽与系列电源的连接包括断开铝电解槽的阳极母线与立柱母线的连接，并将铝电解槽的阴极汇流母线与上级铝电解槽的阴极汇流母线短路；
在铝电解槽逐渐启动的过程中，将独立交流电源连接在铝电解槽上加热组件的两端，继而在铝电解槽中加入固体电解质，并不断调整独立交流电源电流以及电流分布，直至铝电解槽中的电解质的温度升高到启动工艺要求的温度值之后，就可以将铝液灌入到铝电解槽中完成启动，最后将独立交流电源从铝电解槽上加热组件的两端拆卸，撤走加热组件；
将惰性阳极组件安装在电解槽的炉膛上，将独立交流电流与电解槽电极连接，调整独立交流电源电流以及电流分布，直至铝电解槽中的电解质温度达到并维持符合要求的温度；
断开独立交流电流与电解槽电极的连接，并将铝电解槽电极连接至系列电流电路上，使铝电解槽转入正常工作。对于串联的多个铝电解槽来说，都可以通过上述方式逐一的启动每一个铝电解槽。
在本实施例方式中，在将独立交流电源连接在铝电解槽上的加热组件启动铝电解槽的过程中，可以不断调整独立交流电源的电流和电流分布，使得铝电解槽能够达到启动工艺要求的温度值。需要说明的是，对于每个铝电解槽的启动过程来说，独立交流电源的电流和电流分布调整方式都不相同，需要根据实际情况不断做出调整，所以本实施例对于独立交流电源的调整方法不做过多限定。
实施例1
300KA铝电解槽，采用75个加热组件，加热组件的加热电阻采用Cr20Ni80合金，其电阻率为109μΩ.cm，每个加热组件的电阻值为0.012Ω；加热电阻两端采用纯铁作为导线，纯铁电阻率为9.71μΩ.cm，用高铝酸盐水泥包覆导线。
采用独立交流电源，每个加热组件的最大电流为1000A，电压为14V左右，频率50Hz。
加热控温曲线为：加热0～30h，温度20～470°C; 加热30～55h，温度470～770°C;加热55～68h，温度770～840°C;840°C保温6小时。
断开独立交流电源，并撤走电加热组件，添加高温电解质，使电解槽电解质温度升至860°C，安装惰性阳极组件，电解槽电解质温度下降，连接独立交流电源，使电解槽电解质温度达到并维持在860°C；快速断开独立交流电源，快速连接系列电源，将温度维持在840°C，转入正常电解阶段。
实施例2
400KA铝电解槽，采用100个加热组件，加热组件的加热电阻采用0Cr25Ni20不锈钢，其电阻率为78μΩ.cm，每个加热组件的电阻值为0.009Ω；加热电阻两端采用纯铁作为导线，纯铁电阻率为9.71μΩ.cm，用高铝酸盐水泥包覆导线。
采用50 Hz的独立交流电源，每个加热组件的最大电流为1200A，电压为14V左右。
加热控温曲线为：加热0～30h，温度20～450°C; 加热30～60h，温度450～740°C;加热60～70h，温度750～800°C;800°C保温8小时。
断开独立交流电源，并撤走电加热组件，添加高温电解质，使电解槽电解质温度升至840°C，安装惰性阳极组件，电解槽电解质温度下降，连接独立交流电源，使电解槽电解质温度达到并维持在820°C；快速断开独立交流电源，快速连接系列电源，将温度维持在800°C，转入正常电解阶段。
实施例3
400KA铝电解槽，采用100个加热组件，加热组件的加热电阻采用石墨，其电阻率为800～1300μΩ.cm，每个加热组件的电阻值为0.012Ω；加热电阻两端采用纯铁作为导线，石墨与纯铁采用铸铁浇铸联接，纯铁电阻率为9.71μΩ.cm，用高铝酸盐水泥包覆导线。
采用50 Hz的独立交流电源，每个加热组件的最大电流为1160A，电压为14V左右。
加热控温曲线为：加热0～30h，温度20～450°C; 加热30～60h，温度450～740°C;加热60～70h，温度750～880°C;880°C保温8小时。
断开独立交流电源，并撤走电加热组件，添加高温电解质，使电解槽电解质温度升至900°C，安装惰性阳极组件，电解槽电解质温度下降，连接独立交流电源，使电解槽电解质温度达到并维持在900°C；快速断开独立交流电源，快速连接系列电源，将温度维持在880°C，转入正常电解阶段。
通过以上的实施方式描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现，也可以通过硬件实现。
上述本申请序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本申请的几个具体实施场景，但是，本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本申请的保护范围，应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (9)
1.一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，其特征在于，所述预热启动过程包括下列步骤：
(1)在电解槽上安装电加热组件，在所述电解槽炉膛内装满固体电解质；
(2)断开所述电解槽与铝电解系列电源的连接，将所述电加热组件与最大输出电压为36V独立交流电源连接；
(3) 按照铝电解槽的加热启动工艺，调整所述独立交流电源的电流以及电流分布，使铝电解槽温度符合启动工艺要求的温度曲线值，并不断添加固体电解质，直到电解质完全熔化和电解质水平达到规定要求，在所述铝电解槽中灌入高温液态铝液，添加高温液态电解质使电解质水平达到要求的高度；调整所述独立交流电源加热功率使所述电解槽处于恒温状态工保持一段时间，所述铝电解槽的各项物理和化学指标达到要求；
(4)关闭所述独立交流电源并撤走所述电加热组件；
(5)在所述电解槽上安装预热的惰性阳极组件；
(6)将所述独立交流电源两端分别连接在所述铝电解槽的阴极汇流母线和阳极母线或立柱母线上；
(7)调整所述独立交流电源的电流以及电流分布，使铝电解槽达到并维持符合要求的温度；
(8)断开所述独立交流电源；
(9)将所述铝电解槽与所述系列电源连接，所述铝电解槽转入到正常电解工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，其特征在于，所述电加热元组件包括加热电阻和导线，所述加热电阻两端与所述导线间采用焊接联接或者浇铸或者机械包覆联接，所述加热电阻单位长度电阻值为所述导线单位长度电阻值的10倍以上，所述加热电阻为镍铬合金、高温耐蚀不锈钢或石墨等高温耐蚀材料，所述导线为耐1000°C以上高温的金属材料，所述导线表面覆盖有抗高温腐蚀材料保护层，所述抗高温腐蚀材料为选用氧化铝、二硼化钛或碳化硅中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，其特征在于，所述断开铝电解槽与系列电源的连接包括断开铝电解槽的阳极母线与立柱母线的连接，并将所述铝电解槽的阴极汇流母线与上级铝电解槽的阴极汇流母线短路。
4.根据权利要求1所述的一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，其特征在于，所述独立交流电源的最大输出电流为所述系列电源电流值的120%，电源最大输出电压为36V，电源频率为40～200Hz，电源输出电流为系列电源电流值的0～120％连续可调。
5.根据权利要求1所述的一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，其特征在于，所述独立交流电源首先与所述电加热组件连接，使用较小电流预热所述电解槽炉膛和熔化固体电解质；惰性阳极组件安装后，所述独立交流电源又与所述铝电解槽的电极连接使液态电解质达到并维持要求的温度。
6.根据权利要求1所述的一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，其特征在于，在电解槽炉膛上安装所述电加热组件数量可以等于或大于所述惰性阳极组件数量。
7.根据权利要求1所述的一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，其特征在于，步骤(3)，步骤(4)和步骤(5)尽量同时进行，步骤(8)和步骤(9)也尽量同时进行。
8.根据权利要求1所述的一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，其特征在于，铝电解槽启动前，铝液可润湿TiB2基阴极已经垂直安装在电解槽底部，所述TiB2基阴极包覆有一层保护铝箔或铜箔。
9.根据权利要求1所述的一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法，其特征在于，惰性阳极组件安装前可事先被进行预热，预热惰性阳极表面覆盖有一层氧化铝保温隔热层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310776498.XA CN116555836A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310776498.XA CN116555836A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116555836A true CN116555836A (zh) | 2023-08-08 |
Family
ID=87502122
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310776498.XA Pending CN116555836A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种使用独立交流电源预热启动垂直惰性电极结构铝电解槽的方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN116555836A (zh) |
-
2023
- 2023-06-28 CN CN202310776498.XA patent/CN116555836A/zh active Pending
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