CN1936087A - 形成铝还原槽的无缝内衬层用的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种在一电解铝槽的一阴极壳体中形成一内衬层的方法，所述方法包括以下步骤：用一粉末材料填充所述阴极壳体，平整所述粉末材料，定位一隔绝灰尘材料的层，并实施静力和动力压实的步骤。在实施静力压实步骤中，一静力压实的工作元件连续地在内衬层上移动。在实施动力压实步骤中，一动力压实的工作元件在内衬层的全部宽度上移动，使静力载荷连续地施加到所述动力压实的工作元件上。

Description

形成铝还原槽的无缝内衬层用的方法和装置

技术领域

本发明总的涉及与铝的电解生产相关联的有色金属冶炼的领域，具体来说，涉及一铝电解槽的一阴极单元的形成。

背景技术

铝通常用一种特殊方法生产，其中，氧化铝通过电解还原法分离成铝金属的组分和氧气。它是一连续的过程，由此，氧化铝溶解在被称之为罐皿的电解槽内的冰晶石熔体材料中并在碳阳极处发生氧化。由于阻碍一较大的电流通过，所以熔体保持在其熔化状态中。

在各个铝还原槽或罐中，直流电从碳阳极通过含有溶解的氧化铝的冰晶石熔体流到碳阴极槽内衬。嵌入在阴极内的钢棒将电流带出罐。该罐由一钢壳组成，碳阴极内衬容纳在其中。该阴极适于保持住熔化的冰晶石和在溶化状态中氧化铝以及在此过程中形成的熔化的铝。

形成罐内腔的碳内衬由多个预先成形的碳块体组成。这些块体放置在钢罐壳体内并与类似于用来制造块体的材料的浆料粘结在一起。由耐火砖、蛭石或类似材料组成的绝热层通常放置在内腔内衬与钢壳体之间。用作导电的导电棒嵌入在内腔内衬的底部并延伸通过钢壳的开口而与电气总线连接，电气总线将一个罐连接于另一个罐。

阴极罐内衬的寿命通常在4至6年之间。如果内衬失效，则通常铝金属通过内衬贯穿到阴极导电棒，使导电棒溶解。这造成金属，有时有融化的冰晶石熔体泄漏到导电棒的周围。铝中铁含量水平突然增加通常表示一罐正接近其寿期的结束。然后，内衬应进行修理或更换，在程序中称之为“换衬”。众所周知，这样的修补和换衬的过程在铝生产中构成很大一部分费用，因此，应该有效地实施以确保铝还原槽的合适的寿命和操作。

在本技术领域内公知一种对铝电解槽筑内衬的方法，它用研磨的氧化铝填充阴极壳体并将碳浆糊夯实在其顶部上。(例如，参见R.Weibel的Advantages andDisadvantages of Different Cathode Refactory Materials，Aluminum of Siberia.Krasnoyarsk，2002p.14-24)。根据该现有技术的程序，未成形的材料用静力压实方法进行压实，该方法由压缩和滚动步骤组成。未成形的材料也可用动态方法进行压实，该方法包括无冲击的振动、有冲击的振动以及冲击的阶段。在这些方法中，工作元件对要被压实的材料产生一冲击。借助于普通的滚筒最常用的静力压实方法不提供所需要的内衬材料结构。在内衬材料的结构要求中，尤其是要求低的多孔性和小孔的尺寸。使用带有振动机构的滚筒(例如，美国专利4,184,787所揭示的)稍许地增加了压实材料的密度，但保持了相当高(高达25％)的阻挡层的多孔性。此外，通过现有技术的滚筒-振动机构的组合进行处理之后，阻挡层的表面通常包含有波浪形的缺陷。

现有技术领域内还已知有另一筑内衬的方法，它包括以下的步骤：用粉末材料填充阴极壳体，用一板平整该材料，将聚乙烯薄膜定位在粉末材料层上，铺设玻璃纤维层或纤维板，以及用一振动板压实器或一振动平台动态地压实该材料。

根据以上讨论的现有技术的方法，压实步骤起始于一阴极壳体角部并从壳体一侧朝向阴极中心螺旋形地进行。每一圈，振动装置向内移动的同时重叠先前已被压实的区域几个厘米。为了使阻挡层达到所要求的压实水平，振动装置必须运动若干个全循环。

业已发现该现有技术的筑内衬的方法不能形成高质量的阻挡层。该缺点的主要原因之一在于，采用的压实程序只是动态特性的，其主要以内衬材料的低的体积密度进行工作。因此，该方法对形成的所有阻挡层并不提供所要求的完全的压实。利用具有不足够刚度的薄玻璃纤维的层压板可导致一不均匀的层表面。其结果，阻挡层材料形成的表面具有波浪形的构造，类似于使用振动滚筒时形成的表面。如企图增加用作为一盖的材料的刚度，则导致降低压实过程的效率。

通常用于上述筑内衬方法的装置也称之为振动平台。一如欧洲专利EP1227983所述的典型的现有技术的振动平台包括一马达和设置在平台上的诸振动压实附件。借助于诸支架将平台连接到一手柄上，该手柄用来控制平台的操作。手柄借助于诸橡胶接头连接到诸支架上，所述橡胶接头适于减小因振动平台的运行引起的振动。

该现有技术装置的主要缺点在于：装置的幅值-频率不是最佳的，以及平台较小但重量相当大。其结果，为了达到所要求的材料的质量，通常需要在阻挡层材料的表面上运行几次振动平台。此外，生成的阻挡层的特性依赖于操作者的工作技能。然而，最主要的缺点在于：振动平台的操作主要基于动态的压实程序。这样，压实和振松过程同时地运行，导致压实材料形成大量的灰尘。

附图说明

图1是本发明压实装置的侧视图；

图2是它的详图；

图3是一曲线图，示出待形成的层的密度与装置在不同移动速度下诸工作元件的振动之间的关系，而没有载荷作用施加在振动单元上；

图4是一曲线图，示出待形成的层的密度与施加载荷的质量之间的关系；

图5是一曲线图，示出待形成的层达到的密度、施加载荷的质量和本发明装置的移动速度之间的关系；

图6是本发明装置的详细侧视图；

图7是本发明压实装置的俯视平面图；以及

图8a、8b和8c示出装置的各种位置，同时执行本发明方法中的多个压实步骤。

具体实施方式

现总体地参照诸附图，特别是参照图1-2和6-8，它们示出本发明的压实装置10，该装置包括一静力压实部分12和一动力压实部分或振动部分14。静力压实部分12由至少一个或多个静力压实单元16组成。同样地，动力压实部分14由至少一个或多个振动单元30形成。静力压实部分12和动力压实部分14组合在一起，以形成本发明装置的整体结构。如图7和8所示，装置由多个组合在一起的模件形成，其中，各个模件包括至少一个静力压实单元16和至少一个振动单元30。

在静力压实部分12中，设置至少一个驱动器18用来对多个滚筒型工作元件的滚筒26提供动力。滚筒26可转动地布置在一公共轴25上，该轴与静力压实部分12的纵轴线A-A相一致。如图2和7所示，各个静力压实单元16包括二至四个连续地和转动地布置在公共轴25上的滚筒26。然而，可转动地布置在公共轴25上的、带有任何合理数量静力压实元件或滚筒26的静力压实单元都落入本发明范围之内。驱动器18包括一具有一输出转子31的马达齿轮箱22。由该马达齿轮箱22提供动力后，输出转子31和与其相连的驱动盘20的转动运动借助于一链条24传递到与大致水平设置的轴25相连的驱动盘21。借助于多个初级的连接元件28和与对应的静力和动力压实单元相连的多个振动连接元件38可提高各个模件的结构整体性。一初级连接元件28的远端23适于可转动地支承轴25，而其近端27刚性地连接于一与对应振动单元30相连的支承平台32。

动力压实部分14包括与对应的静力压实单元16相连的单个或多个振动单元30，它们的连接方式将在下面予以讨论。各个振动单元30形成有一支承平台32，该平台适于接纳载荷34和连接于一振动组件36。一振动发生器41和该振动组件36的一振动打击头42与一轴40间隔开，垂直定向的诸振动连接件44在其间延伸，使形成一个整体结构。在本发明的一实施例中，发生器41是一惯性型振动发生器。支承平台32适于容纳单个或多个载荷34。在本发明的一个实施例中，如图1和7所示，各个载荷34形成为具有一大致圆柱形的构形，带有一通过其本体的一中心区域的孔35。提供诸连接构件或杆38用于在设置在对应的支承平台32上的诸载荷34和诸架子40之间的连接。具体来说，各个连接构件38通过对应载荷34的纵向孔35、通过平台32，以便连接到架子40，其连接方式使得一显著的间隙分离开架子40和支承平台32的底部。一偏置构件或弹簧46定位在该间隙内以包围对应的连接构件38。这样，包括打击头42、诸振动连接件44等在内的振动组合件36弹性地连接于支承平台32和诸载荷34。该偏置构件36补偿和吸收发生器41和传递到支承平台32和整个静力压实部分12的打击头42的振动作用。该结构提高了整个装置10运行的稳定性。

振动连接元件28的一远端37适于围绕轴25和静力压实部分的诸滚筒26的纵轴线A-A移动。振动连接元件38的一近端39刚性地连接于对应的振动单元30。在本发明装置的运行中，由载荷34产生的静压或静力通过诸连接构件38连续地施加到架子40上，并借助于诸振动连接44施加到对应振动组件的打击头42。

连接构件41被定向成沿对应振动单元30的纵轴线B-B或与该纵轴线相一致地延伸，以便通过对应的振动发生器41和打击头42的中心区域。这样，在本发明装置的操作中，由对应载荷34产生的静压或静力连续地施加到打击头的中心区域，产生作用在振动单元上的对称特性的力，并在对应的打击头42与待压实的材料之间提供显著改进的接合。

如图1和6所示，在各模件中，对应的静力压实单元16和振动单元30借助于诸初级连接元件28和一振动连接元件38组合起来。初级连接元件28延伸在其位于轴25处的一远端23和刚性地与对应支承平台32相连的一近端27之间。初级连接元件28形成有一大致中空的腔室29。就振动连接元件38而言，其远端37适于可移动地接纳在该中空腔室29内，以便于连接元件38围绕轴25运动。一轴承52设置在远端37处。轴承的内部空间54适于可移动地接纳公共轴25。这样，振动连接元件38可相对于公共轴25在中空腔室29内径向运动。在优选实施例中，如图8所示，振动连接元件相对于轴25离垂直线的任一方向的运动幅值约为15°。振动连接元件38的近端39刚性地连接于对应的振动单元30。

在各模件的操作中，对应的诸静力压实单元16和诸振动压实单元30由控制板遥控地致动。马达齿轮箱32的输出转子31的转动运动借助于链条24从驱动盘20进行传递，以对与轴25相连的驱动盘21提供动力。诸滚筒26的转动被转换成位于待压实材料上的装置的纵向运动。其结果，产生了未成形的内衬材料的静力压实的初始状态。由打击头42和全部的振动单元30作用在压实材料上的振动作用造成材料的最后压实。打击头42由振动发生器41致动，发生器可由任何传统的方法提供动力。例如，振动发生器可用压缩空气提供动力。

在一铝还原槽的阴极壳体80内(局部地显示在图1和8中)形成一无缝的内衬层81的方法包括以下诸步骤。首先，用粉末材料82填充阴极壳体80，然后，借助于一传统的方法平整该材料。例如，填充的粉末材料82可用一平整板进行平整。然后，用一柔性的隔绝灰尘的材料84覆盖粉末材料。在本发明的一实施例中，该柔性的隔绝灰尘的材料层84是一塑料薄膜。为了提高压实程序的效率，并防止从静力和动力压实的工作元件下挤出粉末材料，一半弹性材料层86定位在隔绝灰尘层的顶上。该层86还利于形成阻挡层的光滑表面并防止灰尘的形成。在本发明的优选实施例中，这样的半弹性材料层86呈一橡胶或橡胶化纤维的形式，橡胶化纤维的厚度是被形成的阻挡层81的高度的5％-25％。

压实填充的粉末材料82的实际步骤按以下方式实施。在静力压实的初始步骤中，诸静力压实工作元件或滚筒26在半弹性材料层86上沿着阴极壳体80的纵轴线移动。这样，内衬层的全部宽度被覆盖。在此步骤中的静力工作元件26的运动速度在0.21-0.24米/分钟。在动力压实步骤中，该步骤跟在静力压实步骤后，时间间隔近似为1分钟，动力压实的工作元件36、41、42在半弹性材料层86上沿着阴极壳体的纵轴线移动，以便覆盖待形成的内衬层81的全部宽度。在动力压实步骤中，振动单元30也以0.21-0.24米/分钟的速度移动，使振动频率不超过55Hz。如上所述，动力压实步骤用以下方法实现：一般地对振动组件36，具体来说对打击头42，施加由诸载荷34产生的恒定的静力或压力。在各个振动单元30中，这样的力通过偏置结构或弹簧46从诸载荷34引向振动组件36和打击头42。如图1和8所示，在优选的实施例中，由诸载荷34产生的力沿着振动单元30的纵轴线B-B引导，以便通过一中心动力压实元件41、42、46。这样，诸载荷34的比重(压实装置每单位长度的重量)至少为150公斤/米。

根据实施的试验，形成的内衬材料的冰晶石的阻力与材料的多孔性保持反比关系。这意味着材料的多孔性越低，则阻挡层对融合的冰晶石熔体的穿透阻力越大。

本发明的主要结果之一是降低内衬层的多孔性。这最后导致熔化的氟化物和侵袭的诸气体组分通过阻挡层进入阴极的隔热层的穿透率降低。这样的降低在铝生产过程中不但降低能耗又提高了槽的寿命。

由于材料密度提高和材料敞开的多孔性的降低，则发生以下积极的结果：通过熔体组分液态和气态而减少阻挡材料的穿透，即，化学反应不发生在阻挡层的全部本体内，但发生在各层的相界面上。此外，内衬层的单位体积内的内衬材料量得以增加。这直接地导致提高电解槽的预期寿命。

实例

为了试验本发明的装置和方法，准备一阴极壳体的模型，其呈尺寸为1.51米×1.57米的平台的形式。在试验程序过程中待压实的粉末材料或介质是中国制造的E-50干燥阻挡层混合物(dry barrier mix)。干燥阻挡层混合物的填充层形成为具有如下的特征：厚度-122毫米；体积-1.52×1.57×0.122＝0.291米³；密度-1.57×103公斤/米³；填充质量-457.5公斤。

在实验形的试验过程中采用的本发明的压实装置的试验实施例包括三个静力压实单元和三个动力压实单元，它们具有的总长度基本上等于试验平台的宽度。一提升装置用来将装置定位在阴极壳体的试验模型上，该模型通过一具有约380V电压的交流电供电总线的电缆连接到具有约0.5Mpa压力的压缩空气。

在实施各试验之前，试验区域用已经平整过的新鲜干燥阻挡层混合物填充，即，一试验带准备成具有一均匀的初步密度(preliminary density)和一平滑的表面。在试验过程中，使用具有各种幅值频率特征的振动发生器。装置在振动和无振动模式中操作。为了在压实过程中确定工作元件的最佳振动模式，这也是必要的，以便提供目标的或接近目标的密度的干燥阻挡层混合物。此外，这对于证实加速度对压实过程的动态相位的作用也是必要的。

工作元件的加速度和振动频率用KD35型的压电加速度计和振动测量装置进行测量。通过检查压实干燥阻挡层混合物的体积中的变化，然后进行平均，则可确定在预定固定点位置处的材料密度。进行多次的加速度和密度测量，并将诸测量结果进行平均。

检查试验结果后表明，压实干燥阻挡层混合物的最有效的是振动发生器的振动操作模式。还已经确定：气动振动器的头的最大振动频率应不超过55Hz，而强制力应不小于1.7kN。

实施试验性研究的结果用图表形式示于图3-5中。形成了图3中所示的关系，但没有使用作用在对应振动组件36上的诸载荷34。

图3示出内衬层的密度和装置在各种移动速度下的工作元件变化的加速度之间的关系。从图3的曲线中应该认识到：材料密度随动力压实的工作元件的振动加速度线性地增加。然而，生成的高动态载荷负面地影响阴极壳体的结构元件和试验区域的内衬。

从图3中应该认识到：当装置在试验平台上的移动速度增加时，处理的材料的密度减小。这是因为静力和动力在试验处理的平台区域上的作用时间减少。然而，除了装置相对于某一值(此时，阻挡层的密度为最大)的移动速度减小之外，被处理的介质的密度减少已经发生。这可解释为具有一松散的效果。这是一个普通知识的事情：随着作用时间增加，在到达最大水平之后材料密度会减小。如以下从图3中可知，在没有采用载荷的振动的振动模式中，本发明装置的最佳移动速度被认为在0.21-0.24米/分钟。沿任何方向移动速度的偏差造成阻挡层生成密度的减小。

鉴于所实施的试验，业已确定：压实过程中所使用的橡胶化纤维板的厚度应近似为15毫米。当材料的厚度小于所建议的值时，则材料可从滚筒下被挤压出来。如果材料的厚度大于建议值，则振动压实将导致更大的能耗。内衬层的高度可根据槽的设计而变化，以使其在60和250毫米之间。这就是弹性橡胶化的织物板的厚度为什么应在内衬层厚度的5-25％的原因。

幅值-频率特征的选择应根据以下揭示的规律性：压实密度随着振动单元在55Hz上的振动频率的增加而减小，以及压实密度随着1.7千牛顿以下的强迫力的减小而减小。

由作用在振动单元上的载荷提供的连续的静压力造成非对称特征的强制力，这些力导致装置的工作元件与压实材料恒定地接触。这在本发明装置操作过程中可提高稳定性。此外，试验表明：使用带有诸振动单元的诸载荷34可提高压实过程的性能。使用诸载荷34可使本发明在装置的较高速度移动下达到要求的材料密度。这可通过图4的图表予以确定，该图反映了装置的移动速度约为0.3米/分钟。当使用本发明的装置而没有诸载荷34时，干燥阻挡层混合物的密度处于ρ＝1.98×103公斤/米³的水平。另一方面，当使用具有约220公斤质量的载荷时，干燥阻挡层混合物的密度处于ρ＝1.98×103公斤/米³的水平干燥阻挡层混合物的密度约为ρ＝2.12×103公斤/米³，而在所有其它条件下则为相等。鉴于以上所述，施加到内衬层单元宽度上的载荷比重应至少为150公斤/米。

与现有技术相比，使用本发明内衬一铝电解槽的方法可提高了电解槽的寿命，降低了冰晶石氧化铝熔化组分穿透到阴极壳体的绝热层内的穿透率，并保持后者的热物理特性。

用于内衬本发明的阴极的上述方法和装置提高了电解槽的寿命，并降低了特定能耗2.7％，这样，每个电解槽的年总经济效益不小于$14,000.00。

Claims (17)

1.一种在一电解铝槽的一阴极壳体中形成一内衬层的方法，该方法使用了一压实装置，该压实装置具有至少一个静力压实的工作元件和一动力压实的工作元件，所述方法包括以下步骤：

用一粉末材料填充所述阴极壳体；

平整所述粉末材料；

将一隔绝灰尘的层定位在被平整的所述粉末材料上；

通过在内衬层的全部宽度上沿着所述阴极壳体的一轴线连续地移动所述静力压实的工作元件，实施一初始的静力压实的步骤；以及

通过在内衬层的全部宽度上沿着阴极壳体的所述纵轴线连续地移动所述动力压实的工作元件，实施一最后的动力压实的步骤；

由此，在所述动力压实的步骤中，一静力载荷连续地施加到所述动力压实的工作元件上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将一半弹性材料层定位到所述隔绝灰尘材料层上的步骤，这样，所述静力和动力压实步骤在所述半弹性材料层上实施。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述半弹性材料层是一弹性橡胶化的织物层，它具有的厚度是内衬层高度的5％-25％，所述灰尘隔绝材料层是一隔绝灰尘的薄膜层，所述平整步骤是通过一平整板实施的。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对应的静力载荷的一纵轴线沿着所述动力压实的工作元件的纵轴线延伸，这样，在所述动力压实的步骤中，由所述载荷产生的力通过所述动力压实的工作元件的中心区域连续地施加。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述静力压实的步骤和所述动力压实的步骤之间存在着一时间延迟。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述静力和动力压实的步骤中，所述静力和动力压实的工作元件的运动以0.21-0.24米/分钟的速度实施。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动力压实的步骤以至少55Hz的所述动力压实的工作元件的振动频率以及至少1.7kN的强制力实施。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在压实装置的长度，连续地施加到动力压实的工作元件上的所述载荷的比重量是至少150公斤/米。

9.一种在一电解铝槽的一阴极壳体内形成一内衬层的装置，所述装置包括：

至少一个静力压实的单元，它包括至少一个可转动地支承至少一个静力压实的滚筒型工作元件的轴；

至少一个动力压实的单元，它包括至少一个动力压实的振动型工作元件，至少一个载荷布置成产生一连续的力，朝向所述至少一个动力压实的工作元件；

一初级连接元件，它延伸在所述至少一个载荷和所述至少一个静力压实的单元之间；以及

一振动连接元件，它延伸在所述至少一个动力压实的单元之间，以便可移动地围绕静力压实的单元的所述轴布置。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述初级连接元件延伸在其远端和近端之间，所述近端适于可转动地接纳所述轴，而所述近端刚性地连接于所述平台，所述初级连接元件形成有一基本上中空的腔室，所述振动连接元件形成有远端和近端，振动连接元件的所述远端可移动地定位在所述基本上中空的腔室内。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，至少一个所述振动型工作元件还包括：

至少一个打击头，它通过诸振动连接件连接于一架子；以及

一连接构件，它用于在所述至少一个载荷与所述轴之间的连接。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述连接构件通过所述载荷的一中心区域，以便沿所述振动单元的一纵轴线布置，其布置方式使得由所述载荷产生的所述力连续地施加到打击头的中心区域。

13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，一偏置构件插入在所述架子和所述支承平台之间，以便提供弹性的连接，并吸收振动单元在所述平台和所述静力压实的单元上的振动作用。

14.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括多个所述静力压实的单元和多个所述动力压实的单元，其中，多个所述静力压实单元与所述轴组合。

15.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述至少一个动力压实的单元包括产生圆周的强制力的至少一个惯性型振动发生器。

16.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述动力压实的单元包括一内燃能驱动装置。

17.如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括一用于致动所述打击头的振动发生器，其中，所述振动发生器借助于压缩空气致动。

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