一種陽極炭塊上部保溫層組合結構的製作方法

2024-02-07 22:56:15

技術背景：現通用的鋁電解槽陽極鋼爪組，其陽極炭塊上部構造有用於陽極鋼爪連接梯形凸臺(2)，陽極炭塊梯形凸臺(2)上構造用碳碗，陽極炭塊內插入陽極鋼爪後，在碳碗內澆注磷生鐵，將陽極鋼爪和陽極炭塊進行導電連接。

現有預焙鋁電解槽，在進行電解生產過程中，一個重要的生產工序是更換陽極作業，即當陽極炭塊消耗到殘極厚度時，電解質液腐蝕危及到陽極鋼爪頭的使用安全時，需將殘陽極炭塊從鋁電解槽槽膛內取出，更換上一個高度如初的新陽極炭塊。在新更換的陽極炭塊入槽就位後，為了提昇陽極炭塊的升溫速度，防止陽極炭塊氧化，減少鋁電解槽陽極炭塊的熱散失，維持鋁電解槽內的熱平衡，需在新陽極炭塊的上表面部和側表面部，添加的散狀顆粒物料粉，在陽極炭塊上部形成一厚度在15cm至18cm厚度的覆蓋料保溫層。

在電解生產過程中，該散狀物料覆蓋保溫層，會隨著陽極炭塊消耗，溫度的提高，在電解槽內燒結成一個整體的覆蓋料結殼塊層，俗稱覆蓋料結殼塊。該覆蓋料結殼塊層，一旦在鋁電解槽內燒結定型，其強度和溫度較高，在更換陽極炭塊時，需要打殼錘頭將殘極邊部的覆蓋料結殼塊打開，(俗稱開邊縫作業)，而後，才能將殘極炭塊和上部處於紅熱狀態的覆蓋料結殼塊層，從鋁電解槽內取出，騰出位置，以便更換上一塊新陽極炭塊。剛從電解槽內取出的殘極炭塊、陽極鋼爪和覆蓋料結殼層燒結在一起，平均溫度在700C°左右。為了使得陽極鋼爪和覆蓋料可重複利用，需先清理掉陽極炭塊上部的散狀覆蓋料燒結結殼層。

殘極覆蓋料結殼清理的工序是：待殘極炭塊和電解質覆蓋料結殼層冷卻後，採用機械幹涉破碎或人工錘擊破碎的方法，將電解質覆蓋料結殼層在殘極上擊碎破清理下來，而後在將這些覆蓋料結殼層碎塊塊，運至到機械破碎系統裝置，將其破碎成粉狀物料後，重新返回到電解生產工藝中，作為覆蓋料粉重複使用。

現通用的鋁電解槽生產工藝，採用散狀不定型的粉狀物料，對陽極炭塊上部進行覆蓋保溫的生產方式，在電解鋁生產行業已經延續了幾十年年，這種生產作業方式，主要存在以下缺陷；

1、用電解質或氧化鋁粉狀顆粒料做成覆蓋料保溫層，在電解槽內燒結形成硬質結殼的過程中，會吸收大量的熱能，浪費電解能耗。

2、在更換陽極過程中，殘極炭塊帶出的的覆蓋保溫結殼層處在紅熱高溫狀態，會在鋁電解槽外釋放出大量的無功熱能，浪費電解能耗。

3、在清理破碎殘極炭塊上部覆蓋料結殼過程中，不僅會消耗大量的人工作業勞動和機械能耗，而且會產生大量的電解質粉塵汙染環境。

4、在更換殘極進行開邊縫作業過程中，以及弔取殘極出槽過程中，會有覆蓋料結殼塊墜入到電解質液中，為防止覆蓋料結殼塊汙染電解質，需用人工或機械進行撈塊作業。該項作業在高溫環境下進行，不僅環境艱苦，而且勞動強度較大。

現有的預焙鋁電解槽生產工藝，只要採用預焙陽極炭塊進行生產，就必然存在著換極作業工序，就會產生陽極炭塊上部覆蓋料保溫層的處理作業工序。而在現行生產工藝過程中，對殘極炭塊上部覆蓋料的清理，破碎，輸送物料工序，不僅佔用了大量的勞務作業量，需要投入相當多的設備進行配置，而且粉塵物料會汙染環境。

技術實現要素：
：為了減少現有鋁電解槽生產工藝中，採用粉散顆粒料作為陽極炭塊上部保溫層覆蓋料所產生的上述缺陷，本發提出了一種新的對鋁電解槽陽極炭塊上部實施保溫作業的技術方案，即一種陽極炭塊上部保溫層組合結構的設計和應用實施技術方案。

一種陽極炭塊上部保溫層組合結構的技術路線是，用定型保溫組合磚塊(4)作為陽極炭塊(1)上頂部的保溫層材料，安裝在鋁電解槽陽極炭塊(1)的上頂部部、陽極鋼爪頭(5)的外圍，形成一個即可以移動拆卸、又可以重複使用的陽極炭塊(1)保溫層；以替代現有的用散狀料對陽極炭塊進行覆蓋作業形成電解質覆蓋料燒結殼保溫層。

其具體結構和實施技術方案是：

1、一種陽極炭塊上部保溫層組合結構，其特徵是：在陽極炭塊(1)部設置構建有一層犧牲保護層(9)和一層覆蓋保溫層(10)，對陽極炭塊上部實施保溫，；其犧牲保護層(9)用多塊碳素條形預製塊(3)在陽極炭塊(1)的上肩部水平面和炭塊梯形凸臺(2)外側結合部位構建而成；其覆蓋保溫層(10)，在陽極炭塊梯形凸臺(2)的上頂部，以及犧牲保護層(9)碳素條形預製塊(3)的上頂部，陽極鋼爪頭(5)外圍，用2塊以上的定型保溫組合磚塊(4)組合構建而成，其覆蓋保溫層(10)的外輪廓的平面投影為矩形，中間留有陽極鋼爪頭(5)與陽極炭塊連接配置穿過的空間位置。

在陽極炭塊(1)肩部平面及炭塊梯形凸臺(2)的外側部位置，用碳素條形預製塊(3)構造抗電解質液侵蝕氧化的犧牲保護層(9)，其主要目的是：

一是：在陽極炭塊(1)使用到殘極階段時，可減少電解質液對陽極炭塊(1)的本體的氧化燒損，以降低噸鋁單位產品陽極炭塊毛耗。

二是：採用對電解液無汙染的、且材料化學成分接近於陽極炭塊(1)本體的碳質材料、作為製備的碳素條形預製塊(3)的主體材料，構建成的犧牲保護層(9)，即使在電解槽內碳素條形預製塊(3)有燒損氧化，其材料的化學成分，也不會對電解質液造成汙染；

三是：將碳素條形預製塊(3)作為單體材料部件製備，與其它構造方式相比，如上部層為耐火保溫材料、下部層為碳素複合材料的上下復一體構造的定型保溫組合磚塊(4)相比，其構造成本低，且材料的適應性強選擇廣。

四是：在電解槽內，設置構建在電解槽內陽極炭塊(1)上肩部與陽極炭塊梯形凸臺結合處的犧牲保護層(9)處，與電解質液層接觸的機率以及燒損的速率，與構造安裝在陽極炭塊頂部的覆蓋保溫層(10)相比要小的多；在電解生產過程中，其定型保溫組合磚塊(4)的燒損維護更換量，與碳素條形預製塊(3)的燒損維護更換量相比要小得多；如果合理的進行配置組合，不僅可以減少陽極保溫層的整體構造成本，而且便於定型保溫組合磚塊(4)和碳素條形預製塊(3)的維護，降低其周轉使用的成本。

2、依據上述技術方案：構造犧牲保護層(9)用的碳素條形預製塊(3)，其斷面形狀為矩形、或為單邊斜角矩形、其外觀結構尺寸與炭塊梯形凸臺(2)進行對應配置。

3、依據上述技術方案：構造犧牲保護層(9)用的碳素條形預製塊(3)的製備材料，可採用陽極碳素材料或鋁電解槽廢舊陰極炭塊材料進行製備，亦可採用其它耐火複合材料進行製備。

4、依據上述技術方案：構造覆蓋保溫層(10)用的定型保溫組合磚塊(4)、採用耐火材料或保溫隔熱材料製成。

5、依據上述技術方案：構造覆蓋保溫層(10)用的定型保溫組合磚塊(4)，其上部設置有吊裝卡具或吊裝卡槽。

6、依據上述技術方案：定型保溫組合磚塊(4)，在靠貼陽極鋼爪頭(5)的側邊部處，設置有與陽極鋼爪頭(5)對應配置的凹型口(7)，該凹型口為矩形形或半圓形。

本發明所提出的一種陽極炭塊上部保溫層組合結構特點是，先在陽極炭塊上肩部水平面與梯形凸臺(2)周圍的結合處，用與陽極炭塊(1)本體材料性能相接近的、且不會汙染電解質液、又具有抗電解質液侵蝕氧化功能的碳素條形預製塊(3)，構造一層犧牲保溫層(9)，而後，再在碳素條形預製塊(3)上頂部、陽極鋼爪頭(5)的外圍，用定型保溫組合磚塊(4)構造一層陽極炭塊覆蓋保溫層(10)，即採用功能分解，構造分層的設計方案，滿足電解槽生產工藝對陽極炭塊上部保溫的工藝需求。

在電解鋁生產中，採用本發明設計的一種陽極炭塊上部保溫層組合結構分層構造方式，即在陽極炭塊上肩部、陽極梯形凸臺(2)的外側、先用碳素條形預製塊(3)，構造一層抗電解質液侵蝕的保護層，再在陽極炭塊頂端部，用定型保溫磚塊構建覆蓋保溫層的技術方案，可以替代現有採用顆粒粉狀覆蓋料作為原料，對陽極炭塊上部保溫層實施作業的傳統技術並可以克服其缺陷。

本發明技術方案，具有以下技術優勢：在鋁電解槽現有生產工藝中，可減少覆蓋結殼的熱吸收和熱散失，降低電解鋁在生產過程中的能耗，減少覆蓋料的物流周轉量和破碎處理工作量，減少殘極清理作業的工序環節，減輕工人的勞動強度，降低企業的生產成本。

附圖說明：本發明一種陽極炭塊上部保溫層組合結構的特點和使用方法，通過說明書附圖和具體實施例的表述，則更加清晰。

圖1、為本發明一種陽極炭塊保溫層結構實施例的主視圖。

圖2、為圖1的A-A斷面圖。

圖3、為圖1的B-B斷面俯視圖。

圖4、為圖1的俯視圖。

圖5、為本發明碳素條塊磚的立體示意圖。

圖6、為本發明定型保溫組合磚塊的立體示意圖。

其圖中所示：1陽極炭塊、2梯形凸臺、3碳素條形預製塊、4定型保溫組合磚塊、5陽極鋼爪頭、6陽極鋼爪、7凹形口、8對接縫、9.犧牲保護層、10覆蓋保溫層。

具體實施方式：本發明一種陽極炭塊上部保溫層組合結構的技術特徵和應用實施技術方案，通過實施例的表述則更加清晰。

實施例1：如圖1、圖2、圖3、圖4所示，先用若干塊碳素條形預製塊(3)、安裝在陽極炭塊(1)的上肩部水平面與陽極炭塊梯形凸臺(2)的結合處，即梯形凸臺(2)的外側構建形成一層犧牲保護層(9)；而後，再用若干塊定型保溫組合磚塊(4)安裝放置在碳素條形預製塊(3)以及陽極炭塊(1)的頂部、陽極鋼爪頭(5)的周圍，構建成陽極炭塊(1)的上部保溫層，其覆蓋保溫層，其外輪廓的平面投影為矩形，中間有陽極鋼爪頭(5)進行配置的位置空間。

其塊碳素條形預製塊(3)的製備材料，通常採用電解鋁廠的殘極炭塊或鋁電解槽大修固廢料陰極炭塊破碎粉料製成。其外觀形狀可以製成矩形塊狀，也可以製成斜角矩形狀如圖5所示。

在塊碳素條形預製塊(3)預製成型後，可以在碳素焙燒爐中進行焙燒，也可直接安裝子陽極炭塊(1)，利用鋁電解槽內的電解溫度進行焙燒成型。可以重複使用。在實際生產過程中採用大修固廢料陰極炭塊破碎料生產碳素條形預製塊(3)可以變廢為寶，減少電解鋁企業的固廢排放量。

其定型保溫組合磚塊(4)的單體成品塊的外觀平面投影為矩形，靠貼鋼爪頭(5)一側設置有半圓形凹形口(7)，如圖6所示，該定型保溫組合塊(4)採用抗熱震性能好的耐火材料或保溫隔熱材料製成。如高鋁磚、粘土磚、保溫磚、矽酸鈣板、氮化矽結合碳化矽等鋁矽系列的耐火保溫材料、以及碳素、石墨質材料材料製成。

定型保溫組合磚塊(4)在實際生產製備過程中，建議電解鋁企業採用電解槽內底部的大修固廢料隔熱保溫材料進行製備，這樣可以變廢為寶，減少電解鋁企業的固廢排放量，而且可以降低材料成本。

一種陽極炭塊上部保溫層組合結構的構建安裝使用工藝方法：

1、材料準備工序：將新陽極炭塊(1)陽極鋼爪(6)組、以及碳素條形預製塊(3)、定型保溫組合磚塊(4)、放到到指定位置。

2、構造犧牲保護層(9)工序：在陽極炭塊(1)上肩部水平面上，鋪灑上一層約5毫米左右的氧化鋁、電解質粉，或塗抹上一層碳膠泥，作為碳素條形預製塊(3)的底部找平層防氧化層；而後，用若干塊碳素條形預製塊(3)安裝放置在陽極梯形凸臺(2)的周圍，構建成梯構造犧牲保護層(9)如圖1、圖2、圖3、圖4所示。在其後，在犧牲保護層的上表面鋪灑上一層氧化鋁粉，將碳素條形預製塊(3)之間的縫隙填滿，以防止碳素條形預製塊(3)子電解槽內氧化燒損。

3、構造覆蓋保溫層(10)工序：

方案1是：直接用吊裝卡具，在鋁電解槽外，將定型保溫組合磚塊(4)安置在陽極炭塊(1)和犧牲保護層(9)的上部、陽極鋼爪頭的外圍，構建成陽極炭塊上部覆蓋保溫層(10。而後，掉入到電解槽中指定換極位置，進行就位安裝。

方案2是：待更換的殘極出槽後，將殘極上部的、處在紅熱高溫狀態下的定型保溫組合磚塊(4)直接用吊裝卡具取下後，直接安放到新陽極炭塊的上部及犧牲保護層(9)的上部，構件上一層帶有熱負荷能量的陽極炭塊上部覆蓋保溫層(10)。

採用此法的優點是，一是減少熱負荷狀態下定型保溫組合磚塊(4)在電解槽內的二次熱吸收，浪費能耗；二是減少熱負荷狀態下的定型保溫組合磚塊(4)在電解槽外進行熱釋放浪費能耗；三是可以利用熱負荷狀態下定型保溫組合磚塊的熱能量對陽極炭塊(1)頂部、陽極鋼爪頭(5)、以及磷鐵環進行加熱，以降低新陽極炭塊(1)鋼爪組的入槽初始階段的電壓降。

4、入槽覆蓋作業工序：將設置有構造犧牲保護層(9)和覆蓋保溫層(10)的新陽極炭塊(1)鋼爪組吊裝到鋁電解槽指定換極位置就位後，用粉狀的覆蓋料粉對新陽極炭塊的周邊外表面進行填縫覆蓋料保溫，並用覆蓋料粉對覆蓋保溫層(10)的對接縫隙(8)進行封填。

5、更換殘極作業工序：當槽內陽極炭塊消耗到殘極階段，進行殘極出槽作業時，連同殘極上部的犧牲保護層(9)和覆蓋保溫層(10)一同從電解槽內吊出。進行外觀檢查，確認覆蓋保溫層(10)的定型保溫組合磚塊(4)完整無損後，直接用吊裝卡具將處在紅熱狀態下的定型保溫組合磚塊(4)安裝在新陽極炭塊的上部及犧牲保護層(9)的上部。直接進行循環利用。而後，將帶有犧牲保護層(9)碳素條形預製塊(3)的殘極炭塊在放置到指定位置後，再將碳素條形預製塊(3)從殘極炭塊上部取下，已備循環使用。

該碳素條形預製塊(3)由於在殘極階段時，處在電解質液層中，其燒損氧化損耗的速率較高，是易損部件，需經常更新補充。但由於它的存在，可以降低陽極炭塊的上部無用炭塊毛耗，在配置使用過程中，碳素條形預製塊(3)要與陽極炭塊上端部的梯形凸臺的構造進行優化配置組合。

在電解鋁生產工藝過程中，採用本發明所設計的一種陽極炭塊上部保溫層組合結構，由於覆蓋保溫層的構造材料定型保溫組合磚塊(4)，在殘極出槽後，可以直接進行循環使用，不需要進行原設計工藝中的殘極炭塊上部結殼清理、破碎和輸送倒運工作，因此，不僅可以減少與之相關的生產成本，而且可減少這些工序中的粉塵汙染排放，有利於企業環保和綠色生產。