一種整體成形的鋁電解槽陽極複合覆蓋層及方法與流程

2023-07-20 00:07:51 3

本發明屬於鋁電解技術領域，涉及一種應用於生產運行中的鋁電解槽的陽極覆蓋層的保溫、集氣、防氧化，以及整體成形的複合覆蓋層的新結構、新材料和熱態重複使用技術。

背景技術：

在鋁電解電化學反應中，熔融電解質本身並沒有反應消耗，但是作為反應媒介發揮核心作業。每次焙燒啟動，總會新增冰晶石，導致體系電解質總量逐漸增加，這成為困擾老電解鋁企業的難題，橋電5萬噸。自預焙陽極電解技術誕生以來，將破碎後的電解質結殼塊與氧化鋁粉混合，作為陽極覆蓋料使用的做法延續至今。

在現有鋁電解槽在生產運行中，陽極覆蓋料不直接參與電化學反應，但卻是不可或缺生產原料，雖然在工藝流程中所佔比重不大，但物料循環量大。現有陽極覆蓋料層的成分是不同粒度大小的電解質顆粒和氧化鋁顆粒的混合散裝物料，其作用是保溫、集氣和防氧化。陽極覆蓋料層主要靠人工砌築和天車添加，在生產中存在如下問題：

1、覆蓋料體系的物料循環量大

鋁電解企業的覆蓋料體系分兩大部分：極上覆蓋料和生產流程中循環料。以某420kA電解系列為例，單臺電解槽的極上覆蓋料約25噸，全系列共7000多噸，流程中的循環料量一般是極上覆蓋料量的2倍，為14000噸，則體系總料量共計21000噸。每天需處理循環料量215噸，則每年體系總循環量78000多噸，另外，流程中根據需要變化循環料的粒度、成分、配比等。一方面，如此大物料量的循環運轉量，企業需要付出巨大的人財物成本；另一方面，廢電解質料價格目前約2200元/噸，上例中這部分原料的資金積壓共計4620萬元。

、覆蓋料體系涉及的工序和流程多

如此巨大的覆蓋料量和循環量，必然需要相應的車間、設備和人員來支持。覆蓋料體系循環涉及電解車間、電解質破損、陽極組裝、物料運輸、物料輸送等多個車間；涉及拔極、分離、破碎、運輸、輸送、砌築、加料等15項作業；涉及各工種人員120多人；涉及各種關鍵專用設備20多種。僅以某電解質破損工段為例，每年消耗運行費用600多萬元。

、換極引起的槽況波動

在電解操作中，換極是影響電解槽運行的最大因素，這是業界共識。對於鋁電解電化學反應來說，穩定壓倒一切，一旦槽況進入不穩定，必然導致電流效率降低和電耗升高。對於電解槽運行來說，穩定包含：物料平衡、熱平衡、電流穩定、磁場穩定、流體穩定。而在電解生產三大常規操作出鋁、換極、抬母線中，換極對上述的5項平衡和穩定都有較大影響，所以換極也是槽況波動的主要誘因。根據對某電解槽型大量運行數據的統計和分析，換極引起的電壓波動換算成噸鋁能耗為80度/噸鋁，以某420kA年產能33萬噸電解系列為例，換極波動電耗2640萬度/年，以電價0.26元/度計，電費消耗686.4萬元/年。

、殘極覆蓋料冷卻和新極覆蓋料加熱，導致的熱量消耗大

在傳統換極操作，將殘極及其覆蓋料吊出後自然冷卻，然後才能進行後續的處理，殘極覆蓋料層從500℃左右降至環境溫度，此部分熱量散發損失；另外，新極覆蓋料層從環境溫度升溫至500℃，也需要消耗電能升溫。根據測算，殘極覆蓋料冷卻所喪失的熱量和新極覆蓋料加熱所需要的熱量，換算成噸鋁電耗都約為26度/噸鋁，總計52度/噸鋁，以某420kA年產能33萬噸電解系列為例，換極覆蓋料喪失和加熱總電耗1716萬度/年，以電價0.26元/度計，消耗電費446.2萬元/年。

、換極作業項目多，槽罩打開時間長，散熱損失大

現有換極操作共有9項作業內容，整個操作過程一般需要30分鐘左右，其中，人工扒開邊緣的大塊結殼塊、人工打撈掉入電解液中的大結殼塊、人工砌築大塊結殼塊到新極中縫等作業，人員的操作環境極端惡劣危險，勞動強度高，安全隱患大；另外，天車打開殘極覆蓋料結殼、天車抓斗打撈掉入電解液中的結殼塊、天車加新鮮氧化鋁粉料至覆蓋料頂等作業，天車運行和槽罩打開的時間長，使煙氣抽風量加大，且與槽外熱對流增加，導致能量損失較大，因此，在電解槽的控制系統中，專門設計了對換極散熱的能量補充，補充電壓一般為150~300mV，時間30~60min，但換極過程的實際電能補充一般超過300度/次換極，如果能減少作業，縮短換極時間，就可以降低補償電壓並縮短散熱時間，減少換極能耗。

、電解多功能天車功能多結構複雜，天車工作量和維護量大

電解用多功能天車PTM主要功能有：

1）打殼機構——打開殘極邊緣結殼；

2）換極機構——扭緊或鬆開小盒卡具，更換陽極；

3）清渣抓斗——撈取大結殼塊；

4）加料機構——新鮮氧化鋁覆蓋料倉和多自由度加料管；

5）出鋁小車——穩定的出鋁吊鉤，保證出鋁抬包不擺動。

另外，主小車上配旋轉駕駛室，主要在打殼和換極操作時方便天車工觀察作業。鋁電解多功能天車功能多結構複雜，導致維護成本高，以某420kA年產能33萬噸電解系列為例，一般配置多功能天車10~12臺，每年維護的備品備件和人工成本在120~150萬元。

、覆蓋料體系循環量大，循環工序多，被汙染的機率高，使得其進入槽內導致原鋁被汙染的機率也高

如前所述，每年覆蓋料循環量7.8萬噸，經歷扒渣、撈塊、運出、分離、破碎、運入、砌築等多道工序，過程中容易進入磚塊、碎石、灰渣、鐵塊、泥土等雜質，並在體系中逐漸累積，最終進入原鋁中，導致Fe、Si等含量上升，破壞原鋁質量，在下遊鋁加工對原鋁質量要求越來越高的今天，原鋁質量意味著價格高低。

、換極時結殼塊和渣粉掉落槽底，清掃量巨大。

使用現有陽極覆蓋料，在拔極，扒渣，撈塊，砌築等作業時，結殼塊和渣粉不可避免會掉落，堆積在母線、軟帶和地面，日積月累，在槽底堆積如山，這是長期困擾電解企業的老大難問題。企業一般每兩三個月會僱勞務工清掃一次，費時費力，非專業人員長期在槽底作業也存在安全隱患。

、覆蓋料基本都是散裝粉料，而且都在裸露環境分離、運輸和砌築，是粉塵汙染的主要源頭

以電解車間為例，其實主要灰渣和粉塵來源於覆蓋料體系。電解車間主要進出原料有幾種：

1）氧化鋁——作為主要原料，從卸料到上槽，都是密封輸送的；

2）氟化鋁——通過氟化鋁吊倉加料，但至少是袋裝的；

3）炭陽極——無論殘極新極，固體成形且有一定強度，不易散落；

4）而覆蓋料——破碎電解質或粉料都是通過拖拉機運輸，到電解車間後，直接傾倒地上，然後人工鏟送，砌築，填充至陽極上，因此覆蓋料體系是電解企業灰渣和粉塵汙染的主要源頭。

、換極工人的勞動量大，作業環境極端惡劣，且安全隱患高

在電解操作工工作內容中，換極作業是最艱苦惡劣的作業。操作工需要穿戴重型防護裝備，靠近裸露的900多度的電解質融液，克服高溫、強磁、粉塵、濃煙等極端惡劣的環境因素，進行扒渣、撈塊、砌築、收邊等重體力作業，這對操作工人的身心造成極大挑戰，導致電解工崗位招人難，留人難，經常性不滿員。

技術實現要素：

本發明提供一種新型的鋁電解槽的陽極覆蓋方法和成套技術，在保證現有的氧化鋁和電解質混合覆蓋料的保溫、防氧化功能的基礎上，發明一種整體成形且可多次重複使用的鋁電解陽極複合覆蓋層，如圖1，替代傳統鋁電解的電解質和氧化鋁混合散裝覆蓋料層方式，如圖2。本發明既可滿足傳統覆蓋料層保溫、集氣和防氧化的要求，又可達到：降低電解鋁企業的覆蓋物料循環量；減少電解鋁企業覆蓋料處理流程及相關的人工和設備成本；省略多個換極作業工序，縮減換極時間和程序；降低傳統換極作業對電解槽運行的影響等效果。

本發明的技術方案為：一種鋁電解槽的整體成形陽極複合覆蓋層結構，陽極防氧化覆蓋層覆蓋於陽極上表面，陽極極上保溫複合覆蓋層置於陽極防氧化覆蓋層上方，形成覆蓋電解槽全部陽極的覆蓋層組，電解槽周邊保溫複合覆蓋層置於陽極外邊緣到槽側部塊之間，槽膛內爐幫之上，覆蓋包含長側部和端部的全部周邊。

所述的陽極極上保溫複合覆蓋層配合專門的更換裝置，在熱態下進行更換和重複連續使用；各陽極極上保溫複合覆蓋層之間，以及陽極極上保溫複合覆蓋層與周邊保溫複合覆蓋層之間無硬殼粘連。

所述的對於單次換極同時更換兩塊陽極的情況，單組陽極極上保溫複合覆蓋層分為三部分，左型複合覆蓋層，中間複合覆蓋層和右型複合覆蓋層，分別覆蓋兩塊陽極的左右及中間區域。

所述的對於單次換極只更換單塊陽極的情況，單組陽極極上保溫複合覆蓋層分為兩部分，分別覆蓋單塊陽極的左右區域；單組極上保溫複合覆蓋層的尺寸大小與對應陽極的尺寸相關，總長度範圍1400～2000mm，總寬度範圍500～1600mm。

所述的極上保溫複合覆蓋層分為外工作層、內保溫層和封填層；外工作層的材料為鋁矽系耐火材料、碳氮化矽或碳化矽定型耐火材料，內保溫層的材料為矽酸鋁纖維棉、矽酸鈣板或陶瓷纖維耐火、保溫材料，封填層為不定型澆注料，最終成形的極上保溫複合覆蓋層（1）的綜合導熱係數在0.1～2.5W/(m·K)，體積密度1000～3000kg/m3。

所述的所述的陽極極上保溫複合覆蓋層，預埋耐高溫鋼構件，並設置專用拆卸和裝配夾具。

所述的所述的電解槽周邊保溫複合覆蓋層的材料為鋁矽系、碳化矽、碳氮化矽的耐火、保溫材料複合成形，或選擇單一耐火材料單獨成形；電解槽周邊保溫複合覆蓋層內預埋耐高溫鋼構件，並設置專用錨固夾具，固定於槽周邊。

所述的陽極防氧化覆蓋層使用氧化鋁和電解質的粉料混合堆砌成形，或使用氧化鋁和電解質的混合粉料預製成形，厚度1～5cm，鋪設於陽極上表面。

陽極極上保溫複合覆蓋層除了具備傳統覆蓋料層的保溫和集氣功能外，還可配合專門更換裝置，在熱態下進行更換和重複連續使用；各陽極極上保溫複合覆蓋層之間，以及保溫複合覆蓋層與周邊保溫複合覆蓋層之間無硬殼粘連，天車換極可直接拔出和吊入，摒棄了傳統換極流程的天車打殼作業。

本發明的有益效果：

研發出可以重複使用的陽極複合覆蓋層及換極操作裝置，該成套技術應具備以下基本特徵：

1）複合覆蓋層系整體成形，綜合保溫性能可滿足電解槽熱場需求；

2）複合覆蓋層具備傳統覆蓋料的保溫、集氣、防氧化功能；

3）複合覆蓋層可在熱態下可重複使用；

4）各陽極的覆蓋層間不結硬殼，換極時可省略天車打殼過程；

5）使用機械裝置，實現覆蓋層的自動或半自動更換；

6）考慮電解槽中縫特殊設計，保證打殼下料順暢和有效排氣；

7）考慮邊部複合覆蓋層的特殊設計，保證極上複合覆蓋層與邊部複合覆蓋層之間的結合。

本發明在保證現有的氧化鋁和電解質混合覆蓋料的保溫、防氧化功能的基礎上，可以減少覆蓋料體系的循環量和處理量；可以減少覆蓋料循環的工序和流程，降低循環成本；可以減少換極操作引起的槽況波動，提高運行穩定性；可以避免殘極覆蓋料的熱散失和新極覆蓋料的熱支出；可以減少天車換極工序，縮短換極時間，從而減少換極熱損失；可以減少天車換極過程中的作業項目，縮減天車使用負荷甚至部分功能，降低天車使用維護成本；可以降低覆蓋料在循環流程中受汙染機率，有利於提高原鋁質量；可以避免換極時結殼塊和渣粉掉落，降低清掃量；可以避免現有覆蓋料灰渣對企業環境汙染；可以改變換極作業方式，縮短作業流程，降低工人換極作業勞動強度，降低安全隱患。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖主視圖；

圖2為本發明結構示意圖俯視圖；

圖3為本發明結構示意圖左視圖；

圖4為現有技術中氧化鋁和電解質混合覆蓋料層示意圖；

圖5為雙陽極極上保溫複合覆蓋層示意圖主視圖；

圖6為雙陽極極上保溫複合覆蓋層示意圖俯視圖；

圖7為雙陽極極上保溫複合覆蓋層示意圖左視圖；

圖8為單陽極極上保溫複合覆蓋層示意圖主視圖；

圖9為單陽極極上保溫複合覆蓋層示意圖俯視圖；

圖10為單陽極極上保溫複合覆蓋層示意圖左視圖。

具體實施方式

現有鋁電解的電解質和氧化鋁混合覆蓋料層方式如圖2，陽極覆蓋料層9覆蓋在陽極4上；本發明提供一種整體成形，且可多次重複使用的鋁電解陽極複合覆蓋層，如圖1，既可滿足傳統覆蓋料層保溫、集氣和防氧化的要求，可以減少覆蓋料體系的循環量和處理量；可以減少覆蓋料循環的工序和流程，降低循環成本；可以減少換極操作引起的槽況波動，提高運行穩定性；可以避免殘極覆蓋料的熱散失和新極覆蓋料的熱支出；可以減少天車換極工序，縮短換極時間，從而減少換極熱損失；可以減少天車換極過程中的作業項目，縮減天車使用負荷甚至部分功能，降低天車使用維護成本；可以降低覆蓋料在循環流程中受汙染機率，有利於提高原鋁質量；可以避免換極時結殼塊和渣粉掉落，降低清掃量；可以避免現有覆蓋料灰渣對企業環境汙染；可以改變換極作業方式，縮短作業流程，降低工人換極作業勞動強度，降低安全隱患。

本發明的實施例：如圖1，陽極防氧化覆蓋層3覆蓋於陽極4上表面，隔絕空氣防止炭素陽極上表面氧化；陽極極上保溫複合覆蓋層1置於防氧化覆蓋層3上方，形成覆蓋電解槽全部陽極的覆蓋層組，發揮保溫和集氣的作用；電解槽周邊保溫複合覆蓋層2置於陽極外邊緣到槽側部塊內邊緣之間，槽膛內爐幫之上，覆蓋包含長側部和端部的全部周邊。陽極極上保溫複合覆蓋層1除了具備傳統覆蓋料層的保溫和集氣功能外，還可配合專門更換裝置，在熱態下進行更換和重複連續使用；各陽極極上保溫複合覆蓋層1之間，以及保溫複合覆蓋層1與周邊保溫複合覆蓋層2之間無硬殼粘連，天車換極可直接拔出和吊入，摒棄了傳統換極流程的天車打殼作業。如圖1，陽極極上保溫複合覆蓋層1預埋耐高溫鋼構件，並配置專用拆卸和裝配夾具7，將陽極極上保溫複合覆蓋層1安裝於防氧化覆蓋層3上方，同時也配合機械夾持裝置，實現把熱態的極上保溫複合覆蓋層1從殘極上的拆除，再安裝至新陽極上。如圖1，周邊保溫複合覆蓋層2材料和構成，選擇強度高、耐火度和耐腐蝕性好的定型耐火材料（如鋁矽系、碳化矽、碳氮化矽等）混合成形，或選擇單一耐火材料單獨成形；周邊保溫複合覆蓋層2內預埋耐高溫鋼構件，並配置專用錨固夾具8，固定於槽周邊。陽極防氧化覆蓋層3使用氧化鋁和電解質的粉料混合堆砌成形，或使用氧化鋁和電解質的混合粉料預製成形，厚度1～5cm，置於陽極上表面。

對於目前最常見的單次換極同時更換兩塊陽極的情況，單組陽極極上保溫複合覆蓋層1分為三部分，如圖3，左型複合覆蓋層10，中間複合覆蓋層11和右型複合覆蓋層12，分別覆蓋兩塊陽極的左右及中間區域；對於單次換極只更換單塊陽極的情況，單組陽極極上保溫複合覆蓋層1分為兩部分，如圖4，分別覆蓋單塊陽極的左右區域；單組極上保溫複合覆蓋層1的尺寸大小與對應陽極的尺寸相關，總長度範圍1400～2000mm，總寬度範圍500～1600mm。

位於氧化鋁打殼下料孔6和出鋁口的覆蓋裝置，作開孔處理，以保證集氣、打殼、下料和出鋁操作的順利進行

如在某槽全部實施本發明技術，則實施步驟如下：

1）某塊陽極到更換周期，天車吊掛殘極，打開小盒卡具，然後直接提出殘極，連帶其上的極上複合覆蓋層，吊運至電解車間操作平臺；

2）操作工將陽極防氧化層敷設於新陽極之上，此步與上步驟同時進行或提前完成；

3）帶專用機械夾持裝置的小車，將殘極上的熱態極上複合覆蓋層夾持並分離，然後移至新極上組合裝配；

4）天車吊掛新陽極，連帶其上的極上複合覆蓋層，吊運至槽上就位，緊固小盒卡具；

5）人工將少量氧化鋁粉料填充至覆蓋層間縫，關閉槽罩，換極完畢。