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新型阴极结构铝电解槽试验研究

作　者: 彭建平
导　师: 冯乃祥
学　校: 东北大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 铝电解阴极新型结构能耗极距
分类号: TF821
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,铝电解技术突飞猛进,铝电解槽容量从60年前的60kA发展到现在的500kA,电流效率达到95%,自动化水平和控制技术也得到提高。然而铝电解的电能消耗降低幅度不大,目前国内外电解槽直流电耗仍然徘徊在13000～13500kWh/T-Al,能量效率不足50%。因此降低铝电解的电能消耗成为国内外铝工业工作者关注的首要问题。大量研究表明通过改变电解槽结构实现大幅度降低铝电解电能消耗成为一种可能途径。论文对泄流式阴极电解槽进行两次半工业规模试验研究：1350A无烟煤基TiB2/C复合材料层泄流式阴极铝电解槽100 h电解试验和1850A石墨化基TiB2/G复合材料层泄流式阴极铝电解槽140 h电解试验。试验研究发现,泄流式试验电解槽从焙烧、启动到正常电解操作与传统电解槽无差别,泄流式电解槽槽电压和槽工作状态稳定,并获得较高的电流效率。泄流式阴极上制作的TiB2复合材料层腐蚀速度小,能有效地保护阴极基体,有利于延长电解槽寿命。利用铝参比电极由瞬时断电技术测得TiB2/G石墨化泄流式阴极电解槽的阳极过电压和阴极过电压分别与对应的电流密度遵循塔菲尔方程关系,其阳极过电压与传统工业电解槽相差无几,而其阴极过电压比工业电解槽高0.4 V左右,这是由于泄流式电解槽中不存在铝液波动,阴极表面附近的分子比比传统电解槽阴极表面电解质分子比高很多造成的。在重庆天泰铝业公司168kA系列上3台电解槽上进行工业试验,内容包括新型阴极结构电解槽的筑炉、焙烧、启动、正常电解生产过程。焙烧采用火焰一铝液二段焙烧新技术,其能耗仅为传统的铝液焙烧的1/4～1/3,焦粒焙烧的1/3,实现了节能的目的。到目前为止,3台新型阴极结构电解槽已稳定运行一年,一年的直流电耗平均为12100kWh/T-Al。最近半年3台新型阴极结构电解槽的槽电压平均为3.756V,阳极效应系数为0.063d-1,电流效率平均为93.3%,直流电耗平均约为12000kWh/T-Al,相比同系列127台传统电解槽阳极效应系数降低0.04d-1,电流效率提高1.9%,直流电耗降低约1370 kWh/T-Al,取得了大幅度降低铝电解电能消耗的效果。新型阴极结构实现高效节能的基本原理是：在新型阴极结构电解槽阴极表面有凸起,阴极铝液流速场被分割,铝液的流速大大降低,削弱了其对重力波的强化,使铝液的波动减少。同时这种凸起使阴极铝液内的电流分布更均匀,从而减少了诱发铝液流动的源泉。在凸起的表面所形成的较小水平电流围绕凸起形成铝液循环,可削减电解槽纵向方向波的功能。因此使得电解槽阴极铝液面的波峰高度大大降低,电解槽的有效极距加大,从而达到通过降低极距来降低槽电压的目的；新型槽的阴极表面具有凸起,电解时在凸起的表面形成适度的水平电流,并由此可围绕凸起形成铝液循环,这种循环铝液有利于氧化铝的溶解,可减少因为局部氧化铝浓度过低而发生阳极效应；新型阴极结构电解槽使铝液面波动减小,稳定性增强,并使阴极铝液面的有效面积减少,故减少了铝的二次溶解,提高了铝电解槽电流效率。通过对168kA新型阴极结构电解槽和传统电解槽的电热平衡研究表明：新型阴极结构电解槽的极距小,电解质电压降比传统电解槽的电解质电压降小；新型阴极结构电解槽可以在较低的槽电压,降低的能量输入下,通过侧部和底部加强保温,实现较低热损失,以达到电解槽的热平衡。试验表明,铝电解槽可以实现由散热型转变为保温型,从而提高能效。论文通过对168kA新型阴极结构电解槽阴极铝液面稳定性的测量与研究,发现：新型阴极高效节能铝电解槽,与对比同系列的传统电解槽一样,其阴极铝液面的波动具有相同的周期和频率,其周期在50s左右,其波动近似于正弦波；其不同点在于新型阴极高效节能铝电解槽,与对比的系列中的其它电解槽相比,具有较小的波幅,表明新型阴极高效节能铝电解槽的创新阴极结构设计,起到了减波(幅),稳定阴极铝液面的作用；当对比电解槽槽电压从4.10V降至3.95V时,阳极导杆内的等距离压降Ued的变化幅度由0.6 mV增大到1.1 mV,说明此时电解槽内铝液和电解质非常不稳定,波动增大,证明系列对比槽在3.95V的较低槽电压下不能正常工作；新型阴极结构电解槽在3.75V槽电压时24块阳极的电流分布标准偏差为0.589kA,比传统电解槽4.10V的24块阳极的电流分布标准偏差为0.829kA小,因此可以判定新型阴极结构铝电解试验槽3.75V电流分布比4.10V传统电解槽电流分布更均匀,槽内铝液更稳定。在实验室电解槽上对电解质和钠对阴极的腐蚀与渗透研究,结果表明：含TiB2/C阴极被电解质和钠渗透,电解质通过阴极孔隙渗透,金属钠既可通过孔隙渗透,也存在于通过碳晶格渗透,用EDS对电解2h后的TiB2/C阴极表面电解质的分析,可以观察到TiB2在电解质中有少量溶解；金属钠在TiB2/C阴极中的渗透符合菲克定律,其中含16%TiB2的阴极试样中钠渗透深度系数为1.42mm/min1、2。通过对TiB2/C复合材料阴极在铝电解过程中钠膨胀率的研究发现,TiB2/C阴极在铝电解过程中同样具有钠膨胀特性,但在相同实验条件下其膨胀率小于碳质阴极的钠膨胀率,且随着TiB2组份含量的增加,其膨胀率降低。通过无铝液存在条件下阴极受电解质腐蚀实验研究发现,电解后电解质熔体的渗透发生的钠的渗透之后,NaF渗透速度大于冰晶石熔体的渗透速度。在电解后电解质熔体导电性能发生改变,电解一段时间后,电解质熔体的电阻会比未电解前电解质熔体的电阻有很大的改变。

全文目录

摘要  5-8
英文摘要  8-15
第1章铝电解  15-39
  1.1 铝电解发展史  15-18
  1.2 铝电解理论基础  18-27
    1.2.1 电解质  18-24
    1.2.2 铝电解能量消耗  24-25
    1.2.3 铝电解槽所需阳极和阴极材料  25-27
  1.3 国内外铝电解生产技术现状  27
  1.4 降低铝电解电能消耗的途径  27-30
    1.4.1 提高电流效率  28-29
    1.4.2 降低平均槽电压  29-30
  1.5 以大幅降耗为目标的国内外研究现状和发展方向  30-38
    1.5.1 惰性阳极铝电解槽  31-32
    1.5.2 泄流式阴极铝电解槽  32-38
  1.6 本论文研究内容  38-39
第2章 1350A和1850A泄流式阴极铝电解槽的试验研究  39-59
  2.1 1350A无烟煤基TIB_2/C复合材料阴极泄流式铝电解槽的试验研究  39-49
    2.1.1 电解槽结构设计  39-40
    2.1.2 炭阳极制作  40-41
    2.1.3 表面TiB_2/C复合材料层无烟煤基泄流式阴极的制作  41-43
    2.1.4 阴极钢棒的安装  43
    2.1.5 泄流式电解槽的砌筑  43-44
    2.1.6 泄流式电解槽的供电系统  44
    2.1.7 1350A无烟煤基TiB_2/C泄流式铝电解槽的焙烧启动  44-45
    2.1.8 正常电解时的技术条件与工艺操作  45-46
    2.1.9 电解试验结果及讨论  46-49
  2.2 1850A石墨化基TIB_2/G阴极泄流式铝电解槽的试验研究  49-58
    2.2.1 电解槽结构设计  49-50
    2.2.2 阳极制作  50
    2.2.3 TiB_2—石墨化泄流式阴极的制作  50-51
    2.2.4 泄流式电解槽的砌筑  51
    2.2.5 TiB_2-石墨化泄流式电解槽焙烧启动  51-52
    2.2.6 常电解时的技术条件与工艺操作  52-53
    2.2.7 电解试验结果及讨论  53-58
  2.3 小结  58-59
第3章 168KA新型阴极结构铝电解槽的试验研究  59-86
  3.1 新型阴极结构电解槽的特点与原理  59-61
    3.1.1 结构特点  59-60
    3.1.2 技术原理  60-61
  3.2 新型阴极结构电解槽筑炉  61-63
  3.3 新型阴极结构电解槽焙烧  63-68
    3.3.1 新型阴极结构电解槽槽焙烧方法的选择  64-65
    3.3.2 焙烧装置与焙烧过程  65-67
    3.3.3 火焰—铝液二段焙烧结果的讨论  67-68
  3.4 电解槽启动后的工艺技术参数调整  68-69
  3.5 试验结果与讨论  69-81
    3.5.1 槽电压  69-72
    3.5.2 阳极效应  72-75
    3.5.3 电流效率  75-78
    3.5.4 能耗  78-81
  3.6 经济效益和社会效益  81-84
    3.6.1 经济效益  81-83
    3.6.2 社会效益  83-84
  3.7 小结  84-86
第4章 168KA新型阴极结构铝电解槽的电热平衡研究  86-95
  4.1 电压平衡  86-88
  4.2 热平衡  88-94
    4.2.1 理论基础  88
    4.2.2 热平衡的测定  88-94
    4.2.3 分析与讨论  94
  4.3 小结  94-95
第5章 168KA新型阴极结构铝电解槽的阴极铝液面稳定性的研究  95-104
  5.1 阴极铝液面稳定的重要意义  95-96
  5.2 测定方法及其基本原理  96-97
  5.3 测定结果与讨论  97-102
    5.3.1 铝液波动  97-100
    5.3.2 对阳极电流分布的影响  100-101
    5.3.3 对电流效率的影响  101-102
  5.4 小结  102-104
第6章电解质和钠对阴极的腐蚀与渗透研究  104-123
  6.1 电解质与钠在碳阴极以及TIB_2/C阴极中渗透实验与研究  104-110
    6.1.1 TiB_2/C阴极试样的制备  104-105
    6.1.2 实验装置与方法  105-107
    6.1.3 实验结果与讨论  107-110
  6.2 金属钠对阴极的渗透实验研究  110-112
    6.2.1 实验方法与装置  110-111
    6.2.2 结果与讨论  111-112
  6.3 TIB_2/C阴极钠膨胀电解实验研究  112-115
    6.3.1 试样制取  112-113
    6.3.2 实验装置与方法  113-114
    6.3.3 实验结果与讨论  114-115
  6.4 电解质与钠对阴极腐蚀的实验与研究  115-119
    6.4.1 实验方法与装置  116-117
    6.4.2 实验结果及讨论  117-119
  6.5 电解过程中电解质熔体导电性能的改变  119-122
    6.5.1 实验方法与装置  119-120
    6.5.2 实验结果及讨论  120-122
  6.6 小结  122-123
第7章结论  123-127
  7.1 结论  123-125
  7.2 创新点  125-126
  7.3 展望与建议  126-127
参考文献  127-139
附图  139-175
致谢  175-176
攻读博士学位期间发表的论文及鉴定项目  176-177
作者简介  177

新型阴极结构铝电解槽试验研究

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