鋁電解槽鋁顆粒焙燒方法探討

鋁電解槽鋁顆粒焙燒方法探討

文/羅戈，中國鋁業連城分公司電解二廠

對比分析不同焙燒方法的優缺點，提出用鋁顆粒代替焦粒的焙燒方法，并從不同的方面論證鋁顆粒法的可行性和優越性。

鋁顆粒；鋁框；撬動；粒度分布；點動升陽極

鋁電解槽的預熱焙燒既是鋁電解主體設備的制作與完善過程，又是電解槽從室溫轉入高溫生產的必備條件的建立過程，是鋁電解槽生產的重要環節。正確合理的選擇焙燒方案不但可以降低焙燒啟動能耗和費用減輕操作人員的勞動強度而且有益于提高正常投產后的技術經濟指標和槽壽命。鋁電解槽的焙燒包括陽極和陰極內襯的焙燒兩部分，因預焙槽陽極炭塊已在碳素系統經過高溫焙燒故對預焙槽而言所說的焙燒特指陰極內襯的預熱過程。

1 鋁顆粒焙燒法

鋁電解槽采用鋁液焙燒是最簡單的。其優點是其他焙燒方法所不具備的主要有：1.方法簡單，操作容易；2.陽極母線與陽極導桿之間不需要軟連接；3.不需要分流器對電流分流，可直接全電流焙燒；4.陽極、鋁液和陰極中的電流和溫度比較均勻。 其缺點也是明顯的主要有：1.近900°C高溫鋁水瞬間灌入室溫的陰極內襯，巨大的溫差產生的熱沖擊容易使陰極內襯產生裂紋；2.內襯中的水分和揮發份快速排出易形成貫通的空洞影響槽壽命。從上可以看到鋁液焙燒的缺點主要在高溫鋁水灌入對槽內的時刻，鋁顆粒焙燒法就是結合鋁液焙燒和焦粒焙燒的不足而提出。鋁顆粒焙燒法除發熱體由焦粒變成鋁顆粒外與焦粒焙燒法大體相同，文中僅就不同之處做一分析。

鋁顆粒是用電工原鋁桿經過拉伸剪切而成其粒度可以精確控制本文建議用直徑8mm長5～8mm的顆粒。用鋁顆粒而非鋁霄鋁塊的原因是粒度均勻的鋁顆粒與陰極內襯表面接觸良好，電阻和導熱性能基本相同。這樣陰極表面溫度過高過低和電流偏流現象必將減少；

1.1 鋪鋁顆粒掛陽極

具體就是在陽極炭塊對應的陰極內襯的表面放置一個35mm厚的框子，里面均勻裝入鋁顆粒刮板刮平后在顆粒上鋪一1mm厚與陽極底掌同樣大小的鋁皮，將陽極靠人造伸腿放入槽內，人工用撬棍木板撬動陽極使導桿與母線接觸良好。采用35mm的厚度考慮的一是 35mm的空間可以保證鋁液的量也有利于鋁液的流動 ；二是較厚的鋁顆粒可以提供足夠的空隙容納陰極受熱膨脹上抬 ，減少安裝軟連接或松緊卡具的工作。鋪鋁皮的目的是使電流和溫度分布更加均勻，在局部電流過大時將電流引到人造伸腿部位對人工扎糊帶進行焙燒。

1.2 依次掛好陽極上好卡具在人工扎糊帶和陽極中間縫補充200 mm厚度的鋁顆粒然后裝爐。這樣做的目的一是將電流引到人工扎糊帶并對其進行焙燒；二是在陽極與陰極間鋁顆粒熔化后補充鋁液；三是保護陽極中縫防止氧化。

1.3 為穩妥起見可以在陽極與陽極間進行分流器的安裝，根據多年自焙槽的生產實踐不安裝也沒有大的問題。原因在于鋁顆粒的電阻值比焦粒的小得多，焙燒熱量的主要是由陽極和陰極本體產生而非鋁顆粒不存在焦粒全電流焙燒時升溫過快的問題。

1.4 焙燒第一天每4小時可以松緊一次卡具來釋放應力。第二天后由于溫度達到400°C陰極內襯的膨脹趨緩，鋁顆粒層可能發生位移變形可以吸收這種膨脹，無需在采取措施。

1.5 焙燒達到50～72小時后鋁顆粒熔化為加快焙燒進度可以按1 mm/h人工點動抬陽極。要求電壓擺動不大于0.1v升溫速度3～20°C/h。鋁顆粒熔化后陰極表面有一層鋁液保護，抬陽極時電弧灼傷陰極炭塊表面的情況很少；點動抬陽極的過程較慢可以提高前期焙燒不良地方的溫度尤其是人工扎糊帶使之燒結焦化；點動抬陽極后能量輸入急劇增加部分裝爐料開始熔化為啟動準備了部分液態電解質；點動抬電壓的過程較長對槽內襯產生的溫度梯度較焦粒焙燒小得多。

1.1 mm厚的鋁皮；2.鋁顆粒；3.中縫補充的鋁顆粒；4.陽極炭塊；5.裝爐料；6.人造伸腿或異形炭塊；7.陰極炭塊。

1.6 陰極表面溫度達到900°C以上快速灌入足量的液體電解質開始啟動，當爐內物料熔化基本完全降低電壓到7～8v啟動結束。鋁顆粒焙燒局部溫度過高的很少陽極暴快裂縫的現象幾乎沒有；陰極表面有鋁液覆蓋隔絕了鈉和電解質的侵蝕減少了陰極的起皮脫落；鋁顆粒焙燒是陽極有很好的裝爐料覆蓋陽極氧化掉渣的很少綜上三點可見鋁顆粒焙燒完全不用撈碳渣。

1.7 焦粒焙燒法勢必有些焦粒粘附在陽極底掌上，放陽極效應、用青木桿在陽極下趕碳渣也不一定奏效。在工藝上就必須有燒長時間效應的工序，如不在啟動中燒，在灌完鋁后第一次效應必須燒夠10min，這一工序在用石墨混合焦粒的焙燒中更是必不可少的。在啟動后的前幾天必須安排撈碳渣防止陽極長包。這個工序工作環境極端惡劣，面對液態電解質產生的高溫、周圍大量的瀝青煙、氟化物有毒氣體職工真是苦不堪言；而在鋁顆粒法中沒有這一工序極大的減輕了職工的勞動強度體現了以人為本的理念較為科學。

1.8 焦粒法為了電流分布的均勻普遍加入了部分石墨在灌電解質啟動時部分焦粒和石墨粘在爐底不好處理，鋁顆粒焙燒沒有這個麻煩。

1.9 焙燒時間

鋁液灌入槽內凝固后與鋁顆粒同為固體鋁兩者的性質基本相同，故兩種焙燒方法在升溫曲線和焙燒時間上可以預見基本相似。現從以上三個鋁液焙燒曲線的分析可以發現從固體到鋁液熔化的自然升溫階段大約是40～50小時。待熔化完全后通過點動抬陽極的操作轉入強制升溫階段，溫度達到900°C以上開始啟動，這一過程大約是20～40小時小時。兩項合計焙燒全過程為82～96小時與現在普通的焦粒焙燒差不多，160ka焙燒周期較長是在鋁液熔化后保持兩天不動陽極（電壓1.7），4天后轉入點動抬陽極的過程達4天之久。

2 鋁液、焦粒、鋁顆粒不同焙燒方法對比

鋁顆粒 鋁液 焦粒優點 1.有鋁液焙燒的全部優點；2.避免鋁液焙燒開始灌入鋁液瞬間強烈熱沖擊；3.鋁顆粒熔化后轉入槽內鋁，沒有固體廢物產生；4.后期可以方便強制升溫。1.方法簡便易操作；2.陰極炭塊不受氧化；3.啟動后電解質清潔；4.無需軟連接分流器；5.電流和溫度比較均勻.6.后期可以方便強制升溫。1.陰陽極可以常溫逐漸升溫預熱；2.避免鋁液焙燒開始灌入鋁液瞬間強烈熱沖擊；3.使用分流器可控制預熱速度提高焙燒效果；4.焙燒能耗低5.焙燒過程中，若陰極表面有裂紋或其他缺陷則填充物為高分子比電解質而不是鋁液可預防槽子早期破損；6.加如部分石墨后電流比較均勻；7.焦粒電阻比鋁液大的多發熱快，焙燒時間短缺點 1.焙燒過程中如果陰極表面有裂紋或其他缺陷則填充物是鋁液，可能會使槽子早期破損；2.焙燒中由于熱量大部分是陰極和陽極產生使得陰極內襯的焙燒是從里到外可能產生裂紋，降低強度和密度；3.鋁顆粒鋁皮造價較高；1.灌入高溫鋁液的瞬間，陰極炭塊受到強烈的熱沖擊容易使陰極產生裂紋；2.突然的升溫使槽內襯中的水分揮發份大量排出容易形成孔縫空洞；3.如果陰極內襯有裂隙和其他缺陷即為鋁液滲透的通道；4.電阻小焙燒溫度上升慢焙燒時間較長。1.需安裝分流器軟連接操作過程工作量大2電流和溫度分布不均勻；3.啟動后撈碳渣環境惡劣4..需大量焦粒石墨且不能回收在利用；5.焙燒結束時人工扎糊帶的溫度低。6.點動抬陽極風險極大，一般不用。故不能方便的強制升溫。焙焙燒評價1.升溫速度可控性在自然升溫階段不可控，強制階段可控總體評價較好；在自然升溫階段不可控，強制階段可控總體評價較好；通過焦粒厚度和分流器可以控制，去除分流器后不可控；2.最終焙燒溫度 可以達到要求； 可以達到要求； 可以達到要求；3.陰極底塊中的溫度梯度較為均勻沒有局部過高的現象；均勻； 梯度較大，局部過熱不可避免；4.焙燒過程中的陰極表面溫度均勻 均勻 局部過燒不可避免，尤其在焙燒后期偏流現象嚴重；5.陽極和陰極電流分布陰陽極電流分布均勻 較均勻，如有偏流不易調整 偏流現象時有發生；6.槽壽命的影響 小 嚴重 較小7操作繁復程度 較復雜 極其簡單 復雜工序多環境惡劣

2.1 焙燒方法對槽壽命的影響不同的專家不同的資料有不同的看法，比較一致的是鋁液焙燒在灌鋁的瞬間對槽壽命影響較大，焦粒焙燒時陰極表面溫度局部據資料可能達到2000°C，這樣的高溫對槽壽命的影響也不可小視。近幾年槽壽命有較大的延長這一要歸功與操作人員對預焙槽認識的深化；更應歸功于技術條件的平穩保持和新材料的大量使用；而非單一的焦粒焙燒。

2.2 焦粒焙燒時陰極陽極電流溫度分布不均勻，是由碳素材料的電阻率隨溫度的升高而減少必然的結果，只能減少而不能杜絕。

2.3 焦粒焙燒時先產生高分子比電解質可以部分填充焙燒產生的裂紋縫隙，防止早期漏爐。但有的專家卻認為正常生產時鋁水的密度比電解質大，更容易沉入底縫中；在用焦粒焙燒的某單位早期破損槽中清爐時也發現鋁水大量滲透到陰極底部，人造伸腿處，而非電解質也是一個例證。

2.4 焦粒焙燒啟動后必須撈碳渣，這一工作極其辛苦，環境惡劣難以想象。筆者的帆布工作服撈了一臺新起動的碳渣后就烤焦發黃不能再穿了，用紅外線測溫儀測量工作服溫度盡然在100°C以上，因此選擇焙燒法要簡單易操作。

2.5 焦粒焙燒法的升溫速度由分流器控制，便又在生產中引入了分流量這一不確定因素。

2.6 據資料異形陰極電解槽兩段焙燒法就是在燃料焙燒到600°C灌入鋁液進行鋁液焙燒24小時后灌電解質啟動。這也佐證了鋁顆粒焙燒對槽壽命無不良影響，焙燒時間之短說明鋁顆粒焙燒不一定就時間長，多耗能源。

3 結語

3.1 鋁顆粒焙燒法結合了鋁液焙燒法的簡便易操作，避免了鋁液灌入瞬間對槽內襯產生的熱沖擊；又結合了焦粒焙燒的方法從室溫預熱的優點避免了偏流和溫度不均的現象；

3.2 鋁顆粒焙燒法是對預焙槽焙燒技術的重大改進有一定的獨創性，是鋁液焙燒法和焦粒焙燒的兩種技術的結合達到取長補短的目的。

[1]馮乃祥.《鋁電解》北京化學工業出版社.

[2]霍慶發.《電解鋁工業技術與裝備》.沈陽.遼海出版社.

[3]李清.《大型預焙鋁電解槽生產實踐》.長沙.中南大學出版社.

[4]唐定品.《輕金屬》2008年第10期38～40.