鋁電解槽鋁顆粒焙燒方法探討

文/羅戈，中國(guó)鋁業(yè)連城分公司電解二廠

對(duì)比分析不同焙燒方法的優(yōu)缺點(diǎn)，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(yōu)越性。

鋁顆粒；鋁框；撬動(dòng)；粒度分布；點(diǎn)動(dòng)升陽(yáng)極

鋁電解槽的預(yù)熱焙燒既是鋁電解主體設(shè)備的制作與完善過(guò)程，又是電解槽從室溫轉(zhuǎn)入高溫生產(chǎn)的必備條件的建立過(guò)程，是鋁電解槽生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。正確合理的選擇焙燒方案不但可以降低焙燒啟動(dòng)能耗和費(fèi)用減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度而且有益于提高正常投產(chǎn)后的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和槽壽命。鋁電解槽的焙燒包括陽(yáng)極和陰極內(nèi)襯的焙燒兩部分，因預(yù)焙槽陽(yáng)極炭塊已在碳素系統(tǒng)經(jīng)過(guò)高溫焙燒故對(duì)預(yù)焙槽而言所說(shuō)的焙燒特指陰極內(nèi)襯的預(yù)熱過(guò)程。

1 鋁顆粒焙燒法

鋁電解槽采用鋁液焙燒是最簡(jiǎn)單的。其優(yōu)點(diǎn)是其他焙燒方法所不具備的主要有：1.方法簡(jiǎn)單，操作容易；2.陽(yáng)極母線與陽(yáng)極導(dǎo)桿之間不需要軟連接；3.不需要分流器對(duì)電流分流，可直接全電流焙燒；4.陽(yáng)極、鋁液和陰極中的電流和溫度比較均勻。 其缺點(diǎn)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(nèi)襯，巨大的溫差產(chǎn)生的熱沖擊容易使陰極內(nèi)襯產(chǎn)生裂紋；2.內(nèi)襯中的水分和揮發(fā)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(diǎn)主要在高溫鋁水灌入對(duì)槽內(nèi)的時(shí)刻，鋁顆粒焙燒法就是結(jié)合鋁液焙燒和焦粒焙燒的不足而提出。鋁顆粒焙燒法除發(fā)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(jīng)過(guò)拉伸剪切而成其粒度可以精確控制本文建議用直徑8mm長(zhǎng)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(nèi)襯表面接觸良好，電阻和導(dǎo)熱性能基本相同。這樣陰極表面溫度過(guò)高過(guò)低和電流偏流現(xiàn)象必將減少；

1.1 鋪鋁顆粒掛陽(yáng)極

具體就是在陽(yáng)極炭塊對(duì)應(yīng)的陰極內(nèi)襯的表面放置一個(gè)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(yáng)極底掌同樣大小的鋁皮，將陽(yáng)極靠人造伸腿放入槽內(nèi)，人工用撬棍木板撬動(dòng)陽(yáng)極使導(dǎo)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(dòng) ；二是較厚的鋁顆?？梢蕴峁┳銐虻目障度菁{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(guò)大時(shí)將電流引到人造伸腿部位對(duì)人工扎糊帶進(jìn)行焙燒。

1.2 依次掛好陽(yáng)極上好卡具在人工扎糊帶和陽(yáng)極中間縫補(bǔ)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(duì)其進(jìn)行焙燒；二是在陽(yáng)極與陰極間鋁顆粒熔化后補(bǔ)充鋁液；三是保護(hù)陽(yáng)極中縫防止氧化。

1.3 為穩(wěn)妥起見(jiàn)可以在陽(yáng)極與陽(yáng)極間進(jìn)行分流器的安裝，根據(jù)多年自焙槽的生產(chǎn)實(shí)踐不安裝也沒(méi)有大的問(wèn)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(yáng)極和陰極本體產(chǎn)生而非鋁顆粒不存在焦粒全電流焙燒時(shí)升溫過(guò)快的問(wèn)題。

1.4 焙燒第一天每4小時(shí)可以松緊一次卡具來(lái)釋放應(yīng)力。第二天后由于溫度達(dá)到400°C陰極內(nèi)襯的膨脹趨緩，鋁顆粒層可能發(fā)生位移變形可以吸收這種膨脹，無(wú)需在采取措施。

1.5 焙燒達(dá)到50～72小時(shí)后鋁顆粒熔化為加快焙燒進(jìn)度可以按1 mm/h人工點(diǎn)動(dòng)抬陽(yáng)極。要求電壓擺動(dòng)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(hù)，抬陽(yáng)極時(shí)電弧灼傷陰極炭塊表面的情況很少；點(diǎn)動(dòng)抬陽(yáng)極的過(guò)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(jié)焦化；點(diǎn)動(dòng)抬陽(yáng)極后能量輸入急劇增加部分裝爐料開(kāi)始熔化為啟動(dòng)準(zhǔn)備了部分液態(tài)電解質(zhì)；點(diǎn)動(dòng)抬電壓的過(guò)程較長(zhǎng)對(duì)槽內(nèi)襯產(chǎn)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(bǔ)充的鋁顆粒；4.陽(yáng)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(dá)到900°C以上快速灌入足量的液體電解質(zhì)開(kāi)始啟動(dòng)，當(dāng)爐內(nèi)物料熔化基本完全降低電壓到7～8v啟動(dòng)結(jié)束。鋁顆粒焙燒局部溫度過(guò)高的很少陽(yáng)極暴快裂縫的現(xiàn)象幾乎沒(méi)有；陰極表面有鋁液覆蓋隔絕了鈉和電解質(zhì)的侵蝕減少了陰極的起皮脫落；鋁顆粒焙燒是陽(yáng)極有很好的裝爐料覆蓋陽(yáng)極氧化掉渣的很少綜上三點(diǎn)可見(jiàn)鋁顆粒焙燒完全不用撈碳渣。

1.7 焦粒焙燒法勢(shì)必有些焦粒粘附在陽(yáng)極底掌上，放陽(yáng)極效應(yīng)、用青木桿在陽(yáng)極下趕碳渣也不一定奏效。在工藝上就必須有燒長(zhǎng)時(shí)間效應(yīng)的工序，如不在啟動(dòng)中燒，在灌完鋁后第一次效應(yīng)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(dòng)后的前幾天必須安排撈碳渣防止陽(yáng)極長(zhǎng)包。這個(gè)工序工作環(huán)境極端惡劣，面對(duì)液態(tài)電解質(zhì)產(chǎn)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(méi)有這一工序極大的減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度體現(xiàn)了以人為本的理念較為科學(xué)。

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(zhì)啟動(dòng)時(shí)部分焦粒和石墨粘在爐底不好處理，鋁顆粒焙燒沒(méi)有這個(gè)麻煩。

1.9 焙燒時(shí)間

鋁液灌入槽內(nèi)凝固后與鋁顆粒同為固體鋁兩者的性質(zhì)基本相同，故兩種焙燒方法在升溫曲線和焙燒時(shí)間上可以預(yù)見(jiàn)基本相似?，F(xiàn)從以上三個(gè)鋁液焙燒曲線的分析可以發(fā)現(xiàn)從固體到鋁液熔化的自然升溫階段大約是40～50小時(shí)。待熔化完全后通過(guò)點(diǎn)動(dòng)抬陽(yáng)極的操作轉(zhuǎn)入強(qiáng)制升溫階段，溫度達(dá)到900°C以上開(kāi)始啟動(dòng)，這一過(guò)程大約是20～40小時(shí)小時(shí)。兩項(xiàng)合計(jì)焙燒全過(guò)程為82～96小時(shí)與現(xiàn)在普通的焦粒焙燒差不多，160ka焙燒周期較長(zhǎng)是在鋁液熔化后保持兩天不動(dòng)陽(yáng)極（電壓1.7），4天后轉(zhuǎn)入點(diǎn)動(dòng)抬陽(yáng)極的過(guò)程達(dá)4天之久。

2 鋁液、焦粒、鋁顆粒不同焙燒方法對(duì)比

鋁顆粒 鋁液 焦粒優(yōu)點(diǎn) 1.有鋁液焙燒的全部?jī)?yōu)點(diǎn)；2.避免鋁液焙燒開(kāi)始灌入鋁液瞬間強(qiáng)烈熱沖擊；3.鋁顆粒熔化后轉(zhuǎn)入槽內(nèi)鋁，沒(méi)有固體廢物產(chǎn)生；4.后期可以方便強(qiáng)制升溫。1.方法簡(jiǎn)便易操作；2.陰極炭塊不受氧化；3.啟動(dòng)后電解質(zhì)清潔；4.無(wú)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(qiáng)制升溫。1.陰陽(yáng)極可以常溫逐漸升溫預(yù)熱；2.避免鋁液焙燒開(kāi)始灌入鋁液瞬間強(qiáng)烈熱沖擊；3.使用分流器可控制預(yù)熱速度提高焙燒效果；4.焙燒能耗低5.焙燒過(guò)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(zhì)而不是鋁液可預(yù)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(fā)熱快，焙燒時(shí)間短缺點(diǎn) 1.焙燒過(guò)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(huì)使槽子早期破損；2.焙燒中由于熱量大部分是陰極和陽(yáng)極產(chǎn)生使得陰極內(nèi)襯的焙燒是從里到外可能產(chǎn)生裂紋，降低強(qiáng)度和密度；3.鋁顆粒鋁皮造價(jià)較高；1.灌入高溫鋁液的瞬間，陰極炭塊受到強(qiáng)烈的熱沖擊容易使陰極產(chǎn)生裂紋；2.突然的升溫使槽內(nèi)襯中的水分揮發(fā)份大量排出容易形成孔縫空洞；3.如果陰極內(nèi)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(shí)間較長(zhǎng)。1.需安裝分流器軟連接操作過(guò)程工作量大2電流和溫度分布不均勻；3.啟動(dòng)后撈碳渣環(huán)境惡劣4..需大量焦粒石墨且不能回收在利用；5.焙燒結(jié)束時(shí)人工扎糊帶的溫度低。6.點(diǎn)動(dòng)抬陽(yáng)極風(fēng)險(xiǎn)極大，一般不用。故不能方便的強(qiáng)制升溫。焙焙燒評(píng)價(jià)1.升溫速度可控性在自然升溫階段不可控，強(qiáng)制階段可控總體評(píng)價(jià)較好；在自然升溫階段不可控，強(qiáng)制階段可控總體評(píng)價(jià)較好；通過(guò)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(dá)到要求； 可以達(dá)到要求； 可以達(dá)到要求；3.陰極底塊中的溫度梯度較為均勻沒(méi)有局部過(guò)高的現(xiàn)象；均勻； 梯度較大，局部過(guò)熱不可避免；4.焙燒過(guò)程中的陰極表面溫度均勻 均勻 局部過(guò)燒不可避免，尤其在焙燒后期偏流現(xiàn)象嚴(yán)重；5.陽(yáng)極和陰極電流分布陰陽(yáng)極電流分布均勻 較均勻，如有偏流不易調(diào)整 偏流現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；6.槽壽命的影響 小 嚴(yán)重 較小7操作繁復(fù)程度 較復(fù)雜 極其簡(jiǎn)單 復(fù)雜工序多環(huán)境惡劣

2.1 焙燒方法對(duì)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(duì)槽壽命影響較大，焦粒焙燒時(shí)陰極表面溫度局部據(jù)資料可能達(dá)到2000°C，這樣的高溫對(duì)槽壽命的影響也不可小視。近幾年槽壽命有較大的延長(zhǎng)這一要?dú)w功與操作人員對(duì)預(yù)焙槽認(rèn)識(shí)的深化；更應(yīng)歸功于技術(shù)條件的平穩(wěn)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(shí)陰極陽(yáng)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(jié)果，只能減少而不能杜絕。

2.3 焦粒焙燒時(shí)先產(chǎn)生高分子比電解質(zhì)可以部分填充焙燒產(chǎn)生的裂紋縫隙，防止早期漏爐。但有的專家卻認(rèn)為正常生產(chǎn)時(shí)鋁水的密度比電解質(zhì)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(shí)也發(fā)現(xiàn)鋁水大量滲透到陰極底部，人造伸腿處，而非電解質(zhì)也是一個(gè)例證。

2.4 焦粒焙燒啟動(dòng)后必須撈碳渣，這一工作極其辛苦，環(huán)境惡劣難以想象。筆者的帆布工作服撈了一臺(tái)新起動(dòng)的碳渣后就烤焦發(fā)黃不能再穿了，用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量工作服溫度盡然在100°C以上，因此選擇焙燒法要簡(jiǎn)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(chǎn)中引入了分流量這一不確定因素。

2.6 據(jù)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(jìn)行鋁液焙燒24小時(shí)后灌電解質(zhì)啟動(dòng)。這也佐證了鋁顆粒焙燒對(duì)槽壽命無(wú)不良影響，焙燒時(shí)間之短說(shuō)明鋁顆粒焙燒不一定就時(shí)間長(zhǎng)，多耗能源。

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 鋁顆粒焙燒法結(jié)合了鋁液焙燒法的簡(jiǎn)便易操作，避免了鋁液灌入瞬間對(duì)槽內(nèi)襯產(chǎn)生的熱沖擊；又結(jié)合了焦粒焙燒的方法從室溫預(yù)熱的優(yōu)點(diǎn)避免了偏流和溫度不均的現(xiàn)象；

3.2 鋁顆粒焙燒法是對(duì)預(yù)焙槽焙燒技術(shù)的重大改進(jìn)有一定的獨(dú)創(chuàng)性，是鋁液焙燒法和焦粒焙燒的兩種技術(shù)的結(jié)合達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的目的。

[1]馮乃祥.《鋁電解》北京化學(xué)工業(yè)出版社.

[2]霍慶發(fā).《電解鋁工業(yè)技術(shù)與裝備》.沈陽(yáng).遼海出版社.

[3]李清.《大型預(yù)焙鋁電解槽生產(chǎn)實(shí)踐》.長(zhǎng)沙.中南大學(xué)出版社.

[4]唐定品.《輕金屬》2008年第10期38～40.