全保温型内衬配置在3OO+kA铝电解槽上的应用.pdf

2 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ] ／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．1 0 ．0 0 7 全保温型内衬配置在3 0 0k A 铝电解槽上的应用 李勇，刘升，王有来，秦卫中，张树东，李炜煜 四川启明星铝业有限责任公司，四J 1 l 眉山6 2 0 0 4 1 摘要针对低电压运行电解槽能量收入减少的情况，在3 0 0k A 大型凸型阴极铝电解槽上开展了全保温 型内衬配置应用试验。1i 0 0 天运行情况表明，配置全保温型内衬的电解槽的散热量明显降低，电能利 用率得到提高，吨铝电耗大幅降低。 关键词3 0 0k A 铝电解槽；全保温型内衬；应用 中图分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 1 0 0 0 2 0 0 3 A p p l i c a t i o no fF u l lH e a tI n s u l a t i o nL i n i n gi n3 0 0k A A l u m i n u mE l e c t r o l y s i sC e l l s L IY o n g ，L I US h e n g ，W A N GY o u l a i ，Q I NW e i z h o n g ，Z H A N GS h u d o n g ，L IW e i y u S i c h u a nA o s t a rA l u m i n u mL i m i t e dC o m p a n y ，M e i s h a n6 2 0 0 4 1 ，S i c h u a n ，C h i n a A b s t r a c t Af u l lh e a ti n s u l a t i o nl i n i n gc o n f i g u r a t i o na p p l i c a t i o nt e s tw a sc a r r i e dO U ti n3 0 0k Aa l u m i n u me l e c t r o l y s i sc e l l sa i m e da tt h ee n e r g yd e c r e a s i n gs i t u a t i o ni nt h ec e l lo p e r a t e da tl o wv o l t a g e ．T h eo p e r a t i o n a l a s p e c to ft h ep e r i o do f11 0 0d a y ss h o w st h a tt h eh e a tr e l e a s ed e c r e a s e do b v i o u s l y ，e l e c t r i ce n e r g yu t i l i z a t i o nr a t ei n c r e a s e d ，a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o nf o rp e rt o n n a g ea l u m i n u md e c r e a s e di nt h o s ec e l l sc o n f i g u r e df u l lh e a ti n s u l a t i o n1 i n i n g ． K e yw o r d s 3 0 0k Aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s ；f u l lh e a ti n s u l a t i o nl i n i n g ；a p p l i c a t i o n 2 0 0 8 年以前中国电解铝企业基本上都采用“四 低一高”的生产技术路线，该技术路线的一个突出特 点就是高电压、高效率，在这种技术路线下电解槽能 量收入高，但能量利用率不足5 0 ％，电解槽需要将 一半以上的能量散掉，因此电解槽的内衬配置大都 采用“底部保温、侧部散热”的设计理念。2 0 0 8 年之 后，随着国家对电解铝企业节能减排要求的进一步 提高和企业用电价格的大幅提升，大多数企业都开 始摸索低能耗的“低电压”生产工艺，这种工艺使得 能量收入进一步降低，这对电解槽的保温性能提出 了更高要求，“底部保温、侧部散热”的内衬配置理念 已经不再适合，必须寻求能够满足“低电压”生产工 艺的其他内衬配置方式。 收稿日期2 0 1 2 0 3 1 2 ． 作者简介李勇 1 9 7 1 ，男，满族，贵州人，高级工程师 1大型铝电解内衬结构 通常按区域将铝电解槽内衬分为底部内衬和侧 部内衬[ 1 ] 。底部内衬起着支承阴极结构和保温的作 用。侧部内衬可以保护钢制金属外壳面免受电解质 熔体的侵蚀。因此，一方面希望底部内衬具有足够 的机械强度，减小由于重力、内应力引起的压缩变 形；另一方面要求底部内衬要有较高的容重以抵御 压缩变形，同时希望底部内衬具有较好的保温性能。 铝电解槽内衬层材料的容重从上到下一般依次降 低，上层最高、底层最低口] 。 2 大型铝电解槽传统内衬配置 2 ．1 侧部结构 万方数据 2 0 1 2 年1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 1 当代大型预焙铝电解槽的侧部内衬材料的使用 有三个阶段第一阶段使用普通碳块，主要是在2 0 世纪末之前，在我国早期的1 6 0k A 大型预焙槽上 普遍采用} 第二个阶段使用碳氮化硅和普通碳块的 复合块，在2 1 世纪初期新设计的大型预焙铝电解槽 大都使用了该材料；第三个阶段使用碳氮化硅块，针 对碳氮化硅和普通碳块的复合块脱层的严重情况， 电解铝企业开始逐步使用纯碳氮化硅块，因该材料 导热和耐腐蚀性能出众，在大型预焙铝电解槽上得 到了广泛的应用。 2 ．2 底部结构 传统大型铝电解槽底部内衬从炉底钢板至阴极 底块大致可以分为三层第一层采用保温性能较高 的、容重稍低的硅酸钙保温板，该材料直接与电解槽 的炉底钢板接触，多数槽型采用铺设一层硅酸钙保 温板的配置，厚度8 0m m 左右，部分槽型采用双层 配置，厚度1 0 0 ～1 2 0m m 左右；第二层采用硅藻土 质保温砖，硅藻土质保温砖导热系数稍低于硅酸钙 保温板，但容重较高，多数大型电解槽采用2 层保温 砖的配置，厚度一般为1 0 0 ～1 5 0m m ；第三层采用 捣实干式防渗料，这种散状颗粒型防渗料的容重较 高，与电解质反应后生成一种玻璃状耐高温物质，可 阻止电解质向槽底深处进一步渗透，其铺设厚度一 般为1 5 0 ～2 0 0m m 。 2 ．3 侧下部斜坡部分 传统电解槽在电解槽阴极钢棒下方斜坡面部位 的保温材料采用干式防渗料。该材料的容重较大， 但保温性能一般，导致电解槽在该部位的散热较大。 3大型铝电解槽全保温型内衬配置 四川启明星铝业有限责任公司 以下简称启明 星铝业 从2 0 0 8 年开始探索3 0 0k A 大型预焙铝电 解槽的低电压生产工艺，并且为使该工艺达到更好 的节能效果，启明星铝业在2 0 0 9 年逐步推广使用有 利于电解槽运行电压大幅降低的凸型阴极技术。在 低电压生产工艺的探索过程中发现随着电解槽电压 的不断降低，电解槽热收入不断减少，电解槽的炉底 出现沉淀甚至结壳，侧部炉帮逐渐变得肥大，为配合 该工艺的顺利实施，经过大量的理论论证后于2 0 0 9 年初开始在两台凸型阴极大修槽上尝试全保温型内 衬配置。 3 ．1 阴极炭块下底部 底部内衬在保证保温的前提下应尽量采用容重 大的材料，以提高材料的抗压缩能力，提高热平衡稳 定性。启明星铝业电解槽从炉底钢板至阴极碳块的 底部内衬保温配置依次为1 层8 0m m 厚的硅酸钙 保温板、2 层6 5m m 厚的硅藻土保温砖和1 层1 7 5 m m 厚的干式防渗料。经过论证后我们在硅酸钙保 温板的上方用1 层5 0m m 厚的陶瓷纤维板替代了1 层6 5m m 厚的硅藻土保温砖。硅藻土保温砖、硅酸 钙保温板和陶瓷纤维板的导热系数分别为≤0 ．1 7 w ／ m K 、≤0 ．1 4w ／ m K 和≤0 ．1 1 6W ／ m K ，容重分别为0 ．5 ～0 ．7g ／c m 3 、≤0 ．2 3g ／c m 3 和≥o ．2 8g ／c m 3 。由此可知，陶瓷纤维板导热系数 低，容重比硅酸钙大比硅藻土保温砖小，抗压缩能力 强，受压缩后导热性能变化小。试验槽运行情况表 明，改造后电解槽炉底钢板温度有了明显下降，说明 这一改造是成功的。 3 ．2 侧下部斜坡部分 由于大型铝电解槽大面多采用船型结构，侧下 角的保温层厚度相对较薄，这样会对阴极内部的温 度分布和阴极压降都产生很大影响。电解槽的热收 入减小后，这一影响将会进一步加剧。为此我们在 该部位斜坡面采用了2 层8 0m m 硅酸钙保温板结 构，使这一部位的槽壳钢板温度明显降低。 3 ．3 侧部 启明星铝业3 0 0k A 大型铝电解槽侧部原内衬 配置为一层9 0m m 厚的碳氮化硅砖，该设计在企业 走“四低一高”技术路线时起到了很好的效果，因该 材料导热性能较好，可以将多余的热量及时地散掉， 有效地保障了电解槽侧部炉帮的形成，为电解槽的 高效生产创造了条件。但随着低电压生产工艺的逐 步推广，侧部散热理念已不再适用。为加强侧部保 温，减小侧部的散热量，我们采用一层9 0m m 厚的 普通碳块和1 层3 0m m 厚的陶瓷纤维板代替原侧 部9 0m m 碳氮化硅砖内衬配置，使电解槽的电解质 层和铝液层所对应的槽壳钢板温度大幅下降。 4全保温型内衬配置的应用效果 4 ．1 电解槽整体散热分布情况 图1 为大型预焙铝电解槽典型散热分布示意 图，当代大型预焙铝电解槽的散热区域可以大体划 分为阳极区和阴极区2 个区域，其中阳极区包括阳 极、阳极钢爪、阳极表面结壳及槽沿板，阴极区包括 电解槽侧部 电解质层、铝液层、阴极碳块层、阴极钢 棒、阴极侧下部斜坡部分保温层 和槽底。阴极理论 及实践研究证明，大型铝电解槽理想的散热分布为 阳极区和阴极区各占5 0 ％∽J 。 万方数据 2 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 阳极2 5 ％阳极钢爪8 ％结壳I ％ 槽底7 ％ 图1典型大型铝电解槽散热分布示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fh e a tr e l e a s ed i s t r i b u t i o n f o rt y p i c a ll a r g e - s c a l ea l u m i n u me l e c t r o l y s i sc e l l s 启明星铝业全保温型内衬配置试验槽的散热分 布情况见图2 ，从图2 我们可以看出，两台试验槽的 散热分布阳极区域散热占到了5 0 ．8 ％，阴极区占到 了4 9 ．2 ％∞j ，基本上满足电解槽散热理想分布的要 求，同时因加强了底部、侧部和侧下部斜坡部分的保 温，使得侧部和槽底的散热比例有所下降。 4 ．2 电解槽槽壳表面温度变化情况 启明星铝业两台全保温型内衬配置凸型阴极试 验槽于2 0 0 9 年3 月份经过大修后启动，另有两台对 比槽与试验槽同一时间启动，试验槽的运行电压降 阳极2 62 ％阳极钢爪87 ％结壳91 ％ 槽底6 【J ％ 图2 全保温型铝电解槽散热分布示意图 F i g ．2 S k e t c hm a po fh e a tr e l e a s ed i s t r i b u t i o n f o rf u l lh e a ti n s u l a t i o na l u m i n u me l e c t r o l y s i sc e l l s 至3 ．7 5V 以下，运行至2 0 1 2 年2 月份槽龄已达 11 0 0 天，试验槽运行情况表明其内衬未发生任何 异常。从表1 的测量数据来看，在相同槽温下试验 槽各个部位的槽壳表面温度有了明显降低，说明全 保温型内衬配置试验槽保温性能得到了大幅提升， 采用全保温内衬结构的凸型阴极铝电解槽的散热量 有了明显降低，电能利用率得到了提高。目前全保 温型内衬配置大型凸型阴极铝电解槽已经在四川启 明星铝业开始全面推广应用，系列槽基本实现了低 电压生产模式。 表1试验槽与对比槽不同部位槽壳钢板的温度 T a b l e1 T e m p e r a t u r eo fs t e e lp l a t ea td i f f e r e n tl o c a t i o no ft e s ta n dc o n t r a s tc e l l s 5 经济效益评估 全保温型内衬配置试验电解槽运行电压为 3 ．7 5V ，未采用全保温型内衬配置的同类型槽为 3 ．8 0V ，两者相差0 ．0 5V 。两种槽的电流效率没有 变化，电解槽的电流强度皆为3 0 0k A ，因此单台槽 的年节电量为1 3 14 0 0k W h ，电费按照公司2 0 1 1 年 平均电价0 ．5 5 元／k w h 计算，则单台槽每年可节约 电费7 22 7 0 元。启明星铝业拥有3 0 0k A 大型铝电 解槽3 3 6 台，年有效运行数量可达3 2 0 台，如果全保 温型内衬配置技术在全公司推广后，年节电量可达 42 0 4 ．8 万k W h ，每年可节约电费23 1 2 ．6 4 万元。 6结论 在3 0 0 k A 大型预焙凸型阴极铝电解槽上配置 下转第2 6 页 万方数据 2 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 效果较好，稀土浸出率高。 度地提高稀土浸出率。 添加双氧水可以一定程 研究进展[ J ] ．中国照明电器，2 0 0 7 8 1 - 6 2 盐酸浸出渣采用碳酸钠焙烧一盐酸浸出法可 以将较难浸出的铈、铽提取出来，效果明显。 3 采用中和法可将料液中大部分铁、硅、铝除 去，其中铁、硅含量可达到萃取工序要求。 参考文献 [ 1 ] 王筝．我国稀土发光材料行业竞争态势I - J ] ．产业聚集， 2 0 1 0 7 2 0 - 2 3 ． [ 2 ] 全国稀土荧光粉、灯协作网．我国稀土发光材料行业未 来发展前景[ J ] ．新材料产业，2 0 1 0 8 5 8 6 3 ． [ 3 ] 李洪枚．废旧稀土荧光灯资源综合利用技术现状[ J ] ． 稀土，2 0 0 8 ，2 5 9 7 1 0 1 ． [ 4 ] 梅光军，解科峰，李刚．废弃荧光灯无害化、资源化处置 [ 5 ] T o u r uT a k a h a s h i ．S e p a r a t i o na n dr e c o v e r yo fr a r ee a r t h e l e m e n t sf r o mp h o s p h o rs l u d g ei np r o c e s s i n gp l a n to f w a s t ef l u o r e s c e n tl a m pb yp n e u m a t i cc l a s s i f i c a t i o na n d s u l f u r i cl e a c h i n g [ J ] ．S h i g e nt oS o z a i ，2 0 0 1 ，1 1 7 5 7 9 5 8 5 ． [ 6 ] 李洪枚．从废稀土荧光粉中酸浸回收稀土的研究[ J ] ． 稀有金属，2 0 1 0 ，3 4 6 8 9 8 9 0 3 ． [ 7 ] 李洪枚．用硫酸从废旧稀土荧光粉中浸出稀土l - J ] ．湿 法冶金，2 0 1 0 ，2 9 3 1 8 8 1 9 0 ． [ 8 ] 梅光军，雷玉刚，谢科峰．从废弃荧光粉中回收稀土 Y 。0 。的研究[ c ] ／／中国稀土资源综合利用暨第五届中 国稀土学会采选委员会第一次学术研讨会论文集， 2 0 0 9 8 2 8 9 ． 上接第1 5 页 参考文献 [ 1 ] S t u a r tL i c h t ，G a r yH o d e s ，M a n a s s e n ．N u m e r i c a la n a l y s i so fa q u e o u sp o l y s u l f i d es o l u t i o n sa n di t sa p p l i c a t i o nt o C a d m i u mc h a I c o g e n i d e ／p o l y s u l f i d ep h o t o e l e c t r o c h e m i c a l s o l a rc e l l s E J ] ．I n o r g ．C h e m ．1 9 8 6 ，2 5 2 4 8 6 2 4 8 9 ． [ 2 ] 周军，兰新哲，张秋利．硫代硫酸盐和多硫化物混合浸 金体系制备研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 8 4 2 6 2 9 ． [ 3 ] 李雁南．石硫合剂法浸出金[ J ] ．湿法冶金，1 9 9 8 ，1 7 4 1 - 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