电解铝预焙槽二次启动延长槽寿命的探讨.pdf

2 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年5 期 电解铝预焙槽二次启动延长槽寿命的探讨 王荣铸，王宇，宋明栋，张波，周玉豹 中南大学冶金科学与工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要针对小修槽自身的特点，并借鉴以往大修槽的启动经验，对预焙槽二次启动延长槽寿命的工艺进 行了探讨。认为炉膛修补是保证电解槽寿命的先决条件，焙烧时的温度控制需讲究平稳均匀的原则， 而采用纯石墨焙烧以及利用软连接分流技术可以使焙烧温度得到有效的控制；湿法小效应启动比较符 合二次启动的特殊情况，而设定电压和效应都是后期管理中的控制关键． 关键词小修槽；预焙槽；二次启动；槽寿命；工艺 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 0 8 0 5 一0 0 2 6 0 3 T e c h n i q u eo fP r o l o n g i n gP r e - B a k e dC e l lL i f ei nS e c o n dS t a r t u p W A N GR o n g - z h u ，W A N GY u ，S O N GM i n g d o n g ，Z H A N GB o ，Z H O UY u b a o C o l l e g eo fM e t a l l u r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g 。C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a ，H u n a n4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h et e c h n i q u eo fp r o l o n g i n gp r e b a k e dc e l ll i f ei ns e c o n ds t a r t u pa c c o r d i n gt Ot h ef e a t u r e so fm i - n o ra n dm a j o rr e p a i ri sd i s c u s s e d ．I ti sc o n s i d e r e dt h a tp r e c o n d i t i o ni sr e p a i r i n gf u r n a c eh e a r t h ．A n dt e m p e r a t u r es h o u l db ec a r r i e ds t a b l yb yf l e x i b l ec o n n e c t i o na n dc u r r e n td i f f u s i o ni np r o c e s so fr o a s t i n g ．I no r d e rt oa c c o r dw i t ht h es p e c i a lc a s e so fs e c o n ds t a r t - u p ，i ti ss u g g e s t e do na d o p t i n gw e tm e t h o dw i t hl o w e f f e c t ．T h ec e r t a i nv o l t a g ev a l u ea n de f f e c tc o e f f i c i e n ta r eb o t hk e yc o n t r o li nl a t e rp e r i o dm a n a g e m e n t ． K e y w o r d s M i n o rr e p a i r ；P r e - b a k e dc e l l ；S e c o n ds t a r t - u p ；C e l l l i f e ；T e c h n i q u e 丹江铝业公司第三电解车间2 0 0k A 预焙槽于 2 0 0 5 年9 月由于氧化铝供货和电价等各种原因停 槽4 l 台，又于2 0 0 6 年1 月1 9 日采用石墨焙烧法开 始启动至2 月2 3 日全部二次启动完毕。由于事先 制定了合理的启动方案，使得短期内大批小修槽顺 利投产，取得了良好的经济效益。 1 小修槽的特点及影响槽寿命的主要 凼索 1 ．1 阴极内衬结构 小修槽不同于大修槽，其阴极内衬特点相较之 下主要有以下几个方面的问题 1 阴极表面破损程 度严重，容易发生渗铝腐蚀钢棒的情况； 2 阴极内 衬经过前期生产后吸钠过程基本完成，同时阴极内 作者简介王荣铸 1 9 7 1 一 ，男。工程师。硕士研究生． 衬经初次焙烧后已趋于石墨化，二次启动吸钠量将 明显减少，但阴极内部钠含量梯度仍然存在[ 1 3 ； 3 阴极内部产生的裂纹和缺陷以及电解质的渗透使得 小修槽炉底压降明显偏高； 4 阴极内衬已经过一次 温度骤升一骤降过程，力学性能已变得脆弱，在二次 启动中，极易出现新裂纹产生和旧裂纹扩大的情况； 5 阴极炭素内衬已经过一次焙烧过程，适用于大修 槽焙烧过程的三个阶段 软化，挥发，焦化 [ 2 ] 不存在 于小修槽。 1 ．2 其他方面 从槽膛勘测情况看，炉帮多处碳化硅破裂脱离， 个别槽侧部碳块已被涮空，极容易发生侧部漏槽事 故。此外槽侧多处人工伸腿脱离断裂。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年5 期 2 7 2二次启动过程温控原则 1 小修槽在焙烧阶段的电流与电压控制无须 考虑大修槽阴极炭素材料焙烧过程的三个阶段的影 响，因此温度控制以匀速为宜； 2 槽焙烧初期，如果温度上升过快，碳块表面 与内部形成较大的温度梯度，半石墨化阴极的抗热 震性又不是太高 ≈2 0 0A [ 副，碳块内部不同的热 应力容易造成碳块的横向热冲击裂纹；反之，如果温 度上升过慢，焙烧时期耗电量会相应增加，导致启动 成本过高；综合来看，升温速度控制在1 0 ～1 5 ℃／h 为宜； 3 焙烧中后期，电解槽角部温度上升较慢，槽 中部温度上升较快，槽内部形成较大的温度梯度，容 易造成碳块的纵向热冲击裂纹； 解槽将经历两次温度波动，特别是人工效应后，槽温 将达到10 0 0 ．1 3 甚至更高，再加上槽内流体电解质的 冲刷，极易造成槽内炉底起皮、断裂、槽帮脱落的情 况； 5 后期管理时，为了尽量减少温度对炉膛的影 响，同时建立起高分子比炉帮，可以在保持高分子比 电解质的同时，适当加快降压和降温的速度。 从上面五点可以看出，保持平缓的温度趋势和 槽内各部分同步的升温速度是保证二次启动槽寿命 的关键。 3 二次启动过程的控制措施 3 ．1 炉膛修补 前期焙烧启动和停槽造成的槽膛破损经勘察发 现主要有以下几种情况，针对这几种情况，我公司采 4 启动初期，在灌入电解质和人工效应时，电用了相应的修补方案 见表1 。 表1槽膛破损情况和修补方案 T a b l e1F u r n a c eh e a r t hb r e a k a g ea n dr e p a i rp l a n 3 ．2 装槽 主要希望通过铺设料，软连接分流技术两个方 面来优化控制。 通电焙烧后升温速度随着冲击电压的增大而提 高，而冲击电压主要由铺设料配比和铺设料的厚度 有关，现在普遍认为随着铺设料中石墨一焦粒配比 的降低，铺设料厚度的增加，铺设层电阻会逐渐提 高，冲击电压也会逐步提高。 由于小修槽阴极炉衬和阴极碳块是一个完整的 炭素炉膛，吸收的热量相对较少，若采用大修槽的方 案进行铺设，升温速度较大修槽将更高，对小修槽寿 命不利；此外，尽管在炉膛修补过程中采用砂轮打磨 炉底的措施，小修槽槽底仍是不平整的，若采用过小 的铺设层厚度将使阳极底掌无法与阴极表面充分接 触，严重时将造成挂极时阳极倾斜，反而造成冲击电 压过高，阳极电流分布不均等一系列不良后果。我 公司在二次启动中采用纯石墨焙烧启动，铺设板厚 度设置为2C l T I ，通电后多数槽冲击电压都控制在 4V 以内。 针对焙烧过程中阴极内衬对炉内升湿速度的需 要，目前多数厂家都采用了分流技术和软连接技术。 在大修槽焙烧初中期为了更好的控制升温速度，在 提高分流效率方面一些厂家 如焦作万方和茌平铝 厂 采用增大分流片o ] ，另一些 如南山铝厂 采用双 层分流措施[ 2 ] 。由于分流技术不仅可以调节槽内升 温速度，还可以调节槽内阳极电流密度，我公司在这 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年5 期 次二次启动过程中采用阳极钢爪与阴极钢棒的分流 技术。有效的控制了槽内各个部位的温差 见表 2 。 3 ．3 通电焙烧 为确保焙烧槽的焙烧温度均匀平稳上升，减少 对槽子的热冲击。特制定送电速度如下快速升流 到8 0k A ，然后电流到达i 0 0k A 、1 2 0k A 、1 4 0k A 、 1 6 0k A 、1 8 0k A 和2 0 0k A 的时间分别为2r a i n 、4 r a i n 、6 r a i n 、8r a i n 、1 0r a i n 和1 2 ～1 5r a i n ，并规定在 送电时，冲击电压不得超过4 ．5V ，否则必须立即降 低电流强度。 此外焙烧开始后须对槽上分流器进行有效的管 理。焙烧开始 3 0r a i n 内 分流效果为3 0 ％, - - - 4 0 ％， 随着焙烧过程的持续，可根据温度分布增减分流器。 由于角部温度上升较慢，为使温度均匀分布，先拆角 部8 组阳极分流片，然后逐渐向外扩展，分期拆卸完 毕。 通过装槽和通电过程的有效控制，阳极电流分 布都控制在2m V 以内，启动前1 6 点温度测定基本 控制在 8 5 0 士5 0 ℃ 见表2 。 表28 3 9 9 槽阳极电流和温度分布情况 T a b l e2 T h ea n o d ec u r r e n ta n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fN o ．8 3 9c e l l 项目时间／h极号 1234567891 01 11 21 31 4 ． A1 ．0 1 ．2 1 ．0 1 ．31 ．31 ．41 ．71 ．41 ．51 ．21 ．31 ．21 ．4 0 ．9 “ B1 ．31 ．41 ．11 ．11 ．81 ．31 ．51 ．21 ．41 ．21 ．21 ．00 ．91 ．1 阳极电流 分布／m V A1 ．21 ．71 ．3 0 ．91 ．11 ．51 ．71 ．11 ．11 ．81 ．41 ．21 ．11 ．5 9 6 B1 ．41 ．41 ．11 ．31 ．O1 ．11 ．毒1 ．O1 ．5O ．91 ．O1 ．21 ．3O ．8 3 ．4 启动及后期管理 在启动及后期管理过程中，相比大修槽，小修槽 在启动方法和后期管理上有以下相似的控制原则 1 湿法启动时，效应电压如果过高 2 0V ，持续 时间过长 5 0m i n ，将会导致温度过高，碳渣难以 分离，阳极底掌长包，甚至于钢爪温高而发红，阳极 脱落等情况的发生，此外容易造成炉膛早期破损； 2 灌铝后一般要保持高分子比电解质 2 ．8 一段 时间 2 ～3 月 ，逐步建立炉内热平衡体系以及高分 子比炉帮。但两者又有不同 1 由于二次启动槽炉 膛比较脆弱，灌铝后若持续偏高的温度，必然会对槽 寿命不利，此外在i 0 ～1 5 天内将电压和温度降至正 常，不存在影响炉内热平衡和高分子比炉帮建立方 面的问题； 2 对于一些炉底压降偏高的槽，需特别 注意设定电压的调整问题，若为了降低电耗而设置 过低，反而容易造成该槽的早期破损； 3 对二次启 动槽需注意后期生产中下料间隔和效应间隔的调 整，保证低浓度的氧化铝生产，尽量防止底部结壳和 沉淀，减少炉底吸钠带来的损害；同时应尽量防止效 应时间过长，效应后温度过高的情况带来的损害。 4结论 炉膛修补是保证槽寿命的先决条件，采用石墨 粉填塞裂缝，碳胶泥涂抹裂缝表层，T i 岛再次涂抹 所有裂纹与冲蚀坑能够较好的延长槽寿命； 装槽时铺设料采用纯石墨，并采用软连接和分 流技术可以使阳极电流分布易于调整，焙烧时炉底 压降较小，焙烧温度平稳均匀。 启动时采用湿法小效应或者无效应启动是一个 比较有效的方法，后期管理中需注意炉底压降对槽 子的影响，此外效应控制也是后期管理中的一项重 点。 参考文献 [ 1 ] 李庆军，赖廷清，李劫．应用新一代常温固化T i ＆阴极 涂层技术提高我国预焙铝电解槽寿命[ J ] ．轻金属，2 0 0 4 1 0 3 5 - - 3 7 ． [ 2 ] 葛贵君，回振明，张虎．S Y 3 0 0 k A 预焙电解槽焦粒焙烧 工艺探索口] ．轻金属，2 0 0 4 1 3 5 3 7 ． 下转第3 1 页 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年5 期 3 1 结果表明在液固比3 ／I ，反应时间3h 的情况 下，氧化铝的浸出率就可以达到9 0 ％，F e 的浸出率 6 3 ％，若将反应时间延长至5 h ，氧化铝的浸出率稍 有增加，达到9 3 ％，但此时F e 的浸出率大幅攀升， 达到8 8 ．4 9 ％。液固比越小，氧化铝的浸出率越高， 但液固比太小，矿浆搅动困难。 3 ．2 铝矾土矿直接盐酸浸出 在盐酸浓度为3 0 ％，浸出温度9 0 ℃，浸出时间 6h ，液固比4 ／I 的情况下，氧化铝浸出率达 9 4 ．9 3 ％，但此时铁的浸出率达9 8 ％，若除铁得到氯 化铝产品，后续除铁负荷大。也可以不除铁，氯化铝 煅烧分解后采用拜尔法溶出制取氧化铝产品。 3 ．3 硫酸铝溶液除铁 采用黄钠铁矾法来除出硫酸铝溶液中的铁，试 验条件是温度9 5 ℃，反应时间5h ，氯酸钠用量是 溶液中铁含量的0 ．5 倍，通过7 ％纯碱溶液调节除 铁溶液的p H 值，得到的渣过滤、洗涤、烘干，送检测 分析。结果表明，p H 值对除铁效果影响很大，控制 p H 在1 ．5 ～1 ．7 时，铁的去除率大约为4 0 ％，此时 氧化铝的损失率大约为2 ．5 ％，但如果在除铁反应 后期将p H 值调至4 ～4 ．5 时，铁的去除率达到 9 0 ％，此时氧化铝的损失也大大增加，达到2 5 ％。 3 ．4 硫酸铝溶液的蒸发浓缩、煅烧 硫酸铝溶液在1 1 0 ℃蒸发浓缩，利用其温度与 溶解度的关系，使硫酸铝结晶析出。然后将硫酸铝 加热脱水，脱去水后的硫酸铝在7 5 0 ℃进行煅烧，得 到7 一A l 0 3 和S O 。，S O 。可直接用于制备硫酸，制 得的浓硫酸再返回到浸出工序，实现硫酸的循环使 用。产品中F e 的分析结果 ％ 除铁后的硫酸铝 0 ．5 2 、不除铁的硫酸铝2 ．1 5 ；除铁后的r A l z O a 0 ．4 4 、不除铁的r A l 2 0 36 ．3 2 。 3 ．5 拜尔法制取氧化铝 r A l 。O 。在1 0 0 ℃时用3 0 0g ／L 氢氧化钠溶液 浸出，得到铝酸钠溶液，氧化铝中所含的F e 、C a 、M g 等杂质因不被碱所溶，不会引起氧化铝和碱的化学 损失，存在于固相中。固液分离后，即形成纯度较高 的铝酸钠溶液，然后向溶液中加人A l O H 。晶种， 溶液中的氧化铝以氢氧化铝形式结晶析出，氢氧化 铝在11 0 0 ℃的温度下煅烧得到冶金级氧化铝。氧 化铝产品成分 ％ 经过除铁A 1 2 0 。9 8 ．5 、S i O 。 0 ．0 5 、F e 2 0 30 ．0 2 9 、N a 2 00 ．6 ；不经过除铁A 1 2 0 3 9 8 ．3 、S i 0 20 ．0 6 、F e 2 0 30 ．0 3 0 、N a 2 00 ．6 。结果表 明无论铝矾土矿硫酸浸出液除不除铁，通过拜尔法 都可以制得符合要求的氧化铝产品。 4结论 I 对低铝硅比铝土矿进行了酸浸的探索性试 验。酸耗系数大即硫酸量大有利于铝的溶出，直接 硫酸浸出时，低的液固比即酸的浓度高有利于铝的 溶出。 2 无论是采用硫酸还是盐酸浸出，铝溶出的同 时大部分铁也被溶出，浸出液用于生产硫酸铝需进 行除铁处理，如考虑采用拜尔法生产冶金级氧化铝， 可不除铁，直接处理即可。 参考文献 [ 1 ] 陈家镛．湿法冶金手册[ M ] ，北京冶金工业出版社。 2 0 0 5 8 4 0 ． [ 2 ] 陈家镛．湿法冶金手册[ M ] ，北京冶金工业出版社， 2 0 0 5 8 0 8 8 3 7 ． [ 3 ] D o n a l dFO t h m e r ．M e t h o df o rp r o d u c i n ga l u m i n u mm e t a l d i r e c t l yf r o mo r e U S ，3 7 9 3 0 0 3 [ P ] ．1 9 7 4 一0 2 1 9 ． [ 4 ] D o n a l dFO t h m e r ．M e t h o df o rp r o d u c i n ga l u m i n u mm e t a l d i r e c t l yf r o mo r e U S ，3 8 5 3 5 4 1 [ P 3 ．1 9 7 4 1 0 l o ． [ 5 ] A d a m sJ r ，C l y d eM ．A l u m i n u mp r o d u c t i o nzU S ， 4 1 8 8 2 0 7 [ P ] ．1 9 8 0 0 2 1 2 ． 上接第2 8 页 [ 3 ] 路忠胜．提高铝电解槽寿命的措施之一提高阴极炭 块的抗热震性能[ J ] ．轻金属，2 0 0 3 8 4 l 一4 4 ． [ 4 ] 闫太网．3 0 0k A 铝电解槽二次启动的实践探索口] ．世界 有色金属，2 0 0 5 6 3 7 3 9 ． [ 5 ] 李方义，吴举．二次启动铝电解槽槽侧壁补修的实践口] ． 轻金属，2 0 0 1 3 4 3 4 5 ． [ 6 ] 王喜春，李东根．预焙槽焦粒焙烧启动中的关键技术探 讨口] ．轻金属，2 0 0 3 6 2 9 3 2 ． 万方数据