[01389104]铝电解槽先进节能阴极技术

铝电解工业是国民经济支柱产业,为经济建设和国民经济发展提供大量原铝。铝工业在不断发展的同时,完成技术创新,近年来我国铝电解技术发展迅速,特别是大型铝电解槽的快速发展,自2002年国内大型的300kA铝电解槽商业投产,到2014 年我国600kA大型预焙阳极铝电解槽工业试验通过国家科技部专家鉴定,标明我国铝电解槽的大型化技术处于国际领先水平,大型铝电解槽的吨铝能耗和电流效率均有所提高,但是我国铝电解槽寿命一般为2000天左右,少量电解槽能达到2500天,而世界先进国家同类槽型寿命长达3000天,甚至3500天。而在2002年当时设计出来的300kA电解槽平均寿命不过1800天,且部分电解槽2005年就需进行大修。为此,提升铝电解槽的使用寿命成为我国铝工业解决环境污染和提高节效之后的第三大急切问题。在此背景下,我们在2005年开展了大型铝电解槽破损机理和延长电解槽寿命研究,开发了长寿命阴极和相应电解槽稳定运行集成技术。项目研究前后由4名博士研究生和2名硕士研究生完成,主要授权发明专利14项,发表学术论文近30篇。 铝电解槽的使役寿命一般受阴极材料影响较大,其次受电解槽的筑炉材料和筑炉质量影响,再者与铝电解槽的启动和生产操作维护亦密切相关。该项目通过干式刨炉的方法解剖若干台具有典型特征的、当时国内最大的300kA铝电解大修槽。并（1）测定工业铝电解槽的各种耐火砖、保温砖、防渗料的导热系数和抗渗性,碳质材料和电解质湿润性,得出内衬材料导热系数数学模型和电解质与不同炭素材料湿润角。20%石墨质阴极炭块在电解质中电解渗透2h后,渗透深度达到了21mm; 30%石墨质阴极炭块2h内的渗透深度是6mm,湿润角是98°;75%石墨质阴极炭块2h内的渗透深度是15mm,湿润角随着时间的改变而逐渐减小;石墨化阴极炭块的渗透深度是3mm,湿润角是103.4°;（2）分析电解槽阴极表面的磨损、冲刷腐蚀、机械腐蚀等行为,探析电解槽表面磨损与腐蚀机理;（3）通过分析电解质对阴极炭块或底部耐火材料的渗透深度、渗透方向性,掌握了电解质对不同阴极材料的渗透行为和规律。大体上,渗透到阴极中的物质主要是冰晶石和氟化钠,增大电流密度、提高分子比或提高氧化铝含量,渗透性增大,而添加剂氟化镁能够降低两室的液面差,添加剂氟化镁能够减小钠和电解质向阴极的渗透;（4）研究渗透到阴极中的电解质与碳质材料的作用机理,获得了阴极渗钠,碳钠化合物的反应机制,获得了阴极炭块隆起和断裂的极限渗透率,导出电解槽不同阴极材料在不同电解条件下服役寿命与电解质渗透深度和深入含量之间的评估模型。 在分析电解槽破损机理的基础上,提出了电解槽长寿命运行的方法和措施,形成集成技术,并选用不同的阴极材料普通炭块阴极、20%石墨质阴极、30%石墨质阴极、75%石墨质阴极、全石墨化阴极、振动成型二硼化钛和常温固化二硼化钛涂层阴极进行大规模的工业实验研究。成功后河南豫港龙泉铝业有限公司（为伊川龙泉电力有限公司下属企业）、广西百色银海铝业股份有限责任公司和锦宁铝镁有限公司大规模推广使用该新阴极材料和集成技术。 2006年底经河南省科技厅组织专家进行成果鉴定,达到国内领先水平。其成果如下： （1）复合二硼化钛（TiB2）振动成型阴极炭块和二硼化钛涂层阴极炭块不仅使用效果好,而且性价比高。可以提高电流效率0.5%,降低炉底压降15-20mV,直流电耗降低100kWh/t-Al; （2）采用全石墨化阴极炭块,电流效率大于94.5%,直流电耗低于12800kWh/t-Al; （3）采用二硼化钛阴极和全石墨化阴极,有利于提高电解槽槽寿命。 根据鉴定建议,我们长时间跟踪了该技术成果,截止2014年6月30日,其成果归纳如下： （1）由于限电原因停槽外,2005年8月份应用新阴极硼化钛材料的电解槽寿命已达到3100多天,这些电解槽平均炉底压降比常规阴极电解槽低60mV,新阴极电解槽的电流效率比常规阴极电解槽高1.25%,吨铝平均节省电能200kWh; （2）新阴极电解槽的使用寿命整体可延长接近300以上,硼化钛阴极寿命延长达到800天。 该项目节能效果明显,60万吨产能的电解铝实施该技术后,3年半的经济效益达5亿多元。