鋁電解槽超高陽極炭塊配置方案的制作方法
【專利摘要】本發明鋁電解槽超高陽極炭塊配置方案，主要應用與現行大型預焙鋁電解槽結構技術改造與設計以及預焙陽極炭塊的制備生產，其技術方案是采用超高陽極炭塊配置，用延長陽極炭塊使用周期時間，減少鋁電解槽換極頻率的方法，對大型鋁電解槽結構和電解鋁生產工藝進行工藝改進配置，以實現降低生產成本增加效益之目的。采用該技術方案，不僅可以實現鋁電解槽自身的電解鋁生產節能減排，并可提高電解鋁生產整體綜合經濟效益。
【專利說明】
鋁電解槽超高陽極炭塊配置方案
[0001]技術領域鋁電解槽超高陽極炭塊配置方案，主要應用與現行大型預焙鋁電解槽結構設計以及預焙陽極炭塊的制備生產。
[0002]【背景技術】預焙陽極炭塊既是參與電解鋁熱電化學反應的主要耗材，又是電解鋁生產的導電部件，它通過在碳碗澆注磷鐵環，與陽極鋼爪鋁導桿構造在一起形成陽極導電裝置，用小盒卡具夾緊與鋁電解槽陽極大母線連接在一起，參與電解鋁生產。其主要作用有:一是作為陽極導電體，具有導電功能；二是作為陽極置換消耗材料，參與電化學反應，三是利用自身材料結構，對電解質液實施保溫作用；四是利用其結構自身，支撐其上部保溫覆蓋材料。
[0003]鋁電解的生產過程是一個連續的熱電化學反應過程，在電解生產過程中，陽極炭塊的高度隨著參與電解的熱電化學反應而消耗縮短(簡稱犧牲陽極)。其消耗的速度與電流密度和電壓成正比，在陽極炭塊消耗降低到一定高度后，為保證鋁電解槽生產的連續性，就必須將在鋁電解槽上殘極陽極炭塊，(約為130mm-150mm)，從電解槽內取出，用具有一定高度的新陽極炭塊(目前電解鋁行業通用高度約為600m左右)進行更換，簡稱換極作業。
[0004]因此，陽極炭塊參與電解鋁生產的工序為:新陽極炭塊-陽極炭塊用澆注磷鐵環的方式與陽極鋼爪組裝-形成陽極炭塊鋼爪組-陽極炭塊鋼爪組換極入槽-用覆蓋料進行陽極炭塊保溫-陽極炭塊參與電解鋁生產-陽極炭塊消耗-殘極炭塊陽極鋼爪組更換出電解槽-殘極炭塊上部覆蓋料清理-壓脫殘陽極炭塊-壓脫陽極鋼爪組裝用磷鐵環-陽極鋼爪參與下一個循環組裝。由此可見，整個電解生產工藝80%工作量都在圍繞陽極炭塊進行。
[0005]鋁電解槽是高耗能產業，節能降耗是電解鋁企業永恒的主題。目前，國內外電解鋁企業節能減排、降低生產成本，多走的是提高鋁電解槽的容量，即擴大陽極導電面積的技術路線，即將從80年代開始，鋁電解槽的容量由160KA發展至600KA左右，鋁電解槽容量的擴大，只是增加了鋁電解槽，陰極和陽極的導電面積，如在每塊陽極炭塊長乘寬面積基本不變的條件下，增加陽極炭塊即陽極導電裝置的組數。
[0006]鋁電解容量大小級別的劃分；200KA及小于300KA為200KA級鋁電解槽，300KA及小于400KA為300KA級鋁電解槽，400KA及小于500KA為400KA級鋁電解，500KA及小于600KA為500KA級鋁電解槽，以此類推。其中400A以上的為大型鋁電解槽，500KA以上的為特大型鋁電解槽
[0007]隨著鋁電解槽容量的擴大，但鋁電解槽的生產技術指標和經濟效益指標并未帶來根本的提高，其主要原因是:大型鋁電解槽的結構設計及生產工藝配置方式，依然采用的是高度低于650_低炭塊傳統鋁電解槽的配置。其結果是，陽極炭塊的數量有所增加，陽極炭塊的高度不變，必然造成鋁電解槽陽極炭塊換極頻率加大。
[0008]鋁電解槽換極頻率計算方法是:鋁電解槽配置陽極炭塊總和除以陽極炭塊在鋁電解槽上的平均使用天數。
[0009]如:原設計容量為320KA鋁電解槽，其陽極碳塊的長X寬X高尺寸為1600mmX700mmX620mm，共設置有40組陽極炭塊。按陽極炭塊在鋁電解槽上的使用30天計算，其換極頻率為:40塊/30天=1.3塊/天。
[0010]如:現設計的容量為500KA級鋁電解槽，其陽極碳塊的長X寬X高尺寸為1750mmX700mmX650mm，共設置有48組陽極炭塊，按陽極炭塊在鋁電解槽上的使用30天計算，其換極頻率為:48塊/30天=1.6塊/天。
[0011]如:現設計的容量為600A鋁電解槽，其陽極碳塊的長X寬X高尺寸為1850mmX700mmX650mm，共設置有56組陽極炭塊，按殘極厚度為150mm，陽極炭塊在鋁電解槽上平均消耗15.5毫米，陽極炭塊在鋁電解槽上的使用30天計算，其換極頻率為:56塊/30天=1.86塊/天
[0012]采用這種高度為高度低于650mm的陽極炭塊配置進行設計的300KA級以上的鋁電解槽，其容量雖然隨著導電面積的擴大雖有所增加，即陽極炭塊在鋁電解內的配置總數量也有所增加，但陽極炭塊在鋁電解槽上的使用壽命天數并沒有增加，反而造成大型鋁電解槽的陽極炭塊換極頻率有所增加，與普通中小型電解槽相比，致使鋁電解槽的換極作業對鋁電解槽干擾波動加大，影響了鋁電解槽的穩定性，導致大型鋁電解槽難以產生應得的效益。
[0013]大型鋁電解槽換極頻率的增加，不僅影響大型鋁電解槽的熱平衡等鋁電解槽工藝狀況，致使大型鋁電解槽的生產技術指標難以有根本性的提高，而且降低了與鋁電解槽生產工藝相關的陽極炭塊制備、陽極炭塊組裝、殘極清理等生產環節的生產效率，其生產作業方式技術裝備沒有根本改變和提高，導致大型鋁電解槽的綜合節能減排生產技術指標和經濟指標優勢難以體現出來。
[0014]上述表述也可以理解為，目前國內外電解鋁行業大型鋁電解的設計走向，只是在鋁電解槽的導電面積上有所擴大，陽極炭塊的數量有所增加，即鋁電解槽結陰極導電面積和陽極導電面積的平面二維尺寸上有所改變。但在影響鋁電解槽結構配置和生產工藝方式的陽極炭塊的三維尺寸結構的高度領域，關系到整個鋁電解生產工藝全過程工藝配置和生產作業方式關鍵核心技術，即鋁電解槽的“換極頻率”上，并沒有進行系統有效的改進創新。即鋁電解槽大型化后，由于對陽極炭塊結構尺寸和鋁電解槽結構依然延續傳統的陽極炭塊高度設計，造成換極頻率有所增加，導致大型鋁電解槽的的生產技術經濟指標難以優化，致使生產電耗增減、生產成本增加。
[0015]大型鋁電解槽采用650_高度以下陽極炭塊進行生產，換極頻率較高，其主要缺點是:
[0016]1、陽極殘極炭塊高度(約130mm-150mm)與電解生產中所消耗犧牲掉的陽極炭塊高度的比值較小，造成電解鋁陽極碳塊毛耗較高。
[0017]2、由于鋁電解槽換極頻率較高，隨之由換極造成的鋁電解槽熱散失和鋁電解槽熱平衡的干擾波動較大，污染排放加大、致使電解鋁生產電耗物耗增加。
[0018]3、預焙電解槽鋁生產工藝的絕大部分工藝與配置和陽極炭塊有關，鋁電解槽換極頻率較高，不僅造成鋁電解槽換極工作量加大，而且會造成，陽極炭塊組裝工作量、殘極清理工作量、鋁導桿和陽極鋼爪的周轉量的加大，生產成本增加。
[0019]4、鋁電解槽換極頻率較高，不僅造成會造成多功能天車、陽極組裝、運輸、殘極處理等技術裝備的增加和使用頻率的加大，而且會使陽極保溫覆蓋料有所增加，加大鋁電解生產的資金占用。
[0020]
【發明內容】
為克服現行的大型鋁電解槽結構生產工藝方面，由于陽極炭塊高度設計和鋁電解槽結構設計方面延續傳統設計，采用650_以下陽極炭塊進行生產，所造成的換極頻率高，而導致的上述缺點，本發明首次提出了將鋁電解槽的“換極頻率”，即每臺鋁電解槽陽極炭塊配置的總和除以陽極炭塊在鋁電解上平均使用天數之比，作為評價鋁電解槽技術裝備和生產工藝是否先進，并把換極頻率趨于零為最優的考核理念。
[0021]本發明結合現通用的大型鋁電解槽結構設計和工藝設計的現狀，依據鋁電解的換極頻率越低，對電解鋁生產越是有利的原則，采用鋁電解槽內陽極炭塊配置總量盡量減少，以換極頻率趨于零為最優，陽極炭塊高度應盡量加高的設計思路，提出了大型鋁電解采用超高陽極炭塊配置，用延長陽極炭塊使用周期時間，減少鋁電解槽換極頻率的方法，對鋁電解槽結構和電解鋁生產工藝進行改進創新的技術方案，以實現降低生產成本增加效益之目的。
[0022]鋁電解槽超高陽極炭塊配置，其技術方案的特征是:鋁電解槽采用高度大于700mm以上的超高陽極炭塊進行配置，其陽極炭塊的最佳配置高度為:陽極炭塊在鋁電解上每天平均消耗的高度，乘以鋁電解槽所配置的陽極炭塊的數量，再加上殘極炭塊的高度，致使換極頻率趨近或小于I塊/天；
[0023]依據上述技術方案，當鋁電解槽鋁電解槽采用32至44組陽極炭塊鋼爪組進行配時，采用高度大于700mm以上的超高陽極炭塊進行配置，最佳設定高度為800mm以上，致使換極頻率趨近或小于I塊/天；
[0024]依據上述技術方案，當鋁電解槽采用48組超高陽極炭塊進行配置時，其陽極炭塊高度尺寸應大于700mm，最佳設定高度為850mm以上，致使招電解槽的換極頻率小于1.3天，趨近或小于I塊/天；
[0025]依據上述技術方案，當鋁電解槽采用56組以上的超高陽極炭塊進行配置時，其超高陽極炭塊的高度應大于700mm，其最佳設定高度為970mm以上，致使鋁電解槽的換極頻率小于1.45塊/天，趨近或小于I塊/天；
[0026]依據上述技術方案，鋁電解槽為50組以上的超寬超高陽極炭塊進行配置，其陽極炭塊寬度大于730mm時，其高度應大于700mm，其目標設定高度為900mm以上，致使鋁電解槽的換極頻率小于1.4塊/天，趨近或小于I塊/天；
[0027]依據上述技術方案，當采用超高陽極炭塊進行配置的鋁電解槽結構，其槽膛深度應大于或等于550mm，其槽殼體上部到鋁電解槽上部水平煙罩板之間的高度，應大于超高陽極炭塊與陽極鋼爪用澆注磷鐵環組裝后的高度，即能夠便于進行更換陽極作業操作的高度。
[0028]依據上述技術方案:在超高陽極炭塊的高度致使散狀覆蓋料對高出槽膛部分的炭塊難以形成穩定保溫層時，該鋁電解結構的槽蓋板下端與槽殼體之間可設置可移動擋料裝置。
[0029]陽極炭塊的最佳配置高度計算方法為:
[0030]陽極炭塊在鋁電解上每天平均消耗的高度，乘以鋁電解槽所配置的陽極導電裝置的數量(即陽極炭塊的總數量)，再加上殘極炭塊的高度。
[0031]鋁電解槽換極頻率計算方法是:
[0032]鋁電解槽配置鋁導桿陽極炭塊鋼爪組總和，除以陽極炭塊在鋁電解槽上的平均使用天數之比。
[0033]鋁電解槽換極頻率評價指標是:以換極頻率趨于零為最優，其中采用32以上陽極炭塊鋼爪組(即陽極導致裝置)配置的大型鋁電解槽，其換極頻率趨近或小于I塊/天較為合理。
[0034]采用本發明技術方案的優點是在大型鋁電解槽上用超高陽極炭塊替代的650mm高度以下的所謂高陽極炭塊，對鋁電解槽結構和陽極導電裝置進行進行配套設計改進，用提高陽極炭塊使用壽命，降低鋁電解槽換極頻率的方法，不僅可以減少因更換殘極作業對鋁電解槽造成的干擾，降低換極熱散失穩定保持電解槽的熱平衡，降低陽極炭塊的毛耗、降低電解鋁生產工藝的電耗，而且可以減少陽極組裝工作量和周轉運輸工作量，以及電解鋁企業陽極導電裝置鋁導桿和陽極鋼爪的總量配置，減少電解鋁生產的綜合成本，實現電解鋁生產節能降耗減排，提高電解生產的總體綜合經濟效益。
[0035]說明書附圖本發明技術方案和特征結合附圖則表示的更加清晰。
[0036]圖1米用超尚陽極炭塊配置招電解結構不意圖。
[0037]其圖中所示:1水平煙罩板、2槽蓋板、3可移動擋料裝置、4擋料裝置固定插座、5槽殼體上部立板、6槽殼體、7超高陽極炭塊、8電解質液、9鋁液、10覆蓋料、11陽極鋼爪及鋁導桿、12、槽底陰極炭塊、13側部爐墻。
具體實施方案
[0038]大型鋁電解槽采用超高陽極炭塊的配置后，其鋁電解結構和生產工藝可能會產生以下問題，特提出解決對策如下:
[0039]—是在陽極炭塊加高后，會產生在炭塊的端部保溫覆蓋料難以對炭塊實現全覆蓋保溫問題，可采用加深鋁電解槽的槽膛深度去解決，鋁電解槽槽膛的深度應高于550_。
[0040]二是在超高陽極炭塊剛換極入槽后，為解決超高陽極炭塊的高出槽膛部分，致使散狀覆蓋料對高出槽膛部分的炭塊難以形成穩定保溫層時，可在鋁電解結構的槽蓋板下端與槽殼體之間，設置上可移動的擋料板或保溫擋料板等保溫擋料裝置，以解決當保溫覆蓋料難以對高于槽膛部分炭塊上部實施全覆蓋保溫的問題。
[0041]三是當炭塊加高后，其炭塊的重量勢必增加，為保證與陽極鋼爪與陽極炭塊之間澆注磷鐵環的連接強度，可采用加大陽極鋼爪直徑或加大陽極炭塊碳碗直徑的方法進行解決，其陽極炭塊的直徑應大于200mm，碳碗內設置有多道斜拉凹槽。
[0042]四是當炭塊加高后，其炭塊的重量勢必增加，為保證陽極導電裝置的鋁導桿和陽極鋼爪之間鋁鋼復合過渡連接片的連接強度，其鋁鋼復合過渡連接可采用用兩塊鋁鋼復合過渡連接片中間夾焊鋁導桿與陽極鋼爪相連接的方式，用增加立焊縫的方法進行解決。
[0043]五是為防止超高陽極炭塊在換極入槽是與鋁電解槽內的煙道側板發生碰撞干涉，鋁電解槽上部的煙道結構應與入槽新更換超高陽極炭塊端部肩角部保持有一定的空間距離。
[0044]六是在鋁電解槽上采用超高陽極炭塊后在添加陽極炭塊覆蓋料作業時，如采用高度大于800mm以上的陽極炭塊時，在換極初期可不必在陽極炭塊的頂端添加保溫覆蓋料，只做炭塊的周邊保溫，待陽極炭塊消耗到800mm左右時再對陽極炭塊上部實施保溫添加覆蓋料作業。
[0045]以下實施例結合現通用鋁電解槽結構設計和陽極炭塊配置進行，可進一步加深對本發明技術方案的理解
[0046]實施例1:如容量為200KA或300KA系列級鋁電解槽，設置有28至44陽極炭塊導電裝置，應采用高度大于700_的陽極炭塊進行配置，致使陽極炭塊的使用壽命時間趨近或大于40天，其換極頻率趨近或小于I塊/天。
[0047]實施例2:現通用容量為400KA至500KA系列級的大型電解槽，配置有48組陽極炭塊鋼爪組，其陽極炭塊的高度尺寸低于650_以下，按陽極炭塊每天消耗15_計算，其殘極高度按150毫米計算，其陽極炭塊在鋁電解槽的使用壽命為33天，該鋁電解槽換極頻率為48塊/33天等于1.45塊/天。
[0048]本發明改進技術方案是:400KA至500KA系列的大型鋁電解槽，依然配置有48組陽極導電裝置，其陽極炭塊高度尺寸為750mm，按陽極炭塊每天消耗15mm計算，其殘極高度按150毫米計算，陽極炭塊在鋁電解槽上的使用壽命高于39天，鋁電解槽的換極頻率小于
1.3塊/天；當陽極炭塊的高度設定為860mm時，陽極炭塊在鋁電解槽上的使用壽命趨近于48天，即鋁電解槽的換極頻率趨近或小于I塊/天。
[0049]實施例3:現通用容量為600KA系列級的大型電解槽，配置有56組陽極炭塊鋼爪組，高度為620mm，按陽極炭塊每天消耗15mm計算，其殘極高度按140毫米計算，其陽極炭塊在鋁電解槽的使用壽命為32天，該鋁電解槽換極頻率為56塊/32天等于1.75塊/天。
[0050]改進技術方案A是:600kA系列的特大型鋁電解槽，依然配置有56組陽極炭塊鋼爪組，按陽極炭塊每天消耗15_計算，其殘極高度按140毫米計算；當陽極炭塊的高度尺寸為750mm時，陽極炭塊在鋁電解槽上的使用壽命高于為41天左右，鋁電解槽的換極頻率小于1.4塊/天；
[0051]改進技術方案B是:600kA系列的特大型鋁電解槽，依然配置有56組陽極炭塊鋼爪組，當陽極炭塊的高度設定最佳高度970mm時，陽極炭塊在鋁電解槽上的使用壽命為56天左右，即鋁電解槽的換極頻率其換極頻率趨近或小于I塊/天。
[0052]實施例4:容量為500KA級以上的特大型鋁電解槽，采用陽極炭塊為48組進行配置，當陽極炭塊寬度大于735mm時，高度為720毫米以上，其最佳高度為870mm配置時，陽極炭塊在鋁電解槽上的使用壽命時間為48天左右，即鋁電解槽的換極頻率其換極頻率趨近或小于I塊/天。
[0053]實施例5:容量為600KA級以上的特大型鋁電解槽，采用設置有56組陽極導電裝置，其陽極炭塊高度應大于720毫米以上，其目標高度為960mm，使得陽極炭塊在鋁電解槽上的使用壽命周期應大于38天，目標值達到56天，致使鋁電解槽的換極頻率小于1.42塊/天，趨近I塊或小于/天。
【主權項】
1.鋁電解槽超高陽極炭塊配置方案是:以降低鋁電解換極頻率為設計出發點，在鋁電解槽上采用超高陽極炭塊，對鋁電解槽結構和生產工藝進行配置設計，其特征是:鋁電解槽采用高度大于700_以上的超高陽極炭塊進行配置，其陽極炭塊的最佳配置高度為:陽極炭塊在鋁電解上每天平均消耗的高度，乘以鋁電解槽所配置的陽極導電裝置的數量，再加上殘極炭塊的高度，致使換極頻率趨近或小于I塊/天。2.依據權利要求1所述的鋁電解槽超高陽極炭塊配置方案，其特征是:鋁電解槽為32至44組陽極炭塊鋼爪組進行配置時，采用高度大于700mm以上的超高陽極炭塊進行配置，致使換極頻率趨近或小于I塊/天。3.依據權利要求1所述的鋁電解槽超高陽極炭塊配置方案，其特征是:鋁電解槽為48組陽極炭塊鋼爪組進行配置時，其超高陽極炭塊高度尺寸大于700_，最佳設定高度為850mm以上，致使鋁電解槽的換極頻率小于1.3天，趨近或小于I塊/天。4.依據權利要求1所述的鋁電解槽超高陽極炭塊配置方案，其特征是:鋁電解槽為56組以上的陽極導電裝置進行配置，其超高陽極炭塊的高度尺寸應大于700_，其最佳設定高度為970mm以上，致使鋁電解槽的換極頻率小于1.45塊/天，趨近或小于I塊/天。5.依據權利要求1所述的鋁電解槽超高陽極炭塊配置方案，其特征是:鋁電解槽為50組以上的陽極導電裝置進行配置，其超高加寬陽極炭塊配置，炭塊寬度大于700時，其高度應大于700mm，其最佳設定高度為900mm以上，致使招電解槽的換極頻率小于1.4塊/天，趨近或小于I塊/天。6.依據權利要求1所述的鋁電解槽超高陽極炭塊配置方案，其特征是:采用超高陽極炭塊進行配置的鋁電解槽結構，其槽膛深度應大于或等于550mm，其槽殼體上部到鋁電解槽上部水平煙罩板之間的高度，應大于超高陽極炭塊與陽極導電裝置的陽極鋼爪用澆注磷鐵環組裝后的高度，即能夠便于進行更換陽極作業操作的高度。
【文檔編號】C25C3/12GK105887140SQ201410851851
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月22日
【發明人】高德金, 楊青, 高偉
【申請人】高德金