铝电解技术节能的研究状况

摘要:随着我国国民经济的飞速发展,各行各业对能源的需求在不断增加,能源供需矛盾日益突出,因而,节能工作已引起了人们的高度重视。铝电解生产的能量利用率较低,据估算不到50%。为节省电能,自80年代以来.我国有关院校和企业在铝电解节能方面傲了大量的研究,并陆续推出了一些新技术成果。如:锂、镁复合添加剂、锂盐阳极糊、自焙槽自动化操作、半石墨化阴极、TiB2涂层阴极等,这些技术的研究、试验和推广促进了我自铝电解技术的进步,有效地降低了电解铝的电耗。

一、铝电解工业发展概况

铝冶金的发展过程大概可分为三个阶段,最初是化学法炼铝阶段,1825年丹麦人(Oersted)用钾汞齐还原无水氯化铝,得到一种灰色的金属粉末,在研磨时呈现金属光泽,但当时未能加以鉴定。1827年德国人韦勒(F.Wohler)先用钾汞齐,后来用钾还原氯化铝制得金属铝。1854年法国人戴维尔(H.S.DeVille)用钠还原NaCl-A1C1。的络合物制取金属铝,并在法国进行小规模生产,随后罗西和别凯托夫分别用钠和镁还原冰晶石炼铝成功,用此方法建厂炼铝,应用化学法炼出的金属铝总共约200吨。

1886年美国霍尔(Hall)和法国埃鲁特(Heroult)不约而同地提出了利用冰晶石一氧化铝熔盐电解法炼铝的专利,开创了电解法炼铝的新阶段,最初是采用小型预焙电解槽,20世纪初叶出现了小型侧部导电的自焙阳极电解槽,电解槽的容量(ca流强度)也逐渐由最初的2KA发展到50KA甚至更高。

20世纪50年代以后,大型预焙阳极电解槽的出现,使电解炼铝技术迈向了向大型化、现代化发展的新阶段,法国500KA电流强度电解槽已成功应用于工业化生产。电解槽的设计、安装、操作控制都建立在现代技术的基础上。电解炼铝的技术经济指标和环境保护水平全然改观,一百多年来,电解炼铝虽然仍旧是之立在霍尔一埃鲁特冰晶石一氧化铝熔盐电解的基础上,但是无论是理论上还是工艺及控制上都取得了长足的发展。

现代铝电解工业的特点是,大型预焙电解槽逐渐取代自焙槽,向高效能、大容量方向发展。国际上先进的电解槽普遍采用电场、热场、磁场、流场乃至应力场数学模型进行设计和优化,以求获得自然形成的槽帮结壳和伸腿,稳定的铝液/电解质界面和更长的槽寿命。国际上电解生产工艺普遍采用低电解质分子比、低氧化铝浓度、低电解温度、低阳极效应系数和高槽电压,即“四低一高”工艺制度,以获得高电流效率和低直流电耗。为了保证电解槽在这样的工艺技术条件下稳定可靠地高效运行,大型铝电解厂都采用了先进的计算机自动控制系统,严格控制和管理电解槽的各项工艺技术参数和正常生产操作工序。计算机自动控制系统的发展水平己成为现代铝电解技术发展水平的重要标志之一。

二、半石墨质阴极材料的研究

近几年,半石墨质阴极炭块以较低的比电阻和热膨胀系数等优点而受到广泛地重视,其实验室研究和工业试验均取得了较大地进展。随着国内外对铝电解用阴极炭素材料研究的深入,半石墨质阴极炭块已在生产中广泛使用。

半石墨质阴极炭块除了具有普通阴极炭块所具有的特性外,它还具有较强的的抗钠侵蚀性能。而铝电解槽的寿命主要与阴极内衬的抗钠侵蚀性能有关。如果炭块的抗钠侵蚀性能差,则它的钠膨胀率高,所造成的膨胀应力就大。用作侧部炭块时半石墨质阴极炭块良好的导热性能使电解槽的侧部散热好,有利于形成炉帮,减少侧部漏电,从而保护炭块免受电解质的直接冲刷和侵蚀,即形成规整炉膛。因此,在电解槽上采用半石墨质阴极炭块有利于延长槽寿命。

阴极压降是铝电解生产的一项重要指标。半石墨质阴极炭块有着较小的比电阻,使得使用该炭块的电解槽的阴极压降较低。有试验表明,使用半石墨质阴极炭块的电解槽的炉底压降比使用普通炭块的电解槽的炉底压降低56.42mY(第一年)。可见,应用半石墨质阴极炭块是降低炉底压降和节能降耗的重要途径。

三、高石墨质阴极材料的研究

目前,国内大多数电解铝厂都非常重视高石墨质阴极炭块的应用。含石墨30%的高石墨质阴极炭块的应用较为普遍:青铜峡铝业集团于2003年在350kA电解槽上大量应用含石墨35%的高石墨质阴极炭块;高石墨质阴极炭块具有以下优点:

(1) 电阻率低。可降低阴极压降,节能降耗,同时也会使金属阴极中电流分稚均匀,有利于电磁平衡。

(2)导热性好。有利于减少横底沉淀,并形成良好的炉膛内型,保持热量平衡,使电解槽获得更长的寿命。

(3)热膨胀率低、钠膨胀率低。这将使启动期间炭块的纵向和横向膨胀以及隆起降低。

(4)较高的抗钠侵蚀能力和较高的抗热冲击能力。因此,应用高石墨质阴极炭块能使电解槽寿命延长,是提高国内铝电解技术水平的方向之一。

四、石墨化阴极材料的研究

近几年来,我国电解铝工业取得了迅猛的发展,截止2007年,全国电解铝总生产能力已达到1500万吨,实际产量达到1200万吨,预计2008年的生产能力可超过1800万吨。实际产量达到1500万吨。在电解铝产量快速增长的同时,一批高电流效率、低电耗的预焙阳极电解槽在新建铝厂中广泛使用,在铝电解槽的容量方面已赶上了世界先进水平。但是,我国的铝电解槽在使用寿命,单位阳、阴极面积的产量和电流效率等方面与国际先进水平还有很大差距,这主要体现在我国阴极材料的质量落后于世界先进水平嘲。目前,我国电解槽用的阴极材料基本上都是以电煅无烟煤加少于30%的石墨碎生产的半石墨质阴极炭块, 与国际上普遍使用的石墨化阴极相比,存在抗热震性低、抗钠侵蚀性差及电阻率偏高、导热系数低等问题,制约了我国铝电解技术的进一步发展,导致电解槽的寿命与国外相差很大。石墨化阴极材料的应用在我国才刚刚开始。随着铝电解技术的不断发展,铝电解槽的容量也在不断扩大。目前国内电解槽最大容量已达400KA,赶上了世界先进水平。但是我国铝电解槽的寿命仍落后于国际先进水平。其原因之一就在于我国生产的铝电解槽阴极炭块的质量长期落后于世界先进水平。目前我国铝电解槽普遍使用的半石墨质炭块,这种炭块的质量指标仅相当于国外的无定型炭块。

石墨化阴极材料的抗机械磨损性能较差,电解槽阴极不仅起到导电作用,更重要的是承担着电解反应器的作用,铝水在阴极表面流动,冲刷着电解槽阴极,如果阴极炭块耐磨损性能不好则会大大缩短电解槽寿命。今后应该把提高石墨化阴极炭块抗机械磨损性能放到重要的位置上来,研究高硬度耐磨损的石墨化阴极材料。

五、结束语

铝电解节能技术的开发和应用有效地降低了电解铝的能耗。目前,我国侧插自焙槽电解铝的各项技术经济指标已达到世界先进水平。当然,要在国内全面推广诸项技术还须做更细致的工作。当今世界科学技术日新月异,铝工业技术迅猛发展,铝市场竞争日趋激烈,我们只有不断研究开发和应用新技术新工艺,才能赶超世界先进水平,才能在二十一世纪激烈的铝市场竞争中立于不败之地。

参考文献:

[1]刘希烈等著.世界及中国铝工业发展趋势[J].世界有色金属,2001,12

[2]周国斌.全石墨质阴极炭块实验与研究[J].炭素技术,2003(6)