铝电解槽 阳极炭块&阴极炭块
铝电解槽
现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂,氧化铝作为溶质,以碳素体作为阳极,铝液作为阴极,通入强大的直流电后,在950℃-970℃下,(950℃以上有可能形成热槽)在电解槽内的两极上进行电化学反应,既电解。
一、铝电解的工作原理:
电解质:冰晶石-氧化铝融盐,
电流:直流电(4~22kA)
电解温度:950~970℃
电极:阴、阳极均为碳质,阴极上析出铝、
而阳极上析出CO 2(70%)和CO (30%)气体;
电解总反应:2Al 2O 3(aq)+3C(s)=4Al(l)+3CO2(g)
二、铝电解机理-两极过程
1. 阴极过程:Al 3+(配离子)+3e=Al
*配离子解离,配离子同时放电;
*分子比↑、温度↑、Al 2O 3浓度↓,阴极电流密度↑
→铝钠析出电位差值减小,可能导致钠离子放电;
*采用酸性电解质体系,较低的电解温度,尽可能大的Al 2O 3浓度,
良好的传质以防阴极上Na +过度积累而放电。
2. 阳极过程:2O 2-(配离子)+C -4e=CO2
*配位阴离子中的氧离子在炭阳极上放电析出O 2,而后与C 反应生成CO 2;
*炭渣的存在,CO 2气体渗入阳极孔隙与C 再反应,溶解在电解质中的铝再氧化等因素导致气体非纯CO 2,而是CO +CO 2的混合物。
三、
铝电解生产流程图
四、现代铝工业有四种型式的槽型:
*自焙阳极电解槽,有旁插式和上插式两种。
*预焙阳极电解槽,有不连续式(中部打壳式和边部打壳式)和连续式两种。
*新型的有多电解槽,采用氯化铝为电解质,预示着铝电解槽的发展将进入新阶段。
五、铝电解槽的构造及技术参数
*自焙槽
优点:
阳极可连续使用;
不需专门工厂进行阳极成型,焙烧,装爪等。
缺点:
烟害大;
槽电压比预焙槽约高0.1~0.2V,电耗比预焙槽高约1000度;
上插棒槽的上部金属结构比较复杂,机械化程度,投资大。
*预焙槽
优点:
电耗低,槽电压低;
电解槽造价少;
可大型化,操作的机械化程度高;
烟害小。
缺点:
非连续式预焙阳极电解槽需更换阳极;
需成套的阳极制备工厂,投资多。
六、
氧化铝下料装置立体图
七、
氧化铝下料装置剖面图:
八、碳阳极
铝电解用炭素材料主要包括:阳极糊、预制阳极块、侧部炭块和底部炭块四种。
(1)炭阳极分类:
自焙阳极:按导电方式分类:旁插棒式阳极;上插棒式阳极
预焙阳极:按阳极本身是否连续使用分类:连续式阳极;不连续式阳极
(2)碳阳极生产的简明流程
图
4-2-2(3)阳极材料-阳极糊和预制阳极块
生产炭素阳极糊的原料包括:骨料和粘接剂两部分
*骨料——焦炭(石油焦、沥青焦)
要求:1. 灰份低——灰份大部分进入铝内影响质量;
2. 含硫少——S 在高温下同铁质阳极棒作用生成电阻很大的硫化铁膜而增加
铁-炭接触电压降;(硫的含量过高,易使炭素制品开裂,电阻率增高)
3. 含钒少——钒会增大焦炭的氧化活性,阳极消耗多。(钒元素也会增大炭
素
材料的氧化活性,故其含量不宜太高)
*粘接剂——沥青
作用:沥青作为粘结剂,粘结炭粒形成具有一定塑性的炭糊,在炭糊焦化过程中焦结
固体炭粒(粘结固体骨料,构成具有一定塑性的炭糊,并且在炭糊焦化过程中
渗入骨料之间),使电极具有足够的机械强度。
要求:1. β树脂(>20%)是保证粘结性能的重要成分, 不溶。而γ树脂可溶。
2. 固定炭(>50%)焦化过程中沉积在骨料之间, 降低阳极孔隙率, 提高机械强度
和导电率;
3. 水份
*沥青是煤焦油经高温分馏后的残渣,是多种碳氢化合物的混合体。通过溶剂萃取可将其分离为高分子组分、中分子组分和低分子组分。
a. 高分子组分是焙烧时形成焦化残炭的主要载体,它影响炭素阳极的空隙率大小及强度,它没有粘结性,所以高分子含量过高会影响沥青的粘结能力。
b. 中分子组分主要起粘结作用,中分子组分的含量是沥青性能的重要指标,一般需要达到20-35%才能制得合格的产品。
c. 低分子组分主要作用是溶剂的作用,能降低沥青的软化点,有利于改善沥青对焦碳颗粒的润湿性,并提高糊料成型时的可塑性。
*沥青根据软化点的不同,可分为:
a. 软沥青(48∽51℃);
b. 硬沥青(80℃以上),用于预焙阳极和上插槽阳极糊;
c. 中硬沥青(65∽75℃),用于侧插槽阳极糊。
*要求:
a. 中分子组分:(>20%)其是保证粘结性能的重要成分
b. 固定炭:(>50%)固定炭---沥青在隔绝空气的条件下,加热到800、干馏3小时,排除全部挥发分后残留的总碳量。焦化过程中沉积在骨料之间, 降低阳极孔隙率, 提高机械强度和导电率;
c. 水份
九、炭阳极对阳极糊的要求:
1. 阳极糊要求有一定的塑性(或流动性),以便填满拔棒后留下的孔洞;但流动时不能
引起焦粒偏析,孔洞不能被富含沥青的糊所填充,以免此处焦化后孔隙率过高;
2. 流动性与糊中沥青配比、沥青的软化点、阳极上部温度等因素有关。
3. 阳极糊的质量主要取决于固定炭粒的粒度组成,沥青配比由粒度组成确定。
十、预焙阳极炭块:
质量评价:真比重、假比重、机械强度、电阻率。
制备过程:
成型:挤压成型;振动成型;
焙烧:环式窑。要求合适的升温速度。
十一、碳阳极放置图
十二、炭阳极消耗指数
1. 定义:按每1安培·小时电量计,阳极实际炭耗量与理论炭耗量的比率。
2. 理论消耗量:12.011
4964873600 0.1120g/A·h
3. 影响因素:阳极在空气中的氧化;阳极掉粒;生成CO 等。
十三、预焙阳极电解槽:
1. 依加料方式分:边部打壳和中部打壳电解槽
2. 阳极炭块组:阳极导杆、钢爪、炭块
3. 阴极装置:阴极炭块、钢质导电棒
4. 铝母线:阳极母线、阴极母线、立柱母线
5. 进电方式:一端进电、双端进电:
图4-2-3
十四、自焙阳极电解槽
自焙阳极电解槽的阳极碳块是利用电解过程中产生的热量以阳极糊焙烧而成,根据阳极母线结构特征可分为自焙阳极旁插棒式电解槽和自焙阳极上插棒式电解槽。
(1)自焙阳极旁插棒式电解槽
a.. 基础:绝缘
b. 阴极:保温、坚固、密封防氧化、底糊防侵蚀、挡板防淌料、侧部炭糊筑坡
c. 阳极:铝箱、钢质框架
d. 上部金属结构:支柱、平台、AO 料斗、阳极升降机构、槽帘和排烟系统
e. 导电母线和绝缘设施
图4-2-4
(2)自焙阳极上插棒式电解槽
现在,自焙阳极上插棒式电解槽在工业上也被广泛地采用。阳极内发生的焦化作用,基本上同旁插棒槽。在焦化过程中,也形成了烧结锥体。阳极棒通过上层的液体糊,一直插到阳极锥体之内。其主要不同是拔棒后遗留下来的孔洞由上层的阳极糊来充填,结果生成所谓“二次阳极”。这对于阳极的质量有一定的影响。
图
4-2-5
(3)连续预焙阳极电解槽
相对于非连续式有如下特点:
优点:1. 无阳极残极,预焙炭块消耗量小;
2. 阳极电流分布均匀,故阳极消耗均匀;
3. 生产的连续性。
缺点:1. 阳极不能用氧化铝保温,热损失大;
2. 炭块之间接缝存在接触电压降,故槽电压较高。
连续式预焙阳极电解槽简图
1-阳极炭块;2-阳极棒;3-阳极母线;4-槽壳;5-炭块接缝;6-阴极炭块;7-阴极棒;8-保温
层
十五、连续式预焙槽和不连续式预焙槽的电压对比
十六、铝电解生产系列
铝电解槽系列:为保证系列的连续稳定运行,需备用电源;
电解槽排布方式:
横向排列单行排列
纵向排列双向排列
十七、铝电解槽配置图
十八、铝电解槽的母线配置
图
4-2-8
一、预焙阳极:铝电解中有两种电极,自焙电极、预备电极
预备阳极:将预先焙烧好的阳极炭块通过铝导杆固定在模梁母线上。
1、率电解工艺对阳极性能的要求:铝电解工业中阳极有极为重要的作用。
1)阳极灰分要低
灰分:大多数是金属的氧化物,主要是铁、硅、镍、钒的氧化物,还有非金属的磷、硫等。在铝电解的过程中,随着炭阳极的消耗,它们溶解在电解质中,在阳极电解析出,或被还远成金属进入铝液使铝的质量降低,还能影响铝电解正常进行。如钒与C 与O2的反应
中起催化作用,降低电流效率,硫与钢爪的Fe 反应,生产电阻很大的硫化铁膜,增大电能消耗。
2)比电阻要小
3)要有一定的机械强度—国际规定预焙阳极的抗压强度不低于34Mpa 。机械强度低容易造成断裂、掉块、炭粒脱落,严重时不能使电解正常进行。
4)要求孔隙度不能太大—特备是开口的孔隙度,它直接影响阳极炭块的机械强度和比电阻,还影响阳极在电解时的工作情况,炭块因CO2的氧化,损失越大,优质的炭块的孔隙度应控制在7%以下。
5)消耗要小—铝电解中炭块的消耗主要包括三个方面
A 、炭粒脱落,电解消耗B 、被CO2反应和炭粒的脱落C 、被空气中的氧气氧化和炭粒的脱落。
6)要求反电动势低,其大小标志着炭阳极化学反应活性的高低,反电动势答的阳极活性低,产生的阳极的过电压大,消耗电能答。
我国预备阳极的质量标准
3、铝电解反应
电解过程中溶解在电解质中的Al2O3离解成离子,在阳极O 离子放电,在阴极Al3+放电。当采用炭素电极时,阳极析出的氧直接与C 发生电化学反应,生产CO2.
4、阳极消耗
碳反应后百分之百的变成CO2,从而可以计算出每吨Al 生产消耗C 的数量。
引起阳极消耗的原因:
1)在铝电解反应过程中,阳极工作表面反应消耗速度不同,其原因是因为炭阳极中的沥青粘接剂的焦化比骨料中的炭活性大,化学活性大,它们在电解过程中优先消耗,而骨料焦炭消耗慢,于是一部分颗粒从阳极表面脱落形成碳渣。
2)炭阳极被空气中的氧气氧化消耗。
3)炭阳极被CO2气体氧化而消耗。
除以上三个原因外,还与炭阳极的质量,电解生产操作和设计水平有关。
5、炭阳极的活性
活性越大,与空气反应的速度快,炭阳极的消耗越大。
1)不同炭素材料与空气反应速率的研究
自焙阳极—预焙阳极—粗粒工业石墨—细粒工业石墨依次增大
2)炭素材料的活性与其本身结构形成过程有关,石油焦、沥青焦的活性较大,无烟煤、冶金焦的活性低,活性最低的炭素材料是石墨,还与原料和制品的温度有关,热处理温度越高,其活性越低,还与其含有的杂质有关。有些杂质能够增大炭素材料的uoxing ,而有些杂质能降低其活性。
焦炭中的钒对反应活性的影响最大,镍次之,钙最低。
煤增加100ppm 钒,反应速率增大0.023
阳极中的一些杂质对花絮而反应速度的影响
杂质对炭—氧反应的影响对炭—CO 反应的影响
Si 中等催化无影响
Fe 中等弱催化弱催化
V 强催化中等弱催化
Ni 中等弱催化中等催化
Na 强催化强催化
S 弱催化弱催化
Ca 弱催化中等催化
Pb 强催化弱催化
Cu 强催化弱催化
Zn 弱催化反催化
6、降低炭阳极消耗的添加剂
自焙阳极中加入AlF3来减少反应活性,反应速率降低600%——70%
7、降低炭阳极过电压的添加剂预焙阳极现状
从全国大厂调查,体积密度1.45——1.53g/cm3,气孔率26%——32%,抗压强度24——42Mpa ,国内阳极消耗450——480Kg/tAl,电流密度0.69——0.73A/cm2
预备阳极的发展方向:
质量差的阳极造成电解槽的热平衡不稳定,碳渣含量高,电阻率不稳定,电耗大。高质量的要求、比电阻低、密度高、质量均匀的预焙阳极。
二、阴极炭块
作为铝电槽的内衬材料,导电材料,其种类较多,半石墨质的,无烟煤基的、石墨化的。1、阴极炭块的特性:不参加电化学反应,只起容器和导电的作用,要求其耐高温、耐腐蚀、导电好,同时使用寿命要长。
2、指标:抗压强度、孔隙度、灰分、比电阻
1)要求阴极炭块具有一定的机械强度,在铝电解过程中阴极炭块会发生膨胀,如果其机械强度低会发生破损。2)比电阻要小。
3)孔隙度不能太大,否则电解质会渗入到阴极炭块中增多。4)灰分要低,它对质量无影响,但会增大其比电阻。
5)破损系数要小,它在一定程度上反应阴极炭块的使用寿命,质量好寿命长的阴极的破损系数是1左右。
阴极炭块的种类阴极炭块可分为:
石墨化炭块:可石墨化的骨料加粘结剂形成的炭块,在3000℃下进行热处理。
半石墨化炭块:可石墨化的骨料加粘结剂形成的炭块,在2300℃下进行热处理。半石墨质炭块:已石墨化的骨料加粘结剂形成的炭块,在1200℃下进行热处理。
无定型炭块:未石墨化的骨料(电煅或气煅无烟煤)或部分已石墨化的骨料加粘结剂形成的炭块,在1200℃下进行热处理。半石墨质炭块根据生产工艺不同分为两种。
一种是以优质高温电煅烧无烟煤或者,以较多的石墨碎块甚至全部用石墨碎块为骨料,成型后的生坯制品只经过焙烧(焙烧温度不超过1200℃) 不再进入石墨化炉热处理,这种炭块称半石墨质炭块。
另一种用较多的易石墨化的焦炭为骨料,生制品焙烧以后再进入石墨化炉在1800~2000℃的温度下进行热处理,这种炭块称半石墨(化) 炭块。前者的强度、硬度较高,后者的导电性
能及整体性效果较好。
石墨质炭块,
以易石墨化焦为原料,其石墨化处理温度应达到2500℃左右。
半石墨质炭块与石墨炭块的区别在于制品晶格有序排列的程度的不同,即石墨化度的不同。可以用制品电阻率的大小来表示石墨化程度的高低。石墨质炭块的晶格基本完全处于有序排列的状态,电阻率小于15μΩ?m;半石墨质炭块的石墨化程度较低或只有部分石墨化,电阻率15~45μΩ?m。在工艺上表现为热处理温度,半石墨质炭块的热处理最高温度2000℃左右,石墨质炭块的石墨化处理温度为2500~2800℃。普通阴极炭块,电阻率50~60μΩ?m。石墨阴极炭块中国尚无应用。
全石墨质铝用阴极炭块生产
一、主要技术指标
电阻率≤20μΩm ,耐压强度≥26MPa ,灰分≤1%,
体积密度≥1.59g/cm3,真密度≥2.10g/cm3,开口气孔率≤19%
二、工艺流程:
全石墨质阴极炭块生产的主要工序有:粉碎、配料、混捏、成型、焙烧、加工。
炼铝用阴极材料
(1)底部炭块。其起导电和构成电解槽内衬双重作用,可分为普通阴极炭块、半石墨质阴极炭块和石墨质阴极炭块。普通阴极炭块以普段无烟煤为原料;半石墨质阴极炭块一种是以电煅无烟煤或以较多的石墨碎甚至全部以石墨碎为原料,成型生坯只经过焙烧处理,另一种以较多的石油焦为原料,生坯焙烧后再进行石墨化(1800~2000℃)热处理,也称为半石墨(化)阴极炭块;石墨质阴极炭块以石油焦为原料,其石墨化温度应达到2500℃左右,也称为石墨阴极炭块。新品种底部炭块包括硼化钛涂层炭块,其是将硼化钛等制成的涂料涂在阴极炭块机体表面,或直接在炭块表面压制一层含硼化钛的炭糊层,然后进行焙烧热处理。底部炭块占铝电解槽阴极材料的60%~70%。
(2)侧部炭块。用于砌筑铝电解槽侧部,构成电解槽侧部内衬主体。可分为普通侧部炭块和半石墨质侧部炭块,生产制备方法类似于底部炭块。随着铝电解槽侧部推广应用氮化硅结合炭化硅块,侧部炭块用量有所减少。
阴极炭块是砌筑铝电解槽的主要材料,只有在建设新电解槽或电解槽破损大修时才使用阴极炭块。在投产以后,阴极炭块受到热冲击、钠侵入及机械磨损等因素的影响,阴极炭块逐渐变薄并可能产生裂纹。国外采用优质阴极炭块或石墨块砌筑的铝电解槽5~6年大修理1次,我国采用一般质量的阴极炭块或半石墨质阴极炭块(石墨碎含量一般为10%~15%)大致使用3~4年即需拆槽大修。
建设新电解槽铝厂时,吨铝需用阴极材料量(包括阴极炭块和阴极糊)为50~70kg,电解槽破损大修需用阴极材料量为10~20kg,其中阴极炭块约占2/3。.2004年,我国铝用阴极材料需求量为16.7万t ,其中阴极炭块需求量为11万t 左右。
阳极炭块基础知识:
碳素是什么?
炭和石墨材料是以碳元素为主的非金属固体材料,其中炭材料基本上由非石墨质碳组成的材料,而石墨材料则是基本上由石墨质碳组成的材料。为了简便起见,有时也把炭和石墨材料统称为炭素材料(或碳材料)。
炭素材料有良好的导电、导热性能,高温下机械强度良好、耐腐蚀性、价格低廉,来源广泛。
炭素制品按产品用途可分为石墨电极类、炭块类、石墨阳极类、炭电极类、糊类、电炭类、炭素纤维类、特种石墨类、石墨热交换器类等。石墨电极类根据允许使用电流密度大小,可分为普通功率石墨电极、高功率电极、超高功率电极。炭块按用途可分为高炉炭块、铝用炭块、电炉块等。炭素制品按加工深度高低可分为炭制品、石墨制品、炭纤维和石墨纤维等。炭素制品按原料和生产工艺不同,可分为石墨制品、炭制品、炭素纤维、特种石墨制品等。炭素制品按其所含灰分大小,又可分为多灰制品和少灰制品(含灰分低于l %)。
我国炭素制品的国家技术标准和部颁技术标准是按产品不同的用途和不同的生产工艺过程进行分类的。这种分类方法,基本上反映了产品的不同用途和不同生产过程,也便于进行核
算,因此其计算方法也采用这种分类标准。下面介绍炭素制品的分类及说明。
一、炭和石墨制品
(一) 石墨电极类
主要以石油焦、针状焦为原料,煤沥青作结合剂,经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成,是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体,根据其质量指标高低,可分为普通功率、高功率和超高功率。石墨电极包括:
(1)普通功率石墨电极。允许使用电流密度低于17A/m2的石墨电极,主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。
(2)抗氧化涂层石墨电极。表面涂覆一层抗氧化保护层的石墨电极,形成既能导电又耐高温氧化的保护层,降低炼钢时的电极消耗。
(3)高功率石墨电极。允许使用电流密度为18~25A/m2的石墨电极,主要用于炼钢的高功率电弧炉。
(4)超高功率石墨电极。允许使用电流密度大于25A/m2的石墨电极。主要用于超高功率炼钢电弧炉。
(二)石墨阳极类
主要以石油焦为原料,煤沥青作粘结剂,经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、浸渍、石墨化、机加工而制成。一般用于电化学工业中电解设备的导电阳极。包括:
(1)各种化工用阳极板。
(2)各种阳极棒。
(三)特种石墨类
主要以优质石油焦为原料,煤沥青或合成树脂为粘结剂,经原料制备、配料、混捏、压片、粉碎、再混捏、成型、多次焙烧、多次侵渍、纯化及石墨化、机加工而制成。一般用于航天、电子、核工业部门。
它包括光谱纯石墨,高纯、高强、高密以及热解石墨等。
(四)石墨热交换器
将人造石墨加工成所需要的形状,再用树脂浸渍和固化而制成的用于热交换的不透性石墨制品,它是以人造不透性石墨为基体加工而成的换热设备,主要用于化学工业。包括:
(1)块孔式热交换器;
(2)径向式热交换器;
(3)降膜式热交换器;
(4)列管式热交换器。
(五)炭电极类
以炭质材料如无烟煤和冶金焦(或石油焦)为原料、煤沥青为粘结剂,不经过石墨化,经压制成型而烧成的导电电极。它不适合熔炼高级合金钢的电炉。包括:
(l )多灰电极(用无烟煤、冶金焦、沥青焦生产的电极);
(2)再生电极(用人造石墨、天然石墨生产的电极);
(3)炭电阻棒(即炭素格子砖);
(4)炭阳极(用石油焦生产的预焙阳极);
(5)焙烧电极毛坯。
(六)炭块类
一些炭素材料的抗压强度和抗弯强度
炭素材料
普通无烟阴极炭块
石墨质阴极炭块
石墨化阴极炭块抗压强度29.4——30.224.5——29.419.6——24.5预焙阳极抗弯强度8.8左右8.8左右34.3——44.3
以无烟煤、冶金焦为主要原料,煤沥青为粘结剂,经原料制备、配料、混粘、成型、焙烧、机加工而制成。其中高炉炭块作为耐高温抗腐蚀材料用于砌筑高炉内衬;底部炭块、侧部炭块、电炉块则用于铝电解槽和铁合金电炉等。包括:
(1)高炉炭块;
(2)铝槽炭块(底部炭块及侧部炭块);
(3)电炉炭块。
(七)炭糊类
以石油焦、无烟煤、冶金焦为主要原料,煤沥青为粘结剂而制成。有的用于各种连续自焙电炉作为导电电极使用的电极糊;有的用于连续自焙式铝槽作为导电阳极使用的阳极糊;有的用于高炉砌筑的填料和耐火泥浆的粗缝糊和细缝糊。高炉用自焙炭块虽用途不同,但和糊类制品的生产工艺相仿,暂归在糊类制品内。包括:
(1)阳极糊;
(2)电极糊(包括标准、非标准电极糊);
(3)底糊(包括多灰、少灰底糊);
(4)密闭糊(包括多灰、少灰密闭糊);
(5)其它糊(包括粗缝糊、细缝糊、自焙炭砖等)。
(八)非标准炭、石墨制品类
这是指用炭、石墨制品经过进一步加工而改制成的各种异型炭、石墨制品。包括铲型阳极、制氟阳极以及各种规格的坩埚、板、棒、块等异型品。
(九)不透性石墨类
这是指经树脂及各种有机物浸渍、加工而制成的各种石墨异型品,包括热交换器的基体块。
(十)电炭产品类
这是指炭精棒、电刷等产品。
二、炭素纤维
它包括各种炭纤维、石墨纤维、预氧丝、炭布、炭带、炭绳、炭毡及其复合材料。其中炭纤维为含碳量高于93%的纤维。用聚丙烯睛纤维、粘胶丝和沥青纤维经碳化制成。热处理温度由低至高,可分别制成耐热纤维、碳化纤维和石墨纤维。
一些炭素材料煅烧后的粉末比电阻
炭素原料
石油焦
沥青焦
冶金焦
无烟煤
石墨碎比电阻X10-2Ω.cm4.5——6.56——78——910——132.5——3
几种炭素材料的比电阻
炭素材料
大直径石墨电极
小直径石墨电极
普通阴极炭块
半石墨化阴极炭块
预焙阳极
半石墨质阴极炭块
影响炭素材料比电阻的因素
1)炭素材料的体积密度,孔隙度对比电阻的影响
体积密度越大,孔隙度越大,比电阻越大。
石墨制品的比电阻与体积密度的关系
普通炭素材料的比电阻与孔隙度的关系
2)煅烧后原料的粉末比电阻对制品比电阻的影响
煅后原料的粉末比电阻越小,成品的比电阻越小,在普通的炭素材料制品中,添加比电阻较小的坦然石墨碎,石墨都可以降低其比电阻。
3)炭素材料热处理的温度对比电阻的影响
普通炭素材料制品焙烧温度高其比电阻低。比电阻×10-4Ω.cm8——156——1050——6020——3540——5040——45
什么是预焙阳极?
阳极碳块是以石油焦、沥青焦为骨料,煤沥青为黏结剂,经过石油焦煅烧、中碎、筛分、细碎、沥青的熔化、配料、混捏、成型、经过1100度的高温焙烧等工序加工制作而成。用作预焙铝电解槽作阳极材料,起着导电与还原的双重作用。这种炭块经过焙烧,具有稳定的几何形状,所以也称预焙阳极炭块,又称为铝电解用炭阳极。用预焙阳极炭块作阳极的铝电解槽称预焙阳极电解槽,简称预焙槽,这是一种现代化的大型铝电解槽。
什么是阳极糊?
以石油焦、沥青焦为骨料,煤沥青为黏结剂制成的炭素糊料。用于连续自焙铝电解槽作阳极材料,因其黏结剂的含量高(超过24%),在电解槽上部被烧结以前呈糊状,故称阳极糊。阳极糊在1995年以前的40年时间里,曾经是中国铝用炭素制品中产量最大的一种产品,2000年以后,这种产品将逐步被阳极炭块取代。是炭素制品中产量最大的一种产品。金属铝的冶炼中,为什么要不断补充炭块和氧化铝?2011-1-512:04
现代铝生产都是采用电解法。电解过程是以冰晶石和氧化铝为电解质,在铝液为阴极,以炭块为阳极。
电解过程中,氧化铝溶解在熔融的冰晶石-氟化铝中,电离形成的铝离子在阴极被还原成金属铝,而阳极则发生氧离子的氧化,形成的氧原子与炭结合形成CO2并逸出。每生产一吨金属铝,就需要消耗约400公斤阳极炭块和2吨氧化铝。所以自然需要不断地加入阳极炭块和氧化铝粉。
铝用预焙阳极炭块财务成本核算方法是什么?
每吨消耗量,计算消耗成本。如果是生产商,那就是原材料,电费,人工,场地,机械折旧等
什么是阳极效应?
阳极效应是熔盐电解特有的现象,而以电解铝生产表现优为明显。生产中当阳极效应发生时,电解槽电压急剧升高,达到20~50V ,有时甚至更高。它的发生对整个电解系列产生很大影响,使电流效率降低,影响电解各个技术指标,且使铝的产量和质量降低,破坏了整个电解系列的平稳供电。在处理的方法上,不外乎有两种:用效应棒(木棒)熄灭,或降低阳极,增加氧化铝的下料量。达到熄灭阳极效应的目的。到目前还未发现有更好的处理方法。
目前西方国家,对铝电解生产中阳极效应的控制极为严格。目前已从若干年的氟化物转向温室气体PFCs=CF4+C 2F 6在阳极效应的发生量(USEPA )。著名国际铝专家Haupin 提出的" 瞄准零效应" 的管理思路是铝电解生产今后发展的方向。在环保日益重要的今天,铝电解生产中特别是在大型预焙槽生产中应严格控制阳极效应,只要电解槽槽况正常,就不必来效应。" 零效应" 管理。
1. 阳极效应发生的机理
较好地解释阳极效应的发生机理的是" 阳极过程改变学说" :阳极效应的发生是由于随着电解过程的进行,电解质中含氧离子逐渐减少,当达到一定程度后,则有氟析出且与阳极炭作用生成炭的氟化物,炭的氟化物在分解时又析出细微的炭粒,这些炭粒附在阳极表面上,阻止了电解质与阳极的接触,使电解质不能很好地湿润阳极,就像水不能湿润涂油的表面一样,使电解质-阳极间形成一层导电不良的气膜,阳极过电压增大,引起阳极效应。当加入新的氧化铝后,在阳极上又析出氧,氧与炭粉反应,逐渐使阳极表面清静,电阻减小,电解过程又趋于正常
阳极效应的机理是:Zc=RT/Fin{ic/ic-I}式中Nc-产生阳极效应的浓度过电压;
R-气体常数;T-温度;F-法拉第常数;Ic--临界电流密度;i--任一阳极上的最大电流密度;
Nc--0.00004308Tin{ic/ic-I }
Ic 临界电流密度是溶解氧化铝浓度的函数;然而也受电解质流动,电解质温度,阳极尺寸(包括消耗后阳极的界面变化)和槽膛体积的影响。临界电流密度随着氧化铝浓度的降低而降低(由于Nc 随着ic 趋近于1)随着氧化铝浓度的降低,阳极上产生了气泡,致使电解质表面张力增加,使阳极效应的过电压升高。导致AE 发生。
2. 阳极效应危害
在铝电解生产中阳极效应的危害性,不仅表现在对生产的危害上,而且对生态环境的危害极其严重。
2.1阳极效应危害性对生产的危害
生产中当阳极效应发生时,电解质的温度急剧升高,由正常值的940℃~955℃急速升高到980℃~990℃,炉帮熔化变薄,增加了侧部炭块被侵蚀的可能性。电压的急剧升高,使系列电流波动,影响电解槽的产量。电耗增加。生产中阳极效应的熄灭方法是:将效应棒即(大约长度2~3米直径2~4cm 的树枝)插入铝液中使木棒燃烧排除阳极底掌的气体薄膜,清洁阳极底部,实际是在燃烧铝液,整个过程大约持续3~5分钟,而此时电解的电化学过程是停止的,这也就是电解职工常说的" 效应时间不产铝,而且还要跑电耗的" 原因所在。因此造成铝液的严重损失。
以300KA 中间下料预焙槽为例:效应系数0.3次/槽日,效应时间5min, 电流效率93%,一个阳极效应少产原铝:300×0.3355×5÷60=8.4kg,吨铝电耗增加158kwh,
这种能量在生产中大多转化为热能,使电解槽极距间温度急剧升高,进而向阳极四周传导,使的电解槽温度升高,引起电解质中氟化铝的大量挥发。以我公司电解槽为例:一个效应时间5min, 分子比平均上升0.1。氟化铝大约损失10~20kg 。
传统的观点认为:利用阳极效应可以分离炭渣,清洁电解质,补充电解槽热量的不足,化沉淀。但是随着阳极质量的提高以及智能模糊控制计算机系统和点式下料技术的应用,阳极效应优点愈来愈变得渺小,因此传统的这种观点已不能适应当今现代电解槽生产。
2.2阳极效应对环境的危害
铝电解生产中,阳极效应还伴随着对大气臭氧层有破坏性的PFCs(CF4·C2F 6) 气体的产生。当今西方发达国家对铝电解的环保要求极为严格。
影响预焙阳极质量的因素及改进方法
预焙阳极电解槽和阳极炭块几乎与现代炼铝方法同时诞生。1880年,美国的霍尔(Hall )和法国的埃鲁(Heroult)同时提出冰晶石-氧化铝溶解炼铝法。1888年,美国匹兹堡电解厂把这种炼铝方法应用于工业生产,建成了世界上最早的预焙阳极电解槽,所用阳极炭块以木炭作为原料,采用模压法生产,单个阳极横截面积只有8~10cm2,其质量指示也比较落后。之后,瑞士、法国、英国、德国等几个国家都使用了类似的预焙阳极,用电解法生产铝。
残极和废块一样吗各自出自哪?
残极:预焙阳极炭块在电解18槽上使用以后的残余部分。在阳极炭块的使用周期内,随着阳极被逐渐消耗,阳极机构带动阳极炭块下降,以保证电解槽稳定的极距。当使用一定时间后,炭块已变得很薄(约l3~18cm) ,为防止阳极钢爪被电解质熔化,必须更换新的阳极炭块组。取出的这些残余炭块称为残极。废块没见有这种说法
阴极振动成型机结构和阳极振动成型机结构有什么不同呢?
沃力重工机械公司阴极成型机保证同块密度差小于0.015g/㎝3沃力重工机械公司:振动成型机比较不错的1. 在计量料斗往模箱下料时,利用模箱移动车的往复运动,糊料在模箱内基本处于均匀状态,卸料完成后又经平料装置对糊料上表面进行平整,所以糊料的密度在模箱内是基本处于均匀状态。2. 激振器在平台下的平衡放置原则,决定了平台对糊料的振动均匀。3. 在振动成型时,2组气囊向下施压系均匀同步的。由于采用了上述3条办法,生产时在配料合理及操作慎重的情况下,炭块的同块密度差可保证在0.015g/cm的范围。保证振幅各点的均匀点性:在设计时由于各轴座中心沿长度,宽度方向都是以平台十字中心线为基点均匀的振动成型机各项技术要求都达到国家要求沃力重工机械公司!回答时间:2010-12-21
16:31
阴极成型机保证同块密度差小于0.015g/㎝3:振动成型机比较不错的1. 在计量料斗往模箱下料时,利用模箱移动车的往复运动,糊料在模箱内基本处于均匀状态,卸料完成后又经平料装置对糊料上表面进行平整,所以糊料的密度在模箱内是基本处于均匀状态。2. 激振器在平台下的平衡放置原则,决定了平台对糊料的振动均匀。3. 在振动成型时,2组气囊向下施压系均匀同步的。由于采用了上述3条办法,生产时在配料合理及操作慎重的情况下,炭块的同块密度差可保证在0.015g/cm的范围。保证振幅各点的均匀点性:在设计时由于各轴座中心沿长度,宽度方向都是以平台十字中心线为基点均匀的振动成型机各项技术要求都达到国家要求2010-12-16
中商网讯到2000年底为止,我国已建设投产的预焙阳极生产厂家有25家,产能达到95.5
万t/a;在建和扩建的17家,产能为44万t/a;拟新建和扩建的10家,产能为45.5万t/a,具体见表1所示。
表1. 我国铝用预焙阳极炭块生产厂家及产能情况
-------------------------------------------------------------------------------------序号厂家名称[***********][***********][***********]33343536
青海铝厂贵州铝厂抚顺铝厂包头铝厂平果铝厂云南铝厂长城铝业
焦作市焦作炭素厂万方集团三门峡炭素厂沁阳市黄河炭素厂巩义市炭素厂巩义市站街炭素厂
现有产能(万t/a)在建(扩建)产能(万t/a)拟建产能(万t/a)
151634.58.06.0103.03.03.52.01.01.0
-------------------------------------------------------------------------------------
利达炭素制品有限公司5.0
三力炭素制品有限公司2.0巩义市回郭镇炭素厂0.5博爱炭素厂博爱第二炭素厂辉县炭素厂众鑫公司新安铝厂三门峡铝厂兴旺铝业巩义二电渑池铝厂神火集团山东铝业胜利炭素厂平阴炭块厂平阴炭素厂鲁西铝厂济宁炭素厂太谷山晋炭素厂镇江炭素厂
0.52.01.51.51.03.56.04.03.03.02.04.01.51.51.51.51.51.54.53.02.03.03.03.0
丹江东山站联营炭素厂2.02.0
[1**********]2合计45.5
南通天建炭素材料厂合肥炭素厂石家庄炭素厂和郑铝业兰州铝厂青铜峡铝厂
0.51.53.03.07.03.06.06.095.5
44
-------------------------------------------------------------------------------------------就铝电解现状而言,现行的预焙阳极产量可满足160万t/a电解铝的需求,而目前采用预焙槽炼铝的产量已在160万t/a,预焙阳极的生产量略有供不应求。从我国铝用预焙阳极炭块的生产现状看,仍然存在诸多问题,主要体现在如下几个方面:1、厂家多,规模小,装备落后
我国已建成的铝用预焙阳极生产厂有25家,包括在建(扩建)和拟建的厂家总共将有42家,总产能将达到185万t/a,可满足308万t/a电解铝的需要。但我国各地还有早期发展起来的的小阳极糊生产厂家约有140余家,随着我国占铝总产量近60%的自焙铝电解槽改造进程的加快,这些厂家大都在积极的运筹发展预焙阳极生产,这势必造成将来的预焙阳极产量同现在的阳极糊一样,供大于求、质量不高的局面。就目前已建成的25家预焙阳极生产厂家而言,其生产规模情况见表2。
表22000年我国预焙阳极生产厂家规模(单位:万t/a)━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━规模厂家数
>103
5.0-9.028
4.9-3.0
728
2.9-1.0
1040
312
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━所占比例(%)12
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
从表1和表2可以看出:我国铝用预焙阳极生产厂家的生产规模大多很小,有52%的企业其生产规模不足3.0万t/a。
从现有预焙阳极生产厂家的技术装备水平来看,只有较少数的厂家,如青海铝厂、贵州铝厂、白银铝厂、平果铝厂其装备水平相对较高,采用了一系统先进生产技术,如自动控制配料、连续混捏、密闭的温度稳定且净化效果好的沥青熔化技术、三位自动振动成型、自动控制水平较高的焙烧技术和烟气净化技术;而绝大多数厂家仍采用我国传统的落后的无计量人工配料、间断式混捏锅、敞开式沥青熔化、能耗高的人工调节焙烧及无烟气净化措施的生产工艺技术,不仅造成生产成本的增加,而且很难保证产品质量的稳定,其预焙阳极的物化性能同国际先进水平存在较大差距。
表3我国目前生产的预焙阳极与世界先进水平的对比情况。国内外预焙阳极物化性能对比
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━指标
中国
国际
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
青铝郑铝平果铝贵州铝白银美国德国日本瑞士南斯拉夫俄
罗斯
体积密度(g/cm3)1.511.55真密度(g/cm3)气孔率(%)
2.032.0623.422.7
55409.0
1.492.0322.662305.40.13
1.521.482.042.0025583713.61.781.20103
26.4
0.570.29
1.591.611.591.562.092.092.052.04
1.512.04
1.562.05
空气渗透率(m3/min)0.630.220.17电阻率(Ωmm2/m)55耐压强度(Mpa )40
净化选择性(%)电解(g/A.h)反电势(V )灰份含量(%)硫含量(%)在CO2气流中的氧化度(mg/cm2.h)在CO2气流中的脱落度(mg/cm2.h)
8.6
6.2
6.0
119113
112
7.240
603424.01.700.81.24122
6038
64.945.455.230
37
37
65.0
28
55.0
0.120.120.940.31.6
1.40
0.120.12
0.780.320.701.631.50
0.46
0.83
0.5
1.721.751.70
1.42
0.960.4
14.029.0
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━2、无序发展、污染严重
由于历史原因,我国铝用炭素行业同其它大多数产业一样,前些年也存在着低水平的重复建设问题。随着铝电解技术的不断进步,我国采用预焙槽炼铝生产在逐年增加,尤其是我国对环保事业的重视,众多的自焙槽铝厂在加速改造。而随之发展起来的预焙阳极生产企业,绝大多业是在阳极糊生产的基础上建设了振动成型和焙烧炉,采用的是较落后的生产技术,一般采用罐式煅烧炉、间接式混捏锅、燃煤间断式焙烧炉或倒焰窑,没有环保措施,导致了预焙阳极炭块的生产无序发展,污染严重、能耗高、质量不稳定。本来我国自焙铝电解槽改造最主要的目的是解决环境污染的问题,这样一来,由于预焙阳极生产的无序发展,造成在自焙铝电解槽改造的同时,将环境污染转移到了预焙阳极炭块生产中,应引起大家的高度重视。
3、产品标准及检测方法落后
我国铝用预焙阳极炭块的产品标准执行的是YB/T285-1998,其物化性能见表4。表4国产预焙阳极物化性能标准
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━牌号灰份(%)电阻率热膨胀率CO2反应性
耐压强度
体积密度
真密度
(μΩm)(%)(mg/cm2.h)(MPa )
不大于不小于TY-10.50TY-20.80TY-31.00
556065
0.450.500.55
455055
323029
1.501.501.48
2.002.002.00
(g/cm3)(g/cm3)
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
国际上一些国家,对于预焙阳极的质量要求十分严格,不仅对预焙阳极的物化性能进行了严格的要求,而且对预焙阳极中的微量元素也作了严格的限制,其限制范围见表5。表5一些国家对预焙阳极中微量元素的要求(单位:ppm )
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
S
V
Ni
Si
Fe
Al
Na
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━1.20-2.4080-26080-160100-300100-500100-600200-600
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
Ca 50-200
K 5-30
Mg
F 10-50
Cl
Zn 10-50
10-50
Pb
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
10-50100-400
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
从表3、表4、表5中可以看出,我国的预焙阳极质量标准,与国际先进水平相比,存在一定差距,这种差距不仅体现在物理化学性能上,还体现在检测方法上。我国现行的预焙阳极检测方法及所用的设备与国际标准有较大不同,有相当一部分检测内容目前国内尚无方法实现,如ppm 级微量元素的分析等,不利于铝用预焙阳极工业的发展,也就直接影响着我国铝电解工业的全面升级,影响着预焙铝电解槽生产的电流效率、电耗、阳极消耗指标。目前,我国预焙阳极消耗(毛耗)平均在600kg/t-Al,与国际先进水平的490kg/t-Al相比,相差很大,若按全国预焙铝电解槽年产160万t 计算,相当于一年多消耗17.6万t 阳极,价值约5.28亿元。同时增加了对环境的污染。因此,提高我国预焙阳极产品质量标准,完善检测方法,对全面提高我国铝用预焙阳极的生产质量、提高铝电解工业整体技术水平是非常有益的。(.E015W03000.)
从铝土矿到电解铝的工艺过程和采用的方法
两个大的工艺流程,氧化铝生产和电解铝的生产一. 氧化铝的生产
氧化铝现在普遍采用拜耳法,基本流程包括:矿石的粉碎与细磨,矿石溶出,稀释,分解,泥渣和氢氧化铝的分离洗涤,氢氧化铝的煅烧,碳酸钠的苛性化以及母液蒸发等过程。具体如下:从从矿山运来的铝土矿经破碎后,与石灰和种分蒸发母液磨制成原矿浆,然后在高温下将矿石的氧化铝溶出,得到铝酸钠溶液和不溶残渣组成的溶出料浆。料浆用赤泥洗液进行稀释,再在沉降槽中将铝酸钠溶液和赤泥分离,赤泥经过洗涤后排往赤泥堆场。净化后的铝酸钠溶液加入氢氧化铝种子就行分解,析出氢氧化铝。氢氧化铝与母液分离后,洗净煅烧既得成品氧化铝(流程表附不上,否则可以更直观些)
工业制备铝一般是从铝土矿(主要成分是Al2O3,含有Fe2O3杂质)中得到纯净的是Al2O3,然后电解是Al2O3得到铝。
主要:2NaAlO2+CO2+3H2O =Na2CO3+2Al(OH)3↓具体:①Al2O3+2NaOH =2NaAlO2+H2O ②Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+2NaOH ③2Al(OH)3-----Al2O3+3H2O 二铝电解的生产
铝电解的主要生产方式是电解,生产流程都是在铝电解槽中进行的,电解所用原料为氧化铝,电解质为熔融冰晶石,阳极为碳素阳极,阴极为石墨炭块。电解温度一般为940-960流程为:氧化铝由输送系统供应到料箱,通过点式下料器打壳下料加入到电解质中,阴极上得到熔融铝,阳极析出二氧化碳,熔融铝由于密度大于电解质,会沉在电解质下面的阴极上。熔融铝定期由真空抬包抽吸出来,送往铸造车间,生产出成品铝锭。
碳素材料的分类也就是按其原子在结构中排列不同分类的三种同素异形体,金刚石、石墨和无定形碳
3.阳极碳块成本变化分析
随着自焙槽改预焙槽的市场要求和国家近三年内不准上马自焙槽的政策的出台,生产阳极糊和阳极碳块的碳素厂将要面临阳极糊需求量逐渐下调和阳极碳块需求量逐步增加的市场变化情况。从这个角度出发,这方面的成本将稍微上升,但将自焙槽改造成预焙槽需要一个过程,同时也需要面对碳素厂扩大阳极碳块产能的供应变化情况。短时间内价格上扬的条件尚不具备,这方面的成本比重将变化不大。