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1、 日出东方日出东方 希望中国希望中国300KA300KA新型阴极铝电解槽的成功实践新型阴极铝电解槽的成功实践公公 司：东方希望包头稀土铝业司：东方希望包头稀土铝业有限责任公司有限责任公司姓姓 名：刘军名：刘军 曹雁冰曹雁冰 肖华东肖华东时时 间：间：20102010年年6 6月月2024/9/1提纲提纲1、公司介绍和异型阴极的应用背景、公司介绍和异型阴极的应用背景2、异型阴极电解槽的两段焙烧、异型阴极电解槽的两段焙烧3、异型阴极电解槽的启动和后期管理、异型阴极电解槽的启动和后期管理4、应用总结、应用总结2024/9/1 公司简介公司简介东方希望集团是我国大型民营企业集团，始创于东方希望集团是我
2、国大型民营企业集团，始创于1982年年,总部设在上海浦东，现有员工总部设在上海浦东，现有员工10000多人。多人。2002年初，集团投资在包头建设大型铝电一体化项目。包头希铝是东方年初，集团投资在包头建设大型铝电一体化项目。包头希铝是东方希望集团的全资子公司希望集团的全资子公司,内蒙古自治区重点企业，全国光彩事业重点项目。内蒙古自治区重点企业，全国光彩事业重点项目。包头希铝位于包头国家稀土高新区包头希铝位于包头国家稀土高新区,铝厂一期工程于铝厂一期工程于2003年年10月投产，目前三期前月投产，目前三期前10万吨已投产，全部投产后将形成万吨已投产，全部投产后将形成80万吨万吨/年产能年产能,配
3、套建设了总装机容量配套建设了总装机容量1320MW的大的大型自备火力发电厂。公司采用了国内和国际多项先进技术型自备火力发电厂。公司采用了国内和国际多项先进技术,主要经济技术指标居国内同主要经济技术指标居国内同行业领先水平，是一个高起点、大容量、低污染的大型现代化工业企业。行业领先水平，是一个高起点、大容量、低污染的大型现代化工业企业。2024/9/1前言前言2007年东北大学冯乃祥教授发明了一种新型阴极结构的铝电解槽，年东北大学冯乃祥教授发明了一种新型阴极结构的铝电解槽，并于并于2008年年2月在重庆天泰铝业公司月在重庆天泰铝业公司168kA预焙电解系列中选择三台预焙电解系列中选择三台电解槽进
4、行工业运行试验。电解槽进行工业运行试验。3台试验槽工作电压从台试验槽工作电压从4.1V降低到了降低到了3.753.78V，与同电解铝生产系列的其它铝电解槽相比，电耗同比降低，与同电解铝生产系列的其它铝电解槽相比，电耗同比降低了了1100KWh/tAl以上。以上。包头希铝在包头希铝在2009年年7月引用冯乃祥教授的技术成功启动了月引用冯乃祥教授的技术成功启动了1078#异型异型阴极电解槽。目前已成功启动了阴极电解槽。目前已成功启动了5台异型阴极槽，最低工作电压已达台异型阴极槽，最低工作电压已达到到3.710V，平均电流效率，平均电流效率91%（按（按97的整流效率计算），平均直的整流效率计算），
5、平均直流电耗为流电耗为12160kwh/tAl，各项技术指标正常，节能效果显著。，各项技术指标正常，节能效果显著。2024/9/1300kA新型阴极结构电解槽的设计和工艺技术特点新型阴极结构电解槽的设计和工艺技术特点阴极表面具有与阴极碳块的纵向方向一致，与电解槽的纵向方向相垂直的双凸起，凸阴极表面具有与阴极碳块的纵向方向一致，与电解槽的纵向方向相垂直的双凸起，凸起与电解槽的阴极表面相垂直，并与阴极碳块连为一体，凸起高度为起与电解槽的阴极表面相垂直，并与阴极碳块连为一体，凸起高度为110mm，宽度为，宽度为150mm，每个阴极碳块上的凸台在中间有，每个阴极碳块上的凸台在中间有200mm的间断。如
6、图所示。的间断。如图所示。相邻的两个阴极碳块之间的捣固糊上面和两个相邻的阴极碳块之间形成一个凹槽，凹相邻的两个阴极碳块之间的捣固糊上面和两个相邻的阴极碳块之间形成一个凹槽，凹槽内在电解槽焙烧启动前填充槽内在电解槽焙烧启动前填充50氧化铝和氧化铝和50冰晶石的混合料，可防止阴极铝液在冰晶石的混合料，可防止阴极铝液在电解槽的早期运行过程中从捣固糊与阴极碳块之间所形成的裂纹漏入槽底，有利于提电解槽的早期运行过程中从捣固糊与阴极碳块之间所形成的裂纹漏入槽底，有利于提高电解槽的寿命。高电解槽的寿命。目前我厂的异型阴极分为单凸台和双凸台。目前我厂的异型阴极分为单凸台和双凸台。合理的电解槽内衬结构设计对实现
7、合理的电解槽热平衡和热场分布是十分重要的。我合理的电解槽内衬结构设计对实现合理的电解槽热平衡和热场分布是十分重要的。我厂厂300kA新型阴极结构电解槽是在系列电解槽利用大修的机会改建的，其内衬结构设新型阴极结构电解槽是在系列电解槽利用大修的机会改建的，其内衬结构设计除了在电解槽阴极钢棒之下的槽周边加强了保温外，其它部分的槽内衬设计没有变计除了在电解槽阴极钢棒之下的槽周边加强了保温外，其它部分的槽内衬设计没有变化，与原来的电解槽内衬结构设计一样。化，与原来的电解槽内衬结构设计一样。2024/9/1新型阴极结构电解槽阴极照片新型阴极结构电解槽阴极照片2024/9/1东方希望集团 总部生 72024
8、/9/1二、异型阴极电解槽的焙烧二、异型阴极电解槽的焙烧2024/9/1焙烧设备的选择焙烧设备的选择异形阴极带动了烟气焙烧或火焰焙烧设备的研制和使用，此类设备实际上国异形阴极带动了烟气焙烧或火焰焙烧设备的研制和使用，此类设备实际上国外在普通电解槽已广泛使用。我厂现已购买国内能生产此类设备的三家厂设外在普通电解槽已广泛使用。我厂现已购买国内能生产此类设备的三家厂设备各一台（天然气焙烧），另外先期购买一台燃油烟气焙烧设备。燃油焙烧备各一台（天然气焙烧），另外先期购买一台燃油烟气焙烧设备。燃油焙烧费用与电焙烧大体相当，天然气焙烧可大幅降低焙烧费用，因此随着异形阴费用与电焙烧大体相当，天然气焙烧可大幅
9、降低焙烧费用，因此随着异形阴极的使用而不得不使用天然气焙烧的带动，进而因焙烧费用低在所有电解槽极的使用而不得不使用天然气焙烧的带动，进而因焙烧费用低在所有电解槽的焙烧启动中使用，可能成为未来的发展结果。的焙烧启动中使用，可能成为未来的发展结果。2024/9/1焙烧方式的选择焙烧方式的选择关于先灌铝水还是先灌电解质关于先灌铝水还是先灌电解质先灌电解质先灌电解质主要是延续焦粒焙烧思路担主要是延续焦粒焙烧思路担心漏铝，我厂和中孚先后试验灌电解质心漏铝，我厂和中孚先后试验灌电解质启动，但都出现较大面积掉凸台，启动，但都出现较大面积掉凸台，究其原因：究其原因：高温时氧化及布达尔反应对凸台造成影响；高温时
10、氧化及布达尔反应对凸台造成影响；炭块机加工时产炭块机加工时产生细小裂纹经高温电解质冲击后放大；生细小裂纹经高温电解质冲击后放大；通电后凸台部分电流集中；通电后凸台部分电流集中；启动启动后为了调分子比加入较多的纯碱；后为了调分子比加入较多的纯碱；启动后温度低烧效应时间过长等。启动后温度低烧效应时间过长等。我们对两种方法全部进行试验比较，其中灌电解质的我们对两种方法全部进行试验比较，其中灌电解质的2127凸台凸台90%掉了，而掉了，而采取两段焙烧的采取两段焙烧的1078比较好，所以先灌铝水两段焙烧法经多家铝厂使用证明比较好，所以先灌铝水两段焙烧法经多家铝厂使用证明是成功的，突破了大型电解槽不能先灌
11、铝水的思想禁锢，其中按冯老师配方是成功的，突破了大型电解槽不能先灌铝水的思想禁锢，其中按冯老师配方对极缝和周围糊进行覆盖起到很大作用。对极缝和周围糊进行覆盖起到很大作用。2024/9/1300kA新型阴极结构电解槽的焙烧新型阴极结构电解槽的焙烧根据新型阴极结构电解槽碳块具有凸台结构的特点，燃油焙烧一步到位至根据新型阴极结构电解槽碳块具有凸台结构的特点，燃油焙烧一步到位至900，然后灌入电解质，然后灌入电解质进行启动的方法，凸起破损掉块严重，后采用燃油铝液二段焙烧技术，燃油焙烧装置由重庆大学进行启动的方法，凸起破损掉块严重，后采用燃油铝液二段焙烧技术，燃油焙烧装置由重庆大学制作，采用二段焙烧技术
12、后，掉块现象基本消失，燃油铝液两段焙烧方法如下：制作，采用二段焙烧技术后，掉块现象基本消失，燃油铝液两段焙烧方法如下： 焙烧前的准备工作焙烧前的准备工作电解槽交工验收后，进行彻底的卫生清理。电解槽交工验收后，进行彻底的卫生清理。阴极与阴极间的炭冒及伸腿与阴极间全部抹上一定厚度的防渗材料，防止灌铝时缝隙中渗入铝液，阴极与阴极间的炭冒及伸腿与阴极间全部抹上一定厚度的防渗材料，防止灌铝时缝隙中渗入铝液，以防漏铝。以防漏铝。原材料的准备，包括：轻质柴油、液体电解质、高分子冰晶石、纯碱、氟化钙。原材料的准备，包括：轻质柴油、液体电解质、高分子冰晶石、纯碱、氟化钙。测量工具准备：万用表测量工具准备：万用表
13、1块、测温仪块、测温仪1块、测温枪块、测温枪1把、热电偶把、热电偶510把。把。把预先准备好的阳极挂上电解槽，阳极紧贴母线平稳的放到电解槽阴极凸台上，用线绳找平后，彻把预先准备好的阳极挂上电解槽，阳极紧贴母线平稳的放到电解槽阴极凸台上，用线绳找平后，彻底复紧卡具并在母线下沿导杆上水平画线。注意天车在装阳极时要平稳慢放，防止用力过猛将凸台底复紧卡具并在母线下沿导杆上水平画线。注意天车在装阳极时要平稳慢放，防止用力过猛将凸台损坏，记录母线指针位置。损坏，记录母线指针位置。安装焙烧燃烧器装置：安装时要仔细测试，并确保供风和油路畅通正常，确保检测设备运行正常。安装焙烧燃烧器装置：安装时要仔细测试，并确
14、保供风和油路畅通正常，确保检测设备运行正常。做保温：用预制好的保温盖板将电解槽大、小面整齐密封，用硅酸铝耐火纤维将阳极间缝和中缝盖做保温：用预制好的保温盖板将电解槽大、小面整齐密封，用硅酸铝耐火纤维将阳极间缝和中缝盖好，然后在阳极表面均匀的覆盖好，然后在阳极表面均匀的覆盖80100mm厚的冰晶石。厚的冰晶石。2024/9/1 焙烧设备焙烧设备2024/9/1 重庆大学的燃油焙烧装置重庆大学的燃油焙烧装置2024/9/1 第一阶段燃油焙烧第一阶段燃油焙烧对电解槽及焙烧装置复查无问题后，开始点火焙烧。点火成功后，将各燃对电解槽及焙烧装置复查无问题后，开始点火焙烧。点火成功后，将各燃烧器的负荷调节至
15、设计负荷的烧器的负荷调节至设计负荷的1/5，即油量，即油量12.5L/h，空气量约为油流量的，空气量约为油流量的89倍，即倍，即110m3/h，在此负荷下运行约，在此负荷下运行约34小时后，将燃烧器的三个出油小时后，将燃烧器的三个出油阀门从半开打到全开（此时需有专人控制油流量不变），其油量和风量调阀门从半开打到全开（此时需有专人控制油流量不变），其油量和风量调节的依据是按预设的电解槽升温制度指定的。节的依据是按预设的电解槽升温制度指定的。为了充分发挥燃油焙烧升温可控的优越性，通过对不同阶段升温幅度的控为了充分发挥燃油焙烧升温可控的优越性，通过对不同阶段升温幅度的控制，让焙烧温度在每个阶段都处于
16、平稳匀速的上升趋势，避免升温不匀或制，让焙烧温度在每个阶段都处于平稳匀速的上升趋势，避免升温不匀或过快，热应力对阴极及其内衬产生热膨胀，其焙烧升温按如表过快，热应力对阴极及其内衬产生热膨胀，其焙烧升温按如表1所给出的四所给出的四个阶段进行。个阶段进行。2024/9/1槽温提升曲线槽温提升曲线2024/9/1风量、油量控制曲线风量、油量控制曲线2024/9/1 第二阶段铝液焙烧第二阶段铝液焙烧铝液焙烧前的准备工作：通过燃油焙烧使阴极表面温度达到铝液焙烧前的准备工作：通过燃油焙烧使阴极表面温度达到750左右时进入铝液焙左右时进入铝液焙烧阶段。首先要准备好通电设备和灌铝设施。烧阶段。首先要准备好通电
17、设备和灌铝设施。将阳极降至离阴极面将阳极降至离阴极面3CM处。将预热好的溜槽装好，开始灌铝。以铝水淹没阳极处。将预热好的溜槽装好，开始灌铝。以铝水淹没阳极35CM为宜，为宜，300KA电解槽大约灌入电解槽大约灌入13吨，灌铝结束后立即通电。吨，灌铝结束后立即通电。拆除燃烧装置和周边的保温材料，并及时的将准备好的装炉材料依次放入，并加强电拆除燃烧装置和周边的保温材料，并及时的将准备好的装炉材料依次放入，并加强电解槽保温。解槽保温。电解槽进入铝液焙烧后，随着焙烧时间的增长，铝液的温度也逐步提高，在焙烧期间电解槽进入铝液焙烧后，随着焙烧时间的增长，铝液的温度也逐步提高，在焙烧期间电压不得低于电压不得
18、低于2V，低了要手动抬起。焙烧到，低了要手动抬起。焙烧到48小时左右电解槽内铝液温度达到小时左右电解槽内铝液温度达到920左右，即可启动电解槽。左右，即可启动电解槽。铝液焙烧期间，依照焦粒焙烧测量方案测量数据，对阳极电流分布出现变化较大的要铝液焙烧期间，依照焦粒焙烧测量方案测量数据，对阳极电流分布出现变化较大的要进行调节。进行调节。2024/9/1异型阴极结构电解槽的启动和后期管理异型阴极结构电解槽的启动和后期管理电解槽启动电解槽启动在铝液焙烧在铝液焙烧48小时左右，阴极表面平均温度达小时左右，阴极表面平均温度达900以上，阴极底部温度达以上，阴极底部温度达750以上，即达到焙烧要求，准备启动
19、。以上，即达到焙烧要求，准备启动。为了防止电解质凝结，启动过程衔接要紧凑。为了防止电解质凝结，启动过程衔接要紧凑。按正常启动要求将准备工作全部完成后，开始操作，两台天车抽电解质，并按正常启动要求将准备工作全部完成后，开始操作，两台天车抽电解质，并将抽好的电解质吊运到焙烧槽前，将大约将抽好的电解质吊运到焙烧槽前，将大约15吨电解质立即灌入电解槽内。吨电解质立即灌入电解槽内。启动实行无效应启动，根据电解质灌入情况点动升阳极，电压保持在启动实行无效应启动，根据电解质灌入情况点动升阳极，电压保持在7.08.0V，并使槽电压不能波动太大或过高。，并使槽电压不能波动太大或过高。 2024/9/1l后期管理
20、后期管理铝电解槽生产中，通常把电解槽启动后到转入正常生产这段时间的管理称为铝电解槽生产中，通常把电解槽启动后到转入正常生产这段时间的管理称为非正常管理期，非正常期管理一般为非正常管理期，非正常期管理一般为3个月，而异型阴极电解槽为了尽快建个月，而异型阴极电解槽为了尽快建立规整炉膛，一般启动后立规整炉膛，一般启动后45天左右电解槽既要达到正常生产期。新型阴极结天左右电解槽既要达到正常生产期。新型阴极结构电解槽启动时第构电解槽启动时第1天和第天和第45天的电解槽工艺技术条件如下：天的电解槽工艺技术条件如下：工作电压工作电压/V: 第一天：第一天：5.0 45天后：天后：3.75平均电压平均电压/V
21、 : 第一天：第一天：5.0 45天后：天后：3.75电解质水平电解质水平/cm : 第一天：第一天：2830 45天后：天后：2022铝水平铝水平/cm : 第一天：第一天：1820 45天后：天后：1820槽温槽温/ : 第一天：第一天：970980 45天后：天后：955960分子比分子比: 第一天：第一天：2.72.8 45天后：天后：2.552.652024/9/1从热平衡角度看，异型阴极结构电解槽在低槽电压，低能量输入情况从热平衡角度看，异型阴极结构电解槽在低槽电压，低能量输入情况下，电解槽的热平衡是通过增加电解槽上部和侧部保温、减少其上部下，电解槽的热平衡是通过增加电解槽上部和侧
22、部保温、减少其上部和侧部热损失来实现的，所以为了使电解槽达到合理的能量平衡，主和侧部热损失来实现的，所以为了使电解槽达到合理的能量平衡，主要采取措施有：要采取措施有：（1）加强电解槽的保温，增加电解槽极上保温料的厚度和控制覆盖）加强电解槽的保温，增加电解槽极上保温料的厚度和控制覆盖料的粒度，在电解槽侧部和底部（特别是角部）加强保温降低热量损料的粒度，在电解槽侧部和底部（特别是角部）加强保温降低热量损失。失。（2）增加热收入，即在电解槽许可的范围之内逐步强化电流。）增加热收入，即在电解槽许可的范围之内逐步强化电流。2024/9/1保温情况保温情况2024/9/1目前我厂正在目前我厂正在300kA
23、系列电解槽上生产运行的新型阴极结构电解槽有系列电解槽上生产运行的新型阴极结构电解槽有5台。台。除的除的1台由于电解槽焙烧启动不成功，出现凸起大量的掉块外，其它台由于电解槽焙烧启动不成功，出现凸起大量的掉块外，其它4台槽台槽基本上没有出现大的掉块现象，电解槽运行正常。较早投入运行的新型阴基本上没有出现大的掉块现象，电解槽运行正常。较早投入运行的新型阴极结构电解槽平均槽电压运行在极结构电解槽平均槽电压运行在3.71伏左右，电解质的分子比伏左右，电解质的分子比2.552.65之间。电解温度之间。电解温度950960，铝水平，铝水平1820cm，电解质水平，电解质水平2022cm。电解槽在这样的工艺技
24、术条件下工作状态很稳定，电流效率电解槽在这样的工艺技术条件下工作状态很稳定，电流效率91左右，直左右，直流电耗流电耗12160kWh/tAl，取得了显著的节电效果。，取得了显著的节电效果。正常运行过程中的工艺技术条件和技术经济指标正常运行过程中的工艺技术条件和技术经济指标2024/9/15月份技术条件的对比月份技术条件的对比项目项目普通槽普通槽最好的槽最好的槽最差的槽最差的槽工作电压3.85v3.71v3.8v电流效率91%91%90%交流电耗129971252412971铝水平29-30cm19-20cm25-26cm2024/9/1普通槽电压普通槽电压2024/9/11078号槽电压号槽电
25、压2024/9/1凸台全部飘起的槽电压凸台全部飘起的槽电压2024/9/1结语结语1、目前我厂最早采用燃油火焰铝液焙烧的、目前我厂最早采用燃油火焰铝液焙烧的300kA新型阴极结构电解槽，新型阴极结构电解槽，其槽电压平均为其槽电压平均为3.71伏，电解槽的电流效率按伏，电解槽的电流效率按97的整流效率计算为的整流效率计算为91，平均直流电耗为平均直流电耗为12160 kWh/tAl，取得了比较好的技术经济效益，取得了比较好的技术经济效益。2、电压到底能降到多低，我们的经验是降至、电压到底能降到多低，我们的经验是降至3.8伏槽子较容易控制，电流效率不受影伏槽子较容易控制，电流效率不受影响或者会比普
26、通阴极电解槽高，低于响或者会比普通阴极电解槽高，低于3.8伏槽子较难控制，需要十分精细的操作，电流伏槽子较难控制，需要十分精细的操作，电流效率也开始降低，效率也开始降低，3.753.78伏可取得较低的吨铝电耗，即直流电耗伏可取得较低的吨铝电耗，即直流电耗1210012200kwh/t，综合交流电耗小于，综合交流电耗小于13000kwh/t。降到。降到3.7伏或伏或3.7伏以下会造成伏以下会造成电流效率大幅下降。异型槽我们曾降到电流效率大幅下降。异型槽我们曾降到3.695V，但不稳定，后又回到，但不稳定，后又回到3.71左右。左右。3、凸台的消耗：实测凸台消耗为、凸台的消耗：实测凸台消耗为12cm，1078#经经8个月原为个月原为10cm，现为，现为89cm。2024/9/1 谢谢 谢谢
