泄流式TiB-,2--C陰極電解槽研究.pdf

1、降低鋁電解生產(chǎn)成本、提高國際競爭能力、電解鋁廠電流效率等指標的進一步提高，應當依靠良好的電解槽熱設計和母線磁場設計以及先進的鋁電解槽控制技術(shù)，通過提高電解槽內(nèi)陰極鋁液面的穩(wěn)定性和電解槽工藝操作的穩(wěn)定性，采用新型陽極材料、陰極材料和新型的槽結(jié)構(gòu)等來實現(xiàn)。 近些年來，雖然我國的電解鋁技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，但在電解槽槽壽命等方面與國外先進技術(shù)仍有較大的差距。關(guān)于電解槽早期破損的原因，除了與電解槽的設計、筑爐質(zhì)量有關(guān)外，還與電解槽的

2、內(nèi)襯材料以及電解槽的生產(chǎn)操作有關(guān)。其中很重要、也是對電解槽早期破損起主要作用的是電解過程中鈉和電解質(zhì)熔體向陰極碳塊內(nèi)部的滲透。由于電解槽鋁液滲漏多數(shù)出現(xiàn)在槽側(cè)部，沿鋼棒孔流出，因此側(cè)下部耐火混凝土的性能對于延長內(nèi)襯壽命就非常重要。本文對陰極周圍耐火混凝土進行了研究。 選用具有較高耐火度和較好化學穩(wěn)定性的耐火原料，用搗制法制成了泄流式鋁電解槽陰極碳塊側(cè)下部周圍耐火混凝土材料，并取樣對其在不同溫度下的膨脹系數(shù)和抗冰晶石熔體的腐蝕性能

3、進行測定與實驗。結(jié)果表明，自制的耐火混凝土抗電解質(zhì)的腐蝕性能明顯高于現(xiàn)行鋁工業(yè)上采用的耐火混凝土。從宏觀比較可以看出，經(jīng)過相同條件腐蝕后，自制的耐火混凝土四周幾乎沒有明顯被腐蝕縮小的跡象。 工藝和操作條件對電解槽內(nèi)電流場及鋁液流速場有很大的影響。本文利用課題組編制的軟件對190kA大型預焙陽極電解槽電流場和鋁液流速場進行了計算，并實地測量了190kA電解槽鋁液流速場，結(jié)果表明測試結(jié)果和模擬計算結(jié)果基本吻合。由此表明利用本文軟件計

4、算電解槽的電流場和流速場是可信的。 新型結(jié)構(gòu)電解槽，特別是泄流式電解槽代表著將來電解槽的發(fā)展方向。由于泄流式電解槽的特殊結(jié)構(gòu)，本文對94kA泄流式電解槽的電熱場首先進行了模擬計算，該泄流式電解槽是在75kA預焙槽的基礎(chǔ)上改造而成的。模擬結(jié)果表明，電解槽陰、陽極中的電流分布與預焙槽相似，極間電解質(zhì)和TiB2/C涂層內(nèi)z-向電流密度基本恒定。在9°陰極傾斜角度下、側(cè)部聚鋁溝深度為100mm左右且充滿鋁液時，電解槽可以實現(xiàn)較好的能量平

5、衡。適當加強側(cè)部保溫，在電流強度為87kA時，電解槽也可以實現(xiàn)較好的能量平衡。此時電解槽能量損失更小，電解槽電壓更低。 本文對泄流式TiB2/C陰極鋁電解槽所需的TiB2的各種制備方法進行了綜述和比較，并對以TiO2和B2O3為原料的碳熱還原法制取TiB2方法進行了熱力學計算，計算得出碳熱還原TiO2和B2O3的反應在1915～1945K的吉布斯自由能與溫度的直線關(guān)系式，其理論還原溫度為1932K。在石墨化爐爐芯電極上部的高溫帶

6、放置石墨坩鍋，石墨坩鍋內(nèi)放入TiO2、B2O3和C的反應物，用碳熱還原法制取了TiB2。同時，利用實驗室礦熱爐，以TiO2、B2O3和C為原料，用碳熱還原法也制取了TiB2。 通過對TiB2/C復合材料陰極在鋁電解過程中鈉膨脹率的研究發(fā)現(xiàn)，TiB2/C陰極在鋁電解過程中具有與無定型碳質(zhì)材料陰極相同的鈉膨脹特性，但在同樣條件下其膨脹率小于純碳質(zhì)陰極的鈉膨脹率。TiB2/C陰極中，隨著TiB2組份含量的增加，其膨脹率降低。在TiB2

7、/C陰極中既存在著鈉通過孔隙向TiB2/C滲透，同時也存在著鈉通過存在于TiB2/C陰極的炭素晶格向TiB2/C中滲透。與此同時，鈉與存在于TiB2/C中的碳生成晶間化合物，使炭素晶格膨脹。 通過對不同電解質(zhì)成分及不同TiB2/C涂層配比條件下，電解過程的實驗研究，得出如下結(jié)論：@2a.在相同電解溫度下，電解槽陰極過電壓隨分子比的升高而降低。 b.陰極涂層中TiB2含量對陰極過電壓有著顯著影響。隨TiB2含量增加，涂層抵

8、抗NaF和Na離子滲透能力加強，導致陰極表面Na離子層加強，陰極過電壓增加。 c.在相同條件下，向電解質(zhì)中添加Li2CO3添加劑，可降低陰極過電壓。其機理尚不很清楚，可能是離子向陰極遷移，并生成LiF，使得LiF在陰極表面富集抵消了Na離子的遷移從而消弱了NaF引發(fā)的濃度極化過電壓所致。 d.陰極過電壓與陰極電流密度也遵循Tafel方程，但Tafel方程的斜率和截距都明顯小于陽極過電壓Tafel方程中的斜率和截距。另外，

9、從測試結(jié)果看，實驗室電解槽上的陰極過電壓比現(xiàn)行工業(yè)電解槽的陰極過電壓高，這是由于實驗室電解槽中不存在劇烈的熔體流動，不能給離子層以擾動的原因。 經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)：使用TiB2/C復合材料陰極的泄流式電解槽槽電壓和槽工作狀態(tài)穩(wěn)定，基本無噪聲，并可以獲得較高的電流效率，實驗槽達到86％；實驗后的觀察表明，陰極表面TiB2/C涂層沒有明顯的脫落。TiB2/C陰極表面TiB2的腐蝕速度為1.0g/h·m2左右；鋁電解槽使用TiB2/C陰極，