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(biāo)的進一步提高，應(yīng)當(dāng)依靠良好的電解槽熱設(shè)計和母線磁場設(shè)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(shè)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(xué)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(yù)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(yù)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(yù)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(dāng)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(xué)計算，計算得出碳熱還原TiO2和B2O3的反應(yīng)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(yīng)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(fù)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(dǎo)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(fù)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，