陰極材料對鋁電解行為的影響研究論-文庫吧
2024-12-23 05:05 本頁面
【正文】 常溫（ 1300℃）下處理過的不同的炭素原材料抗鈉侵蝕性能不同 ,傳統(tǒng)研究表明幾種常用的炭素原料抗鈉侵蝕性能依次為： 無煙煤＞冶金焦＞瀝青焦＞石油焦 所以，我們在選用原料生產(chǎn)陰極炭塊時，無煙煤應(yīng)該是首選，但是，隨著其熱處理溫度的提高其也性能發(fā)生變化。實驗證明，我們在生產(chǎn)半石墨化炭塊或石墨化炭塊時，由于無煙煤含有較多灰份，雜質(zhì)在 2022℃以上石墨化高溫處理時逸出和無煙煤晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，致使炭塊機械強 度下降，造成不利影響。同時，用石油焦制造的陰極在半石墨化處理溫度高于 1950C 時，抗鈉侵蝕性能大大高于相同溫度處理過的無煙煤，這主要是由于石油焦屬于易石墨化炭，當(dāng)溫度達到 1950℃以上時石墨化程度要高于其它難石墨化原料，機械強度保持較高水平，所以在生產(chǎn)半石墨化或石墨化炭塊時，石油焦是選的優(yōu)質(zhì)原料。 （ 3） 陰極材料機械強度和抗磨性能對鋁電解槽壽命的影響 鋁電解槽陰極在電解生產(chǎn)過程中承受電解液對它的壓力和陰極材料本身發(fā)生的熱膨脹、鈉膨脹引起的槽殼對它的壓力。同時鋁液受磁場作用引起回旋對陰極材料的磨蝕。 實踐證明，陰極 炭塊機械強度隨著其石墨化程度提高而下降，其耐磨性也隨之下降。 品 名 普通炭塊 半石墨炭塊 半石墨化炭塊 抗壓強度 MPa 35— 50 30— 40 20— 35 事實上電解液對陰極炭塊的壓力是很小的，而炭塊自身膨脹引起的應(yīng)力是造成破損的主要原因，而無論炭塊的熱膨脹還是鈉侵蝕膨脹是隨著石墨化程度的提高而下降，對其產(chǎn)生的應(yīng)力也相應(yīng)減小，因此，隨著陰極炭塊石墨化程度的提高，適度降低陰極的機械強度是不會影響槽壽命的。 （二）側(cè)部材料對鋁電解槽壽命的影響 理想的鋁電解槽側(cè)部材料應(yīng)該是高導(dǎo)熱．低導(dǎo)電．抗氧化的。側(cè)部材 料散熱良好，易于形成電解槽的槽幫 ,，及時形成對側(cè)部材料的保護殼；低導(dǎo)電性可以減少電解槽的水平電流，減少電能損失，減少自身發(fā)熱。 隨著鋁工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的陰極側(cè)部炭塊被石墨化程度較高側(cè)部炭塊替代，石墨化程度的提高，其導(dǎo)電性能與導(dǎo)熱性能同時提高，造成側(cè)部分流增加，溫度過高，氧化脫落，側(cè)部損壞。 氮化硅結(jié)合碳化硅材料與傳統(tǒng)的炭素材料和石墨材料有著完全不同的物理、化學(xué)性能，符合鋁電解生產(chǎn)對材料的要求。 SIN4— SIC 材料與炭素、石墨材料性能比較 ○ 3 項目 SIN4— SIC 材料 炭素材 料 石墨材料 氣孔率 % 1822 18 23 體積密度 g/cm3 ≥ ≥ 抗壓強度 MPa 140200 ≥ 30 ≥ 20 抗折強度 MPa 4065 10 ≥ 電阻率 181。Ω .m ∝ ≤ 60 ≤ 15 導(dǎo)熱系數(shù) W/m.℃ 18 5 30 國內(nèi)、外少數(shù)先進槽已經(jīng)采用氮化硅結(jié)合碳化硅材料與碳的復(fù)合材料，充分利用了碳化硅材料的絕緣性和耐氧化性，是理想的鋁電解槽側(cè)部材料。 （三）陰極炭糊對鋁電解槽壽命的影響 組成陰極的主體是陰極炭塊及炭塊之間的 炭糊、周邊糊和陰極炭塊與鋼棒之間的鋼棒糊，在陰極材料中占第二位。按照木桶原理，鋁電解槽的壽命取決于陰極的最薄弱處，陰極糊的質(zhì)量和搗固質(zhì)量將直接影響鋁電解槽的壽命。目前，采用的陰極炭糊從工藝上有冷搗糊和熱搗糊，從品種上有普通糊和半石墨糊。冷搗糊是近幾年出現(xiàn)的新工藝，它不僅給施工帶來了方便，其質(zhì)量也不次于傳統(tǒng)的熱搗糊。普通糊和半石墨糊是與相應(yīng)的炭塊品種配套的。 炭糊不能象炭塊那樣進行成型、焙燒、石墨化一系列工序改善材料的性能，炭糊的性能直接取決于原料的性能和配方的合理性，因此，炭糊原料的選用要優(yōu)于或相近于生產(chǎn)配 套炭塊所采用原料的性能，炭糊的原料應(yīng)具有優(yōu)良的抗鈉侵蝕性能，才有利于避免炭塊接縫的早期損壞，而引起整個電解槽的破損。 另外炭糊在電解槽啟動后焙燒過程中，先發(fā)生膨脹后收縮，炭糊燒結(jié)體易產(chǎn)生細微裂紋，造成鈉的滲入。因此炭糊應(yīng)選擇粘結(jié)劑含量低的冷搗糊和低收縮率糊，以減少收縮裂紋的產(chǎn)生。 三、陰極材料對電流效率的影響 陰極的另一個作用是傳導(dǎo)電流，良好的導(dǎo)電性能可以降低陰極電壓降，減少陰極上的電能消耗，降低鋁的電耗。 根據(jù) 柯羅鮑夫經(jīng)驗公式 Vk=[Lp10+(10A+ . a )B/S] 其中： L＝ （ H－ h） P— 炭塊的電阻率 H— 炭塊的高度 h— 陰極棒的高度 b— 陰極鋼棒寬 L— 炭塊的平均導(dǎo)電高度 A— 爐膛寬度之半 a— 爐底靠側(cè)部結(jié)殼厚度 B— 包括炭縫在內(nèi)的炭塊寬度 S— 陰極鋼棒斷面積 — 陰極電流密度 根據(jù)以上公式可知 :陰極電壓除與設(shè)計的陰極鋼棒、炭塊、槽膛尺寸等參數(shù)有關(guān)外，與陰極炭塊的比電阻有著直接的關(guān)系。目前國外市場上應(yīng)用的炭塊其比電阻排序為： 普通炭塊＞半石墨質(zhì)炭塊＞全石墨質(zhì)＞半石墨化＞石墨化炭塊 筆者曾對普通炭塊、半石墨質(zhì)炭塊、半石墨化塊在電解槽上的應(yīng)用，做了陰極壓降的對比試 驗。 三種炭塊的理化指標(biāo) A％ dk g/cm2 du g/cm2 ρ 181。Ω .m δ MPa 普通炭塊 % 半石墨質(zhì)炭塊 % 半石墨化炭塊 % 三種不同槽型陰極壓降對比 運 行 天 數(shù) 15 30 45 60 75 90 105 120 普 通 塊
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