陰極材料對鋁電解行為的影響研究論-wenkub
2023-01-22 05:05:01 本頁面
【正文】 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(jī)械強(qiáng)度是不會(huì)影響槽壽命的。同時(shí)，用石油焦制造的陰極在半石墨化處理溫度高于 1950C 時(shí)，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(dá)到 1950℃以上時(shí)石墨化程度要高于其它難石墨化原料，機(jī)械強(qiáng)度保持較高水平，所以在生產(chǎn)半石墨化或石墨化炭塊時(shí)，石油焦是選的優(yōu)質(zhì)原料。0204060801001201 2 3 4 5 6 7石墨 化度 %鈉侵蝕膨脹系數(shù)% 由圖可見，石墨化度越高，對鈉的抵抗能力愈強(qiáng)，侵入陰極材料的鈉離子越少，滲入炭材中的鈉與冰晶石、氧化鋁反應(yīng)的機(jī)會(huì)也越少，引起的膨脹 也就越小。另外陰極受熱產(chǎn)生膨脹時(shí)，炭塊受槽殼的作用力出現(xiàn)破損。 鋁電解槽的破損，一是含鈉和鋁的電解液對陰極材料的侵蝕使?fàn)t底上抬引起破損；二是陰極材料自身受熱膨脹而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力引起破損；三是陰極材料在使用過程中受電解液磨損產(chǎn)生消耗。 國際上普遍采用高導(dǎo)電率、高石墨化度、低膨脹率的陰極材料，使的鋁電解槽有較低的陰極壓降，大大降低了鋁電解的單位電耗，降低了成本。 一、 前 言 眾所周知，鋁電解的陰極和陽極組成電解槽的工作區(qū)域，如果把陽極比喻為鋁電解槽的‘心臟’，那么陰極是電解槽的‘腹腔’，陰極是陽極以及工作區(qū)所有介質(zhì)的承載體，同時(shí)承擔(dān)著傳導(dǎo)陰極電流的作用 陰極主要由底部陰極炭塊、側(cè)部材料、陰極導(dǎo)電鋼棒以及將其三者結(jié)合起來的炭糊組成，人們總是希望組成電解槽的陰極具有長久的壽命和優(yōu)良的傳 導(dǎo)電流的能力，使鋁電解槽能夠高效．低耗．優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行。然而，隨著鋁工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電解槽向大容量方向發(fā)展，使得鋁電解過程中電場．磁場．熱場更加復(fù)雜化，對陰極材料的作用也越來越大，電化學(xué)和機(jī)械力對陰極材料的侵蝕．沖刷前所未有，電解槽的早期破損現(xiàn)象日趨凸現(xiàn)，鋁電解槽的壽命問題成為世界鋁業(yè)界關(guān)注的課題。 陰極材料對鋁電解槽生產(chǎn)過程的行為影響是至關(guān)重要的，好的陰極材料對于提高鋁電解的電流效率．鋁的品質(zhì)，槽壽命起著舉足輕重的作用。 在鋁電解過程中，一定條件下電解質(zhì)中的鈉和鋁同時(shí)在陰極上析出，因此，鈉始終向陰極炭質(zhì)材料中滲透鈉離子嵌入炭晶格中，使炭的層間距擴(kuò)大引起陰極炭塊的體積膨脹。 因此，影響電解槽破損的原因最重要的兩個(gè)方面，就是陰極材料的抗鈉侵蝕性能、耐磨抗沖刷性能和抗熱震性能。故而，提高陰極材料的石墨化度是減少槽底早期破損的重要手段。 （ 3） 陰極材料機(jī)械強(qiáng)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。 （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。 SIN4— SIC 材料與炭素、石墨材料性能比較 ○ 3 項(xiàng)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(qiáng)度 MPa 140200 ≥ 30 ≥ 20 抗折強(qiáng)度 MPa 4065 10 ≥ 電阻率 181。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。 另外炭糊在電解槽啟動(dòng)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(xì)微裂紋，造成鈉的滲入。目前國外市場上應(yīng)用的炭塊其比電阻排序?yàn)椋? 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(yàn)。1000=(KWH) 半石墨質(zhì)炭塊 : 69365=108799(KWH) 半石墨化炭塊 : 91365=(KWH) 以上實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出的結(jié)論表明采用高石墨化程度的陰極炭塊鋁電解槽節(jié)能效果明顯 ,單臺(tái)槽產(chǎn)鋁量高 ,生產(chǎn)效率提高。 （ 2）陰極的抗鈉侵蝕性能與其石墨化程度有關(guān) , 陰極的石墨化程度越高其抗鈉侵蝕性 能越好。 （ 2）陰極糊的質(zhì)量應(yīng)放在與炭塊同等位置 , 陰極糊的施工質(zhì)量也直接影響電解槽的壽命和鋁的電能消耗 ,應(yīng)同樣重視。 摘 要 :文章 從鋁電解生產(chǎn)工藝過程對陰極作用機(jī)理的角度分析了引起鋁電解槽破損的因素以及對陰極壓降的影響，從而分析了不同陰極材料對鋁電解生產(chǎn)過程中行為的影響，提出了提高鋁電解槽壽命、降低鋁生產(chǎn)的工藝能耗的一些具體措施建議。雖然我國已被公認(rèn)為世界鋁業(yè)生產(chǎn)大國，但并未成為鋁業(yè)強(qiáng)國。 二、陰極材料對鋁電解槽壽 命的影響 〔一〕鋁電解槽破損機(jī)理 鋁電解槽陰極在電解過程中盛裝電解液和鋁液，這些物質(zhì)在電場、磁場和熱場的作用下，與陰極炭材料發(fā)生著化學(xué)侵蝕作用和物理的機(jī)械力作用以及鋁液對陰極的磨蝕。 ○ 1 根據(jù)很多學(xué)者研究得出的結(jié)論，滲入炭材中的鈉與冰晶石(Na3AIF6) 和氧化鋁 (AI2O3) 也發(fā)生著反應(yīng)并進(jìn)一步膨脹： 3Na+Na3ALF6=6NaF+AL（液） 4Na+O2+22AL2O3=2[] （ 固） ○ 2 從機(jī)械作用力的角度分析，由于鋁液沉積在電解槽的底部，陰極材料的上面，鋁液受電解槽磁場的作
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