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    国内外铝电解技术的最新发展方向如何?
    2019-02-15 信息编号:716845 收藏
近十多年来, 国内外电解铝行业在生产能力、 电解槽型、 建厂规模以及工艺技术等各
个方面得到了全面飞速发展, 这种进步趋势锐气未减。 从目前各国研究开发的热点项目
看, 今后一段时间铝电解技术发展方向主要在以下几个方面:
(1) 继续开发特大型预焙铝电解槽。 铝电解技术仍在向着高电流强度、 高电流密度、
高电流效率和低电耗的方向发展。 专家预测, 在下一个十年, 世界上铝电解技术占主导地
位的可能是 500 ~600kA 电解槽。 500 ~600kA 电解槽将成为铝电解生产实现高产量、 低电
耗和低成本最有竞争力的槽型。
(2) 完善铝电解槽物理场技术。 充分利用现代先进的计算机源程序平台, 进一步开发
和完善超大型预焙铝电解槽 “物理场” 源程序与模拟计算工作, 并在试验验证的基础上推
广应用到新的设计和改造工程中去, 进一步开发更加先进的特大型铝电解槽技术。 重点有
以下几方面的工作:
1) 建立多参数数据库, 如电解槽结构参数、 操作参数及物理场计算的边界参数、 准
数等;
2) 进一步研究电场、 磁场、 流动场、 物料平衡、 液固相平衡、 能量平衡等计算模型;
3) 多参数仿真与显示, 如电流分布、 熔体/ 铝界面形状、 极距、 氧化铝含量、 电解温
度、 过热度、 初晶温度、 槽膛内型等。
(3) 开发包括惰性阳极等新型结构铝电解槽。 现有电解铝技术仍存在严重缺陷。 首先
·264· 铝电解技术问答是采用炭活性阳极, 铝电解生产过程中排出大量二氧化碳和全氟碳化物等温室气体, 预焙
阳极制作过程中排放大量的沥青烟气, 这些都严重污染人类的生存环境。 其次是因受阴极
材料性能和强大的磁流体流动性影响, 为了有效抑制金属铝液的流动和二次反应, 电解过
程的铝液必须保持在合适的高度。 一定高度的铝液层制约了电解过程电流效率的进一步提
高和能耗的降低。
针对以上缺陷, 几十年来众多铝企业十分重视新型结构电解槽技术的研究开发。 开发
新型电解槽的阴极、 阳极或整体结构的目的是减少电解槽金属熔体中的水平电流, 有效抑
制金属熔体在电磁力的作用下的波动, 降低电解极距, 提高电解槽运行的稳定性, 实现节
能; 提高阳极电流密度、 提高设备的单位产出率和改善环保。 特别是投入巨资开发惰性阳
极技术, 以求大幅度降低能耗和成本, 改善环境, 实现可持续发展。
目前研究较多的新型结构铝电解槽, 主要有可湿润、 导流式阴极组合电解槽以及惰性
阳极和可湿润、 导流式阴极组合电解槽。 待解决的问题主要有:
1) 可湿润、 导流式阴极的材料及制作工艺的优化研究;
2) 适用于可湿润、 导流式阴极组合电解槽的炭素阳极结构形式的研究;
3) 新型结构电解槽的物理场研究;
4) 新型结构电解槽的结构设计研究;
5) 适用于新型结构电解槽的新型电解质体系研究;
6) 适用于新型结构电解槽的专用设备的研究;
7) 适用于新型结构电解槽的工艺参数及生产技术研究;
8) 惰性阳极的材料及制作工艺的研究;
9) 惰性阳极的结构、 连接形式及连接材料的研究;
10) 适用于惰性阳极的新型电解质体系研究。
(4) 开槽阳极的研发。 目前铝电解槽所采用的炭阳极均为底部水平的方块阳极, 底面
积大, 不利于阳极气体排放。 在阳极底掌下, 总有部分面积被电解产生的气泡所覆盖, 使
电解质与炭阳极之间接触面积减少, 极间电阻增大。 采用这种阳极不利于极间的传质, 电
解过程中当极间氧化铝含量降低, 电解质同炭阳极之间的湿润性变差, 就会引发阳极效
应, 危害电解正常进行。
研究和工业试验证实, 开槽阳极更有利于阳极气体的排出, 降低阳极气体对阳极底掌
的覆盖率, 降低阳极气膜电阻, 同时也使阳极周围形成的电解质流场能更好地促进槽内的
传质、 传热。 阳极气膜电阻的降低和传质、 传热条件的改善, 进一步降低了阳极过电压,
这样就有利于降低吨铝能耗。
(5) 新型阴极材料的推广应用。 在铝电解生产过程中, 电解槽内衬材料工作在极其恶
劣的环境中, 承受着强大的热应力冲击及钠和冰晶石的化学侵蚀、 渗透及由此引起的一系
列化学反应; 另外, 其作为强大直流电的导体还要求有很好的导电性能。 因此, 阴极质量
的好坏对电解槽的电流效率、 电耗以及槽寿命影响很大。 目前较看好的阴极材料主要有:
1) 石墨化阴极。 石墨化阴极炭块抗钠侵蚀性能好, 由于石墨晶格结构发育完整, 是
各种炭材料中抗钠侵蚀性能最好的一种, 其电解膨胀率仅为 0. 1% 左右, 使用石墨化阴极
有助于电解槽寿命的延长。
石墨化阴极炭块导电性能好, 其电阻率仅为普通阴极的 20% 左右, 使用石墨化阴极的
第十九章 铝电解生产指标、 成本及发展方向 ·265·电解槽炉底压降低, 一般来说可使炉底压降降低 80 ~100mV。
石墨化阴极炭块的导热性能好, 采用石墨化阴极炭块时, 电解槽散热性能也好, 有利
于形成完整炉帮。
由于石墨化阴极炭块的导电、 导热性能好, 阴极压降低, 为强化电流提供了可能, 有
利于提高电流密度、 增加产量。
石墨化阴极的抗热震性能好。 石墨化阴极优越的抗热震性能为电解槽的平稳运行和延
长槽寿命提供了可能。
石墨化阴极在电解槽运行期间的变质度低。 无定形炭的阴极在电解槽运行 1000 多天
后, 抗弯强度明显变差, 仅约为原始数据的 30% ~40% , 而石墨化阴极几乎无变化。
2) 可湿润阴极。 随着材料科学与工程技术取得重大进展, 铝工业界尝试着用与铝液
具有良好湿润性阴极取代现行的炭素阴极, 铝离子可以直接在此阴极上放电而生成铝, 槽
内仅在阴极表面保持一层很薄的铝液膜, 由此可消除磁场对电解过程的干扰, 大大缩短阳
极和阴极之间的距离, 从而大幅度地提高电能效率、 节省电能。
理想的惰性可湿润阴极应该满足以下要求: 对铝液有良好的湿润性; 不溶于电解质和
铝液中, 能抵御铝液和电解质的侵蚀; 能耐高温、 在高温下有良好的导电性、 高的机械强
度、 抗磨损性和抗热冲击能力; 能够和基体材料良好地结合; 容易加工成形, 原料来源广
泛, 生产制造、 安装施工和应用成本低。
能够满足上述惰性可湿润阴极要求的材料不多, 主要是高熔点的钛、 锆化合物, 其中
尤以 TiB2 和 ZrB2 材料为最好。 我国一体化成形 TiB2-C 复合层阴极技术, 结合我国半石墨
质阴极炭块的生产工艺特点, 利用电煅炉连续生产纯度较高的 TiB2-C 复合粉体材料, 实
际生产成本约 90 元/ kg, 比原有生产方法的生产成本下降了 50% 以上。 用该技术生产的
TiB
2-C 复合粉体材料制造可湿润阴极, 可使大型预焙电解槽筑炉成本增加额减少一半以
上, 能工业化生产大规格可湿润阴极炭块, 在大型预焙铝电解槽上具有广阔的推广应用
前景。
3) 高石墨质阴极。 高石墨质阴极炭块就是生产中所配入的石墨含量高于 30% 的阴极
炭块。 通常根据其用途一般按 30% 、 50% 和 100% 配入石墨。 100% 石墨含量的阴极炭块
又称为全石墨质阴极炭块。
高石墨质阴极炭块既具备了良好的导电性能、 抗钠侵蚀能力和抗热震性能的特性, 又
具有机械强度性能好的特点。 是一种适宜于大型电解槽上使用的新型阴极材料, 是普通阴
极炭块和半石墨质阴极炭块的换代产品。 由于电阻率和钠膨胀率低, 可降低槽底压降、 改
善炉底状况、 延长槽寿命, 同时为提升和强化电流创造了有利条件。
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