1、铝液焙烧法的基本原理是在预备焙烧的新槽或大修后的电解槽的阴极与阳极之间注入铝液,然后通电,借助铝液、阴极炭块和阳极炭块的电阻热使电解槽升温。这种焙烧电解槽方法的缺点是:a.高温铝水瞬间倒入冷槽中,巨大的温差产生的热冲击轻易使阴极炭块产生裂纹。b.电解槽的忽然升温使槽内衬中的水分大量蒸发,膨胀所产生的气体压力轻易从炭块与捣固糊之间的薄弱连接处或处于塑性状态捣固糊的某个薄弱部位拱出,从而使槽底产生孔缝或孔洞。C.新槽或大修的电解槽内,有数吨捣固糊,按理论,它们的焙烧需要遵守严格的焙烧曲线,并且由外向里焙烧才能具有一定的强度和密度,才能不产生裂纹,并与阴极炭块有很好的粘结。而铝液焙烧时,900℃以上的高温铝水倒入冷槽,使槽内衬的捣固糊在突如其来的高温下焙烧分解,必然导致捣固糊焙烧的强度很低、孔隙大、裂缝多。铝液焙烧的优点是方法简单,槽内焙烧温度和电流分布相对比较均匀。在焙烧结束前,角部和边部的温度都可以达到800℃以上。
2、炭粉(石墨粉)焙烧也称之为炭粒焙烧。其原理是在阳极和槽底炭块的窄缝之间铺设炭粉(石墨粉)或炭粒,使阳极和阴极之间实现电连接,然后通电,借助于阳极、炭粉层和阴极的电阻产生的焦耳热,加热焙烧电解槽。该法相对铝液焙烧法来说,其优点是升温焙烧速度得到了较好的控制,消除了铝液焙烧的缺点。其缺点是由于两极之间铺的焦粉的导电性对温度而言是随着温度的升高而降低,即具有负的温度系数,而且电阻受焦粉的粒度、粒度分布、密度和外部压力的影响变化较大,因此使阴极电流分布较不轻易控制,槽底轻易出现局部电流过高而产生局部过热,由此而产生槽底裂纹也在所难免。炭粉焙烧的另一个最大缺点是由于炭块和捣固糊的导热系数很小,即使在焙烧终了时,其角部和边部的温度也只在500℃左右。在此情况下开动电解槽时,倒入高温电解质熔体,较大的温差也轻易使边部捣固糊承受较大的热冲击,而产生裂缝和裂纹,其边部捣固糊的焙烧强度也得不到保证。除此之外,焦粉焙烧在开始阶段不能使用全电流,这使操作变得复杂,假如使用分流器,造成电能浪费,假如不使用分流器,又给供电和其它电解槽的生产带来影响。
3、火焰焙烧法的原理是用火焰使电解槽内衬得到加热焙烧。由于这种焙烧方法的传热过程是由外向里,符合炉衬材料非凡是捣固糊的焙烧升温制度,因此用该法焙烧的电解槽的质量最好,捣固糊焙烧的强度最高。这种方法克服了铝液焙烧和炭粉焙烧的缺点,因此是一个较为理想的、有利于提高电解槽寿命的焙烧方法。其缺点是操作非常复杂,附加设备也比较多,且槽内衬轻易氧化。
4、固体铝焙烧法与炭粉焙烧法有些相近,它也和炭粉焙烧法一样,在焙烧过程中,阳极导杆与阳极母线之间使用软导体连接。为了在焙烧初期一段时间内使阴极炭块及捣固糊的升温速度不至太快而使用分流技术。固体铝焙烧法与炭粉焙烧法的不同之处仅在于阳极炭块于炭块阴极之间不是用炭粉或石墨粉,而是用固体铝(铝锭、铝板、铝屑,或者是铝锭与铝屑、铝板与铝屑的结合)。固体铝焙烧的优点是:a.具有铝液焙烧法的优点而克服了铝液焙烧法的缺点。2.电流分布均匀,不轻易产生局部过热。b.固体铝在660℃左右的温度熔化后,会逐渐地流到整个槽膛内,利用铝液具有非常好的导热性的优点,使整个槽膛内各处温度比较均匀。其典型的铝电解槽固体铝焙烧方法。
5.电解槽的启动
(一)启动需重视的几个问题
⑴电解槽启动起来后要保持适当高的槽电压,以便使电解槽有足够的能量输入,保证电解质要有较高的温度,使其电解槽不能过早地出现槽底沉淀和槽帮结壳,并使电解槽阴极内衬包括侧部碳内衬和阴极碳块的底部都被熔融的电解质所渗透,用一句俗话,就是让电解槽内衬吃饱喝足电解质;
⑵电解槽内衬“吃饱喝足”电解质熔体后,开始缓慢地降低槽电压,降低电解质温度,直至正常的电解温度,在降温降低槽电压过程中,槽内衬温度也逐渐降低,直到正常电解温度,槽侧衬碳块中和侧缝中的电解质凝固,在侧部形成槽帮结壳,电解槽阴极碳块底部的电解质也能形成一层防渗的凝固电解质壳;
⑶在电解槽启动起来后,要保障电解槽各个技术操作参数的稳定性,使其非常平稳地过渡到正常生产阶段,这其中最重要的除了温度和槽电压两个参数外,就是电解质的成份。由于新的电解槽内衬在开动初期要吸收大量的电解质,它是靠化学和电化学的方式吸收进去的。被吸收进电解槽阴极碳块内衬的电解质成份主要是氟化钠,因此,开动初期,电解槽电解质的酸化程度非常地快。因此在电解槽开动后的早期阶段,要适当地补充Na2CO3,待电解质中的NaF向阴极碳块中的渗透达到一定程度,电解质成份的变化由电解质中AlF3的挥发(挥发产物为NaAlF4)起主导作用时,再改加AlF3,由添加AlF3实现调整和控制电解质成份的稳定性。至于电解槽开动初期,电解质的成份应为碱性、中性,还是酸性,现在尚无同一的定论,各国都在实践摸索中。
6.电解槽阴极碳块的选择
(一)分类:
无烟煤无定型炭质碳块,
无烟煤 石墨粉的混合型炭质碳块,
半石墨质碳块,
半石墨化碳块,
全石墨碳块
(二)选择
石墨化阴极碳块虽然具有最好的导电、导热、抗热冲击性能、抗钠膨胀性能和抗电解质腐蚀性能,但由于其极差的抗铝液冲刷和磨蚀性能,因此很难在电解槽上推广使用。基于同样的道理,石墨化、半石墨质碳块在铝电解槽上的应用也不多。少数文献上的报道,也多为试验电解槽上试用,大面积地采用这两种阴极碳块的电解槽很少报道。实际上,国外大型电解槽最为广泛采用的还是添加30~50%石墨粉的无烟煤基炭质碳块,这种碳块虽然在导电、导热、抗热冲击、抗钠膨胀、抗电解质腐蚀性能方面赶不上石墨化碳块、半石墨化碳块和半石墨质碳块,但要比全无烟煤炭质碳块要好得多,且其机械性能、抗铝液冲刷和磨蚀性能也很好,完全可以承受电解槽8~10年使用寿命对铝电解槽阴极碳块的要求。
为了得到半石墨质碳块所具有的优良导热、导电、抗热冲击、抗钠膨胀、抗电解质腐蚀性能,又要得到无烟煤无定型炭质碳块非常好的机械性能、抗铝液冲刷和磨蚀性能,国内外正在研发一种上部为无烟煤无定型材料、下部为石墨质的新型阴极碳块,这种碳块以其完美的性能可能是未来的发展方向。
7.电解槽内衬中的耐火材料
槽底的防渗耐火材料
国外也有研究并使用非晶态的物质作为炉底防蚀材料, 这种材料由于其非晶态而有很好的抗电解质腐蚀性能。
但是到目前为止,人们对阴极碳块周边,阴极钢棒四周的耐火材料抗电解质腐蚀性方面进行的研究并不多,很少在文献见到有关这方面的报道。目前在工业电解槽使用的大都为耐火颗粒和耐火水泥为原料制成的浇铸型耐火混凝土。由于这种浇铸型耐火混凝土,以大量的水为调和剂,水分含量高,在电解槽焙烧和启动过程中,大量的水汽被排出,会在槽内衬中产生很大的压力,并从槽筑炉内衬的薄弱区逸出,极轻易在薄弱区产生可以使电解质和铝液渗漏的较大孔道,为槽底早期漏铝破损的主要原因之一。