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针对制约电解铝工业高能耗、高资源消耗、生产率低等现状,研发先进可靠的工艺技术、装备技术和控制技术,获得清洁生产、高效节能的生产技术,一直是中国铝工业发展的不懈追求。论文研究以420kA铝电解试验槽为研究主体,开发出节能减排技术、新工艺,形成了420kA高效节能新型大型预焙铝电解槽技术,为工程运用提供了坚实的基础。针对420kA电解槽物理场波动大、稳定性差等问题,通过四种不同内衬结构试验电解槽电场、热场、流场平衡研究,开发出“高能效曲面磷生铁阴极保温技术、阳极电流均匀性控制技术”,高性能纳米保温材料强保温型电解槽实现能量收入与支出差额为1.6%,阳极电流偏差值≤1.0 mV、分布值≤3.0mV,平均流速15.23cm/s,与平面磷生铁阴极电解槽相比提高电流效率1.29%,降低交流电耗254.35kWh/t.Al。解决了电解槽高能耗、低效率等工程技术问题,揭示了420kA预焙铝电解槽物理场稳定性控制的影响因素及影响规律。针对阴极炭块水平电流高、磷生铁浇铸工艺存在钢棒与耐材长度、宽度等多维度方向膨胀收缩系数差异大的问题,开发出“曲面阴极磷生铁与捣固糊相结合的抑制水平电流组装技术”,在阴极炭块石墨含量30%条件下采用两点浇铸、燕尾结构炭块组合新技术浇铸合格率达到100%,实现水平电流1218 A/m~2,与传统平面阴极捣固糊工艺水平电流2721 A/m~2相比减少1503 A/m~2,降低阴极压降60~70mV,降低原铝直流电耗195~250kWh/t.Al。解决了阴极炭块水平电流高、磷生铁浇铸易产生微小裂纹致合格率低等工程技术问题。针对铝电解用阳极炭块在高温工况条件下受空气、二氧化碳、氟化氢等气体氧化腐蚀致炭粒脱落对电解工艺体系造成不利影响等问题,开发出阳极炭块用BY-2型纳米陶瓷基耐高温防腐蚀复合涂料,500~600℃温度下在阳极炭块表面形成致密陶瓷层,延长阳极炭块周期0.8天,实现阳极毛耗472kg/t、降低2.22%,净耗395kg/t、降低1.56%,工程化应用降低阳极钢爪腐蚀速率60.21%,减少碳排放39.35 kg/t.Al。解决了炭素阳极氧化腐蚀工程技术问题,对炭素阳极起到良好的保护作用。通过创新技术的集成应用,形成完整的大型预焙铝电解槽先进流程制造。研究成果应用于420kA30万吨/年“高能效、低电耗”电解铝绿色低碳示范线,133台电解槽实现原铝生产交流电耗12765kWh/t.Al,39台电解槽实现原铝生产交流电耗12710kWh/t.Al,优于国家工信部发布的2017年电解铝“领跑者”原铝交耗12817kWh/t.Al,降低阳极毛耗10.73 kg/t,减少碳排放39.35 kg/t.Al,降低钢爪带入铁含量143ppm/t.Al,节约炭块3219吨/年,减少碳排放11804吨/年。论文研究实现了电解槽节能减排、清洁生产关键核心技术的突破。