第一講 電解工藝及設(shè)備

1、主講人：劉桂琴主講人：劉桂琴遼寧省機械研究院遼寧省機械研究院Page 2www.ln-第一章 電解工藝及設(shè)備u1.1 1.1 概述概述u1.2 1.2 電解工藝電解工藝u1.3 1.3 電解槽設(shè)備分類電解槽設(shè)備分類u1.4 1.4 電解用碳素陽極概述電解用碳素陽極概述u1.5 1.5 碳素陽極制備技術(shù)碳素陽極制備技術(shù)u1.6 1.6 積放式懸掛輸送機積放式懸掛輸送機 本本章章主主要要內(nèi)內(nèi)容容Page 3www.ln-1.1 概述u 銅、鉛、鋅、鋁等有色金屬經(jīng)過電解工序得到要求的純金屬的冶煉過程。銅、鉛、鋅、鋁等有色金屬經(jīng)過電解工序得到要求的純金屬的冶煉過程。u 電解工序有兩種方法：電解工序有兩

2、種方法：u 電解精煉法（簡稱電解法）電解法采用可溶陽極，陽極是消耗品電解精煉法（簡稱電解法）電解法采用可溶陽極，陽極是消耗品 電解沉積法（簡稱電積法）電積法采用不可溶陽極，陽極不是消耗品。電解沉積法（簡稱電積法）電積法采用不可溶陽極，陽極不是消耗品。 金屬鋁生產(chǎn)主要采用熔鹽電解法，金屬鋁生產(chǎn)主要采用熔鹽電解法， 既在電解槽中以冰晶石既在電解槽中以冰晶石-氧化鋁熔體為電解質(zhì)，通入直流電，在碳素氧化鋁熔體為電解質(zhì)，通入直流電，在碳素陽極及陰極的參與下，電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生出液態(tài)鋁。陽極及陰極的參與下，電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生出液態(tài)鋁。 電解（電解（Hall-HeroultHall-Hero

3、ult）煉鋁法的典型特點之一是陽極屬于消耗性陽極）煉鋁法的典型特點之一是陽極屬于消耗性陽極 Page 4www.ln-1.2 電解工藝.1電解工藝流程圖電解工藝流程圖Page 5www.ln-u電解法生產(chǎn)金屬鋁所用主要設(shè)備是電解槽電解法生產(chǎn)金屬鋁所用主要設(shè)備是電解槽u電解槽由陽極和陰極組成。電解槽由陽極和陰極組成。u陰極是一個長方形金屬外殼，底部鋪砌保溫磚和耐火磚絕熱，陰極是一個長方形金屬外殼，底部鋪砌保溫磚和耐火磚絕熱，耐火磚上面鋪以炭塊，炭塊中間插一鋼棒并伸出殼體外，并耐火磚上面鋪以炭塊，炭塊中間插一鋼棒并伸出殼體外，并與陰極母線連接。陽極是用碳素（石油焦）粉粒作骨料，用與

4、陰極母線連接。陽極是用碳素（石油焦）粉粒作骨料，用瀝青做粘結(jié)劑混捏成糊經(jīng)冷卻制成塊狀陽極。瀝青做粘結(jié)劑混捏成糊經(jīng)冷卻制成塊狀陽極。u鋁電解生產(chǎn)過程是：鋁電解生產(chǎn)過程是： 直流電從架在電解槽上部的陽極母線直流電從架在電解槽上部的陽極母線3 3，通過陽極鋁導(dǎo)桿，通過陽極鋁導(dǎo)桿導(dǎo)入陽極導(dǎo)入陽極6 6，經(jīng)過電解質(zhì)進入陰極，從陰極棒，經(jīng)過電解質(zhì)進入陰極，從陰極棒9 9匯集到陰極母匯集到陰極母線，再送到下一下一臺的陽極上，所以電解車間的的電解槽線，再送到下一下一臺的陽極上，所以電解車間的的電解槽是串聯(lián)的，陽極浸在電解質(zhì)中，與陰極保持一定距離（約是串聯(lián)的，陽極浸在電解質(zhì)中，與陰極保持一定距離（約40mm40

5、mm）該距離叫極距。當有電流通過時便對溶解在電介質(zhì)中）該距離叫極距。當有電流通過時便對溶解在電介質(zhì)中的氧化鋁（的氧化鋁（AI2O3AI2O3）進行電解。三價鋁離子沉積在陰極（底槽）進行電解。三價鋁離子沉積在陰極（底槽）上，氧離子與陽極化合成二氧化碳或一氧化碳，從電解槽逸上，氧離子與陽極化合成二氧化碳或一氧化碳，從電解槽逸出。因此陽極逐漸消耗。出。因此陽極逐漸消耗。u鋁電解通入直流電的目的是一方面用它的熱能將冰晶石融化，鋁電解通入直流電的目的是一方面用它的熱能將冰晶石融化，并保持一定電解溫度，另一方面主要也是要在兩極實現(xiàn)實現(xiàn)并保持一定電解溫度，另一方面主要也是要在兩極實現(xiàn)實現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，也就是要

6、在兩極實現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)反應(yīng)，也就是要在兩極實現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)。1.2.1鋁電解生產(chǎn)流程Page 6www.ln-電解車間電解槽排布電解車間電解槽排布Page 7www.ln-3.2.2高溫熔鹽電解煉鋁法發(fā)展過程u 電解鋁廠平面布置圖電解鋁廠平面布置圖Page 8www.ln-1.2.2高溫熔鹽電解煉鋁法發(fā)展過程u 高溫熔鹽電解煉鋁法是1886年由美國的Hall和法國的Heroult發(fā)明煉鋁的基本方法，高溫熔鹽電解煉鋁法發(fā)展到現(xiàn)在，鋁電解工業(yè)無論在工藝技術(shù)水平，還是在生產(chǎn)規(guī)模以及在自動化程度上均取得了突飛猛進的發(fā)展；尤其在近30年間，鋁電解生產(chǎn)的電流效率由80多提高到現(xiàn)在最高水平的96%，電解

7、直流電耗由過去的16000多kWh/噸鋁降低到現(xiàn)在的13000kWh/噸鋁以下；在生產(chǎn)規(guī)模方面，鋁電解槽由幾仟安培的規(guī)模擴大到現(xiàn)在的320KA，甚至500KA。一個多世紀以來，工業(yè)鋁電解槽經(jīng)歷了由小型預(yù)焙陽極電解槽、側(cè)插式自焙陽極電解槽、上插式自焙陽極電解槽到大型預(yù)焙陽極電解槽的發(fā)展階段；在自動化控制程度上，成功地開發(fā)出了控制精度高、系統(tǒng)魯棒性好、具有明顯的增產(chǎn)節(jié)能效果的電解過程控制系統(tǒng)。全世界年鋁產(chǎn)量由二十世紀初期的6000噸/年發(fā)展到二十世紀末期的2000多萬噸/年。這些進展可以說是基于人們對于高溫熔鹽電解煉鋁法的基本原理有了更加深入的了解和認識。Page 9www.ln-u噸鋁：噸鋁：

8、氧化鋁氧化鋁2 2噸；噸； 冰晶石冰晶石 24kg24kg 炭陽極炭陽極500kg500kgu 直流電耗：直流電耗： 15000kWh/15000kWh/噸鋁噸鋁Page 10www.ln-u 電解槽分類： 電解槽由于陽極的成型方法不同，也有不同名稱，即自焙陽極電解槽和預(yù)焙陽極電解槽 自焙陽極電解槽，是在電解槽槽殼上部一個鋼制框套，將陽極糊加入框套中，插入陽極棒，導(dǎo)入直流電。陽極糊靠電解過程中自身產(chǎn)生的熱量，焙燒成堅硬的塊狀。故名自焙陽極電解槽。陽極棒插入的方向不同派生出側(cè)插、和和上插槽。 預(yù)焙陽極電解槽，是先把陽極糊用成型機（振動或擠壓）制成塊狀，預(yù)先在焙燒爐中焙燒，再與導(dǎo)桿、鋼爪等構(gòu)件組成

9、陽極組，然后直接掛在電解槽的陽極母線上。 1.3 電解槽設(shè)備及分類Page 11www.ln-預(yù)焙電解槽與自焙電解槽預(yù)焙電解槽與自焙電解槽Page 12www.ln-電解槽發(fā)展u 自焙陽極電解槽優(yōu)點：自焙陽極電解槽優(yōu)點： 1 1） 自焙陽極可以連續(xù)工作而不必更換；自焙陽極可以連續(xù)工作而不必更換； 2 2） 利用電解槽熱量焙燒陽極利用電解槽熱量焙燒陽極, ,節(jié)省能量；節(jié)省能量； 3 3）不需建壓型、焙燒、組裝設(shè)備）不需建壓型、焙燒、組裝設(shè)備, ,節(jié)省投資。節(jié)省投資。 缺點：缺點：1 1）瀝青煙直接在電解槽上部散發(fā)）瀝青煙直接在電解槽上部散發(fā), ,環(huán)境污染嚴重環(huán)境污染嚴重, , 2) 2) 煙氣凈

10、化和自動化操作困難；煙氣凈化和自動化操作困難； 3)3)自焙陽極橫截面積的局限限制了電解槽容量的提高；自焙陽極橫截面積的局限限制了電解槽容量的提高； 4)4)陽極操作比預(yù)焙陽極復(fù)雜陽極操作比預(yù)焙陽極復(fù)雜, ,陽極電阻率較高陽極電阻率較高, ,電耗較大電耗較大. . u 預(yù)焙陽極電解槽優(yōu)點：預(yù)焙陽極電解槽優(yōu)點： 操作比較簡單操作比較簡單, ,陽極電壓降比自焙陽極低陽極電壓降比自焙陽極低, ,易于實現(xiàn)機械化、自動化易于實現(xiàn)機械化、自動化, , 消除了電解過程中消除了電解過程中的瀝青煙害的瀝青煙害, ,有利于電解槽向大容量方向發(fā)展有利于電解槽向大容量方向發(fā)展. . 缺點：制造陽極炭塊需經(jīng)過成型、焙燒

11、工序缺點：制造陽極炭塊需經(jīng)過成型、焙燒工序, ,陽極組裝工段成本高陽極組裝工段成本高, ,投資也遠投資也遠 大于陽極大于陽極糊生產(chǎn)的投資糊生產(chǎn)的投資. .Page 13www.ln-u 鋁用炭素陽極材料可分為陽極糊和預(yù)焙陽極炭塊兩大類。陽極糊未經(jīng)焙燒，直接用在自焙鋁電解槽上作陽極；陽極炭塊已經(jīng)成型和焙燒，用于預(yù)焙鋁電解槽作陽極。陽極材料分類如圖 碳素陽極分類碳素陽極分類1.4 電解用碳素陽極概述電解用碳素陽極概述Page 14www.ln-u以陽極糊為主體所構(gòu)成的連續(xù)自焙陽極可以連續(xù)工作而不必更換，其利用電解槽熱量焙燒陽極，節(jié)省能量，不需建壓型、焙燒設(shè)備、節(jié)省投資。但由于瀝青煙直接在電解槽上部

12、散發(fā)，環(huán)境污染嚴重，給鋁電解生產(chǎn)煙氣凈化和自動化操作帶來困難，此外自焙陽極橫截面積的局限限制了電解槽容量的提高，陽極操作比預(yù)焙陽極復(fù)雜，陽極電阻率較高，電耗較大。u以陽極炭塊為本體構(gòu)成的預(yù)備陽極操作比較簡單，陽極電壓降比自焙陽極低，易于實現(xiàn)機械化、自動化，且消除了電解過程中的瀝青煙害，有利于電解槽向大容量方向發(fā)展。但是，制造陽極炭塊需經(jīng)過成型、焙燒工序，工藝流程長，成本高，投資也遠大于陽極糊生產(chǎn)的投資。Page 15www.ln-u 鋁電解預(yù)焙陽極由預(yù)先焙制的陽極炭塊、導(dǎo)桿及鋼爪等組成。u 預(yù)焙陽極多為間斷式。每組陽極可使用1828天（換極周期）。當陽極炭塊被電解反應(yīng)消耗為原有高度的25%左右

13、時，為了避免鋼爪熔化，就必須將舊的一組陽極炭塊吊出，用新的炭塊組替換。取出的炭塊稱為“殘極”。u 預(yù)焙陽極的操作主要有吊出殘極，清理殘極，新炭塊組組裝，安裝新炭塊組等。由于預(yù)焙陽極操作簡單，沒有瀝青煙害，易于實現(xiàn)機械化、自動化，可使電解槽大型化，和獲得高效益，因此國內(nèi)外新建大型鋁廠多采用此種陽極。 碳素陽極組Page 16www.ln-導(dǎo)桿與鋼爪陽極炭塊Page 17www.ln-u 陽極塊的生產(chǎn)流程：原料煅燒、配料、混捏、成型、焙燒、組裝。陽極塊的生產(chǎn)流程：原料煅燒、配料、混捏、成型、焙燒、組裝。u 先將石油焦進行高溫煅燒，以除去其中的揮發(fā)分，煅燒后焦經(jīng)破碎、篩分、磨粉后，按一定的粒度組成（

14、粗、中、細）配成干料，再與一定量的瀝青混捏成糊狀；制成所需要的塊，經(jīng)冷卻后由輸送機送至炭塊庫，由堆垛天車堆放暫存，或經(jīng)該機直接放到另一輸送機上送至焙燒車間，經(jīng)焙燒爐用多功能機組裝入焙燒爐進行焙燒；再由機組從焙燒爐取出焙燒后的陽極炭塊經(jīng)輸送機送入炭塊庫存放或運送到陽極組裝車間。 Page 18www.ln-u 對于自焙陽極和預(yù)焙陽極，他們的制備技術(shù)基本一致，所不同的是預(yù)焙陽極的制備流程比自焙陽極要長，增加了陽極成型、焙燒和組裝工序。下面就預(yù)焙陽極生產(chǎn)工藝及設(shè)備進行闡述。 原料:鋁電解預(yù)焙炭素陽極的生產(chǎn)原料包括陽極主體組分（又稱骨料）和粘接劑兩大部分。 預(yù)焙陽極的制備工藝及設(shè)備 1.5 碳素陽極制

15、備技術(shù)碳素陽極制備技術(shù)Page 19www.ln-預(yù)焙陽極的制備工藝及設(shè)備Page 20www.ln-回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)流程 Page 21www.ln-u （一）破碎破碎u 1、目的：將煅后焦進一步破碎（破碎粒徑小于12mm），使其滿足配料的要求。u 2、設(shè)備：見破碎機（表一）u （二）（二） 篩分篩分u 1、目的：將破碎后的煅后焦分成不同粒級，以符合科學(xué)配料的要求。u 2、篩分設(shè)備：一般在炭素廠多使用震動篩，此外還有回轉(zhuǎn)篩、搖擺篩等。u （三）破碎設(shè)備（三）破碎設(shè)備u 破碎篩分 破碎和篩分是指將煅燒石油焦破碎,按照配方要求篩分和磨粉分成不同粒級的料,裝入各自的料倉內(nèi)的過程u .破碎機械通常用鄂式

16、、對輥、錘擊、反擊等形式的破碎機.磨粉通常采用球磨機、雷蒙磨等.u （四）配料（四）配料篩分及配料Page 22www.ln-Page 23www.ln-Page 24www.ln-Page 25www.ln-u碳素混捏鍋 Page 26www.ln-Page 27www.ln-Page 28www.ln-u滑稱式振動成型生產(chǎn)線 Page 29www.ln-u 焙燒工藝焙燒工藝 焙燒工藝因爐型不同而有所區(qū)別，但基本工序包括：裝爐、點火升溫、保溫、冷卻、出爐、清砂、檢測。 上述工序都不難理解，只是對清砂工序稍作解釋。 在炭素陽極被焙燒的過程中，因粘接劑瀝青的軟化，有可能使炭素陽極變形，因此，在生

17、塊入爐時，在其周圍縫隙中填滿一些細顆粒的炭素填充料（稱其為焙砂）來支撐陽極，同時，填充料還可以阻止炭塊與空氣接觸，以免在高溫焙燒過程中被空氣氧化。在陽極焙燒完畢出爐時，陽極表面會附著一些填充料顆粒，須對其進行清除才能成為最終的焙燒熟塊。 焙燒工藝及設(shè)備焙燒工藝及設(shè)備 Page 30www.ln-u焙燒設(shè)備焙燒設(shè)備 鋁用炭素陽極的焙燒設(shè)施有隧道窯、導(dǎo)焰窯和多室環(huán)式焙燒爐（也稱為輪窯）等，對于當前規(guī)模化、集團化生產(chǎn)的企業(yè)，采用多室環(huán)式焙燒爐比較合算。Page 31www.ln-24 室兩系統(tǒng)示意圖 Page 32www.ln-火焰系統(tǒng)布置示意圖 ( 依據(jù) 8 室運轉(zhuǎn)為例 ) Page 33www.ln-Page 34www.ln-十字翻轉(zhuǎn)式 Page 35www.ln-1.6積放式懸掛