泄流式TiB2/C阴极电解槽研究

论文摘要

降低铝电解生产成本、提高国际竞争能力、电解铝厂电流效率等指标的进一步提高，应当依靠良好的电解槽热设计和母线磁场设计以及先进的铝电解槽控制技术，通过提高电解槽内阴极铝液面的稳定性和电解槽工艺操作的稳定性，采用新型阳极材料、阴极材料和新型的槽结构等来实现。 近些年来，虽然我国的电解铝技术取得了突飞猛进的发展，但在电解槽槽寿命等方面与国外先进技术仍有较大的差距。关于电解槽早期破损的原因，除了与电解槽的设计、筑炉质量有关外，还与电解槽的内衬材料以及电解槽的生产操作有关。其中很重要、也是对电解槽早期破损起主要作用的是电解过程中钠和电解质熔体向阴极碳块内部的渗透。由于电解槽铝液渗漏多数出现在槽侧部，沿钢棒孔流出，因此侧下部耐火混凝土的性能对于延长内衬寿命就非常重要。本文对阴极周围耐火混凝土进行了研究。 选用具有较高耐火度和较好化学稳定性的耐火原料，用捣制法制成了泄流式铝电解槽阴极碳块侧下部周围耐火混凝土材料，并取样对其在不同温度下的膨胀系数和抗冰晶石熔体的腐蚀性能进行测定与实验。结果表明，自制的耐火混凝土抗电解质的腐蚀性能明显高于现行铝工业上采用的耐火混凝土。从宏观比较可以看出，经过相同条件腐蚀后，自制的耐火混凝土四周几乎没有明显被腐蚀缩小的迹象。 工艺和操作条件对电解槽内电流场及铝液流速场有很大的影响。本文利用课题组编制的软件对190kA大型预焙阳极电解槽电流场和铝液流速场进行了计算，并实地测量了190kA电解槽铝液流速场，结果表明测试结果和模拟计算结果基本吻合。由此表明利用本文软件计算电解槽的电流场和流速场是可信的。 新型结构电解槽，特别是泄流式电解槽代表着将来电解槽的发展方向。由于泄流式电解槽的特殊结构，本文对94kA泄流式电解槽的电热场首先进行了模拟计算，该泄流式电解槽是在75kA预焙槽的基础上改造而成的。模拟结果表明，电解槽阴、阳极中的电流分布与预焙槽相似，

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪言
• 1.1 铝电解基本原理
• 1.2 Hall-Héroult铝电解槽结构的发展
• 1.3 国内外工业铝电解技术现状
• 1.3.1 铝电解槽电热场模拟的发展及现状
• 1.3.2 铝电解槽电流效率及研究现状
• 1.4 铝电解槽的电能消耗和节能途径
• 1.5 铝电解槽底部耐火材料及侧下部耐火浇注料的研究现状
• 1.6 铝电解新技术的发展及未来铝工业的发展趋势
• 2／C阴极铝电解槽'>1.7 泄流式TiB₂／C阴极铝电解槽
• 1.8 本文研究的主要内容
• 第二章 预焙阳极及泄流式铝电解槽电流场和流速场数值计算
• 2.1 铝电解槽电流场数值计算
• 2.1.1 计算方法
• 2.1.2 边界条件
• 2.1.3 系数矩阵与常数项矩阵的生成及方程求解
• 2.1.4 铝电解槽电流场数值计算
• 2.2 大型预焙阳极铝电解槽流速场的数值计算
• 2.2.1 铝电解槽铝液流速场的计算
• 2.2.2 结果讨论
• 2.2.3 电解槽内铝液流速场的测定
• 2.3 小结
• 第三章 泄流式铝电解槽热场数值计算
• 3.1 计算方法、边界条件及相关数据
• 3.1.1 计算方法
• 3.1.2 边界条件
• 3.1.3 计算所需数据的选取
• 3.2 泄流式电解槽的内衬结构及工艺参数
• 3.3 泄流式电解槽电流强度的选择
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 阴极倾角对泄流式电解槽电热场的影响
• 3.4.2 聚铝沟内铝液高度对泄流式电解槽电热场的影响
• 3.4.3 聚铝沟宽度对泄流式电解槽电热场的影响
• 3.4.4 适当降低电流并加强侧部保温
• 3.5 电解槽的能量损失分析
• 3.6 电解槽热场计算软件的验证
• 3.6.1 热平衡测定的理论基础
• 3.6.2 热平衡的测定
• 3.6.3 300kA电解槽内衬结构
• 3.6.4 铝电解槽热平衡的测定结果
• 3.7 小结
• 第四章 铝电解槽捣固耐火混凝土的研究
• 4.1 阴极周围捣固耐火混凝土对电解槽寿命的重要性
• 4.2 捣固耐火混凝土材料的制备
• 4.2.1 原料
• 4.2.2 制备方法
• 4.3 制品理化性质的测定
• 4.3.1 密度
• 4.3.2 捣固耐火混凝土含水和失重的测试
• 4.3.3 新型捣固耐火混凝土热膨胀性的测定
• 4.3.4 抗腐蚀性能试验
• 4.4 耐火混凝土腐蚀机理的讨论
• 4.5 小结
• 2的制备'>第五章 TiB₂的制备
• 5.1 前言
• 2的性质及其在铝电解槽阴极上的应用'>5.1.1 TiB₂的性质及其在铝电解槽阴极上的应用
• 2的制备'>5.1.2 TiB₂的制备
• 2的热力学计算'>5.2 碳热还原法制取TiB₂的热力学计算
• 2的方法与实验研究'>5.3 碳热还原法制取TiB₂的方法与实验研究
• 2的方法与实验研究'>5.3.1 在石墨化炉炉芯上部高温区制取TiB₂的方法与实验研究
• 2的方法与实验研究'>5.3.2 利用矿热炉制取TiB₂的方法与实验研究
• 2与C组分的定量分析'>5.4 产品中TiB₂与C组分的定量分析
• 2／C阴极对TiB₂的质量要求'>5.4.1 泄流式TiB₂／C阴极对TiB₂的质量要求
• 2和C的定量分析'>5.4.2 产品中的TiB₂和C的定量分析
• 5.5 小结
• 2／C阴极电解槽的电极过程'>第六章 TiB₂／C阴极电解槽的电极过程
• 6.1 阳极过程及过电压
• 6.1.1 阳极过程
• 6.1.2 阳极过电压
• 6.2 阴极过程
• 6.2.1 铝电解槽阴极上的一次电解产物
• 6.2.2 阴极电解反应
• 6.3 阳极过电压与阴极过电压测定
• 6.3.1 阳极过电压与阴极过电压的测定方法
• 6.3.2 测定阳极过电压和阴极过电压的实验电解槽
• 6.4 实验用试剂及电解质成分
• 2／C阴极的制备'>6.5 TiB₂／C阴极的制备
• 6.6 测定结果及讨论
• 6.6.1 阳极过电压测定结果
• 6.6.2 阳极过电压的机理
• 6.6.3 阴极过电压测定结果及讨论
• 6.7 小结
• 2／C阴极中的膨胀与渗透机理研究'>第七章 铝电解过程中钠在TiB₂／C阴极中的膨胀与渗透机理研究
• 7.1 实验
• 7.2 实验结果及讨论
• 2／C复合材料在电解过程中的膨胀率'>7.2.1 TiB₂／C复合材料在电解过程中的膨胀率
• 7.2.2 电解过程中阴极碳块钠膨胀机理讨论
• 2／C阴极中的渗透'>7.2.3 电解过程中钠在TiB₂／C阴极中的渗透
• 2／C阴极中的渗透机理讨论'>7.2.4 钠在TiB₂／C阴极中的渗透机理讨论
• 7.3 小结
• 2／C阴极铝电解槽电解实验'>第八章 1350A泄流式TiB₂／C阴极铝电解槽电解实验
• 8.1 电解槽的结构设计与制作
• 8.2 阳极制作
• 8.3 阴极的制作
• 2／C阴极碳块的技术特征'>8.3.1 TiB₂／C阴极碳块的技术特征
• 2／C复合材料阴极的制作方法'>8.3.2 泄流式TiB₂／C复合材料阴极的制作方法
• 8.4 泄流式电解槽的砌筑
• 8.5 泄流式电解槽的供电
• 8.6 电解槽的焙烧启动及操作
• 8.6.1 铝电解槽焙烧方法的选择
• 8.6.2 焙烧前的准备
• 8.6.3 电解槽的通电焙烧、启动和正常操作
• 8.7 电解实验结果及讨论
• 8.7.1 电解槽的电流效率
• 8.7.2 槽电压噪声
• 2／C阴极的寿命'>8.7.3 TiB₂／C阴极的寿命
• 8.7.4 电解后阴、阳极观察
• 8.8 小结
• 第九章 结论
• 9.1 结论
• 9.2 研究的主要创新点
• 9.3 展望与建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表和待发表的学术论文
• 致谢
• 作者简介