1、電解鋁概述

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法。熔融冰晶石是溶劑，氧化鋁作為溶質(zhì)，以碳素體作為陽(yáng)極，鋁液作為陰極，通入強(qiáng)大的直流電后，在950℃-970℃下，在電解槽內(nèi)的兩極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，電解得到高溫鋁液，冷卻即得鋁錠。

電解鋁生產(chǎn)流程是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，整個(gè)生產(chǎn)流程可以分為兩大部分，分別為基本生產(chǎn)與輔助生產(chǎn)，其中基本生產(chǎn)單位有礦山部、氧化鋁廠、電解鋁廠、碳素廠；輔助生產(chǎn)單位包括熱電廠、動(dòng)力廠、煤氣廠、中心實(shí)驗(yàn)室、運(yùn)輸部、設(shè)備維修部等。

2、電解槽保溫

電解鋁生產(chǎn)中的電解槽溫度很高，為減少散熱損失，需要對(duì)電解槽進(jìn)行保溫。傳統(tǒng)的保溫結(jié)構(gòu)從槽底部起依次為：電解槽殼-輕質(zhì)保溫板-氧化鋁層-耐火磚-陰極炭塊。在生產(chǎn)過(guò)程中電解槽的邊壁溫度可高達(dá)300℃-350℃，主要以輻射和自然對(duì)流的形式向車(chē)間散熱，電解鋁槽間過(guò)道的溫度高達(dá)60℃以上，工作環(huán)境惡劣，同時(shí)大量的熱能散發(fā)散失，造成能源浪費(fèi)。工信部要求指標(biāo)為噸鋁直流電單耗在12500kWh，因此在鋼槽殼體內(nèi)壁采用耐高溫隔熱保溫涂料減少熱量損失，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

以表面溫度300℃，環(huán)境溫度60℃，電解槽散熱面積400m2為例計(jì)算1小時(shí)的能耗損失。

Q=K*ΔT*S*t

=11.63*240*400*3600

=4019328KJ

=961561Kcal

式中：Q為每小時(shí)散熱量，ΔT為溫差，S為散熱面積，t為時(shí)間

以5000Kcal的煤炭?jī)r(jià)格550元/噸進(jìn)行計(jì)算，每小時(shí)熱量損失量為：

961561÷5000÷0.9=213.68噸

則一天24小時(shí)散熱量為5128.32噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

散熱損耗為：5128.32*550=282.0576萬(wàn)元。

因此，電解槽具有很大的節(jié)能空間，做好隔熱保溫工作是非常重要的。常用的志盛威華公司生產(chǎn)的zs-1耐高溫隔熱保溫涂料是由特制合成的無(wú)機(jī)硅酸鹽溶液、硅酸鋁纖維、熱反射物質(zhì)、稀土微粉和精選空心陶瓷微珠加工而成，耐溫可達(dá)2000℃。涂料屬于無(wú)機(jī)單組份水性涂料，導(dǎo)熱系數(shù)很低，只有0.033W/m.k，隔熱保溫效果明顯，在一定厚度條件下隔熱效率可達(dá)到90%左右。

3、鋁液混合爐

鋁液混合爐是鑄造車(chē)間的主要設(shè)備，其作用是儲(chǔ)存鋁液，調(diào)整均勻電解原鋁品位，給鋁液加熱和保溫；完成固體鋁熔化、扒渣等過(guò)程，并給鑄造設(shè)備提供所需的鋁液。鋁液在混合保持爐中經(jīng)過(guò)混合,攪拌,澄清,除渣等過(guò)程,得到成分均勻的鋁液?；旌蠣t具有對(duì)鋁液升溫,保溫的作業(yè)，鋁液混合爐主要由爐體(爐膛)和電控加熱系統(tǒng)兩大部分組成,爐體通常由鋼結(jié)構(gòu)外殼和保溫材料、耐火材料組成的爐襯組成。

混合爐新?tīng)t，爐殼側(cè)壁溫度在65℃，爐頂溫度在100℃左右。隨時(shí)間延長(zhǎng)，耐火材料受爐內(nèi)氣體腐蝕，熱震等方面影響，耐材損失破壞較大，爐壁溫度持續(xù)升高?？梢栽跔t殼側(cè)壁和爐頂內(nèi)表面增加ZS-1耐高溫隔熱保溫涂料（2000℃）涂層，涂層厚度3-10mm,可以起到保護(hù)爐殼降低爐壁熱損失作用，增加保溫涂料，使?fàn)t內(nèi)各部分保溫更均勻，實(shí)際熔鋁溫度降低，熔煉時(shí)間縮短,爐頂爐側(cè)溫度下降15℃以上，降低環(huán)境熱輻射，節(jié)約電能。

4、車(chē)間絕緣

近年來(lái)，電解槽爆炸事故時(shí)有發(fā)生，給企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為了提高生產(chǎn)效率，電解電流不斷升高，大型預(yù)焙陽(yáng)極母線直流電高達(dá)300-500KA。車(chē)間系列電壓達(dá)數(shù)百伏至上千伏，平均每臺(tái)槽電壓在4.15-4.3V。盡管人們把電壓設(shè)在系列中點(diǎn)，但系列兩端地電壓仍高達(dá)500V左右。一旦短路，容易出現(xiàn)人身和設(shè)備事故。觸電電壓ΔU=抵近供電車(chē)間出母線對(duì)地電壓≈430V，I=430V/1000Ω=430mA。遠(yuǎn)高于人體的安全電流10mA和安全電壓36V（人體電阻1000Ω-2000Ω）。

很多車(chē)間都是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這樣車(chē)間地面整體的絕緣性能更低。例如：混凝土的電阻率為1.2×104Ω?m，鐵為9.78×10??Ω·m；近地空氣：3×1013Ω?m。每次轉(zhuǎn)移鋁液、更換陽(yáng)極、撈渣，地面鋁板搭接，相當(dāng)于在原電容極板間的電介質(zhì)從空氣變?yōu)殇X板導(dǎo)體，導(dǎo)致鋼筋極板和鋁板極板間距變小，擊穿電壓降低?；炷帘粨舸?，導(dǎo)致爆開(kāi)。人體出汗后，衣物和人體絕緣電阻急劇降低，后背電壓較高，導(dǎo)致流過(guò)人體電流增大，引發(fā)觸電事故。

所以可以在電解槽車(chē)間地面、梁柱、母線槽、電纜槽、穿線管、金屬工具、人體易接觸的部位等采用耐高溫的陶瓷絕緣涂料。

zs-1091陶瓷絕緣涂料采用純無(wú)機(jī)水性硅酸鹽溶液作為成膜物質(zhì)，加入片狀納米級(jí)云母、氧化鋁、碳化硅作為涂料填料。涂層耐溫可以達(dá)到1800℃，附著力好，可以涂刷在任何材質(zhì)上抗高溫下絕緣屏蔽電流通過(guò)，防電暈放點(diǎn)現(xiàn)象產(chǎn)生，涂層致密，電阻率高，介電常數(shù)好，不會(huì)產(chǎn)生電子滲流和隧道效應(yīng)，硬度高，耐磨使用壽命長(zhǎng)。擊穿強(qiáng)度高達(dá)10kv/mm，體積電阻率為1014Ω?m。

5、陽(yáng)極鋼爪

陽(yáng)極鋼爪是電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中陽(yáng)極導(dǎo)桿中必不可少的器件，在其中起到承上啟下的連接作用，陽(yáng)極導(dǎo)桿的上有鋁導(dǎo)桿，下有陽(yáng)極炭塊，組成的陽(yáng)極部件的生產(chǎn)消耗品。當(dāng)陽(yáng)極鋼爪腐蝕到一定程度時(shí)候，腐蝕層自動(dòng)剝落，鋼爪橫梁的有效面積減小，通過(guò)梁的電流強(qiáng)度增大，即電流密度變大，橫梁所發(fā)生的熱量就會(huì)大，造成鋼爪變形，縮短使用壽命。

正常運(yùn)行中鋁液中Fe的含量不超過(guò)0.1%-0.2%，硅含量不超過(guò)0.15%，當(dāng)嚴(yán)重腐蝕、大量的鐵進(jìn)入電解槽時(shí)，會(huì)使鋁中Fe含量急劇升高。此時(shí)就有可能使生產(chǎn)者產(chǎn)生誤判，認(rèn)為電解槽已經(jīng)滲漏、需要立即停槽檢修。由于腐蝕形成細(xì)腰，鋼爪容易出現(xiàn)向內(nèi)彎曲，鋼爪澆鑄時(shí)磷鐵水均勻分布效果差，不利于陽(yáng)極組裝和陽(yáng)極更換。腐蝕層也會(huì)阻礙磷鐵水的流動(dòng)，澆鑄的磷鐵環(huán)質(zhì)量較差，鐵碳連接處電壓將升高，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成陽(yáng)極脫落。

作為消耗品，陽(yáng)極鋼爪及其鋁導(dǎo)桿在電解車(chē)間生產(chǎn)一個(gè)月后將會(huì)消耗殆盡，這時(shí)需要去除舊的陽(yáng)極組件，換上新的。然而在舊導(dǎo)桿上將會(huì)殘存著鋁渣和電解質(zhì)，為了便于清理殘?jiān)?，可以在鋼爪及?dǎo)桿上部涂刷zs-522耐高溫不粘涂料防止鋁液粘附。ZS-822復(fù)合陶瓷防腐涂料可以預(yù)防陽(yáng)極鋼爪的高溫氧化。高溫不粘涂料也可用于撈渣機(jī)、鋁液飛濺區(qū)域等部位。

zs-522耐高溫不粘涂料采用特制的耐高溫?zé)o機(jī)硅酸鹽改性溶液、磷酸鋁溶液、木質(zhì)磺酸鈉溶液混合為成膜物質(zhì)，加入納米石墨鱗片、碳化硅、碳化硼等材料組成。固化成型后的涂層高溫熔融下光滑自潔、氣密性好、粘結(jié)力強(qiáng)、涂層堅(jiān)實(shí)牢固、表面張力大、導(dǎo)熱性能好、無(wú)毒無(wú)臭，對(duì)冶煉金屬成份含量無(wú)任何影響。

6、陽(yáng)極炭塊

以石油焦、瀝青焦為骨料，煤瀝青為粘結(jié)劑生產(chǎn)的炭塊，用作預(yù)焙鋁電解槽作陽(yáng)極材料。這種炭塊已經(jīng)過(guò)焙燒，具有穩(wěn)定的幾何形狀，所以也稱預(yù)焙陽(yáng)極炭塊，習(xí)慣上又稱為鋁電解用炭陽(yáng)極。用預(yù)焙陽(yáng)極炭塊作陽(yáng)極的鋁電解槽稱預(yù)焙陽(yáng)極電解槽，簡(jiǎn)稱預(yù)焙槽，這是一種現(xiàn)代化的大型鋁電解槽。由于陽(yáng)極炭塊的主要成分在碳元素，作為陽(yáng)極在電解過(guò)程中參與反應(yīng)而被損耗。有資料表明，預(yù)焙電解槽碳?jí)K消耗量為0.6噸/噸鋁。

陽(yáng)極炭塊一般為長(zhǎng)方體，在其導(dǎo)電方向的上表面有2-4個(gè)直徑為160-180mm、深為80-110mm的圓槽，俗稱炭碗。在陽(yáng)極組裝時(shí)，炭碗用來(lái)安放陽(yáng)極爪頭，通過(guò)磷生鐵澆注，使陽(yáng)極導(dǎo)桿與陽(yáng)極炭塊連為一體，組成陽(yáng)極炭塊組。陽(yáng)極炭塊根據(jù)電解槽電流的大小和工藝的不同而有不同的尺寸，但通過(guò)它的電流密度一般為0.70-0.76A/立方厘米，使用周期為20-28天。

為了延長(zhǎng)陽(yáng)極炭塊的使用壽命，唐工136=6102-1263介紹，可以采用zs-1052滲透型石墨抗氧化劑。石墨防氧化劑采用樹(shù)脂主鏈熔斷技術(shù)，用交聯(lián)羥基硅氟樹(shù)脂經(jīng)過(guò)高溫高壓下把樹(shù)脂主鏈均勻熔斷，分解成納米級(jí)單體樹(shù)脂，改性后的樹(shù)脂可以單獨(dú)成膜，官能團(tuán)數(shù)量多，在石墨中滲透性極強(qiáng)，包裹好，有效防止氧化物接觸石墨，防止石墨氧化損耗。耐溫1800℃，抗氧擴(kuò)散率高達(dá)96%以上，同時(shí)可抗熔渣、雜物的侵蝕滲透。

而生產(chǎn)磷生鐵用的中頻電爐線圈也可以采用zs-1091陶瓷絕緣涂料防止漏電打火，也可采用zs-1耐高溫隔熱涂料進(jìn)行保溫而降低熱量損耗。

7、煙氣處理

在電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中，伴隨著電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生大量的煙氣，其中除了CO2、CO、SO2和水汽以外，在陽(yáng)極氣體中還含有大量的氟化氫及氟化物。

2Na3AIF6+3H2O=2Al2O3+6NaF+6HF↑

2AIF3+3H2O=AI2O3+6HF↑

2NaF+H20=Na2O+2HF↑

當(dāng)電解液中缺少AI2O3(濃度小于0.25%~0.5%時(shí))炭陽(yáng)極附近的電解槽產(chǎn)生陽(yáng)極效應(yīng)，發(fā)生如下生成全氟化碳?xì)怏w的電化學(xué)反應(yīng):

4Na3AlF6+3C(g)=4Al+12NaF+3CF4

2Na3AIF6+20(g)=2Al+6NaF+3C2F6

此時(shí)陽(yáng)極氣體成分為3%~10%的CO2，70%~95%的CO，2%~20%的CF4以及少量的C2F6。

CF4和C2F6屬于溫室氣體，其溫室效應(yīng)分別是CO2溫室效應(yīng)的6500和9200倍，而HF則是一種強(qiáng)腐蝕性的介質(zhì)，與水汽結(jié)合形成氫氟酸會(huì)腐蝕生產(chǎn)設(shè)備。為了防止煙氣處理設(shè)備的腐蝕，如煙道煙囪、VRI反應(yīng)器、除塵器、脫硫塔、引風(fēng)機(jī)等，可以采用志盛威華公司生產(chǎn)的zs-1033耐氫氟酸防腐涂料進(jìn)行防腐處理。