本發(fā)明屬于鋁電解技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于生產(chǎn)運(yùn)行中的鋁電解槽的陽極覆蓋層的保溫、集氣、防氧化，以及整體成形的復(fù)合覆蓋層的新結(jié)構(gòu)、新材料和熱態(tài)重復(fù)使用技術(shù)。

背景技術(shù)：

在鋁電解電化學(xué)反應(yīng)中，熔融電解質(zhì)本身并沒有反應(yīng)消耗，但是作為反應(yīng)媒介發(fā)揮核心作業(yè)。每次焙燒啟動，總會新增冰晶石，導(dǎo)致體系電解質(zhì)總量逐漸增加，這成為困擾老電解鋁企業(yè)的難題，橋電5萬噸。自預(yù)焙陽極電解技術(shù)誕生以來，將破碎后的電解質(zhì)結(jié)殼塊與氧化鋁粉混合，作為陽極覆蓋料使用的做法延續(xù)至今。

在現(xiàn)有鋁電解槽在生產(chǎn)運(yùn)行中，陽極覆蓋料不直接參與電化學(xué)反應(yīng)，但卻是不可或缺生產(chǎn)原料，雖然在工藝流程中所占比重不大，但物料循環(huán)量大。現(xiàn)有陽極覆蓋料層的成分是不同粒度大小的電解質(zhì)顆粒和氧化鋁顆粒的混合散裝物料，其作用是保溫、集氣和防氧化。陽極覆蓋料層主要靠人工砌筑和天車添加，在生產(chǎn)中存在如下問題：

1、覆蓋料體系的物料循環(huán)量大

鋁電解企業(yè)的覆蓋料體系分兩大部分：極上覆蓋料和生產(chǎn)流程中循環(huán)料。以某420kA電解系列為例，單臺電解槽的極上覆蓋料約25噸，全系列共7000多噸，流程中的循環(huán)料量一般是極上覆蓋料量的2倍，為14000噸，則體系總料量共計21000噸。每天需處理循環(huán)料量215噸，則每年體系總循環(huán)量78000多噸，另外，流程中根據(jù)需要變化循環(huán)料的粒度、成分、配比等。一方面，如此大物料量的循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)量，企業(yè)需要付出巨大的人財物成本；另一方面，廢電解質(zhì)料價格目前約2200元/噸，上例中這部分原料的資金積壓共計4620萬元。

、覆蓋料體系涉及的工序和流程多

如此巨大的覆蓋料量和循環(huán)量，必然需要相應(yīng)的車間、設(shè)備和人員來支持。覆蓋料體系循環(huán)涉及電解車間、電解質(zhì)破損、陽極組裝、物料運(yùn)輸、物料輸送等多個車間；涉及拔極、分離、破碎、運(yùn)輸、輸送、砌筑、加料等15項作業(yè)；涉及各工種人員120多人；涉及各種關(guān)鍵專用設(shè)備20多種。僅以某電解質(zhì)破損工段為例，每年消耗運(yùn)行費(fèi)用600多萬元。

、換極引起的槽況波動

在電解操作中，換極是影響電解槽運(yùn)行的最大因素，這是業(yè)界共識。對于鋁電解電化學(xué)反應(yīng)來說，穩(wěn)定壓倒一切，一旦槽況進(jìn)入不穩(wěn)定，必然導(dǎo)致電流效率降低和電耗升高。對于電解槽運(yùn)行來說，穩(wěn)定包含：物料平衡、熱平衡、電流穩(wěn)定、磁場穩(wěn)定、流體穩(wěn)定。而在電解生產(chǎn)三大常規(guī)操作出鋁、換極、抬母線中，換極對上述的5項平衡和穩(wěn)定都有較大影響，所以換極也是槽況波動的主要誘因。根據(jù)對某電解槽型大量運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，換極引起的電壓波動換算成噸鋁能耗為80度/噸鋁，以某420kA年產(chǎn)能33萬噸電解系列為例，換極波動電耗2640萬度/年，以電價0.26元/度計，電費(fèi)消耗686.4萬元/年。

、殘極覆蓋料冷卻和新極覆蓋料加熱，導(dǎo)致的熱量消耗大

在傳統(tǒng)換極操作，將殘極及其覆蓋料吊出后自然冷卻，然后才能進(jìn)行后續(xù)的處理，殘極覆蓋料層從500℃左右降至環(huán)境溫度，此部分熱量散發(fā)損失；另外，新極覆蓋料層從環(huán)境溫度升溫至500℃，也需要消耗電能升溫。根據(jù)測算，殘極覆蓋料冷卻所喪失的熱量和新極覆蓋料加熱所需要的熱量，換算成噸鋁電耗都約為26度/噸鋁，總計52度/噸鋁，以某420kA年產(chǎn)能33萬噸電解系列為例，換極覆蓋料喪失和加熱總電耗1716萬度/年，以電價0.26元/度計，消耗電費(fèi)446.2萬元/年。

、換極作業(yè)項目多，槽罩打開時間長，散熱損失大

現(xiàn)有換極操作共有9項作業(yè)內(nèi)容，整個操作過程一般需要30分鐘左右，其中，人工扒開邊緣的大塊結(jié)殼塊、人工打撈掉入電解液中的大結(jié)殼塊、人工砌筑大塊結(jié)殼塊到新極中縫等作業(yè)，人員的操作環(huán)境極端惡劣危險，勞動強(qiáng)度高，安全隱患大；另外，天車打開殘極覆蓋料結(jié)殼、天車抓斗打撈掉入電解液中的結(jié)殼塊、天車加新鮮氧化鋁粉料至覆蓋料頂?shù)茸鳂I(yè)，天車運(yùn)行和槽罩打開的時間長，使煙氣抽風(fēng)量加大，且與槽外熱對流增加，導(dǎo)致能量損失較大，因此，在電解槽的控制系統(tǒng)中，專門設(shè)計了對換極散熱的能量補(bǔ)充，補(bǔ)充電壓一般為150~300mV，時間30~60min，但換極過程的實(shí)際電能補(bǔ)充一般超過300度/次換極，如果能減少作業(yè)，縮短換極時間，就可以降低補(bǔ)償電壓并縮短散熱時間，減少換極能耗。

、電解多功能天車功能多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，天車工作量和維護(hù)量大

電解用多功能天車PTM主要功能有：

1）打殼機(jī)構(gòu)——打開殘極邊緣結(jié)殼；

2）換極機(jī)構(gòu)——扭緊或松開小盒卡具，更換陽極；

3）清渣抓斗——撈取大結(jié)殼塊；

4）加料機(jī)構(gòu)——新鮮氧化鋁覆蓋料倉和多自由度加料管；

5）出鋁小車——穩(wěn)定的出鋁吊鉤，保證出鋁抬包不擺動。

另外，主小車上配旋轉(zhuǎn)駕駛室，主要在打殼和換極操作時方便天車工觀察作業(yè)。鋁電解多功能天車功能多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致維護(hù)成本高，以某420kA年產(chǎn)能33萬噸電解系列為例，一般配置多功能天車10~12臺，每年維護(hù)的備品備件和人工成本在120~150萬元。

、覆蓋料體系循環(huán)量大，循環(huán)工序多，被污染的幾率高，使得其進(jìn)入槽內(nèi)導(dǎo)致原鋁被污染的幾率也高

如前所述，每年覆蓋料循環(huán)量7.8萬噸，經(jīng)歷扒渣、撈塊、運(yùn)出、分離、破碎、運(yùn)入、砌筑等多道工序，過程中容易進(jìn)入磚塊、碎石、灰渣、鐵塊、泥土等雜質(zhì)，并在體系中逐漸累積，最終進(jìn)入原鋁中，導(dǎo)致Fe、Si等含量上升，破壞原鋁質(zhì)量，在下游鋁加工對原鋁質(zhì)量要求越來越高的今天，原鋁質(zhì)量意味著價格高低。

、換極時結(jié)殼塊和渣粉掉落槽底，清掃量巨大。

使用現(xiàn)有陽極覆蓋料，在拔極，扒渣，撈塊，砌筑等作業(yè)時，結(jié)殼塊和渣粉不可避免會掉落，堆積在母線、軟帶和地面，日積月累，在槽底堆積如山，這是長期困擾電解企業(yè)的老大難問題。企業(yè)一般每兩三個月會雇勞務(wù)工清掃一次，費(fèi)時費(fèi)力，非專業(yè)人員長期在槽底作業(yè)也存在安全隱患。

、覆蓋料基本都是散裝粉料，而且都在裸露環(huán)境分離、運(yùn)輸和砌筑，是粉塵污染的主要源頭

以電解車間為例，其實(shí)主要灰渣和粉塵來源于覆蓋料體系。電解車間主要進(jìn)出原料有幾種：

1）氧化鋁——作為主要原料，從卸料到上槽，都是密封輸送的；

2）氟化鋁——通過氟化鋁吊倉加料，但至少是袋裝的；

3）炭陽極——無論殘極新極，固體成形且有一定強(qiáng)度，不易散落；

4）而覆蓋料——破碎電解質(zhì)或粉料都是通過拖拉機(jī)運(yùn)輸，到電解車間后，直接傾倒地上，然后人工鏟送，砌筑，填充至陽極上，因此覆蓋料體系是電解企業(yè)灰渣和粉塵污染的主要源頭。

、換極工人的勞動量大，作業(yè)環(huán)境極端惡劣，且安全隱患高

在電解操作工工作內(nèi)容中，換極作業(yè)是最艱苦惡劣的作業(yè)。操作工需要穿戴重型防護(hù)裝備，靠近裸露的900多度的電解質(zhì)融液，克服高溫、強(qiáng)磁、粉塵、濃煙等極端惡劣的環(huán)境因素，進(jìn)行扒渣、撈塊、砌筑、收邊等重體力作業(yè)，這對操作工人的身心造成極大挑戰(zhàn)，導(dǎo)致電解工崗位招人難，留人難，經(jīng)常性不滿員。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種新型的鋁電解槽的陽極覆蓋方法和成套技術(shù)，在保證現(xiàn)有的氧化鋁和電解質(zhì)混合覆蓋料的保溫、防氧化功能的基礎(chǔ)上，發(fā)明一種整體成形且可多次重復(fù)使用的鋁電解陽極復(fù)合覆蓋層，如圖1，替代傳統(tǒng)鋁電解的電解質(zhì)和氧化鋁混合散裝覆蓋料層方式，如圖2。本發(fā)明既可滿足傳統(tǒng)覆蓋料層保溫、集氣和防氧化的要求，又可達(dá)到：降低電解鋁企業(yè)的覆蓋物料循環(huán)量；減少電解鋁企業(yè)覆蓋料處理流程及相關(guān)的人工和設(shè)備成本；省略多個換極作業(yè)工序，縮減換極時間和程序；降低傳統(tǒng)換極作業(yè)對電解槽運(yùn)行的影響等效果。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種鋁電解槽的整體成形陽極復(fù)合覆蓋層結(jié)構(gòu)，陽極防氧化覆蓋層覆蓋于陽極上表面，陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層置于陽極防氧化覆蓋層上方，形成覆蓋電解槽全部陽極的覆蓋層組，電解槽周邊保溫復(fù)合覆蓋層置于陽極外邊緣到槽側(cè)部塊之間，槽膛內(nèi)爐幫之上，覆蓋包含長側(cè)部和端部的全部周邊。

所述的陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層配合專門的更換裝置，在熱態(tài)下進(jìn)行更換和重復(fù)連續(xù)使用；各陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層之間，以及陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層與周邊保溫復(fù)合覆蓋層之間無硬殼粘連。

所述的對于單次換極同時更換兩塊陽極的情況，單組陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層分為三部分，左型復(fù)合覆蓋層，中間復(fù)合覆蓋層和右型復(fù)合覆蓋層，分別覆蓋兩塊陽極的左右及中間區(qū)域。

所述的對于單次換極只更換單塊陽極的情況，單組陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層分為兩部分，分別覆蓋單塊陽極的左右區(qū)域；單組極上保溫復(fù)合覆蓋層的尺寸大小與對應(yīng)陽極的尺寸相關(guān)，總長度范圍1400～2000mm，總寬度范圍500～1600mm。

所述的極上保溫復(fù)合覆蓋層分為外工作層、內(nèi)保溫層和封填層；外工作層的材料為鋁硅系耐火材料、碳氮化硅或碳化硅定型耐火材料，內(nèi)保溫層的材料為硅酸鋁纖維棉、硅酸鈣板或陶瓷纖維耐火、保溫材料，封填層為不定型澆注料，最終成形的極上保溫復(fù)合覆蓋層（1）的綜合導(dǎo)熱系數(shù)在0.1～2.5W/(m·K)，體積密度1000～3000kg/m3。

所述的所述的陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層，預(yù)埋耐高溫鋼構(gòu)件，并設(shè)置專用拆卸和裝配夾具。

所述的所述的電解槽周邊保溫復(fù)合覆蓋層的材料為鋁硅系、碳化硅、碳氮化硅的耐火、保溫材料復(fù)合成形，或選擇單一耐火材料單獨(dú)成形；電解槽周邊保溫復(fù)合覆蓋層內(nèi)預(yù)埋耐高溫鋼構(gòu)件，并設(shè)置專用錨固夾具，固定于槽周邊。

所述的陽極防氧化覆蓋層使用氧化鋁和電解質(zhì)的粉料混合堆砌成形，或使用氧化鋁和電解質(zhì)的混合粉料預(yù)制成形，厚度1～5cm，鋪設(shè)于陽極上表面。

陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層除了具備傳統(tǒng)覆蓋料層的保溫和集氣功能外，還可配合專門更換裝置，在熱態(tài)下進(jìn)行更換和重復(fù)連續(xù)使用；各陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層之間，以及保溫復(fù)合覆蓋層與周邊保溫復(fù)合覆蓋層之間無硬殼粘連，天車換極可直接拔出和吊入，摒棄了傳統(tǒng)換極流程的天車打殼作業(yè)。

本發(fā)明的有益效果：

研發(fā)出可以重復(fù)使用的陽極復(fù)合覆蓋層及換極操作裝置，該成套技術(shù)應(yīng)具備以下基本特征：

1）復(fù)合覆蓋層系整體成形，綜合保溫性能可滿足電解槽熱場需求；

2）復(fù)合覆蓋層具備傳統(tǒng)覆蓋料的保溫、集氣、防氧化功能；

3）復(fù)合覆蓋層可在熱態(tài)下可重復(fù)使用；

4）各陽極的覆蓋層間不結(jié)硬殼，換極時可省略天車打殼過程；

5）使用機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)覆蓋層的自動或半自動更換；

6）考慮電解槽中縫特殊設(shè)計，保證打殼下料順暢和有效排氣；

7）考慮邊部復(fù)合覆蓋層的特殊設(shè)計，保證極上復(fù)合覆蓋層與邊部復(fù)合覆蓋層之間的結(jié)合。

本發(fā)明在保證現(xiàn)有的氧化鋁和電解質(zhì)混合覆蓋料的保溫、防氧化功能的基礎(chǔ)上，可以減少覆蓋料體系的循環(huán)量和處理量；可以減少覆蓋料循環(huán)的工序和流程，降低循環(huán)成本；可以減少換極操作引起的槽況波動，提高運(yùn)行穩(wěn)定性；可以避免殘極覆蓋料的熱散失和新極覆蓋料的熱支出；可以減少天車換極工序，縮短換極時間，從而減少換極熱損失；可以減少天車換極過程中的作業(yè)項目，縮減天車使用負(fù)荷甚至部分功能，降低天車使用維護(hù)成本；可以降低覆蓋料在循環(huán)流程中受污染幾率，有利于提高原鋁質(zhì)量；可以避免換極時結(jié)殼塊和渣粉掉落，降低清掃量；可以避免現(xiàn)有覆蓋料灰渣對企業(yè)環(huán)境污染；可以改變換極作業(yè)方式，縮短作業(yè)流程，降低工人換極作業(yè)勞動強(qiáng)度，降低安全隱患。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖主視圖；

圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖俯視圖；

圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖左視圖；

圖4為現(xiàn)有技術(shù)中氧化鋁和電解質(zhì)混合覆蓋料層示意圖；

圖5為雙陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層示意圖主視圖；

圖6為雙陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層示意圖俯視圖；

圖7為雙陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層示意圖左視圖；

圖8為單陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層示意圖主視圖；

圖9為單陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層示意圖俯視圖；

圖10為單陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層示意圖左視圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)有鋁電解的電解質(zhì)和氧化鋁混合覆蓋料層方式如圖2，陽極覆蓋料層9覆蓋在陽極4上；本發(fā)明提供一種整體成形，且可多次重復(fù)使用的鋁電解陽極復(fù)合覆蓋層，如圖1，既可滿足傳統(tǒng)覆蓋料層保溫、集氣和防氧化的要求，可以減少覆蓋料體系的循環(huán)量和處理量；可以減少覆蓋料循環(huán)的工序和流程，降低循環(huán)成本；可以減少換極操作引起的槽況波動，提高運(yùn)行穩(wěn)定性；可以避免殘極覆蓋料的熱散失和新極覆蓋料的熱支出；可以減少天車換極工序，縮短換極時間，從而減少換極熱損失；可以減少天車換極過程中的作業(yè)項目，縮減天車使用負(fù)荷甚至部分功能，降低天車使用維護(hù)成本；可以降低覆蓋料在循環(huán)流程中受污染幾率，有利于提高原鋁質(zhì)量；可以避免換極時結(jié)殼塊和渣粉掉落，降低清掃量；可以避免現(xiàn)有覆蓋料灰渣對企業(yè)環(huán)境污染；可以改變換極作業(yè)方式，縮短作業(yè)流程，降低工人換極作業(yè)勞動強(qiáng)度，降低安全隱患。

本發(fā)明的實(shí)施例：如圖1，陽極防氧化覆蓋層3覆蓋于陽極4上表面，隔絕空氣防止炭素陽極上表面氧化；陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層1置于防氧化覆蓋層3上方，形成覆蓋電解槽全部陽極的覆蓋層組，發(fā)揮保溫和集氣的作用；電解槽周邊保溫復(fù)合覆蓋層2置于陽極外邊緣到槽側(cè)部塊內(nèi)邊緣之間，槽膛內(nèi)爐幫之上，覆蓋包含長側(cè)部和端部的全部周邊。陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層1除了具備傳統(tǒng)覆蓋料層的保溫和集氣功能外，還可配合專門更換裝置，在熱態(tài)下進(jìn)行更換和重復(fù)連續(xù)使用；各陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層1之間，以及保溫復(fù)合覆蓋層1與周邊保溫復(fù)合覆蓋層2之間無硬殼粘連，天車換極可直接拔出和吊入，摒棄了傳統(tǒng)換極流程的天車打殼作業(yè)。如圖1，陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層1預(yù)埋耐高溫鋼構(gòu)件，并配置專用拆卸和裝配夾具7，將陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層1安裝于防氧化覆蓋層3上方，同時也配合機(jī)械夾持裝置，實(shí)現(xiàn)把熱態(tài)的極上保溫復(fù)合覆蓋層1從殘極上的拆除，再安裝至新陽極上。如圖1，周邊保溫復(fù)合覆蓋層2材料和構(gòu)成，選擇強(qiáng)度高、耐火度和耐腐蝕性好的定型耐火材料（如鋁硅系、碳化硅、碳氮化硅等）混合成形，或選擇單一耐火材料單獨(dú)成形；周邊保溫復(fù)合覆蓋層2內(nèi)預(yù)埋耐高溫鋼構(gòu)件，并配置專用錨固夾具8，固定于槽周邊。陽極防氧化覆蓋層3使用氧化鋁和電解質(zhì)的粉料混合堆砌成形，或使用氧化鋁和電解質(zhì)的混合粉料預(yù)制成形，厚度1～5cm，置于陽極上表面。

對于目前最常見的單次換極同時更換兩塊陽極的情況，單組陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層1分為三部分，如圖3，左型復(fù)合覆蓋層10，中間復(fù)合覆蓋層11和右型復(fù)合覆蓋層12，分別覆蓋兩塊陽極的左右及中間區(qū)域；對于單次換極只更換單塊陽極的情況，單組陽極極上保溫復(fù)合覆蓋層1分為兩部分，如圖4，分別覆蓋單塊陽極的左右區(qū)域；單組極上保溫復(fù)合覆蓋層1的尺寸大小與對應(yīng)陽極的尺寸相關(guān)，總長度范圍1400～2000mm，總寬度范圍500～1600mm。

位于氧化鋁打殼下料孔6和出鋁口的覆蓋裝置，作開孔處理，以保證集氣、打殼、下料和出鋁操作的順利進(jìn)行

如在某槽全部實(shí)施本發(fā)明技術(shù)，則實(shí)施步驟如下：

1）某塊陽極到更換周期，天車吊掛殘極，打開小盒卡具，然后直接提出殘極，連帶其上的極上復(fù)合覆蓋層，吊運(yùn)至電解車間操作平臺；

2）操作工將陽極防氧化層敷設(shè)于新陽極之上，此步與上步驟同時進(jìn)行或提前完成；

3）帶專用機(jī)械夾持裝置的小車，將殘極上的熱態(tài)極上復(fù)合覆蓋層夾持并分離，然后移至新極上組合裝配；

4）天車吊掛新陽極，連帶其上的極上復(fù)合覆蓋層，吊運(yùn)至槽上就位，緊固小盒卡具；

5）人工將少量氧化鋁粉料填充至覆蓋層間縫，關(guān)閉槽罩，換極完畢。