第一章——現(xiàn)代預焙鋁電解槽的基本結構—2

1、 第二篇：鋁電解生產(chǎn)的工程技術1、現(xiàn)代預焙鋁電解槽的基本結構現(xiàn)代鋁工業(yè)已基本淘汰了自焙陽極鋁電解槽，并主要采用容量在160kA以上的大型預焙陽極鋁電解槽（預焙槽）。因此本章主要以大型預焙槽為例來討論電解槽的結構。工業(yè)鋁電解槽通常分為陰極結構、上部結構、母線結構和電氣絕緣四大部分。各類槽工藝制度不同，各部分結構也有較大差異。圖1、圖2分別為一種預焙槽的斷面示意圖和三維結構模擬圖；圖3、圖4為我國一種200kA中心點式下料預焙槽的照片與結構圖（總圖）。鋁液陽極炭塊電解質液下料器陰極炭塊電解質結殼耐火與保溫內襯鋼殼陰極鋼棒集氣罩陽極導桿氧化鋁覆蓋料圖2 預焙鋁電解槽三維結構模擬圖圖1 預焙鋁電解槽斷

2、面示意圖圖3 我國的一種200kA預焙鋁電解槽（照片）13123571110846151412169圖4我國一種200kA預焙鋁電解槽結構圖1.混凝土支柱；2.絕緣塊；3.工字鋼；4.工字鋼；5.槽殼；6.陰極窗口；7.陽極炭塊組；8.承重支架或門；9.承重桁架；10.排煙管；11.陽極大母線；12.陽極提升機構；13.打殼下料裝置；14.出鋁打殼裝置；15.陰極炭塊組；16.陰極內襯1.1 陰極結構電解鋁工業(yè)所言的陰極結構中的陰極，是指盛裝電解熔體（包括熔融電解質與鋁液）的容器，包括槽殼及其所包含的內襯砌體，而內襯砌體包括與熔體直接接觸的底部炭素（陰極炭塊為主體）與側襯材料，陰極炭塊中的導電

3、棒、底部炭素以下的耐火材料與保溫材料。陰極的設計與建造的好壞對電解槽的技術經(jīng)濟指標（包括槽壽命）產(chǎn)生決定性的作用。因此，陰極設計與槽母線結構設計一道被視為現(xiàn)代鋁電解槽（尤其是大型預焙槽）計算機仿真設計中最重要、最關鍵的設計內容。眾所周知，計算機仿真設計的主要任務是，通過對鋁電解槽的主要物理場（包括電場、磁場、熱場、熔體流動場、陰極應力場等）進行仿真計算，獲得能使這些物理場分布達到最佳狀態(tài)的陰極、陽極和槽母線設計方案，并確定相應的最佳工藝技術參數(shù)（詳見本書第三篇 “鋁電解槽的動態(tài)平衡及物理場”），而陰極的設計與構造涉及到上述的各種物理場，特別是它對電解槽的熱場分布和槽膛內形具有決定性的作用，從而

4、對鋁電解槽熱平衡特性具有決定性的作用。1.1.1 槽殼結構圖5 鋁電解槽的槽殼結構示意圖a自支撐式（框式）；b托架式（搖籃式）槽殼（即陰極鋼殼）為內襯砌體外部的鋼殼和加固結構，它不僅是盛裝內襯砌體的容器，而且還起著支承電解槽重量，克服內襯材料在高溫下產(chǎn)生熱應力和化學應力迫使槽殼變形的作用，所以槽殼必須具有較大的剛度和強度。過去為節(jié)約鋼材，采用過無底槽殼。隨著對提高槽殼強度達成共識，發(fā)展到現(xiàn)在的有底槽。有底槽殼通常有兩種主要的結構形式：自支撐式(又稱為框式)和托架式（又稱為搖籃式），其結構圖分別見圖5a，b。過去的中小容量電解槽通常使用框式槽殼結構，即鋼殼外部的加固結構為一型鋼制作的框，該種槽殼

5、的缺點鋼材用量大，變形程度大，未能很好地滿足強度要求。大型預焙鋁電解槽采用剛性極大的搖籃式槽殼。所謂搖籃式結構，就是用40a工字鋼焊成若干組“”型的約束架，即搖籃架，緊緊地卡住槽體，最外側的兩組與槽體焊成一體，其余用螺栓與槽殼第二層圍板連結成一體（結構示意圖如圖6所示）。 a b圖6大型預焙鋁電解槽槽殼結構圖a縱向；b橫向現(xiàn)代大型預焙槽槽殼設計利用先進的數(shù)學模型和計算機軟件對槽殼的受力、強度、應力集中點、局部變形進行分析和相應的處理，使槽殼的變形很小并且還加強槽殼側部的散熱以利于形成槽膛。例如沈陽鋁鎂設計研究院設計的SY350 型350kA預焙槽的槽殼設計為：大搖籃架結構（搖籃架通長至槽沿板，

6、采用較大的藍架間隔）；槽殼端部三層圍板加垂直筋板；大面采用船形結構以減少垂直直角的應力集中；大面采用單圍帶（取消腰帶鋼板與其間的筋板）并在搖籃架之間的槽殼上焊有散熱片以增大散熱面積；搖籃架與槽體之間隔開，使搖籃架在300以下工作。圖7所示是大搖籃架船形槽殼部分圖。有人認為，圖7（b）所示的圓角型與圖7（a）所示的三角型相比，圓角型船形結構槽殼受力更好，且更有效地降低槽兩側底部應力集中1。a b圖7 大搖籃架船形槽殼部分圖a三角型 b圓角型對槽壽命要求的提高體現(xiàn)在電解槽大修中就是對槽殼變形修復要求的提高。不僅要修理槽殼的外形尺寸，而且要定期對槽殼的結構進行更新，對產(chǎn)生了蠕變和鋼材永久性變形的槽殼

7、實施報廢制度，更新整個槽殼。1.1.2內襯結構內襯是電解槽設計與建造中最受關注的部分?，F(xiàn)在世界上鋁電解槽內襯的基本構造可分為“整體搗固型”、“半整體搗固型”與“砌筑型”三大類：（1）整體搗固型：內襯的全部炭素體使用塑性炭糊就地搗固而成，其下部是用作保溫與耐火材料的氧化鋁，或者是耐火磚與保溫磚。（2）半整體搗固型：底部炭素體為陰極炭塊砌筑，側部用塑性炭糊就地搗固而成，下部保溫與耐火材料與整體搗固型的類似。（3）砌筑型：底部用炭塊砌筑，側部用炭塊或碳化硅等材料制成的板塊砌筑，下部為耐火磚與保溫磚及其他耐火、保溫和防滲材料。根據(jù)底部炭塊及其周邊間縫隙處理方式的不同，砌筑型又分為“搗固糊接縫”和“粘結

8、”兩種類型，前種類型是在底部炭塊砌筑時相互之間及其與側塊之間留出縫隙，然后用糊料搗固；后種類型則不留縫隙，塊間用炭膠糊粘結。上述的整體搗固型與半整體搗固型被工業(yè)實踐證明槽壽命不好，加之電解槽焙燒時排出大量焦油煙氣和多環(huán)芳香族碳氫化合物，污染環(huán)境，因此已被淘汰。砌筑型被廣泛應用。砌筑型中的粘結型降低了“間縫”這一薄弱環(huán)節(jié)，被國外一些鋁廠證明能獲得很高的槽壽命，但對設計和材質的要求高，因為電解槽在焙燒啟動過程中，沒有間縫中的炭素為炭塊的膨脹提高緩沖（搗固糊在碳化過程中會收縮），因此若設計不合理或者炭塊的熱膨脹與吸鈉膨脹太大，便容易造成嚴重的陰極變形或開裂。內襯的基本類型確定后，具體的結構將按最佳物

9、理場分布原則進行設計。當容量、材料性能以及工藝要求不同時，所設計出來的內襯結構便應該不同，但一旦陰極結構設計的大方案確定（例如選用 “搗固糊接縫的砌筑型”），則不論是小型還是大型槽，其內襯的基本結構方案可以是相似的，區(qū)別往往體現(xiàn)在具體的結構參數(shù)上，而對于同等槽型和容量的電解槽，結構參數(shù)上的區(qū)別往往由設計理念、物理場優(yōu)化設計工具和筑槽材料性能上的差異所引起。我國目前均采用搗固糊接縫的砌筑型。圖8是我國大型預焙鋁電解槽內襯基本結構方案的一個實例。內襯底部構成為：l 底部首先鋪一層65mm的硅酸鈣絕熱板（或先鋪一層10mm厚的石棉板，再鋪一層硅酸鈣絕熱板）；l 在絕熱板上干砌兩層65mm的保溫磚（總

10、厚度130mm），或者為加強保溫而干砌三層65mm的保溫磚（有種設計方案是在絕熱板上鋪一層5mm厚的耐火粉，用以保護絕熱板，然后在其上干砌筑保溫磚）；l 鋪設一層厚130195mm的干式防滲料（具體厚度視保溫磚的層數(shù)而定，即兩層保溫磚對應195mm厚度，三層保溫磚對應130mm厚度），或者在三層保溫磚上用耐火粉找平后鋪一層1mm厚鋼板防滲漏，再其上用灰漿砌兩層65mm的耐火磚；l 在干式防滲料上（或耐火磚上）安裝已組裝好陰極鋼棒的通長陰極炭塊組；l 陰極炭塊之間有35mm寬的縫隙，用專制的中間縫糊扎固。內襯側部（底部干式防滲料或耐火磚以上的側部）的構成及特點為：l 對于與底部炭塊端部對應的側部

11、，靠鋼壁砌筑一道65mm的保溫磚，或者布設10mm石棉板和4060mm高溫硅酸鈣板；然后在該保溫層與底部炭塊之間澆注絕熱耐火混凝土（高強澆注料）；并留出軋制人造伸腿的空隙；l 在澆注料上方砌筑一層耐火磚，再在該耐火磚上方砌筑一層123mm厚的側部炭塊（或氮化硅粘結的碳化硅磚），并使其背貼碳膠到鋼殼壁上；l 側部炭塊頂上用80mm寬、10mm厚的鋼板緊貼住炭塊頂部焊接在槽殼上，防止炭塊上抬；l 底部炭塊與側部砌體之間的周邊縫用專制的周圍糊扎成200mm高的人造坡形伸腿。圖8 大型預焙陽極鋁電解槽槽內襯結構圖（實例）大型中間下料預焙槽從工藝上要求底部應有良好的保溫，以利用爐底潔凈；側部應有較好的散

12、熱，以促成自然形成爐膛。側部炭塊下的澆注料（或耐火磚砌）做成階梯形，以抑制伸腿過長。1.1.3 筑爐的基本規(guī)范下面，主要結合上述大型預焙槽的內襯結構實例（圖8），介紹當前我國大型預焙槽筑爐的基本規(guī)范，主要包括工藝要求與材料指標兩個部分。其中所列材料是當前我國電解槽內襯常用材料，而非最好、最先進的材料。關于筑爐材料中的炭素材料（陰極炭塊、側部碳塊及重要糊料等）還將在本書第六篇“鋁用炭素材料與技術”中詳細討論。1.1.3.1 槽底砌筑（1）槽底砌筑的工藝要求：a. 清理與放線：槽殼清理干凈后，依據(jù)電解槽內襯施工圖，進行基準放線作業(yè)。b. 鋪石棉板：槽底鋪一層10mm石棉板，接縫小于2mm，石棉板間

13、縫用氧化鋁紛填平。c. 鋪絕熱板（硅酸鈣板）： 絕熱板的接縫小于2mm，所有縫間用氧化鋁粉填滿，絕熱板與槽殼間隙填充耐火顆粒，粒度小于2mm；絕熱板的加工采用鋸切割；根據(jù)槽底變形情況允許局部加工絕熱板，但加工厚度不大于10mm。d. 砌筑（干砌）粘土質隔熱耐火磚：隔熱磚加工采用鋸切割；砌筑時按畫在槽殼上的砌體層高線逐層拉線控制；第一層隔熱耐火磚在絕熱板上進行作業(yè)，所有砌筑縫小于2mm，并用氧化鋁粉填滿，不準有空隙；隔熱磚與側部絕熱板間填充耐火顆粒，粒度小于2mm，填實；第二層隔熱耐火磚與第一層隔熱磚應錯縫砌筑，所有磚縫用氧化鋁粉填滿；第隔熱磚與側部絕熱板間填充耐火顆粒，粒度小于2mm，填實。e

14、. 鋪干式防滲料：將干式防滲料鋪在耐火磚上，用樣板掛平，鋪一層薄膜，薄膜上鋪纖維板，然后用平板振動機。要求分兩層鋪料、夯實達到設計要求的密實厚度，夯實完后按預先劃好的基準線測量9點，要求水平誤差不大于±2mm/m。高度誤差不大于±1.5mm，局部超出標準可進行整理，并保證陰極炭塊組安裝尺寸。（2）槽底砌筑用主要材料的指標a. 硅酸鈣板：表1和表2所列為符合國家標準GB/T10699-1998的硅酸鈣板的主要指標。表1 硅酸鈣板的性能指標型號牌號導熱系數(shù)平均溫度373最大值W/m·k抗壓強度最小值抗折強度最小值密度kg/m3線收%I型220號0.0650.500.3

15、02202I型170號0.0580.400.201702注：最高使用溫度槽底650，側部850，規(guī)格600×300×60。表2 硅酸鈣板的尺寸允許偏差和外觀尺寸允許偏差外觀缺陷長（mm）寬（mm）厚（mm）缺棱（個）缺角（個）平 板±4±4+3-1.511注：本標準為一等品。b. 粘土質隔熱耐火磚：表3和表4所列為符合國家標準GB/T3994-1983的粘土質隔熱耐火磚的主要指標。表3 粘土質隔熱耐火磚的性能指標牌號體積密度（g/cm2）常溫抗壓強度(kgf/cm2)不小于導熱系數(shù)平均溫度325±25最大值W/m·k重燒線變化不大于2

16、%的試驗溫度（）NG-0.70.7200.351250NG-0.60.6150.251200注：磚的工作溫度超過重燒線變化的試驗溫度。NG-0.7與NG-0.6相同。 表內導熱系數(shù)指標為平板法試驗數(shù)據(jù)。表4 粘土質隔熱耐火磚的尺寸允許偏差及外形（mm）項 目指 標尺寸允許偏差尺寸100±2尺寸101250±3尺寸251400±4扭曲長度250不大于2長度2514003缺棱、缺角深度7熔洞直徑5裂紋長度寬度0.5不限制寬度0.511.030寬度1不準有注：寬度0.511.0mm的裂紋不允許跨過兩個或兩個以上的棱。c. 粘土質耐火磚：表5、表6所列為符合國家標準YB/

17、T5106-1993的粘土質耐火磚的主要指標。表5 粘土質耐火磚的性能指標項 目指 標N-4耐火度（）不低于16902kgf/cm2荷重軟化開始溫度（）不低于1300重燒變化% 1350，2h+0.2-0.5顯氣孔率% 不大于24常溫耐壓強度不小于（2kgf/cm2）200注：電解槽使用粘土耐火磚牌號不低于N-4。 導熱系數(shù)（W/m2·h）：0.7+0.64(t/1000)；比重（g/cm3）：0.35。表6 粘土質耐火磚的尺寸允許偏差和外觀（mm）項 目指 標尺寸允許偏差尺寸100±2尺寸101150±2.5尺寸151300±2%尺寸301400

18、77;6扭曲長度250不大于2長度2313002.5長度3014003缺棱、缺角深度7熔洞直徑7渣蝕 厚度<1在磚的一個面上允許有裂紋長度寬度0.5不限制寬度0.511.060寬度>1不準有d. 氧化鋁：表7為目前所使用的氧化鋁的導熱系數(shù)。表7 不同容量氧化鋁導熱系數(shù)容量g/cm3表面溫度導熱系數(shù)kcal/m2hW/m2h0.6620.6656000.1040.1211.301.1246000.1720.21.2021.1056000.2800.325e. 石棉板：目前執(zhí)行標準為JC/T692000。石棉板是以石棉為主要原料，加入粘結劑和填充材料而制成的板狀隔熱材料。一般要求石棉板

19、組織結構均勻，厚度一致，表面光滑，但允許一面有毛毯壓痕或雙面網(wǎng)紋。不允許有折裂、鼓泡、分層、缺角等缺陷。石棉板燒失量不大于18%，含水度不超過3%，密度1.3g/cm3。橫向拉伸強度0.8Mpa。石棉板的規(guī)格通常有850×850mm和1000×1000mm兩種，厚度1.025.0mm。每1m3石棉板的質量按1200kg計算。f. 干式防滲料：表8所列為符合國家標準GB/10294-88的干式防滲料的主要理化性能指標。表8 干式防滲料的理化性能指標項目單位指標Al2O3+SiO2%85耐火度1630松散容重g/cm31.5堆積密度g/cm31.9抗冰晶石滲透950×

20、96hmm15導熱率65w/m.k0.353000.401.1.3.2 陰極炭塊組的制作陰極炭塊組的制作，包括炭塊和鋼棒的加工及其組裝兩部分。其制作方式與陰極鋼棒的形狀有關。陰極鋼棒可采用方形、矩形或圓形、半圓形等多種形狀。理論上而言，圓形棒周圍應力分布均勻，尤其是能夠克服矩形或燕尾槽型所帶來的應力集中的問題，可降低陰極炭塊破損的風險，并能夠獲得較低的鐵炭電壓降。然而圓形棒與炭塊的連接（粘結方式）在我國沒有成熟技術。不少人建議使用半圓形斷面，但我國尚無工業(yè)實踐，目前還是采用方形或矩形棒，對應地將陰極炭塊的溝槽加工成燕尾槽形狀。近20余年，世界上新建鋁廠普遍采用通長炭塊和通長陽極鋼棒。從70年代

21、中期開始，由于電解槽容量不斷增大，采用大斷面陰極炭塊后，每個陰極鋼棒帶有兩條溝槽的設計方案被采用，即每個陰極炭塊與兩個陰極鋼棒相連接。陰極炭塊與鋼棒的組裝方式有炭糊扎固、磷生鐵澆注、炭的粘結劑粘結等。其中，磷生鐵澆注式組裝的陰極壽命短，工藝流程繁瑣、復雜、技術性強，高溫作業(yè)，勞動強度大、效率低、成本高，廢品率高，該法在國內大多被扎固法所取代。因此下面以扎固法為例進行介紹。（1）陰極炭塊組制作的工藝要求a. 鋼棒下料后，在其兩端面打上編號（最好打鋼印或用油漆標記），測量并記錄每根鋼棒的彎曲程度；校正不合格的鋼棒；砂洗四面，表面應露出銀灰色金屬光澤，砂洗完后檢查并填寫記錄。b. 組裝前用壓縮空氣將

22、炭塊燕尾槽內灰塵吹凈，然后加熱陰極炭塊，與此同時加熱陰極鋼棒和炭糊，加熱溫度根據(jù)炭糊性質而定，一般在40110的范圍（以炭糊說明書要求的溫度為準）。c. 組裝前再清掃一次燕尾槽內的灰塵；用電毛刷對鋼棒進行打磨，表面不準有灰塵。d. 陰極鋼棒軸向中心線必須與炭塊鋼棒槽軸中心線相吻合，偏關不準超過炭塊長度的1，鋼棒組裝后總長度偏差不大于15mm，彎曲度不大于4mm。e. 每次加糊后用樣板刮平再搗固，共分6層左右搗固，每層搗固高度為2040mm；扎固時炭糊的溫度應滿足鋼棒糊使用說明書的要求；每層搗固兩個往返，搗固后糊與炭塊表面呈水平，表面整潔，不準有麻面，搗固壓縮化（1.61.8）：1，搗固風壓不低

23、于0.5Mpa，扎固搗固錘每次移動1cm左右，嚴禁搗固錘打壞炭塊，防止異物進入糊內。f. 組裝后測量炭塊表面與鋼棒表面，平行度公差值3mm，不準高于炭塊表面，用耐火泥抹平。g. 組裝后陰極炭塊組的質量要求：導電性能：當用2000A直流電以工作面和陰極鋼棒露出端為兩極，其電壓平均值不大于350mV（在室溫下）；外觀：由燕尾槽向外延伸的裂紋寬度不大于0.5mm，長度不大于60mm，其它缺陷符合底部炭塊標準，冷糊雜物清除干凈；炭塊組堆放要按作業(yè)基準進行，要輕吊輕放，鋼絲繩所壓炭塊部位要有防壓措施工，嚴禁雨淋，受潮；對炭塊組檢查采用抽查法，抽檢比例3%。如有質量問題提高抽查比例。（2）陰極炭塊組制作用

24、主要材料a. 陰極炭塊：關于陰極炭塊的種類、性能、制備工藝等請見本書第六篇“鋁用炭素材料與技術”。陰極炭塊的種類很多，這里僅以當前國內外大中型預焙槽上使用最多的半石墨質炭塊為例。我國鋁廠目前較普遍使用的半石墨質陰極炭塊的行業(yè)標準為YS/T287-1999。該標準的炭塊理化指標見表9，尺寸允許偏差見表10，加工后尺寸允許偏差見表11，且外觀符合如下規(guī)定：產(chǎn)品表面應平整，斷面積不允許有空穴、分層和夾雜物；加工長度大于1m時，彎曲度不大于長度的0.1%；炭塊嚴禁受潮和油污染；炭塊表面允許有符合表12中所述的缺陷。 表9 半石墨陰極炭塊的理化性能指標部位牌號灰分%電阻率(·mm2/m)電解膨

25、脹率%耐壓強度(N/mm2)體積密度g/cm3真密度g/vm3不大于不小于底部BLS-17421.0321.561.90炭塊BLS-18451.2301.541.87表10 炭塊尺寸允許偏差(mm)名 稱允許偏差不大于寬度厚度長度炭塊±10±10±15表11 炭塊加工后的尺寸允許偏差(mm)名 稱允許偏差不大于寬度厚度長度直角度(°)底部炭塊±2±4±12±0.4側部炭塊±3±3±5±0.5角部炭塊±5±5±5表12 炭塊表面的缺陷缺陷名稱缺陷尺

26、寸（mm）缺角a+b+c50,不多于兩處缺棱a+b+c50,不多于兩處面缺陷近似周長a+b+c100,深度5裂紋（0.5以下）長度a或b+c60注：a+b+c的計算見圖9。圖9 炭塊缺陷計算示意圖 b. 鋼棒糊：以GH牌號的鋼棒糊為例，其理化性能指標如表13所示。表13 鋼棒糊的理化性能指標 指標牌號灰分%揮發(fā)份%固定碳%體積密度g/cm3 耐壓強度Mpa 比電阻mm2/mGH3913841.552575c. 硼化鈦陰極：TiB2是最理想的鋁電解可潤濕性陰極材料（詳見本書第七篇“鋁冶煉新工藝進展”中的“惰性可濕潤性陰極”）。目前中南大學研發(fā)的常溫固化硼化鈦陰極涂層材料和中國鋁業(yè)公司研發(fā)的硼化鈦

27、-炭復合材料均開始在大型預焙鋁電解槽上應用。這種材料與低石墨質或低石墨化程度的炭塊結合，可以顯著改善陰極的抗鈉膨脹性，而與高石墨質或高石墨化程度的炭塊結合，則可以顯著改進陰極的耐磨性，此外還有一個很重要的優(yōu)點是，它給陰極帶來了一種炭素材料所不具備的性能，即與金屬鋁液的良好潤濕性，因而可減少槽底沉淀，提高陰極工作的穩(wěn)定性。硼化鈦陰極涂層與價格較低的無煙煤基（無定形或半石墨質）炭塊相結合的效果最為顯著。無定形炭在長時間電解后會逐漸石墨化，在一年或更長一點的時間內大部分會轉化成石墨。在工業(yè)電解槽上這種石墨化轉化之所以未能體現(xiàn)在陰極電壓降的下降，是因為鈉膨脹及熔融電解質與碳化鋁的滲透抵消了石墨化所帶來

28、的電導率的改進。對此，我們開發(fā)的常溫固化硼化鈦陰極涂層技術所采用的涂層厚度只要有45mm即可（這樣涂層的造價相對較低），涂層本身壽命只需2年左右即可（因為陰極炭塊的吸鈉膨脹主要發(fā)生電解槽啟動后的12年內），但其提高槽壽命和穩(wěn)定槽況所帶來的效益顯著高于使用涂層所帶來的投資費用增加。1.1.3.3 陰極炭塊組的安裝 陰極炭塊在槽底的排列有圖10所示的幾種情況，其中a，b，c三種比較，c型最好。d型對應通長炭塊，這種類型接縫數(shù)量最少，一般認為該類型可使電解質和鋁液滲漏的可能性以及由于上抬力和推擠力所引起的機械破損可能性均可降至最少。通長炭塊不一定采用通長陰極棒，但發(fā)展趨勢是通長炭塊與通長陰極棒。 a

29、 b c d圖10 陰極炭塊組安裝類型 （1）陰極炭塊組安裝的工藝要求 a. 將砌筑完畢的槽底（干式防滲料）表面清理干凈，按預先劃好的作業(yè)基準線進行安裝作業(yè)，以槽中心為準，由中央向兩端進行。 b. 炭塊組兩端鋼棒預先安裝好擋板。已變形棒孔擋板要校正方可使用，不能校正的必須更換。 c. 用鋼絲繩吊動炭塊時，所壓部位必須采取防范措施，以防損傷炭塊；調整炭塊組時僅撬動炭塊，不可撬動鋼棒；嚴禁損傷炭塊、鋼棒及擋板，安裝要平穩(wěn)，不平處可用粉料（防滲料）墊平。 d. 相鄰炭塊其水平高差不超過3mm，長度偏差10mm；炭塊間距符合內襯圖要求，相鄰炭塊就位，用縫寬樣板控制，測定三點，一般控制在規(guī)定值±

30、;2mm，然后取下樣板用木楔臨時固定。 d. 就位時，鋼棒應放在窗口中央，陰極鋼棒中心線與槽殼窗口中心線偏差為±3mm；陰極鋼棒擋板緊貼槽殼鋼板上，2-3mm間縫用水玻璃石棉膩子塞滿；膩塞棒孔后，炭塊組不準移動，如需移動，窗孔間隙重新膩塞。 e. 水玻璃石棉膩子密封料的配比，按重量比為，水玻璃：（石棉粉70%+石棉絨30%）=1:1.5，混合均勻使用。水玻璃膩子應潔凈，不準混入異物。 （2）陰極炭塊組安裝用主要材料 a. 硅酸鈉水玻璃：符合國家標準GB/T4209-96的水玻璃的密度：1.321.38g/cm3，波度(20)(°Be)35-37，模數(shù)(M)3.5-3.7。

31、b. 石棉：目前采用的石棉理化性能指標見表14。石棉絨采用溫石棉機選4級，4級石棉按纖維長度和含量分別為：4.8mm為5-35%以上，1.35mm為45-70%以上，砂粒粉塵含量不大于5.5%。石棉粉的技術性能：短纖維石棉10%，輕質耐火土鈣鎂細粉90%，體積密度0.86g/cm3，耐熱度不小于600，水分不大于5%，導熱系數(shù)不大于0.093w/m.k。表14 石棉的主要理化性能指標種類密度g/cm3莫氏硬度纖維外形柔順性強韌性比熱GJ/Kg.k導熱系數(shù)w/cm.k熔點()使用強度()最高工作溫度()灼熱減量(%)800吸濕量(%)耐酸性耐堿性抗拉強度(Mpa)溫石棉2.2-2.42.5-4.

32、0白色光澤柔軟強0.8360.071200-1600400600-80013-151-3弱強29.40青石棉3.2-3.34.0深青色光澤小柔軟稍弱0.8360.07900-11502003-41-3強弱32.341.1.3.4 陰極炭塊周圍砌筑 （1）陰極炭塊周圍砌筑的工藝要求 a. 四周緊貼槽殼為石棉板、硅酸鈣板，縫隙小于2mm，縫隙用石棉絨-水玻璃糊實。 b. 兩炭塊鋼棒間砌65mm粘土質隔熱耐火磚（兩層或三層，依內襯圖而定），采用濕砌，磚縫小于3mm。 c. 搗打澆注料：按內襯圖尺寸支好模板，固定陰極炭塊四周；用攪拌機干混澆注料2min，然后加入清潔自來水（加水量6.57.5%之間），

33、加完水后攪拌34min即可出料；攪拌好的澆注料應立即倒入模內（應采用多點投料為好），用插入式振動器振動，振至表面露出浮水為止；振動器提起時應避免留空洞，振動棒應緩慢均勻移動，不能在一點長時間振動，以防澆注料偏析；加第二層料振動時，切忌將振動棒插入第一層料內以防破壞第一層已初凝料層的組織結構；澆注完畢全高傾斜不大于5mm，其表面凹凸不大于2mm；澆注好后用草袋覆蓋注體，養(yǎng)生時間：若環(huán)境溫度大于平均20/天，養(yǎng)生時間為24小時，否則為48小時。 d. 砌筑耐火磚：待澆注體達到養(yǎng)護時間后，澆注體上用耐火泥漿找平砌筑一層或二層（視內襯圖而定）65mm高鋁磚或粘土質隔熱耐火磚，磚縫小于3mm，泥漿飽滿，

34、為砌筑側部炭塊做好準備。 （2） 陰極炭塊周圍砌筑用主要材料 a. 防滲隔熱耐火澆注料（耐火混凝土）：不同廠家有不同標準，表15是其中一種的組成及性能。表15 防滲隔熱耐火澆注料（耐火混凝土）組成及性能指標組 成Al2O3(%)體積密度（g/cm3）耐壓強度（MPa）燒后線變化%導熱系數(shù)使用溫度骨 科結合劑輕 質粘土磚高 鋁水 泥35452.02.312380.450.50.810001300 注：導熱系數(shù)為700-1000時的數(shù)據(jù)。 b. 耐火磚：某企業(yè)生產(chǎn)的高鋁磚的理化性能指標見表16。若采用粘土質隔熱耐火磚，相關性能指標見“槽底砌筑用主要材料的指標”。表16 高鋁磚理化性能指標項目指 標

35、LZ-75LZ-65LZ-55LZ-48Al2O3，% 不小于75655548耐火度，不小于1790177017500.2MPa荷重軟化開始溫度1520150014701420重燒線變化，%1500，2h+0.1-0.4/1450，2h/+0.1-0.4顯氣孔率，% 不大于2322常溫耐壓強度，MPa 不小于53.949.044.139.21.1.3.5 側部砌筑 （1）側部砌筑的工藝要求 a. 砌筑前將槽殼上的污垢和周圍磚表面上的泥漿清理干凈，砌筑塊（炭塊或碳化硅磚）要仔細檢查，有缺陷的根據(jù)情況放在角部。 b. 炭塊用干砌，碳化硅（SiC）磚用耐火泥漿砌筑，因此若使用碳化硅磚，先配制碳化硅耐

36、火泥漿。砌筑從角部開始作業(yè)，立縫小于0.5mm，臥縫小于3mm，錯臺小于5mm。大面根據(jù)槽型可以砌筑成一條弧線。側塊背部緊貼槽殼鋼板，背縫小于 2mm。 c. 若需加條，則加條在角部兩側的第三塊上進行，加條尺寸應不小于原炭塊的二分之一。 d. 砌筑和調整側部炭塊應使用木錘敲打，嚴禁使用金屬錘敲打，以防損傷炭塊。 e. 對于側部塊與槽殼間的縫隙，若側部為碳化硅磚，則用碳化硅澆注料或側部散熱填充料填實；若為炭塊，則用氧化鋁，或炭膠或側部散熱填充料填實。 (2) 側部砌筑用主要材料的指標 a. 側部塊：若使用炭塊，則見“陰極炭塊組的制作”；若使用碳化硅磚，則見表17的實例（牌號為SICATEC75）

37、。表17 氮化硅結合碳化硅磚的理化性能指標指 標測試條件標準 顯氣孔率（%）/18 體積密度（g/cm3）/2.60 耐壓強度（MPa）/150 抗折強度（MPa）室溫42140045 荷重軟化溫度（）0.2MPa, T2>1700 熱導率（W/mk）100017（實測值） 抗氧化性（Wt%）1150×20h0.5（實測值） 抗堿性（Wt%）1350×20×52.47（實測值） 化學成分（%）SiC/72Si3N4/18Fe2O3/0.7Si/0.5 尺寸公差厚度0100mm±1.0mm長、寬0300mm±1.5mm301500mm

38、77;2.0mm>500mm±0.5% b. 炭膠：側部使用炭塊時，用到炭膠。表18為一種炭膠的主要理化指標。表18 炭膠的主要理化指標項 目單 位標 準灰 分%<5揮發(fā)份%<45固定碳%>50針入度（20時）450650 c. 碳化硅耐火泥：側部使用碳化硅磚時，用到碳化硅耐火泥。表19為一種碳化硅耐火泥的主要理化性能指標。表19 碳化硅耐火泥的主要理化性能指標項 目指 標SicabondSica-Glue化學組成，%SiC3Fe2O3<11.0SiO2<9最高使用溫度，13501350粒度組成>0.5mm1<0.074mm>50

39、110×24h4.06.01000×3h5.0應 用砌筑碳化硅磚復合碳化硅磚與碳磚 d. 側部散熱填充料：表20為一種側部散熱填充料在不同溫度下的導熱系數(shù)。表20 側部散熱填充料在不同溫度下的導熱系數(shù)種 類單 位室 溫150300配方 1W/mk0.550.981.40配方 2W/mk0.601.121.531.1.3.6 扎固 （1）扎固立縫的工藝要求 a. 陰極塊加熱前應用壓縮空氣將槽內清理干凈，然后進行加熱作業(yè)。 b. 立縫加熱用電加熱器加熱，冬季加熱時間不少于12小時，夏季加熱時間不少于10小時，加熱溫度同扎糊作業(yè)溫度（遵照糊料產(chǎn)品說明書）。需加熱的材料、工具同時加

40、熱。扎固輔糊前再次進行吹風清掃。 c. 測量陰極炭塊加熱溫度，每個炭塊各測三點。 d. 非工作人員禁止入槽內，作業(yè)人員的鞋底必須干凈。 e. 陰極炭塊立縫均涂一層稀釋瀝青，厚度0.5mm左右。 f. 按量加糊，應用樣板刮平，再進行扎固作業(yè)，扎固次數(shù)不少于兩個往復，搗固時間約45秒/縫層。立縫一般分78次扎完，每槽約60分鐘。操作點的風壓不低于0.6MPa，壓縮比不低于1.60:1。 g. 扎固炭帽要在模板內進行，以防打壞炭塊。炭帽應高出陰炭塊上表面5mm，寬度40mm，鏟去炭帽兩側毛邊并用手錘壓光使之表面平整、光滑、無麻點。 （2） 扎固周圍縫的工藝要求 a. 周圍糊扎固前應對周圍縫加熱，并在

41、加熱前進行吹風清掃，加熱溫度同立縫溫度。 b. 凡與糊接觸部位（炭糊除外）均涂一層稀釋瀝青，厚度為0.5mm左右。 c. 槽長、短側各分710次扎完，斜坡高度符合內襯圖要求（一般為200mm），工作點風壓不低于0.6MPa，壓縮比不低于1.60:1。扎固之前首先將陰極鋼棒底下塞實。 d. 扎固坡面時，為使層間銜接牢固，用爪型搗錘把表面打成麻面，然后再鋪糊扎固。周圍糊接頭處用火焰加熱器烘烤，不準將糊燒成炭化物，加熱至立縫要求溫度。 e. 搗固后表面呈平面，光滑整潔，不準有麻面。 （3） 扎固用冷搗糊 目前已普遍使用冷搗糊扎固立縫與周圍縫。表21所列是“湘Q/LC556”標準的冷搗糊炭素材料的理化

42、性能指標。其中，LTC-1適用于陰極炭塊間立縫和周圍縫；LTC-2適用于陰極炭塊與陰極鋼棒接縫（鋼棒糊）。表21 冷搗炭素料理化性能指標項 目LTC-1LTC-2揮發(fā)分（%）<12<10骨料最大粒徑mm82灰 分（%）1210成型后體積密度（g/cm3）1.551.6水 分（%）11固定炭（%）7677施工操作溫度（）25-4040-501300燒 后體積密度(g/cm3)1.451.5耐壓強度(Mpa)2520殘余體積收縮(%)1.51.5顯氣孔率(%)2222導熱系數(shù)(W/m·k)電阻率(mm2/m)7065破損系數(shù)1.0注：破損系數(shù)是指炭素材料經(jīng)電解試驗后侵入試樣內

43、的電解質體積與試樣原總孔隙體積的比值。1.2 上部結構槽體（金屬槽殼）之上的金屬結構部分，統(tǒng)稱上部結構，它可分為承重桁架、陽極提升裝置、打殼下料裝置、陽極母線和陽極組、集氣和排煙裝置。1.2.1承重桁架以本章開頭部分所介紹的200kA預焙鋁電解槽為例（圖4）為例，承重桁架如圖11所示，下部為門式支架，上部為桁架，整體用絞鏈連接在槽殼上。桁架起著支承上部結構的其他部分和全部重量的作用。321圖11某廠200KA預焙陽極鋁電解槽桁架結構圖1.桁架；2.支架或門；3.鉸接點1.2.2 陽極提升裝置目前，國內預焙槽陽極提升裝置有兩種，一種是螺旋起重器式的升降機構；另一種是滾珠絲杠三角板式的陽極升降機構

44、。圖9某廠200KA預焙陽極鋁電解槽陽極提升機構圖1.馬達；2.聯(lián)軸節(jié)；3.減速箱；4.齒條聯(lián)軸節(jié)；5.換向器；6.聯(lián)軸節(jié)；7.螺旋起重機；8.傳動軸；9.陽極大母線懸掛架123456789以本章開頭部分所介紹的的200kA預焙鋁電解槽為例（圖4）為例，陽極提升裝置為螺旋起重器升降機構，它由螺旋起重機、減速機、傳動機構和馬達組成（圖12）。4個螺旋起重機與陽極大母線相連，由傳動軸帶動起重機，傳動軸與減速箱齒輪通過聯(lián)軸節(jié)相連，減速箱由馬達帶動。當馬達轉動時便通過傳動機構帶動螺旋起重機升降陽極大母線，固定在大母線上的陽極隨之升降。提升裝置安裝在上部結構的桁架上，其行程為400mm，在門式架上裝有與

45、電機轉動有關的回轉計，可以精確顯示陽極母線的行程值。隨著電解槽容量增大，螺旋起重器數(shù)量相應增加。例如，300kA槽需選用8個螺旋起重器（相當于8個蝸輪減速機），在每個傳動軸（共兩個）上分別安裝4個，但碰到的問題是很難做到4點在一條直線上，因而不能較好地實現(xiàn)齒輪咬合。平果鋁業(yè)公司320kA預焙槽的設計中，針對槽上部結構支撐大梁長，承載負荷大（72t）的特點，采用了分體式陽極提升機構的設計方案，即采用兩段大母線梁，雙電機驅動，8個螺旋起重器均勻負荷的分體式結構形式。A、B兩段大母線梁運行誤差調控由計算機自動跟蹤完成，但由于兩段負荷不一樣，很難實踐A、B兩段陽極底掌在一個水平面上，即一臺電解槽可能在

46、兩個極距下工作，必須經(jīng)常人工調整。為達到特大型槽8個螺旋起重器同步升降，可以將變速機構置于槽的中部通過4個水平軸與螺旋起重器相聯(lián)1。采用滾珠絲杠三角板的陽極升降機構，僅用2個蝸輪桿減速器、2個標準滾珠絲杠與8個三角板。結構示意圖如圖13所示，其工作原理是，滾珠杠向前推，陽極下降；向后拉則陽極上升（由電動機正反轉控制）。顯然，這種機構比傳統(tǒng)的螺旋起重器的升降裝置簡單，機械加工件少，易于制造加工，傳動效率高1倍，造價低耐用，易檢修維護，又能簡化上部金屬結構，對擴大料箱容積，方便陽極操作均有益處。法國彼施涅公司135320kA預焙槽均采用這種陽極升降裝置。我國目前沈陽鋁鎂設計研究院設計的大型槽也采用

47、了該種設計方案1。圖13 滾珠絲杠三角板式的陽極升降機構1.2.3打殼下料裝置早在20世紀60年代，美國在預焙鋁電解槽上使用了線下料裝置，多數(shù)位于兩排陽極中央空間部位，每次打殼下料的間隔時間為60120min。打殼機構分為鍘刀型、刀齒混合型，按照一定間距固定在槽縱向中央可升降的工字鋼梁上，其上部安裝線加料定容器。定容器由兩條鋼組成，兩端用軸聯(lián)接。這種結構與我國白銀鋁廠20世紀80年代購買日本千葉鋁廠的155kA鍘刀式中間下料預焙槽大體相同。在氧化鋁下料方面的重要突破是20世紀80年代發(fā)展起來的點時下料系統(tǒng)，它由槽上料箱和點式下料器組成。料箱上部與槽上風動溜槽或原料輸送管相通，原料通過現(xiàn)代的氣力

48、輸送系統(tǒng)可以從料倉直達槽上料箱。點式下料器安裝在料箱的下側部。點式下料器由打殼裝置和下料裝置兩個部分組成，或者是將打殼與下料集合在一起的 “二合一”裝置，其中打殼裝置實現(xiàn)在電解槽結殼表面上打開一個孔穴，下料裝置實現(xiàn)將其定容室中的氧化鋁通過打開的孔穴卸入電解質中。點式下料器動作一次向電解槽添加少量（且通過定容來定量）的氧化鋁，每個定容器典型加料量為0.53kg（視定容器的定容大小而定），定容精度可達到±2%。每臺電解槽安裝一定數(shù)量的點式下料器后，便可以通過理論計算確定正常的下料間隔時間。一般地，正常下料間隔時間在1.53min的范圍。由于下料間隔如此之短，點下料技術常被稱為“準連續(xù)”或

49、“半連續(xù)”下料技術。點式下料系統(tǒng)與現(xiàn)代先進的計算機控制系統(tǒng)相結合，可以通過由控制系統(tǒng)自動調整下料間隔來調整下料量，從而形成多種準連續(xù)“按需下料”技術，滿足現(xiàn)代鋁電解工藝對氧化鋁濃度控制的要求。合理地選擇每臺電解槽安裝點式下料器的個數(shù)、定容規(guī)格和安裝位置是相當重要的。要考慮下料點所對應區(qū)域的電解質有較好的流動性；考慮氧化鋁的溶解度及溶解與分布速度，避免造成電解槽內的濃度差；有合適的正常下料間隔時間以及發(fā)生陽極效應時能夠快速加入足量的氧化鋁。事實上，下料器的個數(shù)在一定程度上取決于電解槽容量大小，有一種說法是大約每50kA電流需安裝一個下料器2。法國彼施涅鋁業(yè)公司的AP18預焙槽（180kA）和AP

50、30預焙槽（300kA）均設計為4個下料器。我國預焙槽的下料器個數(shù)為：系列電流在60kA100kA范圍則每槽安裝2個；160kA300kA安裝4個；320kA350kA安裝5個。有的電解工藝采用交替下料方式（如編號按順序為14的4個下料器按照1、3與2、4兩兩交替下料），而有的采用每次全部同時下料方式。來陽極效應時均采用全部下料器同時下料，一般動作45次，即可滿足熄滅陽極效應的下料要求。下料器的最佳安裝位置是靠近陽極角部的中縫處3，下料器的錘頭尺寸較小為好，使在殼面上打開的下料孔較小。希望向洞中央低速下料，而不應成堆卸料，因為氧化鋁需要迅速擴散，以防止沉淀的形成。結殼上的洞最好保持敞開，以減小

51、掉入電解質中的結殼量。目前，我國普遍使用的點式下料器為筒式下料器。圖14所示的是一種筒式下料器的安裝示意圖。其打殼裝置由打殼氣缸和打擊頭組成，打擊頭為一長方形（或圓形）鋼錘頭，通過錘頭桿與氣缸活塞相連，當氣缸充氣活塞運動時，便帶動錘頭上、下運動而打擊熔池表面結殼；其下料裝置由一氣缸帶動一個在鋼筒中的透氣鋼絲活塞及下端裝有鐘罩的密封鋼管組成一個密封鋼筒下端的鐘罩組成。鐘罩與透氣活塞將鋼筒的下部隔成一個定容空間，定容空間的上端開有充料口。當氣缸活塞運動到上端時，便帶動鐘罩封住鋼筒的下端（見圖14-a），透氣活塞移動到充料口上端，即充料口打開，料箱中被流化的氧化鋁立即充滿下料器的定容室。當接到下料命

52、令時，氣缸活塞被驅動向下運動，便帶動連在活塞桿上的透氣活塞和鐘罩向下運動，此時，透氣活塞擋住了充料口（見圖14-b），堵住了料流向定容室，而定容室中的料卻隨著鐘罩向下運動而卸入槽中。此種加料裝置具有運動可靠，下料精確，使用壽命長等優(yōu)點。目前國內已開發(fā)出4.5L、1.8L和1.2L三種筒式定容下料器，并有下料與打殼分離式和下料與打殼二合一式兩種類型。下料器的自動控制是通過計算機控制系統(tǒng)控制電磁閥來實現(xiàn)的（也可以手動控制）。通過幾個電磁閥的組合，可以按照一定的程序向打殼氣缸和定容下料氣缸提供壓縮空氣，完成各種動作的順序控制。圖14 一種筒式下料器的安裝示意圖1.2.4陽極大母線和陽極組1.2.4.1 陽極大母線圖15 “單塊組-四爪”陽極組結構示意圖陽極大母線既承擔導電、又起著承擔陽極重量的作用。電解槽有兩條陽極大母線，其兩端和中間進電點用鋁板重疊焊接在一起，形成一個母線框，懸掛在陽極升降機構的絲桿（吊桿）上。陽極組通過小盒卡具和大母線上的掛鉤卡緊在大母線上。1.2.4.2陽極組的基本結構陽極組由炭塊、鋼爪和鋁導桿組成，炭塊有單塊組和雙塊