铝电解炭阳极消耗及超声波作用的影响

发布时间：2020-04-22 05:16

【摘要】：近年来随着愈来愈多400～600kA大型和超大型铝电解槽的投产,如何实现其低碳运行日益受到重视。降低炭阳极消耗,对于提升铝电解槽节能减排水平、建设低碳铝冶金工业具有十分重要的意义。已有文献认为选择性氧化和布多尔反应可直接影响炭阳极消耗,但先前研究工作多重于改善石油焦煅烧、阳极焙烧工艺、改性剂、电解工艺参数等方面,而有关阳极电流密度-阳极孔隙对碳耗的影响机制及定量表征方面的研究并不多见。因此,本文综合采用多种分析表征方法包括数字图像分析法,深入研究阳极电流密度、石油焦煅烧程度等因素与炭阳极孔隙结构变化、选择性氧化以及阳极消耗机制之间的本质性关联,并尝试探索超声波外场降低炭阳极消耗的新方法。首先研究了不同阳极电流密度下典型工业阳极碳块材料的碳消耗过程,基于图像分析方法对电解后阳极反应表面及内部孔隙特征参数变化规律进行定量分析表征,进而构建阳极电流密度-孔隙结构-碳消耗之间的相互关系。结果表明,阳极消耗和碳渣量可由图像分析所获参数进行精细分析表征,即减小形状因子、孔隙率、平均孔径、连通性等可获得较低碳消耗量。阳极电流密度分布不均匀对碳渣形成存在较大影响,阳极孔径为800～1500μm的大孔隙主要是由骨料颗粒脱落形成碳渣造成,600μm可能为碳渣形成的临界孔径。阳极边缘碳渣量大于中心区域,在0.75和1.00A/cm2时尤为明显。其次,为考察煅后焦氧化活性对炭阳极消耗行为的影响,以不同温度煅烧石油焦,对不同煅烧程度石油焦炭阳极孔隙结构、理化性能与碳消耗进行协同分析。结果表明,在煅后焦碳晶粒尺寸17-27A范围内,低煅焦炭阳极孔隙率、孔隙连通性和视孔隙比表面积随石油焦煅烧程度降低逐渐降低,且对应的空气/C02反应性主要由阳极孔隙结构决定,并不随煅后焦氧化活性升高而升高。低煅焦炭阳极电解过程中碳渣量显著减小,气化碳量稍微增大,碳消耗降低。这主要是由于低煅焦炭阳极消耗机制发生改变造成的：随煅后焦氧化活性提高,阳极-电解质反应界面选择性氧化被抑制,内部孔隙布多尔反应得到强化。然后,运用计算流体动力学方法,考察超声协同作用下电解槽内压力场分布及电解质-阳极气体两相流在超声作用起始阶段流场形成、发展的特点。与声压测量实验进行了比较,实验和模拟结果趋势一致。结果表明,炭阳极底面中心附近区域压力场和速度场变化幅度大,是主要的超声振动区域。流场速度沿阳极底面中心向边缘区域逐渐增大,最大值为1.30m/s,最小值为0.03m/s,沿竖直方向大幅衰减,不会扰动阴极区增加二次铝损失造成额外吨铝碳耗。此结果可为更深入研究电解槽内两相流动和分布情况提供理论知识,为进一步揭示超声协同降低炭阳极消耗机理提供技术数据。此外,在超声协同铝电解过程中首次发现施加超声可降低炭阳极消耗,在不改变炭阳极形状和性能的前提下,考察了超声波对炭阳极消耗行为的影响。结果表明,阳极电流密度0.75～1.00A/cm2范围内施加超声波可使工业炭阳极试样碳消耗降低5.6～14.2%,碳渣量降低52～86%：电解后炭阳极孔隙率、视孔隙比表面积、形状因子、连通性均增大；可大幅度改善炭阳极底面中心与边缘区域消耗不均匀问题。超声降低炭阳极消耗主要是通过超声快速驱除阳极底面气泡,减弱布多尔反应的强度(阳极气体中CO比例减少);另一方面,超声驱除阳极底面气泡使阳极电流密度分布趋于均匀,阳极-电解质界面反应更加均匀,碳渣量减少。还发现超声主要沿阳极轴向起作用,这主要是由超声自身特性和加载方式所决定。
【图文】：

示意图,炭阳极,消耗过程,示意图

学消耗和机械损耗。化学消耗包括布多尔反应造成的炭阳极二次消耗、空气燃烧以及电解副反应间接造成的阳极消耗。炭阳极消耗过程如图2-1所示。}0极——.kO^O- ：；O-o ? :? (X/空气氧化电解质 ^~? 0*： ? ；?Q/v；：； ? ) 闭气孔■ -i Y C02掉粒图2-1炭阳极消耗过程示意图Fig.2-1 Schematic of carbon anode consumption process1.电化学消耗，即理论消耗。炭阳极消耗中大部分是由电解过程电化学反应造成的，反应式如(2-7)所示。由式(2-7)根据法拉第定律可知，锅电解理论消耗为334 kg/t-Al。按炭阳极中杂质和灰分含量为2 %，电流效率为94 %时，实际理论碳耗量为348 kg/t-Al。在电解的过程中阳极反应也有可能按式(2-8)进行，反应产物为C0，此时，理论碳耗量为是反应(2-1)的一倍。一般条件下

阳极,活性表面,工业用,涂层

在表面形成与基体结合紧密的复合氧化物图层，测试结果表明，氧化物复合涂层能够对阳极基体起到很好的保护作用，，但不能做到完全不被腐烛。在Moltech阳极的基础上，通过电疲上Co-Ni合金键层发展成为DeNora阳极。阳极在920 r经氧化处理，形成具有电化学活性的NixCoi.xO具有半导体特性的保护层。金属阳极在930 'C的冰晶石溶盐中的电导率为左右。测试结果发现，电解招产品杂质含量小于lOOOppm，该阳极合金基体的氧化速率为2mm/a^氧化物复合层的溶解速度为3 mm/a，预测阳极使用寿命为1?2年。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF821

【参考文献】