一种电解铝用炭阳极双炉预热系统及使用方法

摘要

一种电解铝用炭阳极双炉预热系统及使用方法，主要用于炭阳极上电解槽前的预热。本发明在满足炭阳极预热需要的同时，可有效降低阳极炭块与电解液之间的温度差，避免因温度差导致的阳极炭块出现裂纹或破裂的情况发生，并降低阳极炭块的无效消耗，提高电解铝生产的安全性。本发明的预热炉所排出的废气可排入调温室中进行回收利用，降低成本且实现节能减排；调温室中的废气与高温烟气混合形成混合烟气后，在混合烟气中几乎不含氧气，通过混合烟气对炭阳极进行热交换预热时，可有效避免阳极炭块表面发生氧化现象；通过调整废气与高温烟气在调温室内的混合比例，可实现对调温室内混合烟气温度的调节，从而实现对炭阳极的预热温度的精确控制。

说明书

技术领域

本发明属于电解铝技术领域，特别是涉及一种电解铝用炭阳极双炉预热系统及使用方法， 主要用于炭阳极上电解槽前的预热。

背景技术

炭阳极作为铝电解槽的主体部件，其通常安装于电解槽的上部，在炭阳极的底部安装有 阳极炭块，阳极炭块用于侵入高温熔融的电解液中，能将强大的直流电导入电解液，并且与 电解液接触的部分也直接参与铝的电解反应，在铝的电解反应过程中，阳极炭块不断被消耗 并最终转化为CO和CO₂，同时氧化铝被还原为金属铝。一般情况下，每生产1吨金属铝，耗 炭量约为450～550kg，且阳极炭块日平均消耗1～2cm，更换周期一般为18～28天。

炭阳极主要由阳极导杆、钢爪和阳极炭块等组装而成，阳极导杆一般用一级铝或铝镁合 金拉铸而成，长度约为2000～2200mm，阳极导杆横截面为矩形，尺寸由通过阳极导杆的电流 大小而定，一般电流密度为30～40A/cm²，阳极导杆与水平大母线接触的导电面需经过机械加 工，要求平直而光滑；钢爪为ZG25材质的铸钢件，根据阳极炭块数量的多少，钢爪可分为3 爪头、4爪头或6爪头等，爪头呈直线或矩形排列；阳极炭块主要是以煅后石油焦或沥青焦 为骨料，并以煤沥青为粘结剂，再依次通过混捏、成型和焙烧制得。对于现代结构的电解槽 而言，适用的阳极炭块的高度为540～600mm，电阻率为50～60μΩ·m，抗压强度为40～55MPa， 抗弯强度为8～12MPa，体积密度约为1.5～1.6g/cm³，真密度约为2.05～2.10g/cm³，导热系 数为3.0～4.5W/m·k。在阳极炭块导电方向的上表面留有2～4个直径为160～180mm、深度 为80～110mm的圆槽，俗称炭碗，而炭碗是用来安放钢爪的。

在炭阳极上电解槽前，需要将阳极导杆、钢爪和阳极炭块通过焊接和浇铸磷生铁的方式 组装为一体，其中，阳极导杆与钢爪之间可通过铝钢爆炸焊块进行连接，或直接将阳极导杆 与钢爪爆炸连接后进行焊接；钢爪组装前要进行砂洗并涂石墨浆，可以防止钢爪被腐蚀，并 改善钢爪和铸铁的接触状态，降低接触面的电压降，有利于阳极导杆循环使用时磷生铁的脱 环作业；浇铸磷生铁前，需将与阳极导杆焊接好的钢爪加热到一定温度，以除去钢爪表面的 水分，然后再将钢爪放入到清理干净的阳极炭块炭碗中，并由浇注机向炭碗中定量浇铸磷生 铁，进而将钢爪与阳极炭块结合在一起。

在传统生产工艺中，组装好的炭阳极是不经预热便直接安装到电解槽上的，此时阳极炭 块温度仅为环境温度，而电解质的温度可高达960℃，强大的热流会由阳极炭块的底掌传入 炭块内部，此时与电解质接触附近的阳极炭块内部(尤其是角部)便会产生很大的温度差，热 应力也随之产生，当热应力超过阳极炭块的断裂强度时，阳极炭块便会出现裂纹或破裂，严 重的甚至出现掉块，从而进一步导致阳极炭块内电流分布不均匀程度的增加，使电解槽内的 电磁场出现较大波动，进而造成铝液的波动，当铝液波动大到一定程度时，就会转变成电解 液的波动，如此一来，将导致电解液冲刷阳极炭块的外壳，并进一步加剧电解液与阳极炭块 间的热交换，从而造成恶性循环。上述情况的出现在北方寒冷的冬季显得更为突出，不仅使 阳极炭块的消耗程度大幅度增加，也极大的威胁着电解槽的安全。

为了避免上述情况的出现，必须要降低电解液与阳极炭块之间的温度差，因此，亟需一 种能够满足炭阳极在上电解槽前，对炭阳极进行预热的设备及方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种电解铝用炭阳极双炉预热系统及使用方法， 能够满足炭阳极在上电解槽前的预热需要，有效降低阳极炭块与电解液之间的温度差，避免 因温度差导致的阳极炭块出现裂纹或破裂的情况发生，降低阳极炭块的无效消耗，同时提高 电解铝生产的安全性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电解铝用炭阳极双炉预热系统，包 括烟气生成炉和预热炉，在所述烟气生成炉上分别设置有燃烧器和烟气出口，所述燃烧器安 装在烟气出口对面的烟气生成炉炉墙上，燃烧器的出烟口与烟气生成炉的炉膛相连通；在所 述预热炉内分别设置有预热室和废气室，所述预热室与废气室之间通过缝隙相连通；在所述 预热室的炉墙上设置有热烟气喷口，热烟气喷口与烟气生成炉的烟气出口相连通；在所述预 热室的炉底设置有运输辊道，运输辊道通过驱动电机进行驱动，运输辊道上用于放置炭阳极； 所述运输辊道入口端对应的预热炉上设有炭阳极入料口，运输辊道出料端对应的预热炉上设 有炭阳极出料口；在所述废气室的炉墙上设置有废气出口，废气出口与烟囱相连通。

在所述燃烧器上分别设置有空气进口和燃气进口，所述空气进口外接鼓风机，所述燃气 进口外接燃气源。

在所述烟气出口与热烟气喷口之间设置有调温室，在调温室与热烟气喷口之间设置有排 烟加压风机。

在所述废气出口与烟囱之间设置有废气抽排风机，废气抽排风机的出风口一路与烟囱相 连通，废气抽排风机的出风口另一路与调温室相连通。

所述热烟气喷口数量若干且均匀分布在预热室的炉墙上，热烟气喷口采用圆形喷口或环 形喷口，其流通面积为300～500mm²，相邻的热烟气喷口之间的中心距为300～500mm，最外 侧的热烟气喷口与相邻炉墙内表面距离为200～300mm。

所述废气出口数量若干且均匀分布在废气室的炉墙上，废气出口采用圆形出口，其内径 为100～200mm，相邻的废气出口之间的中心距为500～1000mm，最外侧的废气出口与相邻炉 墙内表面距离≤300mm。

所述烟气生成炉的炉膛可为正方体、长方体、圆柱体或椭圆柱体，所述预热炉的预热室 及废气室内腔可为正方体或长方体，所述调温室的内腔可为圆柱体或椭圆柱体。

所述的电解铝用炭阳极双炉预热系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：启动燃烧器，通过燃烧器生成高温烟气并排入烟气生成炉内；

步骤二：启动排烟加压风机，通过排烟加压风机先将烟气生成炉内的高温烟气抽入调温 室内，再将高温烟气从调温室抽入预热炉内，而高温烟气会通过热烟气喷口进入预热室内；

步骤三：将待预热的炭阳极吊装到运输辊道入口端，启动驱动电机，炭阳极一块紧挨一 块的通过运输辊道被运送至预热炉内进行预热，炭阳极在预热炉内不断前移的过程中温度逐 渐升高，每块炭阳极的预热时间为3～3.5h；

步骤四：炭阳极移动到运输辊道出口端时，距炭阳极表面200mm深处的最终预热温度要 达到250～300℃，通过运输辊道将预热好的炭阳极连续不断运至预热炉外，然后将预热好的 炭阳极吊起并安装到电解槽上；

步骤五：预热室内的高温烟气完成与炭阳极的热交换后温度降低成为废气，废气通过预 热室与废气室之间缝隙进入废气室内，然后启动废气抽排风机，通过废气抽排风机将废气室 内的废气送入调温室内，使废气与预热室内的高温烟气混合形成混合烟气；

步骤六：调整调温室内废气的输入量，多余的废气通过烟囱排出，调温室内混合烟气温 度通过调整废气与高温烟气的混合比例进行调节，再将调节好的混合烟气排入预热室内，利 用混合烟气来预热炭阳极。

所述废气抽排风机的废气抽排流量要小于排烟加压风机的烟气抽入流量，并保证预热室 内的压力维持在5～15pa之间。

所述烟气生成炉内的高温烟气在进入调温室时的温度为1000～1200℃，调温室内的混合 烟气在离开调温室后、进入预热室之前的温度为450～500℃，混合烟气在进入预热室时的温 度为400～450℃，热烟气喷口的出口压力为30～50Kpa，热烟气喷口的出口烟气流速为80～ 150m/s。

本发明的有益效果：

本发明克服了传统工艺的不足，即组装好的炭阳极不经预热便直接安装到电解槽上，使 阳极炭块出现裂纹或破裂的几率增高，而本发明为炭阳极上电解槽前进行预热提供了可能， 经过预热后的炭阳极再安装到电解槽后，可使阳极炭块的裂纹发生率降低到0.2％以下，从而 提高了电解铝生产的安全性。

本发明的预热炉所排出的废气并没有直接排向大气，而是排入调温室中进行回收，并将 废气中的余热进行重复利用，从而使本发明具有了降低成本和节能减排的效果。

本发明调温室中的废气与高温烟气混合形成混合烟气后，在混合烟气中几乎不含氧气， 因此通过混合烟气对炭阳极进行热交换预热时，可有效避免阳极炭块表面发生氧化现象。

本发明可以通过调整废气与高温烟气在调温室内的混合比例，实现对调温室内混合烟气 温度的调节，从而实现对炭阳极的预热温度的精确控制。

附图说明

图1为本发明的一种电解铝用炭阳极双炉预热系统结构示意图；

图中，1—烟气生成炉，2—预热炉，3—燃烧器的出烟口，4—烟气出口，5—燃烧器，6 —空气进口，7—燃气进口，8—鼓风机，9—预热室，10—废气室，11—热烟气喷口，12—运 输辊道，13—驱动电机，14—废气出口，15—废气抽排风机，16—排烟加压风机，17—烟囱， 18—调温室，19—炭阳极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种电解铝用炭阳极双炉预热系统，包括烟气生成炉1和预热炉2，在所 述烟气生成炉1上分别设置有燃烧器5和烟气出口4，所述燃烧器5安装在烟气出口4对面 的烟气生成炉1炉墙上，燃烧器5的出烟口3与烟气生成炉1的炉膛相连通；在所述预热炉 2内分别设置有预热室9和废气室10，所述预热室9与废气室10之间通过缝隙相连通；在所 述预热室9的炉墙上设置有热烟气喷口11，热烟气喷口11与烟气生成炉1的烟气出口4相 连通；在所述预热室9的炉底设置有运输辊道12，运输辊道12通过驱动电机13进行驱动， 运输辊道12上用于放置炭阳极19；所述运输辊道12入口端对应的预热炉2上设有炭阳极19 入料口，运输辊道12出料端对应的预热炉2上设有炭阳极19出料口；在所述废气室10的炉 墙上设置有废气出口14，废气出口14与烟囱17相连通。

在所述燃烧器5上分别设置有空气进口6和燃气进口7，所述空气进口6外接鼓风机8， 所述燃气进口7外接燃气源。

在所述烟气出口4与热烟气喷口11之间设置有调温室18，在调温室18与热烟气喷口11 之间设置有排烟加压风机16。

在所述废气出口14与烟囱17之间设置有废气抽排风机15，废气抽排风机15的出风口 一路与烟囱17相连通，废气抽排风机15的出风口另一路与调温室18相连通。

所述热烟气喷口11数量若干且均匀分布在预热室9的炉墙上，热烟气喷口11采用圆形 喷口或环形喷口，其流通面积为300～500mm²，相邻的热烟气喷口11之间的中心距为300～ 500mm，最外侧的热烟气喷口11与相邻炉墙内表面距离为200～300mm。

所述废气出口14数量若干且均匀分布在废气室10的炉墙上，废气出口14采用圆形出口， 其内径为100～200mm，相邻的废气出口14之间的中心距为500～1000mm，最外侧的废气出口 14与相邻炉墙内表面距离≤300mm。

所述烟气生成炉1的炉膛可为正方体、长方体、圆柱体或椭圆柱体，所述预热炉2的预 热室9及废气室10内腔可为正方体或长方体，所述调温室18的内腔可为圆柱体或椭圆柱体。

所述的电解铝用炭阳极双炉预热系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：启动燃烧器5，通过燃烧器5生成高温烟气并排入烟气生成炉1内；

步骤二：启动排烟加压风机16，通过排烟加压风机16先将烟气生成炉1内的高温烟气 抽入调温室18内，再将高温烟气从调温室18抽入预热炉2内，而高温烟气会通过热烟气喷 口11进入预热室9内；

步骤三：将待预热的炭阳极19吊装到运输辊道12入口端，启动驱动电机13，炭阳极19 一块紧挨一块的通过运输辊道12被运送至预热炉2内进行预热，炭阳极19在预热炉2内不 断前移的过程中温度逐渐升高，每块炭阳极19的预热时间为3～3.5h；

步骤四：炭阳极19移动到运输辊道12出口端时，距炭阳极19表面200mm深处的最终预 热温度要达到250～300℃，通过运输辊道12将预热好的炭阳极19连续不断运至预热炉2外， 然后将预热好的炭阳极19吊起并安装到电解槽上；

步骤五：预热室9内的高温烟气完成与炭阳极19的热交换后温度降低成为废气，废气通 过预热室9与废气室10之间缝隙进入废气室10内，然后启动废气抽排风机15，通过废气抽 排风机15将废气室10内的废气送入调温室18内，使废气与预热室9内的高温烟气混合形成 混合烟气；

步骤六：调整调温室18内废气的输入量，多余的废气通过烟囱17排出，调温室18内混 合烟气温度通过调整废气与高温烟气的混合比例进行调节，再将调节好的混合烟气排入预热 室9内，并利用混合烟气来预热炭阳极19。

所述废气抽排风机15的废气抽排流量要小于排烟加压风机16的烟气抽入流量，并保证 预热室9内的压力维持在5～15pa之间。

所述烟气生成炉1内的高温烟气在进入调温室18时的温度为1000～1200℃，调温室18 内的混合烟气在离开调温室18后、进入预热室9之前的温度为450～500℃，混合烟气在进 入预热室9时的温度为400～450℃，热烟气喷口11的出口压力为30～50Kpa，热烟气喷口 11的出口烟气流速为80～150m/s。

实施例一

本实施例中，铝电解槽的炭阳极采用的是预焙阳极，炭阳极更换周期为24天，阳极炭块 尺寸为600mm×400mm×400mm(长×宽×高)，阳极炭块上留有两个直径为160mm、深度为80mm 的炭碗，在炭阳极组装时，每两块阳极炭块为一组，阳极导杆的长度为2000、钢爪为4爪头， 钢爪与阳极导杆之间采用铝钢爆炸焊块进行连接，炭阳极上电解槽前，需要通过本发明进行 预热处理。

本实施例中，烟气生成炉1的炉膛为长方体，并由粘土砖砌筑而成，炉膛的有效尺寸为 1200mm×1200mm×4000mm，燃烧器5采用亚高速烧嘴，且燃烧器5与炉膛的中心线相重合， 燃烧器5的燃气采用天然气，燃烧能力为1200Nm³/h。预热炉2的预热室9的垂直截面尺寸为 1000mm×1200mm，预热炉2的废气室10的垂直截面尺寸为2200mm×500mm，预热炉2的有效 长度(炭阳极入料口至炭阳极出料口的距离)为16500mm，预热室9与废气室10之间的缝隙 为150mm。调温室18的内腔为圆柱体，内腔尺寸为Φ500mm×1500mm。

本实施例中的炭阳极在经过本发明的预热后，可使炭阳极安装到电解槽后的角部裂纹发 生率由4.5％降低到0.2％以下，且炭阳极的临时更换率基本为零，进而证明了本发明的有效性。

实施例二

本实施例中，铝电解槽的炭阳极采用的是预焙阳极，炭阳极更换周期为28天，阳极炭块 尺寸为600mm×450mm×500mm(长×宽×高)，阳极炭块上留有两个直径为180mm、深度为80mm 的炭碗，在炭阳极组装时，每两块阳极炭块为一组，阳极导杆的长度为2200、钢爪为4爪头， 钢爪与阳极导杆之间采用铝钢爆炸焊块进行连接，炭阳极上电解槽前，需要通过本发明进行 预热处理。

本实施例中，烟气生成炉1的炉膛为圆柱体，并由粘土砖砌筑而成，炉膛的有效尺寸为 Φ1500mm×4500mm，燃烧器5采用亚高速烧嘴，且燃烧器5与炉膛的中心线相重合，燃烧器5 的燃气采用高焦混合煤气，燃烧能力为1600Nm³/h。预热炉2的预热室9的垂直截面尺寸为 1100mm×1200mm，预热炉2的废气室10的垂直截面尺寸为2200mm×500mm，预热炉2的有效 长度(炭阳极入料口至炭阳极出料口的距离)为16500mm，预热室9与废气室10之间的缝隙 为150mm。调温室18的内腔采用圆柱形，内腔尺寸为Φ600mm×1500mm。

本实施例中的炭阳极在经过本发明的预热后，可使炭阳极安装到电解槽后的角部裂纹发 生率由5.5％降低到0.2％以下，且炭阳极的临时更换率基本为零，进而证明了本发明的有效性。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施 或变更，均包含于本案的专利范围中。