电解铝厂特种高温功能涂料应用

一、概述

电解铝行业是一个系统庞大的行业，电解铝企业主要的生产单位有：动力车间、电解车间、铸造车间、净化车间、阳极组装车间等。

铝电解工艺流程

现代铝工业生产采用冰晶石—氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作 为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃-970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，既电解。

电解生产原理

阳极：2O2ˉ+C-4eˉ=CO2↑

阴极：Al3++ 3eˉ=Al

化学反应式：2Al2O3(溶解)+3C（固）=4Al（液）+3CO2（气）

二、隔热保温

1、电解槽保温

电解铝槽传统的保温结构从槽底部起依次为：钢制槽壳——轻质保温板——氧化铝层——耐火砖——阴极炭块。（工信部要求指标为吨铝直流电单耗在12500kWh，因此在钢槽壳体可使用保温隔热涂料减少热量损失，达到节能降耗。）

涂料应用：zs-1 耐高温隔热保温涂料1000℃和2000℃；

涂刷部位：电解槽钢制壳体内壁；

2、铝液混合炉保温

铝液混合炉是铸造车间的主要设备，其作用是储存铝液，调整均匀电解原铝品位，给铝液加热和保温；完成固体铝熔化、扒渣等过程，并给铸造设备提供所需的铝液。

铝液在混合保持炉中经过混合,搅拌,澄清,除渣等过程,得到成分均匀的铝液。混合炉还具有对铝液升温,保温的作业.铝液混合保持炉主要由炉体(炉膛)和电控加热系统两大部分组成,炉体通常由钢结构外壳和保温材料、耐火材料组成的炉衬组成。

电解槽生产的原铝，通过真空抬包吸出后，运至铸造车间，送到铸造车间后，铝液温度仍高达860-890°C，而铝锭的浇注温度一般要求在720°C，运到铸造车间的铝液高于铸造温度100-150°C，在混合炉内需要扒渣、冷切、静置，或倒入敞口台包内降温，在混合炉中加入一些加工生产的废料或冷料，铝液温度很快降至730°C，利用铝的富余热量可以熔化20%固态铝，大大缩短冷却时间，减少高温氧化损失。铝液可以铸造出各种坯锭、板锭、棒材及合金铸件等。

混合炉保温改进：

混合炉新炉，炉壳侧壁温度在65 °C，炉顶温度在100°C左右。随时间延长，耐火材料受炉内气体腐蚀，热震等方面影响，耐材损失破坏较大，炉壁温度持续升高。

可以在炉壳侧壁和炉顶内表面增加ZS-1耐高温隔热保温涂料（2000°C）涂层，涂层厚度3-10mm,可以起到保护炉壳降低炉壁热损失作用，增加保温涂料，使炉内各部分保温更均匀，实际熔铝温度降低，熔炼时间缩短,炉顶炉侧温度下降15°C以上，降低环境热辐射，节约电能。

三、阳极钢爪防粘渣

阳极钢爪是电解铝生产过程中阳极导杆中必不可少的器件，在其中起到承上启下的连接作用，阳极导杆的上有铝导杆，下有阳极炭块，组成的阳极部件的生产消耗品。

作为消耗品，阳极钢爪及其铝导杆在电解车间生产一个月后将会消耗殆尽，这时需要去除旧的阳极组件，换上新的。然而在旧导杆上将会残存着铝渣和电解质，为了便于清理残渣，可以选用zs-522耐高温不粘涂料。

1、 钢爪的工作环境

钢爪在铸造时选用低碳铸钢材料为主，为了降低生产成本，会添加一部分废旧钢爪。钢爪反复使用反复回炉，使得铸造出的钢爪中含有较高的F、Na、S .

阳极钢爪处在高温环境，从阳极安装到电解槽上一直到被新阳极置换下来，大概30天。在这期间，阳极温度由常温开始升温，当电解槽工作正常后，进入电解质的阳极下部温度与电解之间达到温度平衡，也就是说，这一部分阳极稳定温度和电解质温度相同，大约在590-960℃，由此向上阳极内部的温度自下而上逐渐减少，由于阳极保温料的作用，钢爪横梁以下被保温料掩埋的阳极上部温度达到400-500度, 这一温度一直持续到换极。

水分的影响 由于空气湿度的存在，电解槽砌筑、焙烧、启动以及正常生产中使用的原材料中都吸收一部分水分。安装在电解槽中的石墨，阳极碳块中含有水分，阳极覆盖料中含有水分，这些多孔碳材料中均会吸收水分。当电解槽中加热达到100℃以上时，吸附在碳孔材料中的水分会变成水蒸气，由下向上从孔洞、缝隙中逸出。（电解槽砌筑、焙烧，原材料中均是一些多孔碳材料，均会吸水，）

钢爪受到电解质、极上料、空气和电解烟气的侵蚀时，同时还要承受热应力，电磁力和碰撞力的破坏，很容易受到腐蚀使表面分层剥落。

2、 阳极钢爪腐蚀的危害

钢爪变形，缩短使用寿命。

当阳极钢爪腐蚀到一定程度时候，腐蚀层自动剥落，通过钢爪产生的焦耳热变大（当阳极钢爪表面分成剥落时，钢爪梁的有效面积减小，在铝电解槽进电电流强度不变的情况下，通过梁的电流强度增大，即电流密度变大。电流密度越大，横梁所发生的热量就会大），加之高温电解质对钢爪的热辐射和热传导、阳极自身重量三者的共同作用下，就会使钢爪变形，严重时会导致阳极钢爪 废。

影响铝业的质量

阳极钢爪表面被腐蚀，腐蚀层会脱落，阳极炭块和极上覆盖料Fe含量偏高，当阳极达到换极周期时，必须将残极由电解槽中拔出更换新的阳极上槽，在换极时，腐蚀层进入到铝电解槽，造成铁含量增高，影响原铝的质量。

影响电解槽运行工况的判断

正常运行中铝液中Fe的含量不超过0.1%-0.2%，硅含量不超过0.15%，当严重腐蚀、大量的铁进入电解槽时，会使铝中Fe含量急剧升高。此时就有可能使生产者产生误判，认为电解槽已经渗漏、需要立即停槽检修。

影响阳极浇铸

由于腐蚀形成细腰，钢爪容易出现向内弯曲，钢爪浇铸时磷铁水均匀分布效果差，不利于阳极组装和阳极更换。腐蚀层也会阻碍磷铁水的流动，浇铸的磷铁环质量较差，铁碳连接处电压将升高，情况严重时会造成阳极脱落。

影响阳极电流分布

钢爪的四个爪头由于腐蚀而直径差异较大时，对电流均衡分配不利。

案例

阳极钢爪及其铝导杆在电解车间生产一个月后将会消耗殆尽，这时需要去除旧的阳极组件，换上新的。然而在旧导杆上将会残存着铝渣和电解质，为了便于清理残渣，可以选用zs-522耐高温不粘涂料，防腐蚀防氧化 ZS-522 821 822等

四、铝电解车间地面绝缘

1、原因分析

大型预焙阳极母线直流电约300-500KA，车间系列电压达数百伏至上千伏，平均每台槽电压在4.15-4.3V。尽管人们把电压设在系列中点，但系列两端地电压仍高达500V左右。一旦短路，容易出现人身和设备事故。

触电电压ΔU=ΔU=抵近供电车间出母线对地电压≈430V

I=430V/1000Ω=430mA

人体安全电流10mA，安全电压36V，人体电阻1000Ω-2000Ω

电对人体的伤害，分为电伤和电击。

电伤：

对人体外部造成的局部伤害。使人痛苦，甚至造成失明、截肢，但一般不会死亡。

电击：

电流对人体内部组织的伤害。多数会导致触电死亡事故。

2、地面有钢筋加固，钢筋混凝土地面整体绝缘性能低。

电阻率

混凝土：1.2×104Ω?m；

铁：9.78×10??Ω·m；

近地空气：3×1013Ω?m；

3、每次转移铝液、更换阳极、捞渣，地面铝板搭接，相当于在原电容极板间的电介质从空气变为铝板导体，导致钢筋极板和铝板极板间距变小，击穿电压降低。混凝土被击穿，导致爆开。

介电常数

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数。

击穿电压

使电介质击穿的电压，电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体，称为电介质击穿，所对应的电压称为击穿电压。电介质击穿时的电场强度叫击穿场强。

4、人体出汗后，衣物和人体绝缘电阻急剧降低，后背电压较高，导致流过人体电流增大，引发触电事故。

5、解决办法

1）地面处理

去除水泥地面内的钢筋；降低了承重强度，不可取

加大地面和电解槽间距

2）用绝缘涂料

优点：

1、颜色：浅绿色；颜色柔和，不伤眼；

2、使用温度：≤1800℃，耐温高，能抵御900℃铝液接触；

3、涂层硬度：5H，工人在上边走动工作，铝包墩放不影响；

4、击穿强度：10KV/mm；体积电阻率：1016Ω.m；提高了地面的击穿电压1010-1012倍，给予良好绝缘保护；

5、施工简单，可随时简单修补。

五、烟气处理系统防腐

1、铝电解槽基础理论

二元相图：冰晶石：Na3AlF6，氧化铝：Al2O3

三元相图：冰晶石：Na3AlF6，氧化铝：Al2O3，氟化物：AlF3、NaF、MgF2、CaF2、LiF（25kg）

2Na3AlF6+3H2O=2Al2O3+6NaF6+6HF

2AlF3+3H2O=Al2O3+6HF

2NaF+H2O=Na2O+2HF

C+4[F]=CF4/C2F6

预焙槽生产中，烟气中总氟约为20-40kg/t-Al，粉尘量也大，大气污染负荷占整个电解铝生产系统的99%以上。

烟气中的HF是一种有毒的气体污染物，会引起骨质硬化，骨质增生、气管炎等疾病。

一次烟气：电解槽

二次烟气：生产车间

2、烟气净化方法

湿法：用Na2CO3吸收，脱氟效率85%，除硫60%，工艺简单，存在结垢、腐蚀问题，较少使用

干法：Al2O3吸附剂(比表面积25-50m2/g)，湍流状态下，1秒钟即可完成吸附过程。90-95%吸附反应是在吸附反应装置中完成。主要有 氏管、流化床、VRI等烟气吸附方法。

物理吸附：在吸附剂与吸附物之间，由分子本身具有的无定向力作用，即非极性的范德华力作用或由静态极化作用所产生的吸附

化学吸附：吸附剂具有足够高的活化能，分子从吸附剂表面得到电子，或分子把电子给予吸附剂表面，或分子被分子、原子或自由基团束缚起来，或分子与吸附剂表面共用一个或数个电子对。

吸附：3Al2O3+6HF→3（Al2O3?2HF）

转化：3（Al2O3?2HF）→2AlF3+3H2O+2Al2O3

总反应：Al2O3+6HF=2AlF3+3H2O

气固比：35-55g/m3（预焙槽），45-80g/m3（自焙槽）

3、干法净化流程

以除尘器为中心，利用电解生产的原料Al2O3对烟气中的有害成分（氟化物）进行吸附（ Al2O3 +6HF=2AlF3+3H2O）。原理是利用VRI反应器（其工作原理是 烟气向上通过反应器时，反应器内外形成负压，氧化铝粉从反应器中喷出，与烟气进行充分混合反应。氧化铝粉连续的加入，烟气连续的流过，为烟气和氧化铝提供了均匀的接触机会，完成氧化铝对氟化氢的吸附过程）使吸附剂（ Al2O3）能够与烟气充分接触，从而达到降低烟气中氟化物含量的目的，将含有大量载氟氧化铝的气体送入布袋除尘器进行气固分离，净化气体经烟囱排入大气；固体载氟氧化铝经密相输送管道、溜槽、气力提升机送入料仓。

分为：电解槽集气、烟气净化与气固分离、新鲜氧化铝供给、载氟氧化铝回收等几个部分。

1、 集气：烟气罩、排烟支管、排烟总管

2、 净化：VRI反应器、 丘里反应器、烟道反应器、沸腾床反庆器

3、 气固分离：布袋除尘器

4、 氧化铝输送：新鲜氧化铝料仓经风动溜槽提供，吸附后的载氟氧化铝由除尘器下部的沸腾床溢流口经水平溜槽、气力提升机送到载氟氧化铝料仓供电解槽使用。

4、VRI反应器

安装在烟管内的一种垂直径向喷射装置，主要用于电解铝烟气净化系统，其作用是将氧化铝（AL2O3）均匀的喷射到烟气反应装置中，与电解铝烟气中的氟化氢气体（HF）发生化学反应和吸氟反应，使氟化氢气体变成固态形式存在，再通过除尘器将其收集下来。从而达到了能源回收治理电解铝烟气中有害气体的目的，为铝冶炼和阳极焙烧炉烟气干法净化系统配套用的吸附反应装置。英 名为Vertical Radial Injector，简称VRI反应器。

工作原理：

该反应器根据气体流动多点式锥式锥形运动原理设计而成。将来自的氧化铝经流态化元件沸腾流态化后，通过空心锥体多孔眼中喷射溢流而出，呈一个很均匀的圆截面，此时含氟烟气在此与氧化铝进行充分接触，均匀混合及吸附反应，将含氟烟气吸附到氧化铝表面，生成氟化铝。

结构特点：

该应器设计结构独特，其外型成双锥体，减小设备阻力，使氧化铝喷出后成蝶型，增大吸附面积，提高吸附效率；喷射孔有合金耐磨套，使使用寿命提高5 倍，流化元件采用不锈钢烧结毡压制而成，机构精制，无需维修；喷料孔经热处理，增加了耐磨性。与其他反应器相比，具有氧化铝破碎率低、阻力小、有为附反应率高等特点，现已广泛应用在国内外铝工业烟气干法净化系统。

5、烟道设备防腐方法

电解铝烟气组分含量如下表：

说明烟气中的主要腐蚀介质为HF、SO2、CO2等，可以引起多种腐蚀机理造成设备腐蚀。

(一)均匀腐蚀

对金属材料的腐蚀是电化学腐蚀。其腐蚀是按电化学过程进行，即阳极产生金属溶解(均匀腐蚀)，阴极析出氢(导致氢鼓泡和氢脆)

(二)氢鼓泡和氢脆

氢氟酸介质与碳钢接触生成氟化铁和氢原子： Fe十2HF→FeF2十2H 氟化铁是一种致密的锈蚀物，附在金属表面形成一种保护膜，使氟化氢的扩散速度降低。对设备起到保护作用。但当介质温度超过65℃时，该层锈蚀物的保护膜就将剥落，使金属继续被腐蚀。 腐蚀反应产生的氢原子对钢材有很强的渗透能力。这种渗透能力与温度有关，温度越高，渗透越强。

(三)应力腐蚀

应力腐蚀是材料在应力和特定介质共同作用下所引起的材料开裂。在氢氟酸中碳钢和蒙乃尔合金均可能产生应力腐蚀开裂。这种应力腐蚀是随温度的增加而加剧。

(四)缝隙腐蚀

在设备焊接处存在有间隙；焊缝裂纹；垫片与密封面之间的间隙；螺母接触面间隙。在这些间隙和缝隙之间聚存着一部分静止的酸液，而且这里的酸液不断积聚浓缩使已形成的保护膜被高浓度的氢阳离子破坏，从而使腐蚀加剧。

可选用ZS-1033耐氢氟酸防腐涂料。ZS-1033耐氢氟酸（HF）防腐涂料选用改性酚醛树脂、重晶石、纳米铬粉、防介质固体填料等特种材料精加工而成，涂层致密稳定，耐强酸，特别是耐氢氟酸（HF）腐蚀效果好。