铝电解质和金属钠对阴极炭块渗透与侵蚀的研究

在实验室条件下,研究了铝电解质分子比、电解温度、电解时间、电流密度等因素对铝电解质和金属钠对阴极炭块渗透与侵蚀的影响。由试验得出了一些减轻电解质和金属钠对炭阴极的渗透与侵蚀,从而延长电解槽寿命的措施。     

我国铝用阴极材料的生产及发展趋势

本文总结了我国铝用阴极材料的生产现状及发展方向。石墨含量为30%、50%的石墨质阴极炭块是我国铝用阴极炭块的主导产品,石墨化阴极炭块已在300KA、400k A电解槽系列上得到了工业应用,越来越多的电解铝厂采用了环保且易于施工并能保证筑炉质量的冷捣糊砌筑电解槽。本文提出我国大型铝电解槽铝用阴极材料的发展方向是:采用抗电解质侵蚀能力强、导热导电性能好的石墨化阴极炭块、高石墨质阴极炭块以及高质量环保冷捣糊。     

冰晶石熔体中铝在钨丝上的阴极行为

冰晶石熔体中铝在钨丝电极上电解沉积的阴极前波是由于铝与钨形成表面合金，继而向基体内和熔体中扩散损失引起的，其中铝的溶解是主要因素。铝的溶解损失速度随铝活度的增大而增大。     

粉煤灰所产新型氧化铝电解过程中流场仿真研究

本文以粉煤灰提取的新型氧化铝为电解原料，根据新型氧化铝性能特点，基于200 kA铝电解槽开展仿真计算，研究电解槽内电解质流场和新型氧化铝浓度的分布，分析影响新型氧化铝溶解、扩散及对流的传质因素，掌握新型氧化铝电解过程中溶解输运性能。结果显示，新型氧化铝在电解质中溶解速度快、分散均匀，电解质流场稳定，电解质出铝端和烟道端角部位置的氧化铝溶解最快。在实际生产中，通过合理配置下料器及下料点控制氧化铝浓度的分散、输运，可保持氧化铝浓度分布均匀、电解质流场稳定，有利于减少阳极效应和提高电流效率。     

碳渣对铝电解生产的影响

现代大型预焙铝电解槽普遍采用炭素制品作阳极进行电解生产,炭素阳极在电解质中工作时不同程度地发生颗粒脱落形成碳渣,影响到电解质性能和生产指标。本文结合铝电解槽高效低耗、节能减排生产,浅析碳渣形成的原因、存在的形式和产生的危害,进而采取合理的控制措施。     

不同保温层厚度下稀土电解槽电热场分析

目前,稀土熔盐电解法是制取稀土金属的主要工业生产方法之一,其中电解槽保温层是影响电解温度的重要条件之一。以赣州某企业8 kA稀土电解槽为研究对象,利用COMSOL软件进行模拟仿真,研究电解槽保温层厚度不同的情况下电解槽的温度场和电场参数,得到不同保温层厚度下电解槽温度场与电场的分布情况。结果表明：电解槽在电解过程中保温层壁面的温度差要远大于石墨坩埚壁面温度差,表明保温层在电解槽电解过程中起着主要的保温作用;随着保温层厚度的增大,电解区域的温度逐渐增加,温度梯度逐渐减小,温度场分布更均匀;电解槽的阴极表面电流密度先增大后减小,在保温层厚度为78 mm时,阴极表面电流密度达到最大值,即3.568×10⁴ A/m²,阴极表面电流密度越大则电解槽电解效率越高。结合电场和温度场分布结果得出,当电解槽保温层的厚度为78 mm时,电解槽的电解效率最高。     

金属陶瓷5Cu/(10NiO-NiFe2O4)在KF(K3AlF6)-AlF3-Al2O3 熔体中的电解腐蚀

采用粉末冶金技术,制备出组成为5Cu/(10NiO-NiFe-2O-4)的金属陶瓷惰性阳极,并对其在电解质KF(K-3AlF-6)-AlF-3-Al-2O-3熔体中的电解腐蚀行为进行了研究.实验结果表明,对于添加KF或K-3AlF-6的电解质组成,电解质中杂质元素浓度在电解初期相对稳定,而后呈上升趋势;由于铝热还原反应的加剧,电解后阳极腐蚀严重;与传统电解质组成相比,采用低温电解质有利于减缓NiFe-2O-4基金属陶瓷惰性阳极的腐蚀,但需提高熔体导电能力和解决电解过程阴极结壳等问题.     

氧化钕电解的阴极过程及钕的溶解行为

本文用循环伏安法和重差法分别测定了 NdF_3-LiF-CaF_2熔体中氧化钕电解的阴极过程;金属钕在该熔体中的溶解损失;在120～300安培级电解槽中进行了氧化钕电解试验,并将所得的电解指标与氯化钕电解法进行了对比分析。     

铝电解过程钠与铝的析出电位差

利用测定得到的铝液和钠活度值,计算了在铝电解槽中钠离子与铝离子在阴极上析出的电位差值,导出了析出电位差与电解温度、电解质分子比和阴极电流密度的关系。     

168kA新型阴极高效节能铝电解槽磁流体运动的数值模拟

建立了168 kA新型阴极铝电解槽磁流体运动的数学模型,对电解质与铝液交界面的流场、电解质的流场以及阴极铝液的流场进行了模拟,并对新型阴极电解槽阳极导杆等距电压降进行了测量。研究结果表明：新型阴极铝电解槽可隔断槽内铝液流动,降低槽内阴极铝液的流速。新型阴极铝电解槽铝液与电解质交界面的速度矢量和较普通阴极铝电解槽铝液与电解质交界面的速度矢量和低2～3倍,且极值分布更为均匀。新型阴极电解槽内铝液与电解质界面处的磁流体速度最大,然后以界面为中心线逐渐减小。     

400 kA铝电解槽异形阴极炭块对阴极电压降的影响

传统阴极炭块顶部是平坦的,阴极铝液流动时几乎没有阻力。使用表面凸起的阴极炭块进行研究,目的是增加铝电解槽中铝液流动的阻力,起到减波和减少铝液流动速度的作用,以此降低水平电流密度、阴极电压和铝液流速,保障铝电解槽生产安全稳定。通过COMSOL软件进行模拟,发现随着阴极炭块表面凸起块数的增加,阴极压降和水平电流密度均呈下降趋势,其中阴极压降最大降幅为39.8 mV,水平电流密度最大降幅为2 087 A/m2,并对某铝厂400 kA铝电解槽使用异形阴极炭块后进行测试,测试结果与模拟结果一致。     

铝电解槽阴阳极热力分析仿真研究

铝电解是高能耗行业,节能降耗一直是铝电解行业致力研究的课题。借助大型通用有限元分析软件ANSYS,建立铝电解槽阴阳极热结构模型,对铝电解槽阴阳极的热场、应力场进行了数值仿真研究,为降低阴阳极接触电压提供数据支持。仿真结果表明：铝电解槽阴阳极的高温部分集中在阳极炭块底部和阴极中部。而应力集中在阴极底部接触部分,应力最小的地方在阳极炭碗部分。     

On convection in aluminum reduction cells

The convection pattern in the bath electrolyte and the cathode metal of 150 kamp prebaked anode aluminum reduction cells has been studied by means of radioactive tracers. The initial distribution of the tracers—²⁴Na for the bath and¹⁹⁸Au for the metal phase-indicates a fast circulating movement with vortices at the ends in both phases. Circulation rates up to 100 cm per sec were observed, and an average value seemed to be 10 cm per sec. The implications of the convection on the mechanism of the secondary reactions, the dissolution of alumina in the bath electrolyte and the distribution of carbon particles in the cell are discussed.     

铝用炭素工业碳排放核算方法

铝用炭素材料是氧化铝—冰晶石熔盐铝冶炼生产过程中不可或缺的重要材料之一,分为铝用炭素阳极材料与铝用炭素阴极材料,其生产过程中造成大量二氧化碳排放,包括因物理化学反应造成的二氧化碳排放、燃料燃烧造成的二氧化碳排放,以及因能源消耗造成的二氧化碳排放。但现有文献中涉及铝用炭素工业碳排放具体核算的很少,在IPCC国家温室气体清单指南中亦未涉及铝用炭素工业碳排放核算。根据铝用炭素材料具体生产工艺过程中的物料衡算,以物料平衡核算法为主,分别对铝用预焙阳极、铝用石墨化炭阴极生产过程中的碳排放进行了核算,明确了相关核算公式,并选取相关典型数据进行了实际核算。     

330 kA铝电解槽异形阴极碳块对水平电流的影响

采用有限元仿真计算,对330 kA铝电解槽进行传统阴极碳块结构和异形阴极碳块结构的电场进行仿真模拟,主要对铝液中水平电流分布进行分析。研究发现,异形阴极碳块结构相对于传统阴极碳块结构能够在影响压降较小的前提下降低水平电流密度。模拟结果表明,在异形阴极碳块表面凸起中增加隔断并改变凸起角度,对降低铝液中水平电流效果明显,能够降低铝液中最大水平电流密度27.8%,平均水平电流密度34.3%,有效提升了铝电解槽电流效率。     

双室电解槽中电解质渗透行为的研究

利用双室电解槽研究了冰晶石一氧化铝对炭阴极的渗透。研究发现，阴极室内的液面变化不明显．而阳极室内的液面变化很大，阳极室内的电解质在电场力的作用下，穿过多孔的中间壁渗透到阴极室。随着电流密度的增大，阴阳极室的液面差增大，电渗速度与电流密度成正比。利用EDX分析发现，渗透到槽壁中的物质主要是冰晶石和氟化钠，钠和铝的含量很少，并且阴极壁中的含量要大于阳极壁，电解质是向阴极渗透的。     

双室电解槽中电解质渗透行为的研究

利用双室电解槽研究了冰晶石-氧化铝对炭阴极的渗透。研究发现,阴极室内的液面变化不明显,而阳极室内的液面变化很大,阳极室内的电解质在电场力的作用下,穿过多孔的中间壁渗透到阴极室。随着电流密度的增大,阴阳极室的液面差增大,电渗速度与电流密度成正比。利用EDX分析发现,渗透到槽壁中的物质主要是冰晶石和氟化钠,钠和铝的含量很少,并且阴极壁中的含量要大于阳极壁,电解质是向阴极渗透的。     

114．5kA导流槽铝液流场数值模拟研究

以商用有限元流体计算软件CFX为计算平台,对114．5kA导流型铝电解槽由电磁力引起的对铝液流动和波动的影响进行了模拟计算。结果表明,导流型电解槽铝液平均流速较传统电解槽降低了50％,在铝液填满沟槽的极限情况下,聚铝沟内铝液界面波动的最大隆起值为1．04cm,较传统槽的3．1cm有较大幅度的降低,当铝液低于沟槽2cm的一般情况下,铝液波动0．58cm,这时铝液不会溢出沟槽。     

Simulation of Magnetohydrodynamic Multiphase Flow Phenomena and Interface Fluctuation in Aluminum Electrolytic Cell with Innovative Cathode

A three-dimensional (3D) transient mathematical model has been developed to understand the effect of innovative cathode on molten cryolite (bath)/molten aluminum (metal) interface fluctuation as well as energy-saving mechanism in aluminum electrolytic cell with innovative cathode. Based on the finite element method, the steady charge conservation law, Ohm’s law, and steady-state Maxwell’s equations were solved in order to investigate electric current field, magnetic field, and electromagnetic force (EMF) field. Then, an inhomogeneous multiphase flow model of three phases including bath, metal, and gas bubbles, based on the finite volume method, was implemented using the Euler/Euler approach to investigate melt motion and bath/metal interface fluctuation. EMF was incorporated into the momentum equations of bath and metal as a source term. Additionally, the interphase drag force was employed to consider different phase interactions. Thus, present work owns three main features: (1) magnetohydrodynamic multiphase flow are demonstrated in detail both in aluminum electrolytic cell with traditional cathode and innovative cathode; (2) bath/metal interface fluctuation due to different driving forces of gas bubbles, EMF, and the combined effect of the two driving forces is investigated, which is critical to the energy saving; and (3) the effect of innovative cathode on melt flow and motion of gas bubbles. A good agreement between the predicated results and measurement is obtained. The velocity difference leading to the melt oscillation decreases due to more uniform flow field. The average velocity of metal in the cell with innovative cathode decreases by approximately 33.98 pct. The gas bubbles in the cell with innovative cathode releases more quickly under the effect of protrusion on the cathode. The average bubble release frequency increases from 1.1 to 1.98 Hz. Hence, the voltage drop caused by gas bubbles would decrease significantly. In addition, the two large vortices are broken into many small vortices due to the protrusion. The final disappearance of the small vortices as a result of viscous dissipation is conducive to the suppression of bath/metal interface fluctuation. The average interface amplitude in the cell with innovative cathode reduces to 75.95 pct of that in the cell with traditional cathode.     

熔盐电解氧化钙制备铝钙合金及其电极过程分析

采用CaCl2-CaF2熔盐体系,氧化钙为原料,液态铝作阴极,成功制备了铝钙合金,利用循环伏安法重点研究了CaCl2-CaF2体系以及添加氧化钙后体系的电化学行为过程。结果表明,在CaCl2-CaF2体系中,除了在阴阳极上分别产生钙和氯气外,还生成了中间产物CaC2;向该体系添加少量氧化钙后,O2-放电生成CO2并起到去极化作用。采用电位控制法监控反电动势的变化研究并测得了氧化钙的加料周期为20min。