1、我國(guó)的鋁電解工業(yè)正處在空前的繁榮昌盛時(shí)期，然而，國(guó)內(nèi)的鋁電解槽的槽壽命較國(guó)外普遍偏低。焙燒技術(shù)對(duì)鋁電解槽的壽命有至關(guān)重要的影響，因此，焙燒技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究對(duì)鋁電解生產(chǎn)尤為重要。 本論文針對(duì)目前國(guó)際上火焰直接加熱的燃料焙燒技術(shù)的不足，首次提出了一種新的燃料焙燒技術(shù)——鋁電解槽的高溫?zé)煔獗簾夹g(shù)，即用燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈦?lái)加熱鋁電解槽，并根據(jù)高溫?zé)煔獗簾夹g(shù)的要求，開(kāi)發(fā)了鋁電解槽高溫?zé)煔獗簾b置，并對(duì)該技術(shù)所涉及的一些理論問(wèn)題進(jìn)行

2、了深入、系統(tǒng)的研究。 針對(duì)電解槽炭極及扎固糊表面是否會(huì)被嚴(yán)重氧化等問(wèn)題，首次用實(shí)驗(yàn)方法研究了炭極以及扎固糊在煙氣中的氧化特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，溫度低于700℃時(shí)，炭極在煙氣中的氧化速率在0.5mg/min·cm2以下，僅為在空氣中的3-5％；在溫度高于700℃以后，電極的氧化速率開(kāi)始升高，但也僅為在空氣中的9％左右。另外，還用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論研究了炭極的氧化機(jī)理，研究認(rèn)為炭極的氧化速率取決于界面化學(xué)反應(yīng)，并且在焙燒溫度范圍內(nèi)，炭極在

3、煙氣中的氧化反應(yīng)屬于一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系在不同的溫度區(qū)間相差較大。在700℃以前為：lnk=-13617/T+7.1823；在700℃以后為：1nk=-4452.5/T-2.5997。 對(duì)鋁電解槽高溫?zé)煔獗簾膫鳠崂碚撚?jì)算與模擬槽上進(jìn)行的高溫?zé)煔獗簾膶?shí)驗(yàn)研究表明：高溫?zé)煔獗簾纳郎厮俣瓤烧{(diào)的范圍很大，因此，高溫?zé)煔獗簾夹g(shù)能滿足鋁電解槽啟動(dòng)前的焙燒要求。由于調(diào)節(jié)靈活，升溫速度和溫度分布控制方便，可用此方法克服鋁液

4、焙燒和焦粒焙燒之缺點(diǎn)。與其它焙燒方法(焦粒焙燒、鋁液焙燒、石墨焙燒)相比，該技術(shù)使電解槽升溫和焙燒均勻，并且可以使陰極表面溫度按優(yōu)化的升溫曲線自動(dòng)升溫，從而可以有效避免因熱應(yīng)力而導(dǎo)致的陰極裂縫現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)扎縫和邊部扎固糊的焙燒充分，能達(dá)到其它焙燒方法無(wú)法達(dá)到的效果。 針對(duì)高溫?zé)煔獗簾奶攸c(diǎn)，對(duì)陰極碳?jí)K導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)陰極溫度分布的影響進(jìn)行了研究，研究表明：在陰極碳?jí)K導(dǎo)熱系數(shù)為6～10w/m.K時(shí)，陰極下表面的溫度達(dá)753～817℃，陰

5、極碳?jí)K上下表面溫度差在103～163℃之間。使用導(dǎo)熱系數(shù)小于6w/m.K的陰極碳?jí)K時(shí)，導(dǎo)致更大的溫差，不能較好的滿足電解槽的焙燒要求。因此，在陰極碳?jí)K的導(dǎo)熱系數(shù)小于6w/m.K時(shí)，不宜用高溫?zé)煔獗簾夹g(shù)來(lái)加熱電解槽。 高溫?zé)煔獗簾夹g(shù)裝置的關(guān)鍵是燃燒器和分配室。針對(duì)該技術(shù)對(duì)燃燒器的特殊要求，用燃燒數(shù)學(xué)模型研究了燃燒器的性能。研究認(rèn)為，燃燒器預(yù)燃室的存在對(duì)提高燃燒器的燃燒效率有利，無(wú)預(yù)燃室，燃燒效率較低，最大為60％，加裝預(yù)燃室后

6、，燃燒效率能達(dá)到80％以上，但燃燒室的溫度由1850K提高到了2000K，這對(duì)燃燒室的使用壽命不利。因此，降低壁溫是加裝預(yù)燃室后的燃燒器設(shè)計(jì)中所要考慮的問(wèn)題。由于三次風(fēng)的存在，燃燒室壁溫降低130K，這對(duì)燃燒器的壽命有利。另外，通過(guò)建立分配室流動(dòng)與傳熱的數(shù)學(xué)模型研究了分配室的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)。研究認(rèn)為矩形斷面分配室優(yōu)于圓形斷面分配室，分配室各噴口的流量與能量分配的均勻性主要受分配室入口位置、形狀和入口方向、分配室斷面尺寸以及噴射管結(jié)構(gòu)的影響

7、，與入口速度關(guān)系較小。并對(duì)分配室的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了較合理的分配室結(jié)構(gòu)尺寸。 針對(duì)鋁電解槽槽內(nèi)腔形狀復(fù)雜同時(shí)存在多塊陽(yáng)極的計(jì)算對(duì)象，首次應(yīng)用整體建模及耦合求解的思想，建立了鋁電解槽煙氣焙燒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，避免了計(jì)算對(duì)象中復(fù)雜的幾何邊界條件的處理以及大量的導(dǎo)熱與對(duì)流的耦合邊界問(wèn)題，使溫度場(chǎng)的求解簡(jiǎn)單方便，較好地解決了高溫?zé)煔獗簾龝r(shí)電解槽內(nèi)的溫度場(chǎng)計(jì)算。應(yīng)用所建立的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了160KA系列和75KA系列電解槽高溫?zé)煔獗?/p>

8、燒時(shí)的溫度分布，結(jié)果表明，采用高溫?zé)煔獗簾摷夹g(shù)不但能方便地按升溫要求焙燒好槽底陰極，而且能使邊部扎固糊取得很好的焙燒效果，彌補(bǔ)了其它焙燒方法不能很好地焙燒邊部扎固糊的缺陷。在加熱末期，陰極上表面最大溫差被控制在100℃左右，下表面溫度可達(dá)到750℃左右，能較好地滿足鋁電解槽焙燒的工藝要求。同時(shí)，該方法也為復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的流動(dòng)與傳熱的研究提供了新的途徑，豐富和充實(shí)了冶金熱能工程的理論研究。 研究成果應(yīng)用于中國(guó)鋁業(yè)廣西分公司的160K

9、A系列和山西關(guān)鋁股份公司的75KA系列電解槽上，可以做到使陰極內(nèi)襯表面溫度緩慢均勻上升，陰極表面溫度均勻；同時(shí)，避免了燃料焙燒時(shí)扎固糊及陰極碳?jí)K燃燒損壞的可能性。 綜上所述，本論文開(kāi)發(fā)的高溫?zé)煔獗簾夹g(shù)既具有燃料焙燒的優(yōu)點(diǎn)，還彌補(bǔ)了目前國(guó)外燃料焙燒易使炭極及扎固糊表面燃燒氧化的不足，是一種較理想的鋁電解槽焙燒技術(shù)，該技術(shù)的開(kāi)發(fā)成功，不但填補(bǔ)了我國(guó)在燃料焙燒新技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)中的空白，而且也充實(shí)和完善了鋁電解槽燃料焙燒理論。