耐高温功能涂料在电解铝行业防腐节能改造中的应用

1、电解铝概述

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，电解得到高温铝液，冷却即得铝锭。

电解铝生产流程是一个庞大的系统，整个生产流程可以分为两大部分，分别为基本生产与辅助生产，其中基本生产单位有矿山部、氧化铝厂、电解铝厂、碳素厂；辅助生产单位包括热电厂、动力厂、煤气厂、中心实验室、运输部、设备维修部等。

2、电解槽保温

电解铝生产中的电解槽温度很高，为减少散热损失，需要对电解槽进行保温。传统的保温结构从槽底部起依次为：电解槽壳-轻质保温板-氧化铝层-耐火砖-阴极炭块。在生产过程中电解槽的边壁温度可高达300℃-350℃，主要以辐射和自然对流的形式向车间散热，电解铝槽间过道的温度高达60℃以上，工作环境恶劣，同时大量的热能散发散失，造成能源浪费。工信部要求指标为吨铝直流电单耗在12500kWh，因此在钢槽壳体内壁采用耐高温隔热保温涂料减少热量损失，实现节能降耗。

以表面温度300℃，环境温度60℃，电解槽散热面积400m2为例计算1小时的能耗损失。

Q=K*ΔT*S*t

=11.63*240*400*3600

=4019328KJ

=961561Kcal

式中：Q为每小时散热量，ΔT为温差，S为散热面积，t为时间

以5000Kcal的煤炭价格550元/吨进行计算，每小时热量损失量为：

961561÷5000÷0.9=213.68吨

则一天24小时散热量为5128.32吨标准煤。

散热损耗为：5128.32*550=282.0576万元。

因此，电解槽具有很大的节能空间，做好隔热保温工作是非常重要的。常用的志盛威华公司生产的zs-1耐高温隔热保温涂料是由特制合成的无机硅酸盐溶液、硅酸铝纤维、热反射物质、稀土微粉和精选空心陶瓷微珠加工而成，耐温可达2000℃。涂料属于无机单组份水性涂料，导热系数很低，只有0.033W/m.k，隔热保温效果明显，在一定厚度条件下隔热效率可达到90%左右。

3、铝液混合炉

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。混合炉具有对铝液升温,保温的作业，铝液混合炉主要由炉体(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。

混合炉新炉，炉壳侧壁温度在65℃，炉顶温度在100℃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℃）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℃以上，降低环境热辐射，节约电能。

4、车间绝缘

近年来，电解槽爆炸事故时有发生，给企业造成严重的经济损失。为了提高生产效率，电解电流不断升高，大型预焙阳极母线直流电高达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=抵近供电车间出母线对地电压≈430V，I=430V/1000Ω=430mA。远高于人体的安全电流10mA和安全电压36V（人体电阻1000Ω-2000Ω）。

很多车间都是采用钢筋混凝土结构，这样车间地面整体的绝缘性能更低。例如：混凝土的电阻率为1.2×104Ω•m，铁为9.78×10⁻⁸Ω·m；近地空气：3×1013Ω•m。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。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。

所以可以在电解槽车间地面、梁柱、母线槽、电缆槽、穿线管、金属工具、人体易接触的部位等采用耐高温的陶瓷绝缘涂料。

zs-1091陶瓷绝缘涂料采用纯无机水性硅酸盐溶液作为成膜物质，加入片状纳米级云母、氧化铝、碳化硅作为涂料填料。涂层耐温可以达到1800℃，附着力好，可以涂刷在任何材质上抗高温下绝缘屏蔽电流通过，防电晕放点现象产生，涂层致密，电阻率高，介电常数好，不会产生电子渗流和隧道效应，硬度高，耐磨使用寿命长。击穿强度高达10kv/mm，体积电阻率为1014Ω•m。

5、阳极钢爪

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。当阳极钢爪腐蚀到一定程度时候，腐蚀层自动剥落，钢爪横梁的有效面积减小，通过梁的电流强度增大，即电流密度变大，横梁所发生的热量就会大，造成钢爪变形，缩短使用寿命。

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。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。

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，可以在钢爪及导杆上部涂刷zs-522耐高温不粘涂料防止铝液粘附。ZS-822复合陶瓷防腐涂料可以预防阳极钢爪的高温氧化。高温不粘涂料也可用于捞渣机、铝液飞溅区域等部位。

zs-522耐高温不粘涂料采用特制的耐高温无机硅酸盐改性溶液、磷酸铝溶液、木质磺酸钠溶液混合为成膜物质，加入纳米石墨鳞片、碳化硅、碳化硼等材料组成。固化成型后的涂层高温熔融下光滑自洁、气密性好、粘结力强、涂层坚实牢固、表面张力大、导热性能好、无毒无臭，对冶炼金属成份含量无任何影响。

6、阳极炭块

以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为粘结剂生产的炭块，用作预焙铝电解槽作阳极材料。这种炭块已经过焙烧，具有稳定的几何形状，所以也称预焙阳极炭块，习惯上又称为铝电解用炭阳极。用预焙阳极炭块作阳极的铝电解槽称预焙阳极电解槽，简称预焙槽，这是一种现代化的大型铝电解槽。由于阳极炭块的主要成分在碳元素，作为阳极在电解过程中参与反应而被损耗。有资料表明，预焙电解槽碳块消耗量为0.6吨/吨铝。

阳极炭块一般为长方体，在其导电方向的上表面有2-4个直径为160-180mm、深为80-110mm的圆槽，俗称炭碗。在阳极组装时，炭碗用来安放阳极爪头，通过磷生铁浇注，使阳极导杆与阳极炭块连为一体，组成阳极炭块组。阳极炭块根据电解槽电流的大小和工艺的不同而有不同的尺寸，但通过它的电流密度一般为0.70-0.76A/立方厘米，使用周期为20-28天。

为了延长阳极炭块的使用寿命，唐工136=6102-1263介绍，可以采用zs-1052渗透型石墨抗氧化剂。石墨防氧化剂采用树脂主链熔断技术，用交联羟基硅氟树脂经过高温高压下把树脂主链均匀熔断，分解成纳米级单体树脂，改性后的树脂可以单独成膜，官能团数量多，在石墨中渗透性极强，包裹好，有效防止氧化物接触石墨，防止石墨氧化损耗。耐温1800℃，抗氧扩散率高达96%以上，同时可抗熔渣、杂物的侵蚀渗透。

而生产磷生铁用的中频电炉线圈也可以采用zs-1091陶瓷绝缘涂料防止漏电打火，也可采用zs-1耐高温隔热涂料进行保温而降低热量损耗。

7、烟气处理

在电解铝生产过程中，伴随着电化学反应，同时产生大量的烟气，其中除了CO2、CO、SO2和水汽以外，在阳极气体中还含有大量的氟化氢及氟化物。

2Na3AIF6+3H2O=2Al2O3+6NaF+6HF↑

2AIF3+3H2O=AI2O3+6HF↑

2NaF+H20=Na2O+2HF↑

当电解液中缺少AI2O3(浓度小于0.25%~0.5%时)炭阳极附近的电解槽产生阳极效应，发生如下生成全氟化碳气体的电化学反应:

4Na3AlF6+3C(g)=4Al+12NaF+3CF4

2Na3AIF6+20(g)=2Al+6NaF+3C2F6

此时阳极气体成分为3%~10%的CO2，70%~95%的CO，2%~20%的CF4以及少量的C2F6。

CF4和C2F6属于温室气体，其温室效应分别是CO2温室效应的6500和9200倍，而HF则是一种强腐蚀性的介质，与水汽结合形成氢氟酸会腐蚀生产设备。为了防止烟气处理设备的腐蚀，如烟道烟囱、VRI反应器、除尘器、脱硫塔、引风机等，可以采用志盛威华公司生产的zs-1033耐氢氟酸防腐涂料进行防腐处理。