本发明涉及有色金属冶金领域，特别涉及铝的电解还原，即带有预焙或惰性阳极的铝罐的罐底预热方法。
背景技术
铝工业中使用的一些工艺需要大量的热能以便在设备启动前对其进行预热。在过去，设备的衬里预热过程往往被忽视，导致例如罐的低温启动和缩短寿命。在启动罐之前，其阴极衬里应彻底、均匀地预热，以最大限度地减少因温差过大造成的潜在损坏。
在向罐中倒入镀液时高温差和使用粗打底浆糊可能会引起热冲击、阴极块开裂、泄漏，最终导致罐寿命缩短。
有两种基本的罐底预热方法：
电预热；
使用气体或液体燃料进行预热。
在使用气体或液体燃料进行预热期间，难以控制产生的热能量和阴极表面或/和阴极衬里厚度上的热量分布。必要时，正确加热侧壁和端壁也很困难，甚至可能是不可能的。阴极表面有可能出现温度分布不均匀，部分区域过热，以及整个阴极衬里的温差非常显著。
电预热方法基于阳极棒通过焦炭床层向阴极提供电流，用以通过电导和热辐射对罐进行加热。
有一种常见的铝罐底预热方法包括：在罐底放置预焙阳极；将预焙阳极棒组件连接到阳极母线的母线上；提高预焙阳极；浇注液态铝，将预焙阳极浸入其中；以及连接罐与电路(G.Wolfson，V.Lankin.《预焙阳极罐中的铝生产》，莫斯科：冶金，1974年，第55页，第56页)。
通常铝罐底预热方法的一个缺点是，液态铝的浇注使罐底暴露在热冲击下，这可能导致阴极块中形成裂纹，并在罐进一步运行时破裂。另一个很大的缺点是罐底与液态铝直接接触，液态铝具有低粘度和低熔点的特性，铝在凝固前可能会流入罐底，与绝缘层发生反应，从而破坏绝缘层，或产生热分流。
还有另一种常见的铝罐底预热方法(专利#RU 2215825，IPC C25C 3/06)，包括：用一层碳填充物覆盖由阴极块和端部周边接头制成的罐底；在其上放置预焙阳极，使其底部在整个区域与碳填充层接触，阳极棒组件的棒与阳极母线的阳极母线相邻；将预焙阳极棒组件连接到罐阳极母线的阳极母线上；电流通过预焙阳极、碳填充层和阴极块的通道；以及通过控制断开来控制预焙阳极上的电流负载。
通常铝罐底预热方法的一个缺点是，多达50％的预焙阳极使用基本锁(刚性)连接到罐阳极母线的阳极母线上。在通过碳材料的自然燃烧加热罐底时，使用柔性元件连接的阳极会下降，而刚性连接的阳极会保持在原位，这将导致罐底局部过热。
带有预焙阳极铝罐的罐底预热方法(专利号#RU 2526351，IPC C25C 3/06)是在技术上与本申请最接近的方法，该方法包括：用导电材料覆盖用罐底，所述罐底由阴极块和钢筋制成；放置带有短棒的预焙阳极；将已安装的预焙阳极棒组件连接到阳极母线的阳极母线；电流通过导电材料；并控制预焙阳极上的电流负载。在这种情况下，导电材料为石墨填充物，其以截棱锥排的方式排列并位于短棒的投影上，在整个预焙阳极长度上每排的高度与通过的电流强度成反比，并使用柔性元件将所有已安装的预焙阳极棒组件连接到罐阳极母线的阳极母线上。
这种铝罐底预热方法的一个缺点是，石墨材料经填充为在所有预焙阳极块的整个长度上短棒投影下的多排。石墨材料的这种填充方法无法在预热过程的前半程对罐底进行均匀加热，因为如果阳极下的石墨材料具有相同的截面，在加热时电流将会流向罐中间。因此，罐底的加热速度将更慢，这将导致显著的温度梯度。
技术实现要素：
本发明的目的是确保铝罐底部在整个预热过程中均匀加热。
该技术成果解决了这一问题，不仅安全启动，还延长了铝罐的使用寿命。
在实施本发明时取得的技术成果还包括，罐底不均匀的电流分布，以使其在气体火焰预热期间在不到60小时的时间内均匀加热到900℃。
附图说明
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1所示为导电材料(石墨“床”)的几何形状——以具有24个成对阳极的罐为实施例的俯视图；
图2所示为高达200kA的石墨“床”滚花模具的示意图；
图3所示为200kA以上的石墨“床”滚花模具的示意图；
图4所示为端部阳极处石墨“床”的滚花的示意图；
图5所示为靠近末端阳极的阳极处石墨“床”的滚花的示意图；
图6所示为石墨“床”在其他阳极上的滚花的示意图；
图7所示为在罐启动前罐底的温度模式，其中由于石墨材料的非最佳填充导致罐底加热不均匀的实施例的示意图；
图8所示为罐启动前1小时内罐底的表面温度的示意图；
图9所示为在改变石墨材料结构(参考图1)的整个罐预热过程中，使用“钳子”在端部阳极(1、12、13、24)上测量的电流强度的示意图；
图10所示为检查点处罐底的加热趋势的示意图；
图11所示为用于将阳极棒与阳极母线连接以进行独立预热的建议的柔性元件的示意图；以及
图12、13所示为可供选择的柔性元件的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
依据罐电流强度，使用其中一个建议的模板(图2、3)安装石墨“床”(图1)。
石墨“床”最末端阳极的滚花如下方式进行。
模板(图4)被放置在阳极投影上石墨“床”的滚花区域的罐底上。(棒的排列：#1-侧阳极；#10-行间距)。石墨材料填充到导轨之间的空间，齐平到上表面(冲刷)。使用棒材边缘作为支撑，无需夯实即可平整石墨材料。例如，使用整平刮刀清除多余的石墨材料。从罐底卸下模板，并去除多余的石墨材料。
在末端阳极附近的阳极处对石墨“床”进行滚花加工如下。
依据罐电流强度，使用其中一个建议的模板(图2、3)安装石墨“床”。模板被放置在阳极投影上石墨“床”滚花区域的罐底上(棒的排列：#1-侧阳极；#10-行间距)。石墨材料填充至导轨之间的空间，齐平到上表面(‘冲刷’)。原材料没有填充到模板的第7条和第8条之间的空间(图5)。使用棒材边缘作为支撑，无需夯实即可平整石墨材料。例如，使用整平刮刀清除多余的石墨材料。从罐底卸下模板，并去除多余的石墨材料。
石墨“床”在其他阳极上的滚花如下所示。
依据罐电流强度，使用其中一个建议的模板(图2、3)安装石墨“床”。模板被放置在阳极投影上石墨“床”滚花区域的罐底上(棒的排列：#1-侧阳极；#10-行间距)。石墨材料填充至导轨之间的空间，齐平到上表面(‘冲刷’)。原材料未填充到模板的第三和第四、第七和第八条之间的空间(图6)。使用棒材边缘作为支撑，无需夯实即可平整石墨材料。例如，使用整平刮刀清除多余的石墨材料。从罐底卸下模板，并去除多余的石墨材料。
安装完所有阳极后，将启动装料(冰晶石、粉碎硬槽、苏打)装入侧阳极空间，阳极体顶部覆盖冰晶石。
所有安装的预焙阳极棒组件都连接到罐阳极母线的阳极母线上，例如，使用一组柔性铝带，全部电流通过石墨材料层。通过高负载或局部底部过热时断开阳极来控制预焙阳极的电流负载。
图7展示了在罐启动前罐底的温度模式，其中由于石墨材料的非最佳填充导致罐底加热不均匀的实施例的示意图。很明显，罐中部加热至800-750℃，而罐端温度低于400℃。在预热过程的后半程，通过中间的传热对罐端进行加热，因此，在预热过程结束时，罐底温度是均匀的。
图8展示了罐启动前1小时内罐底的表面温度。图9展示了在石墨材料配置调整下(参考图1)的整个罐预热过程中，使用“钳子”在端部阳极(1、12、13、24)上测量的电流强度，也就是说，它显示了端部阳极上的电流强度趋势。从图(图9)可以清楚地看出，由于石墨材料条带较多，这些阳极上的电流比标称值高20-25％(图1)。
从图8、9中清楚的看到，新的石墨填充几何结构使我们能够：
1)将罐底面均匀加热至目标值48小时；
2)将电流重新分配到端部阳极。
图10展示了检查点处罐底的加热趋势。很明显，罐底表面的平均温度是在以下位置检查热电偶上实现的：
1.在行间距-949℃(目标-超过900℃)；、
2.在“入口”和“出口”侧的第一个短棒处-808℃(目标-超过800℃)；
3.在罐底-736℃(目标-超过550℃)。
因此，建议的带有预焙阳极铝罐的罐底预热方法包括：用导电材料覆盖罐底；在其上放置预焙阳极；它们与罐阳极母线的阳极母线的连接；电流通过导电材料；以及控制阳极上的电流负载，以进行预热，这是先导模型固有的。在这样情况下，通过选择合适的阳极下方的导电材料数量，以确保均匀预热。也就是说，选择阳极下导电材料的数量，使得位于罐中间的阳极下的材料数量小于位于最末端阳极附近的阳极下的材料数量，而位于最末端阳极附近的阳极下的材料数量小于最末端阳极下的材料数量。导电材料优选为石墨，其为0.1mm至10mm的片段。将阳极下每排导电材料的高度和长度设置为与通过的电流成反比是合理的。安装的预焙阳极棒组件通常使用柔性元件连接到罐阳极母线的阳极母线(图11)。
“阳极母线-阳极棒”柔性元件具有以下设计解决方案，将其与备选方案区分开来：
触点截面、面积和压制压力确保电流密度：对于零件接触-不超过0.6A/mm2；对于柔性导体-不超过1.2A/mm2；
整体尺寸和连接尺寸允许无阻碍地安装和断开柔性元件；
螺母的尺寸和螺距统一；螺钉的设计允许使用横向机构(扳手)拧紧阳极锁。
安装完所有阳极后，将启动装料(如冰晶石、碎硬槽、苏打)装入侧阳极空间，阳极体顶部覆盖冰晶石。此时，所有安装的预焙阳极棒组件使用一组柔性铝带连接到罐阳极母线的阳极母线上，电流通过石墨材料层。预焙阳极的电流负载也通过高负载或局部底部过热时断开阳极来控制。
应当指出的是，鉴于目前的经济形势，冶炼厂应采取措施，在不降低产品质量的情况下，监测并消除影响商品生产各个阶段的运营/一般生产成本。直接影响原铝生产成本的一个方面是通过预热对冶金设备进行换衬和工艺维护。
连接和启动前的罐预热阶段是其运行期间最重要的操作之一。罐的使用寿命、生产铝的质量和关键性能指标在很大程度上取决于预热操作的质量。在预热过程中，重要的是确保罐腔和阴极均匀、平稳地加热。
启动前对罐体预热的要求如下：
-确保从冷态平稳过渡到减温条件；
-排除热“冲击”，包括浇浸期间的冲击；
-使阴极在垂直和平面方向上的热压达到最小；
-确保打底浆糊适当加热；
-使用液体进行衬里后，确保罐底底座完全干燥。
在实际实践中，根据加热原理，使用以下三种基本的罐预热方法如下：
1.用电流预热，其中热辐射由焦耳-伦茨定律定义；
1.1.在细分散和粗碳材料上；
1.2.在液态金属或铝片上；
1.3.新阳极的浇铸过程中(索德伯格)；
2.热量预热，其中传热介质为天然气或石油产品；
3.在不预热的情况下启动，立即将槽和金属倒入冷罐中。
1995年之前，哈卡斯铝冶炼厂铝冶炼厂采用两种方法进行罐预热操作：
-在S-175M2罐上——通过火焰预热(由瓦米设计的预热装置)；
-在S-255罐上——在碳粒(“种子”)上通电，阳极放置在“种子”层上后，用标准夹具牢固地压在阳极母线上。
自1995年以来，哈卡斯铝冶炼厂根据罐的使用寿命延长计划采取了以下措施，以优化预热过程：
-阳极棒与阳极母线的柔性连接，可在所有类型的罐中使用电流进行独立预热；
-通过断开变阻器分流器，断开步骤的数量从2-3增加到6-8，从而改进了对供应罐功率的控制，并显著改善了加热质量；
-安排专属团队进行罐预热和启动操作。
在碳粒上进行电预热期间，用标准钳夹将阳极牢牢地压在阳极母线上。1995年后，阳极棒与阳极母线之间采用了柔性连接。这种在焦炭上的电预热主要缺点如下：
-加热速率控制问题(变阻器分流器断开)；
-由于使用的原材料(焦炭)和阳极底的不均匀连接(滚花、连接带的设计)，导致罐底加热不均匀；
-罐启动过程中劳动强度大(除焦)。
自2004年至今，在对RA-300技术进行调整并启动哈卡斯铝冶炼厂之后，萨亚诺戈尔斯克铝冶炼厂的所有罐都采用气体火焰法进行预热。RA-300和RA-400罐的现有预热和启动程序示意如下：
气体火焰预热＝>浇浸＝>将罐连接到电路而不断开罐线＝>将参数调整到目标值。
气体火焰预热法的缺点如下：
1)为了批量预热衬里并达到目标温度，预热时间应从72小时增加到96小时(寒冷季节的局部预热)。
2)对于长罐，加热工作的燃烧器数量不足。温度检查点的数量少。设备在磁场和重霜期间的运行问题。
3)预热期间没有关于罐底温度的数据——测量了气体-空气环境的温度。
4)满电流下连接/启动的故障操作：
-人员安全；
-意外电流下降的高概率；
-启动持续时间长(浇注更多镀液)，启动期间的高压阳极效应。
从RA-400试验区启动罐中获得的经验表明，在寒冷季节，气体火焰预热不符合工艺要求(需要更长的预热时间才能达到所需的最低罐底温度)。根据气候参数，塔伊舍特(俄罗斯伊尔库茨克地区)每年七个月的月平均环境温度为负值，因此，塔伊舍特铝冶炼厂无法接受快速调试。考虑到塔伊谢特铝冶炼厂的生产能力，连接电解槽的主要条件也是将RA-400电解槽连接到电路，而不断开电解槽工艺负载，以排除西伯利亚能源系统的高负载。
避免上述缺点的主要技术解决方案是用电流预热代替罐的气体火焰预热。电气预热过程的应用将使我们能够：
-将罐可靠地连接到电路上，而不会导致罐线断开或电流下降；
-避免昂贵的预热设备和燃料成本(不包括冶炼厂快速调试的限制因素和环境影响)；
-缩短罐预热操作的持续时间。
实现的关键绩效指标如下：
1.在电解槽全电流下可靠、安全地连接电解罐。
2.将罐预热时间从72小时缩短至54小时。
3.避免昂贵的预热设备和燃料成本(减少环境影响)。
所提出的技术方案的基本区别如下：
1)无变阻器分流器的全电流预热；
2)石墨材料的应用；
3)石墨“床”的差异化滚花；
4)柔性接触件的优化设计：
-三个方向(X、Y、Z)的阳极自由度；
-通过阳极上的电流分布进行即时控制；
5)自动温度监测。
上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。