铝电解企业范文

铝电解企业范文（精选7篇）

铝电解企业 第1篇

1 铝电解烟气净化系统设备、工艺流程及现状分析

1.1 烟气净化系统设备

烟气净化系统设备包括排烟管道、氧化铝输送设备、脉冲式布袋除尘器、空气提升设备、排烟风机、自动控制系统、超浓相输送系统、料仓、烟囱及各种阀门组成。其中烟管、脉冲式布袋除尘器、排烟风机、自动控制系统为主要设备。

烟管作为烟气净化系统的一个主要设备,其作用是将电解槽生产中释放出来的氟化物及一氧化碳等烟气进行收集,并作为反应器加以利用。烟管式反应器的主要原理是将新鲜氧化铝粉直接投入烟管并与烟气充分混合反应,利用氧化铝比表面积大,其微孔表面具有的吸附能力强的特点,将烟气中的氟化氢气体分子进行吸附,达到净化烟气的效果,其反应时间为1s左右,氟化物吸附效率可达98%～99%[2]。

脉冲式布袋除尘器是一种周期性地向滤袋内喷吹压缩空气来达到清除滤袋积灰的袋式除尘器,属于高效除尘器,其净化率可达99%以上,压力损失为800～1 500 Pa,过滤负荷较高,滤料磨损较轻,使用寿命较长,运行稳定可靠,是用途非常广泛的袋式除尘器。其缺点是清灰需要在压缩空气源作清灰动力,消耗一定能量。

排烟风机一般采用D型锅炉引风机,其主要作用是为整个烟气净化系统提供负压,作为收集烟气的动力。一般采用四台同型号的排烟风机并联,以三用一备的形式进行使用。

烟气净化自动控制系统主要作用是将净化系统关键设备的压力及温度、料仓料位高低、风机运行状况等进行监控,并实现脉冲式布袋除尘器的自动清灰工作。一般采用PLC开环控制,系统运行不正常时,自动控制系统能够将故障点显示出来并提示,方便维护人员进行维护。

1.2 烟气净化流程

铝电解烟气净化流程如下:烟气吸收→烟气运输→烟气净化→气固分离→烟气排放。其主要流程如图1所示。

铝电解槽在生产过程中,产生的电解烟气A经电解槽罩板,在电解支烟管负压的作用下进入排烟支管,由排烟支管汇集至排烟总管。新鲜氧化铝在排烟总管的吸附反应段B进行投放,新鲜氧化铝与烟气充分混合接触后,发生化学吸附作用,将烟气中所含有的氟化氢气体吸附并反应,形成载氟氧化铝。

载氟氧化铝及反应后的烟气随气流进入到袋式除尘器,经袋式除尘器除尘,将固体粉尘与气体分离,净化后的烟气C随着排烟风机的不间断运转,从烟囱排放至大气中,固体粉尘及载氟氧化铝D经空气提升装置提升至载氟氧化铝料仓。载氟氧化铝一部分用作循环投料被加入到吸附反应段B继续参与吸附反应,另一部分直接供应电解槽进行生产。

1.3 烟气净化系统现状分析

烟气净化效果可通过烟气出口处的氟化物排放量及烟尘排放量进行直观了解,也可通过氧化铝载氟含量的多少进行判定。烟气净化效果好,氧化铝载氟量会保持较高值且保持稳定。氧化铝载氟含量的变化情况可通过载氟氧化铝的化验报告获得。如表1,根据两个月连续对载氟氧化铝样品的载氟含量进行检测,氧化铝载氟量在0.42%～0.92%范围内,要加强有组织净化排放,以及氟化物的回收利用,必须对目前电解铝烟气净化系统进行分析,找到最佳调节控制点。

2 烟气净化系统优化方法及过程

经过对烟气净化系统进行综合分析,我们找出指标相应控制点,一是加强阀门及风量控制,确保铝电解产生的烟气经净化后再进行排放;二是要对工艺数据进行合理设置,寻求参数最优化;三是要加强烟气中氧化铝吸附剂的投放量。具体实施对策措施如下。

2.1 支烟管阀门的调节

不同的阀门在不同位置有着不同的开启角度,这样才能使集气效率最大。在实际生产中,要根据实际情况合理调节好各种阀门的开度,在调节过程中要保证所有电解槽集气罩内负压均衡。

在对烟气净化系统进行综合分析前,支烟管阀门调节主要根据电解槽烟气情况及总调度室安排进行,这导致每台槽的支烟管阀门开度不一,每台槽吸收烟气的风量差别较大。根据公式[3]:

式中Q为风量,r为管道半径,V为风速。

考虑到排烟风机引风风速V趋于稳定,为了增大进风量(Q),增强收集电解槽产生氟化物的能力,减少无组织排放,需对电解槽支烟管阀门开度(r)进行合理调节。支烟管阀门调节表见表2。

通过对支烟管阀门开度进行阶梯形的调节,合理分布各电解槽烟管负压,达到有效集气的目的。因阀门开度及风量变化,此时总烟管的负压由原来的850 kPa升高至1000 kPa。

2.2 自动控制系统调节

此处自动控制系统调节,主要针对袋式除尘器自动清灰工作工艺数据进行合理的调节,对布袋除尘器的喷吹脉冲时间间隔及脉冲宽度等进行有效控制。主要调节参数如下:脉冲宽度(0～30ms),脉冲间隔时间(0～30s),脉冲循环时间(0～1 h)。

除尘器喷吹脉冲宽度要求达到清灰效果即可,脉冲宽度太长会导致气源的浪费,且除尘器布袋容易穿孔损坏;脉冲宽度太短则会使布袋除尘不彻底,布袋积料太多。经反复对比试验,除尘器调节脉冲宽度在20 ms的时候即可达到最佳清灰效果,因此我们固定脉冲宽度为20 ms。

运行阻力是除尘器的一项重要性能指标。一台高性能、运转良好的脉冲袋式除尘器,不仅除尘效率高,而且运行阻力应保持在1 500 Pa以下。为了能及时去除布袋上的积料,让其他新鲜氧化铝能够吸附在布袋上,需尽可能地缩短清灰周期。因此我们把脉冲间隔时间调整为10 s,循环时间调整为1 min。通过此调整,在保证清灰效果的同时加快清灰循环时间,使袋式除尘器的运行阻力始终保持在1 500 Pa以下,工艺参数达到最优化。

2.3 投料控制

作为吸附剂使用的新鲜氧化铝,其投放量的大小与吸附效率成正相关关系。目前电解烟气净化系统新鲜投料量约为12 t/h,一天用量约为288 t,此料量与240 kA电解系列两个工区84台电解槽一天所耗氧化铝基本持平。由于料仓容积是固定值,如果过量增加新鲜投料以提高吸氟效率必将导致载氟料氧化铝仓收支不平衡,显然该方法不可行。因而必须增加载氟氧化铝的循环投料量来使电解烟气中的氟化物得到充分吸附反应,氟化物排放指标方能进一步降低。然而此举会造成载氟氧化铝因循环次数过多而导致载氟量过高,磨损破碎加剧等,最终导致载氟氧化铝流动性变差,影响电解供料。所以只要严格把好生产原料——氧化铝质量关,满足氧化铝粒度-44μ不大于12%标准(见表3)要求,该方法就能成为公司目前最为省钱省力的最优办法。净化烟道气污染物监测结果见表4。

经实践,对新鲜仓氧化铝投料量进行控制,让新鲜氧化铝投料量与每天电解生产所需氧化铝量保持一致,在保证生产的同时可稳定料仓料位的高度变化;同时适当增大载氟氧化铝料仓的投料量,让载氟氧化铝再次对烟气中的氟化物进行吸附,可有效提高烟尘中氟化物的去除率。

注:砂状氧化铝物理性能不做常规分析,若用户需要此数据,生产单位可随时提供。

3 结语

通过对电解铝企业烟气净化系统优化技术的探索,以及工艺技术、设备技术及管理技术的论证支持,公司电解铝生产中产生的粉尘及氟化物的排放量均有所下降,氧化铝载氟含量提升并稳定在0.6%～1%范围,在提高烟气净化效果的同时也提高了氟化物的循环利用率,为企业降低了成本,改善了工作环境。

参考文献

[1]GB 25465-2010,铝工业污染物排放标准[S].

[2]厉衡隆,顾松青.铝冶炼生产技术手册[M].北京:冶金工业出版社,2011.

铝电解过程阳极效应预测 第2篇

铝电解槽的生产过程是个非线性、强腐蚀、多变量、强耦合系统,可以直接在线采集的信息较少,同时不同管理者的经验不同,使得阳极效应预测过程存在着大量不确定因素。随着故障诊断技术的不断进步和计算机技术的发展,最近一些研究者把智能辨识技术用在铝电解槽的诊断系统中[4],美国、英国、挪威等国家基于人工智能、专家系统、神经元网络等技术对铝电解槽进行综合分析,取得了一些效果[5],但问题依然没有根本解决。本研究在前人利用槽电压预测阳极效应的基础上,采用阳极导杆等距压降和槽电压相结合,借助于模糊辨识的方法研究阳极效应的预报。

1 阳极效应模糊辨识

1.1 阳极效应过程分析

大量研究表明:铝电解槽发生阳极效应是由于熔体中氧化铝浓度低,阳极底掌与电解湿润性差,使电解产生的阳极汽泡停留在阳极底掌,阻碍电流通过,使槽电压不断升高。分析该过程可以发现,阳极效应有三个阶段:阳极气泡震荡、阳极气泡积累和气泡层增厚,伴随各阶段的现象分别是电压微小振动、电压缓慢增大和电压快速增大。

根据区域电流效率的观点[6],大型电解槽可以看成由多个小电解槽并联组成。大型铝电解槽阳极面积较大,电流密度和电解质成分不均匀,所以并联的小电解槽既相互联系又有不同的性能。阳极效应的发生首先可能是在某个小电解槽上开始,然后逐渐蔓延到整个电解槽,这个过程需要一定的时间,这个时间与电解质的流动和起始阳极位置有关。通过检测阳极导杆电流的变化,可以分析该阳极底部特征,从而了解阳极底部是处于阳极气泡震荡、阳极气泡积累、还是气泡层的增厚阶段。一旦有某个阳极具有阳极效应前兆,就可以发出效应预报。相对于以整个槽电压为参数来辨识阳极效应特征,无疑可以提前发出效应预报。

大量实验数据表明:在整个铝电解槽发生阳极效应时,铝电解槽槽电压会突然由几伏升至几十伏甚至上百伏,这个现象是数十个阳极同时发生效应的综合效果。在整个电解槽发生阳极效应前的一段时间,各阳极已在不同程度上发生了区域阳极效应,这体现在电解槽中某个阳极的阳极导杆等距压降的变化率突然增大。基于这种实际情况以及传统的阳极效应预报方法,结合模糊数学,本系统采用一种新方法来预测阳极效应的发生,即将槽电压对应的表观槽电阻累积斜率(简称槽电压累积斜率)和阳极导杆等距压降对应的电解质表观电阻累积斜率(简称阳极导杆等距压降累积斜率)相结合,来辨识预报阳极效应前兆。

1.2 采样信号的选取

传统的诊断技术和铝电解槽控制是基于对铝电解槽槽电压信号的采集与处理。实现铝电解槽阳极效应预报的关键是选择反映阳极状态的信号。信号必须满足两方面的要求:信号可以在线连续采集;信号必须能够表现阳极状态或阳极底部气泡的发生和发展趋势。因此,基于这两点要求,本系统选择了两种信号:铝电解槽槽电压和阳极导杆等距压降,采样频率为1 Hz。铝电解槽阳极导杆数量通常有几十个,可以根据现场情况和数据采集器的性能选择有代表性的阳极。本文实验中选择5个阳极。

1.3 阳极效应模糊辨识

1.3.1 槽电压信号的处理

用在线检测的电压和系列电流,计算出铝电解槽表观槽电阻,槽电阻就是用做预报阳极效应的基础参数,它由下式得出:

Rk=(Vk-E)/Ik

式中,Rk为k时刻表观槽电阻;Vk为k时刻槽电压;E为表观反电动势(常数);Ik为k时刻系列电流。

传统的铝电解槽阳极效应预报的主要参数是槽电阻的斜率。该参数的简单算式为:

undefined

式中,RL(k),RL(k-1)分别为经过滤波处理后槽电阻在t=k,k-1时刻的抽样值;T为槽电阻斜率计算的抽样间隔。

1.3.2 阳极导杆等距压降信号的处理

阳极导杆等距压降的处理与槽电压处理相似,由于不可能测出孤立的单块阳极对应的电压,因此计算时采用槽电压值,通过该阳极的电流由阳极导杆等距压降计算。计算公式为:

Ra=(Vc-E)/Ia

Ia=Ua/R

式中,Ra 为对应阳极的电解质的表观电阻;Vc为该时刻槽电压;Ia为该时刻该阳极导杆电流;Ua为测量的阳极导杆等距压降;R为阳极导杆等距电阻。

1.3.3 阳极效应预报算法

分别将表观电阻斜率(包括阳极导杆压降和槽电压计算得到的值)累积值模糊化,选取升半梯形分布作为隶属度函数,用下列数学式表示:

undefined

式中,μ(x)为阳极效应将要发生的隶属度;x为对应电阻斜率的累积值(阳极导杆压降计算时单位为mV,槽电压计算时单位为V);a1为预报下限值;a2为预报上限值。通过大量的数据验证,对于2 min内槽电压累积斜率,选取a1为0.20 V,a2为2.50 V;对于2 min内阳极导杆等距压降累积斜率,选取a1为2 mV,a2为18 mV。

参考实际工业情况,确定辨识规则,μa(x)为阳极导杆等距压降累积斜率对于阳极效应将要发生的隶属度;μv(x)为槽电压累积斜率对于阳极效应将要发生的隶属度。

当满足下列三个条件之一时,发出阳极效应报警:(1)μv(x)>0.6;(2)μa(x)>0.6;(3)μv(x)+1.5μa(x)>1.0。阳极效应预测流程见图1。

2 阳极效应预测应用程序设计

应用程序采用VC++编写。铝电解槽阳极效应预测共分为四个部分,分别是信号采集和预处理、数字滤波、阳极效应模糊辨识和数据库。系统总体框图如图2所示。

2.1 信号采集与预处理

信号采集与预处理模块实时采集阳极导杆等距压降和槽电压,对接收数据进行滤波处理,显示采集信号,将采集的铝电解槽信号写入数据库。

2.2 信号处理和特征提取

为了了解信号特征,在信号处理前对槽电阻信号x(n)做离散傅里叶变换。大量的现场数据频谱分析结果表明:(1)槽电阻波动的主频率区为0.002～0.04 Hz,在0.04 Hz以上的频段一般看不到明显的峰值;(2)系列电流波动的主频率区为0.05～0.2 Hz。直接检测到的信号包含了大量与状态无关的信息,也包含了电流和电解质浓度变化的影响,因此需要把直接检测信号转变为能表达阳极工作状态的特征量。本系统设计了低通数字滤波器来滤掉两种检测信号的高频组分,得到低频有效槽电阻,再计算电阻变化率作为阳极效应预报的特征量。

2.3 阳极效应模糊辨识

该模块根据前面给出的阳极效应预报算法编程, 分别计算2 min内每个阳极导杆对应的电阻累积斜率和槽电阻累积斜率,每分钟循环一次,每循环一次采用最近2 min的采样值。在计算相应的隶属度函数时,选取阳极导杆对应的电阻累积斜率中最大者和槽电阻累积斜率作为辨识条件,如果有一个阳极导杆对应的电阻累积斜率满足条件,再计算次大者,以此类推。系统根据满足预报阳极效应的阳极导杆数来估计效应发生时间。

2.4 数据库应用

对铝电解槽阳极工作状态进行监测时,由于实时采集的数据量非常大,因此在数据库模块的设计中,设计了实时数据库和历史数据库,两个数据库均放在服务器端。服务器端数据库采用SQL Server 2000数据库技术设计。系统每隔10 min从实时数据库提取有用的信息,存入历史数据库,实时数据库存放48 h内采集的数据,这样不仅能确保数据的实时保存,还可以避免因数据量过大而造成的数据库查询困难。

3 辨识结果

采用RXA-04多路数据采集记录仪连续采集350 kA铝电解槽72 h,5个阳极导杆,40 cm压降,采样频率1 Hz,其间发生一次阳极效应。

图3为某2 min内采样槽电压(减去设定值4.1 V)和某一阳极导杆等距压降数据(减去理论值),经计算,该2 min内经低通数字滤波器滤波的槽电压累计斜率为0.60,低通数字滤波器滤波的阳极导杆等距压降累计斜率最大值为12.7。利用以上的模糊辨识方法得

μv(x)=0.174

μa(x)=0.669

μv(x)+1.5μa(x)=1.18>1.0

因此,可得结论,该电解槽将会发生阳极效应。实践表明,预报14 min后,此电解槽发生了阳极效应。而目前已应用的阳极效应预报系统通常只能提前几分钟,或只能在发生效应时发出报告。

4 结论

从槽电压和阳极导杆等距压降的滤波结果中提取了能够反映阳极工作的特征量,提出了针对铝电解槽阳极效应的辨识诊断方法,开发出了相应的辨识系统。应用实例表明,与传统的阳极效应预报方法相比,该方法缩短了阳极效应的预报时间。该方法在实际应用中涉及的问题主要是阳极导杆等距压降的采集增加了数据采集成本,这可以在工业应用中根据经验选择采集某些有代表性的阳极导杆等距压降。

铝电解槽阳极效应的预报涉及到理论和实践的紧密结合。该系统还没有建立效应发生时间和阳极导杆序列的模型,还不能预测阳极效应发生的准确时间;对一些参数的进一步整定,也需要有更多的实验数据来完善。

参考文献

[1]Huapin W E.Production of aluminium and alumina[M].Chichester:John Wiley&Sons,1987:168-175.

[2]曾水平,刘业翔,蔡祺风,等.铝电解槽内三维电流分布数值模拟[J].有色金属,1996,48(3):88-92.

[3]ZENG Shui-ping.Effect of current distribution on currentefficiency in 160 kA prebake cells[J].Light Metals,2002(131):503-510.

[4]曾水平,吴连成.铝电解槽温度的模糊模式识别[J].模式识别与人工智能,2001,14(4):466-469.ZENG Shui-ping,WU Lian-cheng.Fuzzy pattern recogni-tion of the temperature in aluminum reduction[J].PatternRecognition and Artificial Intelligent,2001,14(4):466-469.

[5]ZHU Hong-min,Thonstad Jomar.Anode reaction in alu-minum electrolysis prior to and during anode effect[J].Light Metals,2003(132):343-349.

有关低温铝电解的研究 第3篇

1 低温铝电解的定义

电解温度一般是指在电解生产过程中电解质的温度, 电解质温度=电解质初晶温度+过热度。在实际生产过程中, 有两个方面能有效降低电解温度, 其一是对电解质的初晶温度进行降低, 其二是对电解温度与初晶温度的差值进行降低。

考虑到铝的熔点为650℃, 从理论上来分析, 电解温度来说只要达到700一800℃即可进行电解, 为了能使低温铝电解发生在温度700-800℃左右, 对低温铝电解的原材料的选择是非常重要的, 通常情况下, 可以选择氧化铝, 分析原因可得:这是由于较低的氧化铝价格, 此外, 还有较小的吸水性, 同时又方便运输和贮存。

2 低温铝电解的意义

从理论上来说, 电解温度一旦700-800℃就可以进行电解, 而工业电解温度一般为850-870℃, 降低电解温度工业生产是一个非常有价值的工作。

保持铝电解槽能量平衡的基本原理是:对电解槽能量收入进行必要的减少, 与此同时, 还需要对能量支出进行减少。就当前而言, 在实际铝工业生成过程中, 通常采取加强保温的方式, 其目的是希望能尽可能的防止电解槽热量损失, 比如:对阳极保温和槽体保温进行加强, 这些方法在一定程度上起到了作用, 然而, 电解槽的制造费用通常与槽体保温层的厚度成正比, 如果槽体保温层出现相对较厚的情况, 就需要去开发新的方法去降低电解温度。

2.1 降低电解温度可减少热损失, 有利于节电

电解槽内壁温度每减少15℃, 经侧壁的热流量大概损失800kJ/ (m2.h) 。就一台150KA的大型电解槽而言, 一旦电解温度减少15℃, 那么全槽的对外热损失总量损失的幅度, 大概是节省了80kwh/t.Al。

2.2 降低电解温度可提高电流效率

在电解质中, 铝液的溶解度和溶解速度通常是随着电解质温度的降低而降低, 这样将直接造成溶液中的铝扩散到阳极区被CO2气体氧化的数量大大减少, 从而降低了铝的溶解与损失, 提高了电流效率。按照以往的实验表明, 在900—950℃的电解温度范围内, 随着电解温度的降低, 电流效率的会得到明显的提高, 从950℃降低到900℃, 电流效率可提高5%—7%。

还有, 电解温度的降低, 将会有助于阳极炭耗以及氟化盐的消耗的降低, 当然, 还会对电解槽的寿命起到一定的延长作用, 换个角度来说, 这将会对铝电解的生产成本起到降低的作用。在铝电解工业方面, 这最终会缩短我国和国外的差距, 在国际市场上竞争能力也会有所提高。

在铝电解的实际生产过程当中, 必须对电解质的分子比进行科学、合理的分析, 当然, 是否选择一个科学、合理的分析方式在很大程度上会影响到低温电解槽温度的稳定性。在实际低温电解过程中, 非常重要的是测量和控制电解温度、初晶温度和过热度, 当然, 更为重要的是研究了电导法和氯化铝滴定法分析分子比, 这在很大程度上解决了科学合理的分析电解质的分子比的问题, 这将在很大程度上对铝电解生产起到积极的推动作用[5]。

3 含有锂盐的低温铝电解工业试验

3.1 含有锂盐的低温铝电解试验

通常来说, 电解槽电解温度920—940℃, 电解质分子比保持在2.2—2.4, 为了对电解温度进行必要的降低, 对技术经济指标进行合理的优化, 可以通过成立低温铝电解工艺试验小组的方式, 每周召开一次试验例会, 电解车间的主任和主要技术人员都需要参加, 由试验车间主要生产技术人员介绍试验槽炉膛变化、运行情况及存在问题, 技术开发科统计试验槽主要技术条件和经济指标, 包括:电解质水平、铝水平、分子比、电解温度 (最低、最高、最近和平均值) 、AIF3添加量、效应系数、平均电压及出铝量, 讨论研究槽况及问题产生的原因, 并提出改进的措施, 对在试验中取得一些成功的经验, 尽快地推广应用到系列中其它电解槽上。

3.2 试验结果的讨论

在对电解进行试验的前提下, 需要选择低分子比低温电解技术, 其中电解温度保持在930℃左右, 分子比保持在2.1-2.3。当然, 在这过程中, 槽子还是不可避免的出现了一些问题:

在实际生产时, 其中一些电解槽炉底出现大面积结壳现象, 这就直接造成电解质的发粘, 同时观察发现存在明显的严重下缩现象。此外, 虽然一些槽的电解温度不高, 然而可能存在偏高的过热度, 通常来说, 槽帮的厚度是由过热度控制的, 在进行低温电解生产时, 电解质成分在很大程度上决定了电解质初晶温度, 过热度大小和变化决定着热流量的大小和变化, 也决定着炉帮的长化。对以上出现的这些问题进行进一步的分析, 最终发现所得其主要原因是由一次性添加氟化铝的量太多添, 过快的降低分子比, 偏低的电解质过热度, 出现过低的电解温度引起的。基于以上问题的分析, 在进行低分子比低温电解时, 尽量不要出现过快的降低分子比的现象, 为了使得低温电解的顺利进行, 可以规定分子比的降低梯度为0.05, 当然, 在对分子比进行降低的同时, 需要对槽工作电压进行相应的升高。

此外, 还需要进一步提高电解槽的炉帮的稳定性, 这启动后期显得尤为重要, 还需要建立好高分子比的坚固炉帮, 这样就具有更强抗温度和过热度波动的能力, 在实际生产过程当中, 需要对铝电解生产技术管理进行进一步的加强, 为了防止出现由于电解温度和过热度的大幅波动对炉帮造成破坏的现象, 应该选择恰当的控制策略, 控制好电解温度的稳定性, 过热度进行较好的控制。

结语

总之, 通过对含有锂盐的低温铝电解工业的试验研究, 已研究出一套较为合理的铝电解槽工艺技术条件, 对分子比和电解温度的严格控制是其中的关键环节。在对电解温度进行降低的过程中, 尽可能的去避免因过快的降低分子比降以及炉底形成结壳

参考文献

[1]周铁托, 洪建中.铝电解低分子比控制过程中若干技术问题探讨[J], 轻金属, 2007 (10) :38—42.

[2]卢惠民, 丘口竹贤.低分子比铝电解中铝的溶解度和A1203浓度分布阴, 轻金属, 2007 (2) :22—25.

[3]沈时英.铝电解质的酸度问题[J], 轻金属, 2002 (11) :24—31.

[4]张明杰, 赵恒先, 邱竹贤等.铝电解质冰晶石分子比分析中面临的几个问题[J], 抚铝科技, 2007 (10) :1—6.

铝电解企业 第4篇

在洛阳万基电解铝厂电解槽工程施工过程中, 铝母线的制作加工是很重要的一个施工环节, 其中铝母线焊接技术的高低, 更直接关系到工程质量的好坏。铝母线焊接技术在洛阳万基铝电解铝工程发挥了巨大的作用, 本文将简要回顾铝母线焊接技术的要点并介绍两种极有应用前景的铝母线焊接工艺技术。

一、铝母线焊接填充焊丝的选择

母线 (busbar) 是将电气装置中各截流分支回路连接接在一起的导体, 它是汇集和分配电力的载体。由于母线在运行中, 有巨大的电能通过, 所以短路时, 承受着很大的发热和电动力效应, 因此, 必须合理的选用母线材料、截面形状和截面积以符合安全经济运行的要求。

在洛阳万基铝电解铝工程应用的大电流母线, 一般采用纯铝及铝合金材料。铝合金母线主要有铝镁硅合金、铝镁合金、铝锰合金, 由于大电流母线使用的铝及铝合金材料不同, 同时产品性能要求不同, 因此要综合各个方面的性能来考虑选择焊丝。除了考虑母线基本金属的成分外, 还应考虑产品的具体要求及施工条件, 并应能满足接头的机械性能、耐腐蚀性能、导电性能以及接头的抗裂性能等。总之, 应针对各种铝及铝合金材料和对产品性能的不同要求, 选用相应的填充焊丝。

1材料为纯铝时, 填充焊丝主要考虑Fe和Si的含量 (Fe<0.3%, Si<0.3%, 并要求Fe含量大于Si含量;在耐腐蚀性能要求更高时, 应选用纯度更高的焊丝。

2铝镁硅合金作为大电流母线焊接时, 从抗裂性能、耐腐蚀性能、工艺性能方面考虑应优先选用铝硅焊丝SAl Si1, 若对强度有较高的要求, 在SAl Si-1不能满足要求的前提下, 可考虑使用SAl Mg5。

3铝镁合金在镁含量大于1%时, 选用含镁量较高的高镁焊丝, 如SAl Mg5;当镁含量小于1%时, 如对接头强度有较高要求时, 宜选用高镁焊丝;如果接头强度要求不高, 同时对耐腐蚀性能有较高要求时, 也可考虑选择抗裂性能比较好的焊丝SAl Si-1。

4铝锰合金焊接可选用的焊丝为SAl Mn (丝321) 和SAl Si1。

各种牌号铝及铝合金的焊接, 通常可选用几种牌号的填充焊接材料, 在洛阳万基铝电解铝工程实际生产应用中, 可根据产品要求的不同性能进行选择。

二、铝母线焊接前1焊前清理

焊接前应当保证铝母线表面光洁平整的, 没有有裂纹、折皱、夹杂物及变形和扭曲现象。坡口采用机械法清理表面氧化膜, 用直径为0.2mm左右的不锈钢丝刷清除至露出金属光泽, 两侧的清除范围距坡口边缘应不小于30mm, 使用的钢丝刷应定期进行脱脂处理;不宜用砂轮、砂布打磨以防砂粒形成焊接夹渣等缺陷, 可用刮刀清理焊面;坡口及焊件表面的油污和氧化膜, 用丙酮或四氯化碳等有机溶剂除去, 两侧的清除范围应不小于50mm;焊丝用化学试剂的方法清理表面氧化膜, 用约70℃5%~10%Na OH溶液浸泡30~60S后, 接着用约15%的HNO3 (常温) 浸泡2min左右后用温水洗净, 再使其完全干燥。

2铝母线加工

铝母线调直采用母带调直器进行调直, 手工调直时必须用木锤, 下面垫道木进行作业, 不得用铁锤。铝母线切断可使用手锯或砂轮锯作业, 不得用电弧或乙炔进行切断。铝母线的弯曲应用专用工具 (母线煨弯器) 冷煨, 弯曲处不得有裂纹及显著的皱折。不得进行热弯, 弯曲半径不得小于相关的规定, 长度不得小于铝母线宽度的2.5倍~5倍。

3电气设备检验

电气设备安装完毕, 检验是否合格。

首先是电焊机, 在使用前应用摇表检查其绝缘电阻是否合格。在启动新电焊机前, 应检查电气系统接触器部分是否良好, 确认一切正常后, 可在空载下启动试运行。经试运行证明电焊机无电气隐患时, 方可在负载情况下试运行, 然后投入正常运行。电焊机要经常检查性能是否完好, 施焊时电弧是否稳定, 焊机的焊把要短, 气管也要短, 尽量排尽气管中的污物;气管如果过长, 在断弧时, 跑进气管里的空气就越多, 在再次起弧时, 极易造成氩气不纯, 影响焊接质量。还应注意的是直流电焊机, 应按规定方向旋转, 对于带有通风机的要注意风机旋转方向是否正确, 应使通风机由上方吹出, 以达到冷却电焊机的目的。

其次检验氩气纯度要高, 用在试板上试验的方法确定氩气的纯度是否合格, 如果焊接拍片合格, 将此瓶气做上标识用于正式焊接上, 通过多次试验的方法, 储备一定的用于正式焊接的氩气使用量。

最后, 每道焊缝每位焊工要做1块焊接试板, 焊接试板的长度≮1米, 在焊接试板透视合格后, 才能用于正式焊接。

三、铝母线焊接1预热

预热铝母线加工件能够帮助避免焊接裂缝的产生。从安全方面考虑加热应在外坡口进行, 可采用加热板电加热法或应用氧乙炔火焰加热, 预热温度控制在120-150度, 以防止过热。判断预热温度的方法可以用测温笔或戴着电焊手套摸筒体, 感觉烫手即可。

2处理速度:铝材焊接的过程需要“高温高速”的处理。不同于钢材, 铝材的较高的热导性需要使用温度更高的电流电压设定和更高的焊接速度。如果焊接速度太慢, 将会有过多的焊接穿透, 特别是在焊接薄材的时候。另外焊接还应连续进行, 焊接间隔的时间最好不要超过15分钟, 因为铝焊在熔化状态时, 极易与空气中的的氧生成氧化铝, 影响焊接的质量。

3焊接

将铝母线用耐火砖等垫平对齐, 防止错口, 坡口处根据铝母线规格留出1~5mm的间隙, 然后由焊工施焊, 焊缝对口平直, 不得错口、必须双面焊接。焊缝应凸起呈弧形, 上部应有2~4mm加强高度, 角焊缝加强高度为4mm, 这是因为在铝材焊接中, 裂缝是导致从铝材高速的热膨胀到大量冷却造成的收缩的后果。焊接裂缝的风险在焊接凹面材料的时候最大, 因为材料表面小坑会收缩, 冷却的时候就会造成材料的撕裂。因此, 焊工应该制造出凸面形状的坑, 以补偿焊接时造成的收缩。焊接好的焊缝不得有裂纹、夹渣、未焊透及咬肉等缺陷, 焊完后应趁热用足够的水清洗掉焊药。

4焊接的方法

在洛阳万基铝电解铝工程中, 铝母线的焊接极易气孔, 通常出现在焊缝的上部或横焊缝。为了较好的防止气孔的产生, 除了焊工本人的熟练操作技能以外, 还得选择比较好的焊接方法:

(1) 双面同步氩弧焊:2名焊工要同时起弧, 向同一方向焊接, 配合默契。留有间隙的坡口, 里外的焊工可以彼此看到相互的电弧掌握焊接的速度, 没有间隙的坡口也可以根据透出焊肉的高低来判断是否速度一致, 如果透得多, 里面的焊工速度可以快一点, 如果少可以慢一点。里面的焊工根据坡口的形式可以选择不送丝, 由于外部要熔焊丝, 外面焊机的焊接电流一般高出里面焊机焊接电流的10-20A左右, 尽量减少焊接的层数, 因为焊层越多, 越易产生气孔。

(2) 点固焊:为了保证对口的间隙均匀, 防止在焊接时产生的焊接变形影响对口间隙, 在对口的过程中用点固焊的方式来减少焊接变形, 点固焊每隔200mm左右点焊长度为10-15mm, 点焊时起弧和收弧时要注意焊缝的成形应平滑过度, 如果因为起弧和收弧造成陡面, 应用刮刀剔成平滑过度。

四、焊接后1无损检测

100%透视的焊口按照JB4730Ⅱ级合格, 20%透视的焊口按照JB4730Ⅲ级合格, 如果因为结构原因造成无法探伤的可以用着色的方法来检查, 要求Ⅰ级合格, 确实因为点状气孔的原因造成焊口拍片无法Ⅱ级合格时, 针对气孔的缺陷可以让步放行到Ⅲ级或Ⅳ级合格, 但线形气孔不可以。判断线形气孔的标准:气孔长度/气孔宽度≥3。

2检查送电

铝母线完成安装焊接完后, 要全面地进行检查, 清理工作现场的工具、杂物, 并与有关单位人员协商好, 请无关人员离开现场, 然后进行检查送电。送电前应进行耐压试验, 500V以下铝母线可用500V摇表摇测, 绝缘电阻不小于0.5MΩ。送电要有专人负责, 送电程序应为先高压、后低压;先干线, 后支线;先隔离开关后负荷开关。停电时与上述顺序相反。车间铝母线送电前应无挂好有电标志牌, 并通知有关单位及人员送电后应有指示灯。

五、小结

综上所述, 通过铝母线焊接技术在洛阳万基铝电解铝工程的实践可以看出, 我国现化焊接技术已经完成了自身的蜕变, 从一种传统的热加工工艺发展到了集结构、力学、电子等多门类科学为一体的综合工程学科。而且, 随着相关学科技术的发展和进步, 新焊接技术在焊接生产中的应用必将获得突飞猛进的发展, 铝母线焊接技术的自动化质量提高及可靠性保证能力将是对焊接技术的基本要求。尤其是铝母线焊接技术在近几年将成为焊接工作者研究和推广的热点之一。

摘要：铝母线焊接技术的高低, 直接关系到工程质量的好坏。铝母线焊接技术在洛阳万基铝电解铝工程发挥了巨大的作用, 本文主要从铝母线焊接填充焊丝的选择, 焊接过程和方法讲述了铝母线焊接技术在洛阳万基铝电解铝工程中的应用和发展。

关键词：铝母线,焊接技术,铝电解,实践

参考文献

[1]http://blog.sina.com.cn/s/blog_4cbe47a1010009wv.html中国铝业股份有限公司 (中国铝业A) 所属分子公司简介、资讯[1]http://blog.sina.com.cn/s/blog_4cbe47a1010009wv.html中国铝业股份有限公司 (中国铝业A) 所属分子公司简介、资讯

[2]DL/T868-2004焊接工艺评定规程2004-3-92004-6-1SD340-1989[2]DL/T868-2004焊接工艺评定规程2004-3-92004-6-1SD340-1989

[3]《280kA电解槽铸铝母线的焊接工艺分析》, 焊接技术, 2005-05[3]《280kA电解槽铸铝母线的焊接工艺分析》, 焊接技术, 2005-05

[4]杨春利等:《现代弧焊原理》, 哈尔滨工业大学出版社, 2002年9月[4]杨春利等:《现代弧焊原理》, 哈尔滨工业大学出版社, 2002年9月

[5]李桂生:《铝母线焊接填充焊丝的选择》[J];电力建设;2000年02期[5]李桂生:《铝母线焊接填充焊丝的选择》[J];电力建设;2000年02期

异型阴极铝电解槽分流装置 第5篇

电解铝行业高能耗, 许多电解企业和科研单位协作研究降低电解槽生产电压的方法, 最大限度进行低能耗生产。2009年以后, 沈阳铝镁研究院研制一种电解槽异型阴极技术, 将电解槽平面阴极改为“坡台”形异型阴极, 取得了较好的低电压实验数据, 并在一些大型企业进行了推广。但是该异型阴极技术应用中, 造成电解槽在焙烧初期阴极与阳极接触面积变小, 阴极过流面积降低, 阴极在通电之初出现剧烈升温、升温不均、冲击电压过高的现象, 损伤阴极内衬。导致阴极在后期使用中掉渣、掉角, 阴极导电质量下降, 影响电解槽正常生产工艺控制, 缩短电解槽使用寿命。

二、分流装置的研制

为确保电解槽异型阴极能够平稳、呈梯度进行升温, 阴极后期能够高质量、长期使用, 要求铝电解槽进行通电的最初24h内, 系列电流不能全部加载在阴、阳极上, 而需进行一定的旁路分流, 为此, 进行异型阴极电解槽分流装置研制。

1. 计算规格

分流装置由分流片组成, 为准确分流, 保证阴极合理过流, 槽电压稳定下降, 需要根据分流装置的分流率计算公式 (1) 推导出实际采用的分流片数目。

式中I分电解槽分电流, A

ρ钢制作分流装置所用钢材料的电阻率, Ωmm2/m

U最大冲击电压 (计算最大分流率时) 或稳定槽电压 (计算最小分流率时) , V

L分流片长度, m

S分流片总面积 (分流片面积总片数) , mm2

I电解槽总电流, A

公式 (1) 中最主要的参数是电解槽通电期间的最大冲击电压 (常规要求其不超过5.5V) , 冲击电压过高会直接影响电解槽的焙烧质量, 各企业根据要求, 自行确定标准, 本文中设定最大冲击电压不超过5.5V。一般最大和最小分流率根据生产工艺推导得出, 根据《中国铝业青海分公司180kA电解槽工艺技术标准》要求, 在电解槽通电过程中, 为保证阴极能够平稳、呈梯度进行升温, 要求分流装置最大分流率为63%, 最小分流率为14%。

(1) 分流装置工作的最大分流率是由常温进入工作状态瞬间时的数值。根据中铝青海分公司实际测量情况, 通电工作瞬间, 电解槽集气罩的平均温度大约为25℃, 取25℃为分流装置进行最大分流的温度, ρt=25℃=0.158Ωmm2/m, U=5.5V。

(2) 分流装置工作的最小分流率应是通电10min左右, 分流装置温度达到500℃以上, 槽电压逐渐稳定在约3.5V时, ρt=500℃=0.445Ωmm2/m, U=3.5V。

还需根据分流装置安装位置和安装面的大小, 选择材料, 相邻电解槽系列母线之间的距离为1000mm, 因此分流装置长度设计为1000mm;分流装置两端用于焊接钢片的爆炸焊块宽度仅有160mm, 因此钢片选取宽度为150mm;另外考虑钢片在安装过程中要有一定的弯曲度, 因此不能选用较厚的钢片, 通过实验, 2mm厚的钢片能够符合要求。通过以上条件, 即分流装置最大分流率为63%, 最小分流率为14%, 分流装置钢片规格1000mm150mm2mm, 用公式 (1) 进行计算。得出每台电解槽通电过程中需要2组 (电解槽出铝端和烟道端各安装一组) 相同的分流装置, 每组由6片同样大小的钢片进行焊接, 才能满足电解槽在通电过程中的分流要求, 即异型阴极电解槽分流装置设计规格为:1000mm150mm2mm6片2组。

2. 设计安装

由于电解槽水平大母线上空留位置有限, 无法进行6片 (1组) 钢片的安装, 经现场测量计算, 将6片钢片再次分组 (图1) , 分别由4组母线 (图2) 和两组母线 (图3) 相压接而成。每槽4组 (出铝端和烟道端各两组) , 每组规格为1000mm150mm2mm3片, 3片钢片分别焊接在爆炸焊块的钢质部位, 焊接要牢固、平整。分流装置分别固定在出铝端和烟道端的槽下V形短路口处, 固定前将阴极大母线与爆炸焊块接触面分别用风轮机抛光, 确认无异物后用24#螺杆夹紧在大母线上。

三、分流装置应用效果

分流装置研制后安装在电解槽进行通电试验, 试验数据 (表1) 表明, 电解槽最大冲击电压<5V, 分流过载时分流片未出现烧断、烧裂现象, 达到了异型阴极电解槽通电分流的目的。异型阴极电解槽分流装置使用一年多来, 使用效果稳定, 各主要指标均达到要求, 电解槽至今未出现阴极破损迹象。

异型阴极电解槽分流装置操作简单, 可行性高, 分流计算准确, 可实现精确控制分流。可使电解槽在低于系列电流强度的电流下进行焙烧, 减小了加热过程中的温度梯度, 降低了内衬材料损坏的危险。

摘要：针对异型阴极电解槽工作中出现的问题, 研制电解槽分流装置。根据电解槽实际情况, 利用分流装置, 使电解槽在通电过程中进行较大分流和精确分流。

关键词：电解槽,分流装置,研制

参考文献

铝电解供电系统电能质量研究 第6篇

关键词：电解铝,谐波,有源滤波器,过流

1 引言

随着国民经济的发展,铝材的需求越来越多,铝电解作为铝材生产的重要一环,需要大量的电力能源。因此供电系统在铝电解的过程中具有十分重要的地位。对其电能质量进行研究,有利于生产设备的安全、高效运行[1]。

本文结合徐州电解铝厂实际运行中5次滤波通道电容经常发生故障的问题,对整流电网进行测试与治理研究。

2 铝电解整流供电网特点

在铝电解的生产过程中主要是对熔盐进行电解来获得其含有的金属铝。因此其铝电解供电网具有以下特点。

1)谐波含量高:

由于电压和功率等方面的限制,目前铝电解所需要的直流电源大部分采用不可控的整流系统获得,不可避免的会产生很多高幅值的特征次谐波,在一定工况下有时还会产生非特征次谐波。

2)功率因数低:

铝电解供电网中包含有调压变压器、整流变压器,变压层数较多,无功需求大,导致功率因数较低。

3)用电量大供电可靠性高:

作为铝电解生产过程中的主要能源,需求量大,且对供电可靠性要求高,一旦停电,整个生产将停止,若停电时间长还会损坏电解槽。

3 测试与分析

3.1 电网结构

该电解铝厂电网结构如图1所示。

系统共3条进线,分别是西进线,东进线和厂内发电机组供电线路。3条进线通过断路器分别接入母线1和母线2。6台整流机组中1,3,5号机组接在母线2;2,4,6号机组接在母线1,2台动力变压器分别接在两端母线上。母线1与母线2采用并联运行方式,全厂的大部分负荷容量由厂内发电机组提供,厂发电机组为135 MW。整流变压器为江西变压器厂生产的型号为ZHSFPTB89000/110,额定容量89 000 kVA,额定电流467 A,额定电压110/0.828 5 kV。整流机组为西安电力电子研究所生产,型号ZES-238 kA/1 000 V,每个整流机组包含2台整流器,单台整流器额定电流为38 kA,额定电压1 000 V。按N+1台原则选择整流机组,机组台数取6台,其中1台备用。正常时6台机组运行;当一组整流机组故障或检修时,其余5台机组仍能满足电解系列正常生产。每台机组均设有5,7,11次无源滤波通道。

3.2 测试数据

由于铝厂目前绝大部分负荷由厂内发电机组提供,因此将数据测试点设在发电机组升压变压器处。测试仪器采用美国的三相电能质量记录仪FLUKE1760。110 kV母线基准短路容量为750 MW,最小短路容量为1 500 MW,公共连接点的供电设备容量为584 MW,电压互感器变比为110 kV/100 V,电流互感器变比为1 200 A/5 A,表1为电压总谐波畸变率,表2为各次谐波电流值以及根据国标GB-T14549-1993可计算出各次谐波的国家标准,表3为1#整流器所对应的5次滤波支路主要谐波数据。

3.3 数据分析

根据国家标准GB-T14549-1993,110kV各相电压总谐波畸变率为2%,从测试数据可以看出各相电压总谐波畸变率均低于2%,公共连接点处的谐波均在国家标准范围之内,但5次谐波偏大。由于5次滤波通道在整流变压器2次侧与整流装置并联,分析其故障原因可能为过流引起,下面计算其实际流过的电流是否超过额定电流。电容额定容量0.7 Mvar,额定电压0.8 kV。

根据下式可计算出电容器的额定电流为

${\rm I}{}_{{\rm N}}=\frac{Q{}_{{\rm N}}}{3U{}_{{\rm N}}}=291.7\text{A}(1)$

5次滤波通道中实际流经电容器的电流根据下式可以得出:

$\begin{array}{l}{\rm I}{}_5=\sqrt{{\rm I}{}_1^2+{\rm I}{}_3^2+{\rm I}{}_5^2+{\rm I}{}_7^2+{\rm I}{}_{11}^2+{\rm I}{}_{13}^2}\\ =341.5\text{A}>291.7\text{A}(2)\end{array}$

可以看出流经电容的实际电流远超过其额定值。

4 治理措施研究

要解决这个问题,一种方法是更换电容重新设计5次滤波支路。另外一种方法是撤销各整流器单独的滤波通道,在母线处进行集中治理。文章从第2种方法出发研究其治理措施。考虑到要对无功与谐波进行综合治理,项目中采用混合型有源滤波器系统对电网的无功及谐波进行补偿。其中无源滤波器承担大部分的谐波电流抑制和无功补偿任务,有源滤波器则用于改善无源滤波器的滤波效果和抑制无源滤波器可能与电网发生的谐振,保证电网的安全及生产的正常进行[2]。治理点设置在110 kV母线上,将各台整流器的无源滤波通道撤销。同时混合型有源滤波器设置5,7,11次滤波通道。连接图如图2所示。

电压源逆变器输出电压通过耦合变压器连接到无源滤波器的5次滤波支路的电感L5和电容C52两端(其中C51,C52 和L5 组成的5次滤波支路, L5与 C52调谐在基波频率。利用L5和 C52对基波谐振的特性,使基波电压极大部分降落在电容C51上,有源电力滤波器既不承受基波电压也不承受基波电流,极大地减小了有源滤波器的容量,降低了混合有源滤波器的技术难度和成本,实现了混合有源滤波器在大容量场合的应用[3]。文献[4]给出了无源滤波器优化配置的方法,文献[5]给出了有源滤波器容量的计算方法。利用这两种方法根据已测的数据,确定滤波通道的主要参数如表4所示,有源滤波器的参数如表5所示。

连接电感值为1 mH,直流侧电容取值为4 000 μF/1 000 V。耦合变压器容量为100 kVA,Y-Y12连接方式,变比K=2。混合型有源滤波器投入后已稳定运行半年。图3为装置投入前后电流波形对比,可以看出治理效果良好。经过测量110 kV母线功率因数达到0.99,各相电压总谐波畸变率小于0.23%,电流总谐波畸变率低于1%。

5 结论

铝电解供电系统中,整流系统大部分采用多重化整流技术,造成各支路谐波严重而母线侧大部分谐波相互抵消。将混合型有源滤波器安装在母线上,不仅可降低各滤波通道的容量、提高功率因数,而且可以治理高次谐波,有效降低对公共电网的影响。

参考文献

[1]吴思波,丁恩杰.电解铝厂电网独立运行分析与实践[J].煤炭工程,2008(11):53-54.

[2]邓占峰,朱东起,姜新建.降低有源部分容量的混合电力滤波器[J].清华大学学报,2003,43(3):293-295.

[3]范瑞祥,罗安,唐杰.谐振注入式有源滤波器数字化控制系统延时研究[J].中国电机工程学报,2007,27(13):104-107.

[4]王晓松,刘军,李中树.配电网无源滤波器的优化配置[J].高电压技术2010,36(9):23-28.

铝电解企业 第7篇

电解液是铝电解电容器的血液,电容器性能的优劣取决于工作电解液的电化学性能,而电解液中含有电解质、溶剂、添加剂等各种发挥着不同作用的组分,组成成分、比例的不同都会对电解液,对电容器的工作性能产生影响。一直以来,国内外的企业和研究者努力研究、开发新型工作电解液主溶质,以改善铝电解电容器工作电解液的性能,使得所采用的电解液主溶质也在不断更新换代。工作电解液主溶质主要经历了三个阶段,目前国内铝电解电容器行业使用的工作电解液大多数是第二阶段的电解液溶质,少量高端产品采用的是第三阶段的电解液溶质。

1 铝电解电容器工作电解液主溶质发展第一阶段———硼酸为主溶质

在20世纪30年代,Ruben[1]成功开发了以硼酸为溶质,以乙二醇为溶剂的电解液体系。这种电解液体系中的硼酸和乙二醇酯化以及硼酸变成偏硼酸都会产生水,水含量过高会引起铝电极箔的腐蚀并产生氢气,特别是在100℃以上使用时会因水汽化而使内压增加,导致电容器破裂。因此,该种电解液无法在高温下使用,目前此体系已基本淘汰。

2 铝电解电容器工作电解液主溶质发展第二阶段———直链羧酸铵盐为主溶质

直链羧酸铵盐为主溶质是目前国内使用最广泛的高压工作电解液体系,主要以辛二酸铵、壬二酸氢铵、癸二酸铵和十二双酸铵等直链羧酸铵盐为主溶质[2]。在这个体系中,直链羧酸铵盐取代部分硼酸,能在一定程度上降低体系的含水量。较弱的酸虽能使电解液工作在较高的电压而不崩溃,但其盐的溶解度会随着分子量的增大而急剧下降,从而导致电解液阻抗增加。此外直链羧酸铵盐在低温工作环境下,容易结晶析出[3],使得电容器的工作温度范围受到制约。支链羧酸铵盐的这些特点,成为制约铝电解电容器向高压、低阻抗、宽温度、长寿命方向发展的难题[4]。

3 铝电解电容器工作电解液主溶质发展第三阶段———支链多元羧酸盐为主溶质

近年来在电解液研究研发方面走在世界前列的国家是日本,其采用支链多元羧酸铵盐取代直链多元羧酸铵盐作为工作电解液主溶质。支链多元羧酸盐是指羧酸盐结构中靠近羧基的α-位的碳原子上有烷基的羧酸盐,当前文献报道的带支链的羧酸盐主要有羧酸铵盐[5,6]、异癸二酸铵[7]、1,7-癸二酸铵和1,6-十二双酸铵[8]等。

相对比于直链羧酸,支链多元羧酸铵盐由于支链基团的空间位阻效应以及烷氧基团的极化作用,使支链多元羧酸铵盐在乙二醇中的溶解度大大增加,溶解度可以高达20%[9],能应用于更宽的温度范围。其原因为支链上的烃基由于其位阻作用对旁边的官能团羧基具有保护作用,能很大程度上抑制与醇发生酯化反应,如果其烃基支链不在α-位,则其位阻效应要小很多,比如5,6-癸二酸铵。对于二元羧酸盐来说,如果一个羧基受到支链烃基位阻效应的保护,其性能会比直链羧酸盐优越,如果两个羧基都受到支链烃基的保护,其性能会更好[10]。大多数文献表明,支链多元羧酸盐和直链羧酸盐相比,两者在乙二醇溶液中的溶解度和热稳定性属支链多元羧酸盐较优,并且支链多元羧酸盐具有化学自我修复能力,能应用于更宽的温度范围,所以使用支链多元羧酸盐—乙二醇工作电解液体系能制造出低阻抗、高电压、宽温、长寿命的高端电容器产品[11,12,13,14]。

国外发达国家,如日本,已开发并广泛使用支链多元羧酸盐作为电容器工作电解液主溶质,我国近年才开始在铝电解电容器工作电解液中添加,并主要是以进口为主,国产自主研发,具有自主知识产权的产品比例较低。因此,在多元羧酸盐结构上引入烷基和烷氧基作为支链基团,形成新型工作电解液主溶质,是提高铝电解电容器电化学性能的有效方法和发展趋势[10]。目前,国内外很多企业研发人员也开始大力开始支链多元羧酸盐的研究并将其应用在铝电解电容器工作电解液中。李魁等[4]以环己酮、异戊二烯为主要反应物,在低温、高酸度下,过氧化氢先与环己酮形成环己酮过氧化物,在Fe2+的催化作用下,环己酮与异戊二烯反应生成带有支链的二元羧酸酯。然后通过水解、酸化和铵盐化得到支链二元羧酸铵盐。该种铵盐的主要成分为2-甲基壬二酸铵、7,8-二甲基-十四烷四羧酸铵和十三烷三羧酸铵。把这种支链二元羧酸铵盐做工作电解液主溶质,具有高闪火电压、高电导率的特点,其制备的铝电解电容器具有耐大纹波电流、耐高频高温、长寿命的特性。陈建华[3]以乙醇钠和7-溴辛酸乙酯反应得到2-甲基-2乙基壬二酸二乙酯,同样通过水解、酸化和铵盐化得到2-甲基-2乙基壬二酸盐。经过性能测试,该羧酸盐在乙二醇中的溶解性良好、有效防止了酯化及酰胺化等副反应,电解液高温稳定性好,闪火电压、耐大纹波电流等性能良好。

4 结语