專利名稱：電解槽和用于其中的結(jié)構(gòu)元件的制作方法
引言在使用目前基于所謂Hall-Heroult電解槽的電解技術(shù)的鋁生產(chǎn)中，電解槽的工作依賴于電解槽側(cè)壁內(nèi)襯上凝固(frozen)電解質(zhì)保護(hù)層的形成和維持。這種凝固槽液被稱為側(cè)壁層(side layer)，它可以保護(hù)電解槽的側(cè)壁內(nèi)襯不受化學(xué)物質(zhì)和機(jī)械磨損的破壞。它是獲得長(zhǎng)電解槽壽命的基本條件。結(jié)晶的槽液對(duì)電解槽還可以起到對(duì)熱平衡變化的緩沖。在工作期間，由于不需要的工作擾動(dòng)(槽液酸度的改變，鋁濃度的改變，電極間距的變化等等)和需要的操作(排出(tapping)金屬，改變陽(yáng)極，陽(yáng)效應(yīng)等等)，在電解槽中產(chǎn)生的熱和熱平衡會(huì)改變。這會(huì)導(dǎo)致電解槽周邊的層厚度的改變，并且在一些情形中，該層會(huì)在周邊的部分完全消失。這時(shí)側(cè)壁內(nèi)襯將暴露于電解質(zhì)和金屬，以及氧化性氣體，這將導(dǎo)致側(cè)壁內(nèi)襯材料的腐蝕結(jié)果使它們受到侵蝕。在長(zhǎng)期操作中，側(cè)壁上的泄漏通常是這種重復(fù)事件的結(jié)果。因此重要的是控制Hall-Heroult電解槽中層的形成和層的穩(wěn)定。對(duì)于具有高電流密度的Hall-Heroult電解槽，模擬計(jì)算顯示在電解槽由于高熱量的產(chǎn)生難于維持側(cè)壁層。對(duì)這樣的電解槽以及具有熱平衡問(wèn)題的傳統(tǒng)電解槽，長(zhǎng)的電解槽壽命因此將取決于維持保護(hù)側(cè)壁內(nèi)襯的層的能力。
依照Hall-Heroult原理的鋁生產(chǎn)通常具有相對(duì)高的能量消耗(以每千克鋁千瓦時(shí)計(jì))。由于電解槽中的歐姆電壓降電解槽中會(huì)產(chǎn)生熱，例如在電流導(dǎo)線，生產(chǎn)的金屬并且相當(dāng)重要的是電解質(zhì)中。提供至電解槽的能量約有55％用于在電解槽中產(chǎn)生熱量。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，電解槽全部熱損耗的大約40％是通過(guò)側(cè)壁內(nèi)襯。由于高的熱損耗和側(cè)壁內(nèi)襯上的保護(hù)性凝固層，電解槽的這個(gè)區(qū)域是用于回收熱量的元件的有利位置。
為了同時(shí)優(yōu)化這些目的，即控制層的形成和熱量回收，重要的是使熱量回收的發(fā)生盡可能靠近形成的側(cè)壁層。這將導(dǎo)致層形成的控制以及盡可能快的層形成，并且輸入和輸出冷卻劑的溫度差盡可能的高。后者對(duì)于能量的再利用/回收是最理想的。
本發(fā)明涉及改良的材料設(shè)計(jì)及其制造，以便有助于提高對(duì)側(cè)壁層形成的控制和鋁電解槽中熱量回收的可能性。
現(xiàn)有技術(shù)在此之前德國(guó)專利公開已描述了使用熱交換控制鋁電解槽中的熱流，其中，Alusuisse的公開DE 3033710和EP 0047227都描述了這種技術(shù)。該公開描述了嵌入電解槽側(cè)壁襯里的“結(jié)構(gòu)”。熱量通過(guò)該結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)并傳導(dǎo)至與冷卻劑(例如基于金屬鈉)交換的電解槽外側(cè)。由現(xiàn)有出版物可了解該冷卻劑和換熱器的結(jié)構(gòu)，并且通常將它們稱為熱管。用于冷卻單元的材料由具有良好導(dǎo)熱性能的金屬制成。為了提高熱交換的效率，在電解槽的含碳側(cè)壁內(nèi)襯和鋼制外殼之間插入絕熱層。如兩個(gè)公開所指出，該設(shè)計(jì)的一個(gè)目的是調(diào)節(jié)通過(guò)電解槽側(cè)壁內(nèi)襯的熱流，并因此控制側(cè)壁層的厚度，另外，它們涉及的發(fā)明還使得使用提高電流強(qiáng)度操作現(xiàn)有電解槽成為可能，并建議最高提高25％。
美國(guó)專利第4,222,841描述了在鋁電解槽中熱交換的可能。該專利基于在側(cè)壁內(nèi)襯和底部?jī)?nèi)襯中以及槽液之上引入管狀冷卻導(dǎo)管。冷卻的目的是控制電解槽中槽液的溫度并使電解槽工作，即側(cè)壁內(nèi)襯上形成的層對(duì)提供至電解槽的電流強(qiáng)度的依賴性更小。該專利沒(méi)有說(shuō)明將何種材料用于該換熱器，但是它規(guī)定這些材料必須可以抵抗電解槽中的腐蝕性氣氛，并且由于其中提議使用空氣作為冷卻劑，該材料除此之外還應(yīng)抗氧化。
WO 83/01631涉及與來(lái)自封閉電解槽的熱廢氣進(jìn)行熱量交換的裝置。使用該廢氣中的熱量預(yù)熱該電解槽的氧化鋁進(jìn)料流，并且在這樣的電解槽中側(cè)壁層厚度的調(diào)節(jié)不是問(wèn)題。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，通過(guò)改變電解槽的排氣量，可以在一定程度上影響電解槽總的熱平衡。
H-Invent的WO 87/00211(也可參閱NO 86/00048)描述了從鋁電解槽中回收熱量的原理和方法。該公開描述了用于從側(cè)壁內(nèi)襯提取熱量的具有螺旋導(dǎo)管的金屬板?？梢允褂枚喾N冷卻劑。其中，該專利中特別提到氦?？梢允褂脗?cè)壁內(nèi)襯中熱交換產(chǎn)生的熱廢氣通過(guò)驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)，該膨脹機(jī)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)產(chǎn)生能量。該換熱器板中的材料由金屬制成。為了相對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)保護(hù)這些板，使用防火材料的外部層例如碳來(lái)抵抗電解質(zhì)。這個(gè)技術(shù)方案一個(gè)最顯著的問(wèn)題是確保換熱器板與防火材料外覆層之間的良好接觸。這兩個(gè)層之間的不良接觸會(huì)降低換熱器裝置的效果從而導(dǎo)致減少的熱量回收和對(duì)電解槽中側(cè)壁層厚度控制的降低。
Elkem Aluminium的挪威專利申請(qǐng)NO 2002889，NO 20014874和NO 20005707，國(guó)際專利申請(qǐng)WO 02/39043和挪威專利NO 312770描述了除此之外的用于冷卻鋁電解槽的前述熱管的不同型式。這些專利描述的熱管特別提出以金屬鈉作為冷卻劑。電解槽的側(cè)壁用鋼制外殼和內(nèi)部蒸發(fā)冷卻板之間的耐火材料絕熱，其中該蒸發(fā)冷卻板與電解質(zhì)和/或凝固側(cè)壁層接觸。該蒸發(fā)冷卻板的較低部分包含液態(tài)冷卻劑，該冷卻劑會(huì)由于電解質(zhì)提供的熱量而蒸發(fā)，并且該蒸發(fā)冷卻板的上部包含與外部回路連接的封閉冷卻導(dǎo)管。在這部分蒸發(fā)冷卻板中，冷卻劑將凝結(jié)，從而可以從冷卻劑中提取熱量，優(yōu)選為流過(guò)上述冷卻導(dǎo)管的各種類型氣體。如果熱交換分為多個(gè)階段，可以利用電解槽放出的熱量驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。這將顯著減少電解槽中生產(chǎn)每噸鋁的有效電能消耗。專利(NO 312770)提出，蒸發(fā)冷卻板應(yīng)優(yōu)選由非磁性鋼制成。該專利的可能問(wèn)題與生產(chǎn)耐腐蝕鋼材的困難相關(guān)，該耐腐蝕鋼材應(yīng)在1000℃左右由氧和氟化物構(gòu)成的氣氛中有效。從文獻(xiàn)中了解到，高溫下氟化物的存在會(huì)產(chǎn)生鋼材氧化速率的顯著提高。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明涉及用作冷卻鋁電解槽中側(cè)壁內(nèi)襯的側(cè)壁內(nèi)襯材料設(shè)計(jì)的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)元件的配置，以便控制和調(diào)節(jié)電解槽中側(cè)壁層的厚度。通過(guò)所選的側(cè)壁內(nèi)襯材料設(shè)計(jì)，還可以在這種電解槽中進(jìn)行熱交換，并且可能以電能和/或低溫?zé)岬男问交厥諢崃俊１景l(fā)明技術(shù)方案中的側(cè)壁內(nèi)襯材料的設(shè)計(jì)是指該材料中的導(dǎo)管的設(shè)計(jì)，制造和生產(chǎn)，以便通過(guò)該材料傳導(dǎo)冷卻劑從而冷卻側(cè)壁內(nèi)襯和/或從電解槽交換熱量。本發(fā)明還包括適用于鋁電解槽的材料以及上述具有導(dǎo)管的這些材料的生產(chǎn)。
發(fā)明詳述本發(fā)明是基于側(cè)壁內(nèi)襯的冷卻，以進(jìn)行層控制并使熱交換發(fā)生在實(shí)際側(cè)壁內(nèi)襯材料的內(nèi)部，而不是電解槽外殼外側(cè)或電解槽外殼與電解槽側(cè)壁內(nèi)襯材料之間。這要求該電解槽內(nèi)襯材料具有冷卻劑引入和排出的腔體/導(dǎo)管。下面使用實(shí)施例和附圖進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳述，其中使用依照所附權(quán)利要求的發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)上述的優(yōu)點(diǎn)和另外的優(yōu)點(diǎn)。


圖1顯示了側(cè)壁內(nèi)襯板的第一個(gè)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)具有流通冷卻劑的導(dǎo)管以及相對(duì)于鋁電解槽中其它內(nèi)襯元件定位的用于供應(yīng)和提取冷卻劑的連接點(diǎn)。
圖2顯示了用于流通冷卻劑的側(cè)壁內(nèi)襯板中導(dǎo)管的一些可能設(shè)計(jì)。
圖3顯示了改變側(cè)壁內(nèi)襯板中的導(dǎo)管設(shè)計(jì)以便控制流出冷卻劑溫度的不同可能的簡(jiǎn)圖。
圖4顯示了在氮化硅結(jié)合的碳化硅材料中制成的側(cè)壁內(nèi)襯板的簡(jiǎn)圖該板通過(guò)粉漿澆注和隨后的氮化而成型。
圖5顯示了具有冷卻劑流通導(dǎo)管的側(cè)壁內(nèi)襯板的另一種可能設(shè)計(jì)。依照層壓法制造。
圖6顯示了用于熱交換側(cè)壁內(nèi)襯板制造的不同單元組合的簡(jiǎn)圖。依照層壓法制造。
圖7顯示了冷卻導(dǎo)管的設(shè)計(jì)，以便在電解槽中實(shí)現(xiàn)對(duì)層形成的最合理控制(圖7a)或?qū)⒆畲笙薅鹊目赡軣崃總鬟f到冷卻劑(圖7b)。
如圖1所示，本發(fā)明的原理是，通過(guò)使冷卻劑1在導(dǎo)管2或用作鋁電解槽的側(cè)壁內(nèi)襯材料的板3中流通，可以冷卻鋁電解槽中的側(cè)壁內(nèi)襯。通過(guò)鋁電解槽中的冷卻的需求來(lái)決定該板的范圍，但通常應(yīng)為從電解槽5之上的蓋板4到碳陰極6的表面的水平。從陰極殼7的外側(cè)供應(yīng)冷卻劑1，同時(shí)從陰極殼7的外側(cè)的板3提取冷卻劑1。也可以將幾塊板3連接起來(lái)形成更長(zhǎng)的連續(xù)冷卻回路2，8。
在具有碳基陽(yáng)極9的常規(guī)鋁電解槽5中，電解槽的總的熱量損失約有40％是通過(guò)側(cè)壁內(nèi)襯。該電解槽還依賴于通過(guò)側(cè)壁上凝結(jié)電解質(zhì)11的層10工作。除保護(hù)側(cè)壁內(nèi)襯板3以外，如果改變電解槽中的熱量產(chǎn)生，該層對(duì)該電解槽還可起到自調(diào)節(jié)的作用。熱量(主要)在電解質(zhì)中產(chǎn)生并通過(guò)電解槽的側(cè)壁傳出。因此，可以通過(guò)在電解槽的側(cè)壁內(nèi)襯板3中的導(dǎo)管2中提供冷卻劑來(lái)調(diào)節(jié)電解槽的熱量流出。冷卻效率的程度將取決于冷卻劑的物理性質(zhì)(密度，熱容量等等)，冷卻劑的流通量，導(dǎo)管的表面積以及如圖2所示的導(dǎo)管(長(zhǎng)度)設(shè)計(jì)。
圖3顯示了鋁電解槽側(cè)壁內(nèi)襯板中導(dǎo)管表面的各種可能設(shè)計(jì)12，13，14，15。由文獻(xiàn)可知，增加冷卻劑與熱表面之間接觸區(qū)域的表面積將提高熱傳遞并將產(chǎn)生更有效的換熱器。導(dǎo)管2的最有效的設(shè)計(jì)因此將是具有小直徑的小、薄導(dǎo)管。然而，使用本發(fā)明基于的材料難于實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谶@種陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中細(xì)導(dǎo)管容易封堵。因此圖2顯示了提高基于光滑表面13且通常為環(huán)形的導(dǎo)管的表面積的各種方法。這些方法包括制造星形表面12，帶尖端表面14和正弦曲線(弧形)表面15。
如上文所述，鋁電解槽種側(cè)壁內(nèi)襯板3的冷卻效果尤其取決于冷卻劑的流通量和導(dǎo)管的表面積。如果在例如冷卻回路2入口的溫度差最高，高溫?zé)嵩醇磦?cè)壁內(nèi)襯板3至冷卻劑1的熱傳遞將最快。在板的導(dǎo)管2中一段時(shí)間之后，冷卻劑的溫度將接近熱源的溫度，從而熱源至冷卻劑的熱傳遞速度將下降。因此根據(jù)表面積，冷卻劑和溫度差，冷卻回路存在一個(gè)最佳長(zhǎng)度。圖2顯示了幾種不同的冷卻回路2的可能設(shè)計(jì)，以便實(shí)現(xiàn)不同程度的冷卻效果。如果本發(fā)明與換熱器16結(jié)合使用，為了產(chǎn)生最高的可能熱交換效率，重要的是制造冷卻回路以便使進(jìn)入換熱器17的冷卻劑的溫度盡可能的高(參見(jiàn)圖1)。可以使用氣體和液體作為冷卻劑。側(cè)壁內(nèi)襯材料和液體之間的熱傳遞通常優(yōu)于側(cè)壁內(nèi)襯材料和氣體之間的熱傳遞。然而，熱傳遞還依賴于接觸面積并且當(dāng)使用氣體時(shí)，必須最大程度地提高接觸面積以便提高熱傳遞，即增加流出氣體的溫度。
鋁電解槽中使用的材料暴露于腐蝕性極強(qiáng)的環(huán)境，包括約900-1000℃下的空氣和相同溫度下的液態(tài)冰晶石基熔體。對(duì)這些材料的化學(xué)耐性有著嚴(yán)格的要求，本專利的先決條件是這些材料必須能夠抵抗這些條件而不會(huì)被損傷。這些材料的損傷會(huì)導(dǎo)致冷卻回路的破裂和失去對(duì)側(cè)壁內(nèi)襯的冷卻控制，導(dǎo)致失去對(duì)側(cè)壁層10的厚度和范圍的控制。除這個(gè)要求之外，在本發(fā)明中使用的材料還必須以如下的方式進(jìn)行制造，在該材料中形成所述導(dǎo)管2應(yīng)使導(dǎo)管和/或整個(gè)側(cè)壁內(nèi)襯板3氣密。由于導(dǎo)管的復(fù)雜設(shè)計(jì)，據(jù)認(rèn)為在完成側(cè)壁內(nèi)襯板3之后制造它們非常困難。因此必須在生產(chǎn)的早期階段形成導(dǎo)管2，優(yōu)選在燒制(燒結(jié))該材料之前。因此適用于本發(fā)明生產(chǎn)的材料是基于氧化物，硼化物，碳化物和氮化物的陶瓷材料和/或這些材料的組合。實(shí)際上，這將意味著側(cè)壁內(nèi)襯板的優(yōu)選材料是這樣的材料如碳化硅，氮化硅，氮氧化硅，氮化鋁或這些材料的組合。然而，本發(fā)明不限于這些材料。圖4中的簡(jiǎn)圖顯示了由氮化硅結(jié)合的碳化硅制成的側(cè)壁內(nèi)襯板3。
作為“現(xiàn)有技術(shù)”提到和描述的前述公開是基于嵌入側(cè)壁內(nèi)襯中的冷卻結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用如下事實(shí)可以這樣制造材料以便在側(cè)壁內(nèi)襯板3中直接制造可供冷卻劑1流通的導(dǎo)管2。在陶瓷材料中制造導(dǎo)管屬于現(xiàn)有技術(shù)，并且可以使用許多不同的技術(shù)來(lái)進(jìn)行。在本發(fā)明中，描述一些用于在側(cè)壁內(nèi)襯材料中形成導(dǎo)管2的特定方法。然而權(quán)利要求不限于這些方法。圖4，5和6顯示了適用于制造具有供冷卻劑流通的導(dǎo)管的這種側(cè)壁內(nèi)襯板的可選方法，其特征在于依照所謂的層壓方法進(jìn)行制造。
本發(fā)明所述的側(cè)壁內(nèi)襯元件大體上可以按兩種方式進(jìn)行生產(chǎn)i)使得每個(gè)單獨(dú)的側(cè)壁內(nèi)襯板塊可以起到一個(gè)獨(dú)立換熱器單元的作用。
ii)使得若干側(cè)壁內(nèi)襯板塊可以起到一個(gè)獨(dú)立換熱器單元的作用，其尺寸可以從一平方米到電解槽的整個(gè)側(cè)面不等。
設(shè)計(jì)實(shí)際材料和它們的腔體/導(dǎo)管時(shí)必須考慮兩個(gè)因素對(duì)到達(dá)冷卻劑的最大可能熱傳遞的要求以及控制電解槽中層形成/穩(wěn)定性的要求。為了實(shí)現(xiàn)后者，最佳方法是在沿外殼側(cè)面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中水平放置“冷卻回路”。通過(guò)正確選擇過(guò)程控制設(shè)備，對(duì)于例如槽液/金屬轉(zhuǎn)變中的層形成，這時(shí)可以分別控制側(cè)壁內(nèi)襯下部和上部的層形成。另一個(gè)選擇是，在一個(gè)或多個(gè)區(qū)域垂直放置該“冷卻回路”，該方法主要產(chǎn)生在排出氣體中最佳的溫度。圖7中顯示了這兩個(gè)選擇。
可以使用標(biāo)準(zhǔn)陶瓷生產(chǎn)方法來(lái)制造本發(fā)明中的板/元件，例如濕壓和干壓，塑性成型，擠壓，粉漿澆注等等。如果通過(guò)壓制，壓印等制造該元件，可以制造例如相關(guān)材料或最終材料前體的兩個(gè)半元件。該半板具有面對(duì)電解室的平坦側(cè)面和面對(duì)殼體側(cè)面的平坦側(cè)面。半板塊的內(nèi)表面具有半圓、橢圓、帶尖端半圓等形狀的凹陷。成型體中的凹陷在最終材料中將作為傳導(dǎo)冷卻劑的導(dǎo)管/腔體，并且可以方便的制作鋸齒，來(lái)復(fù)線或曲線以增加導(dǎo)管的總表面從而實(shí)現(xiàn)向冷卻劑的更好熱傳遞，如圖3所示。通過(guò)壓印、壓制，澆注等完成兩個(gè)半板塊之后，將它們粘合在一起。使用的粘合劑可以是一種或多種金屬，與所制造材料組成相同的材料，所制造材料的前體，這些可能材料或其它適合化學(xué)粘結(jié)劑的組合。通過(guò)將“膠粘劑”涂覆到兩個(gè)半板之中一個(gè)或兩個(gè)的具有凹陷的側(cè)面上來(lái)將該板粘合起來(lái)。以懸浮體，漿料，干粉(細(xì)顆粒)或糊劑的形式涂覆該膠粘劑。在一些情形中，還可以使用這種膠粘劑來(lái)密封材料中的孔隙因此有助于使其氣密，例如將其粘合在一起之后使用前述的膠粘劑通過(guò)對(duì)該板材的表面進(jìn)行浸漬，噴涂或涂抹使其氣密。然后使用標(biāo)準(zhǔn)陶瓷生產(chǎn)技術(shù)例如燒結(jié)以獲得機(jī)械強(qiáng)度，從而完成最終的側(cè)壁內(nèi)襯元件?？梢栽谑芸貧夥罩羞M(jìn)行燒結(jié)以便獲得要求的材料性能。還可以通過(guò)燒逝材料來(lái)制備該元件，該燒逝材料具有需要管道的形狀并且在填充期間將其嵌入壓模。這種燒逝材料可以基于塑料，橡膠，蠟等等或這些材料的組合。也可以使用在陶瓷材料中制造導(dǎo)管/腔體的其它標(biāo)準(zhǔn)化的方法。
本發(fā)明中的側(cè)壁內(nèi)襯材料是基于許多材料的，其中一些已經(jīng)用于現(xiàn)有的電解槽。不用說(shuō)由于化學(xué)條件和材料成本，一些材料優(yōu)于其它材料。依照本發(fā)明可以使用主要基于鋁，硅，鈦，鋯或這些材料的組合和復(fù)合物的氧化物，硼化物，碳化物和氮化物中的碳基材料和陶瓷材料。優(yōu)選的材料是氮化硅結(jié)合的碳化硅(Si3N4/SiC)，純碳化硅(SiSiC)或純氮化硅。SiAlON材料也是可用于該用途的可能材料。
為了從鋁電解槽中提取熱量，必須使用適當(dāng)類型的冷卻劑在該側(cè)壁內(nèi)襯板3中的導(dǎo)管2中流通。在這一點(diǎn)上適合的冷卻劑是氣體或液體。適合的氣體包括空氣，氮?dú)?，氬氣，氦氣，二氧化碳等等。然而，本發(fā)明不限于使用這些氣體。適合的液體在大氣壓力下應(yīng)具有高的沸點(diǎn)(＞300℃)。另外，液相對(duì)于選作側(cè)壁內(nèi)襯板的材料必須是化學(xué)惰性以便工作期間該板材不會(huì)被腐蝕?？赡艿囊后w冷卻劑具體包括熔融鹽，油類等等。然而，本發(fā)明不限于使用這些液體。也可以使用水/水蒸汽。
由使用本發(fā)明的鋁電解槽中提取的熱量(能量)可以以多種方式進(jìn)行利用。一種顯而易見(jiàn)的可能是利用該熱量來(lái)預(yù)熱電解槽的進(jìn)料，即對(duì)氧化鋁進(jìn)行逆流預(yù)熱。這可能需要使用從側(cè)壁板中的導(dǎo)管2中提取的熱量在逆流板型換熱器中預(yù)熱氧化鋁進(jìn)料。然而，還存在其它與氧化鋁進(jìn)料進(jìn)行熱交換的方法，即使這里沒(méi)有具體提到它們。另一個(gè)利用提取能量的顯而易見(jiàn)的方法是使用該熱量來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，例如sterling電動(dòng)機(jī)或膨脹電動(dòng)機(jī)，如挪威專利申請(qǐng)?zhí)朜O 86/00048中同時(shí)所提到的。
當(dāng)使用冷卻劑控制側(cè)壁層并作為換熱劑時(shí)，重要的是冷卻回路中不發(fā)生泄漏，例如在外部冷卻回路8和側(cè)壁內(nèi)襯元件3中的導(dǎo)管2之間的接頭處。不管每個(gè)元件3是與外部冷卻回路8直接連接還是幾個(gè)側(cè)壁內(nèi)襯元件3連接在一起形成更大換熱器/冷卻單元16而冷卻劑在塊與塊之間流通，這都是重要的。這可以通過(guò)例如過(guò)渡件18來(lái)實(shí)現(xiàn)，使該過(guò)渡件嵌入單個(gè)飾面塊用于冷卻劑的無(wú)泄漏傳送。使用上述相同類型的膠粘劑，耐火水泥和/適合的化學(xué)粘結(jié)劑密封該過(guò)渡件。下面的實(shí)施例4顯示了這種過(guò)渡件的一個(gè)實(shí)例。側(cè)壁內(nèi)襯板之間和側(cè)壁內(nèi)襯板與外部冷卻回路之間的套管或過(guò)渡件18可以基于陶瓷和/或金屬材料。考慮到高溫下在側(cè)壁內(nèi)襯中存在腐蝕性氣體，優(yōu)選的材料是基于陶瓷，例如氧化鋁，硅酸鋁，碳化硅，氮化硅和/或這些材料的組合。然而，對(duì)于這個(gè)目的本發(fā)明不限于這些材料。為了確保冷卻劑在元件之間和/或元件與外部冷卻回路之間的氣密/無(wú)漏轉(zhuǎn)移，使用“膠粘劑”固定過(guò)渡件18。這種“膠粘劑”可以基于陶瓷材料(例如耐火水泥，耐火灰泥等)，玻璃密封劑和/或金屬密封劑。然而，對(duì)于這個(gè)目的本發(fā)明不限于這些材料。
在帶有碳基陽(yáng)極的Hall-Heroult設(shè)計(jì)的電解槽中和具有惰性陽(yáng)極的電解槽中可以使用本發(fā)明來(lái)控制層形成和/或在鋁電解槽中回收熱量。另外，本發(fā)明還可以用于非常規(guī)設(shè)計(jì)的鋁電解槽，例如本申請(qǐng)者自己的專利申請(qǐng)WO 02/066709 A1所描述的電解槽。
實(shí)施例1通過(guò)粉漿澆注將硅金屬和SiC顆粒的漿料制成板材，該板材具有8mm的預(yù)定厚度。將該粉漿澆注板干燥之后，使用基于高壓水的切割工具在一些板上形成孔和各種長(zhǎng)度的溝槽/凹陷。隨后，使用新粉漿作為膠粘劑以如下方式將一組三塊板材粘結(jié)在一起前板具有供應(yīng)/提取冷卻劑的孔，中間板具有冷卻劑的導(dǎo)管而后板是密封板。這時(shí)該復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)成換熱器單元，并且將其置于氮化爐中將該結(jié)構(gòu)燒結(jié)成氣密換熱器單元。圖5中的簡(jiǎn)圖顯示了該換熱器單元的板材的設(shè)計(jì)和組成，同時(shí)圖6中的簡(jiǎn)圖顯示了具有不同導(dǎo)管長(zhǎng)度導(dǎo)管2的其它設(shè)計(jì)。導(dǎo)管2的長(zhǎng)度變化意味著可以改變冷卻劑1從側(cè)壁內(nèi)襯板3提取的能量。
實(shí)施例2制造石膏模具，將該模具放在一起之后，將充滿硬脂酸甘油脂蠟的PET軟管插入其中表示板材中冷卻劑的腔體。在模具中加入SiC和金屬硅的粉漿，然后在約1400℃下氮化之前對(duì)該單元進(jìn)行干燥。由PET軟管和硬脂酸甘油脂燒逝形成的腔體具有約31cm3的容積，而導(dǎo)管的估計(jì)表面積約為122cm2。對(duì)制成的結(jié)構(gòu)測(cè)試泄漏，并裝配和固定了用于提供和提取冷卻劑的管子。本申請(qǐng)的后面進(jìn)一步詳細(xì)描述了與周圍冷卻系統(tǒng)8，16，17的這些過(guò)渡件18。圖4中的簡(jiǎn)圖顯示了基于粉漿澆注的完整側(cè)壁內(nèi)襯板的制成換熱器，該側(cè)壁內(nèi)襯板具有形成導(dǎo)管2的燒逝材料。
實(shí)施例3將按照實(shí)施例2中所述制成的氮化硅結(jié)合SiC換熱器板安裝在Nabertherm型標(biāo)準(zhǔn)間歇式爐的門孔上。通過(guò)絕熱材料Keranap50的最小30mm厚的板對(duì)該板材的側(cè)面和背面進(jìn)行隔離。在換熱器板前部，換熱器板的后部和冷卻劑的廢氣管出口處安裝測(cè)溫?zé)犭娕?。該板材與爐腔的接觸面積是460cm2。將該爐加熱到不同的預(yù)定溫度，然后對(duì)作為冷卻劑通過(guò)入口管提供到板中的空氣流通量進(jìn)行控制。下表1顯示了測(cè)得的溫度和氣體量以及由該測(cè)試計(jì)算得到的提取熱量。該測(cè)試顯示，在一些情形中，使用本發(fā)明所述的技術(shù)方案可以提取相當(dāng)數(shù)量的能量。對(duì)于具有10-12m2側(cè)壁內(nèi)襯面積的新式Prebake電解槽，該測(cè)試顯示使用特定長(zhǎng)度和直徑的導(dǎo)管2和特定尺寸的側(cè)壁內(nèi)襯板3可以提取相當(dāng)于1-25kW的能量。
表1溫度和氣體量的測(cè)量結(jié)果，以及測(cè)試期間熱量損耗的計(jì)算結(jié)果。
實(shí)施例4
將按實(shí)施例2中所述方法制造的氮化硅結(jié)合SiC換熱器板連接到外部冷卻回路，通過(guò)入口套筒(boss)在該回路中提供室溫的空氣并通過(guò)出口套筒引出熱空氣。制造該SiC元件使其具有兩個(gè)用于連接入口和出口套筒的“杯”。將陶瓷管放置到該“杯”中，將Cerastil型耐火水泥澆注到適當(dāng)位置然后在120-130℃下硬化16小時(shí)。測(cè)試該單元的泄漏，測(cè)試顯示對(duì)入口和出口套筒所選擇的連接方法足以防止泄漏。隨后向SiC元件中提供作為冷卻劑的空氣，而不會(huì)發(fā)生冷卻空氣的泄漏。
權(quán)利要求
1.用于電解槽(5)的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)元件的配置，該電解槽(5)用于從熔融鹽中的含鋁成分中生產(chǎn)金屬鋁，其中該含鋁成分主要是氧化鋁而該熔融鹽主要基于NaF和AlF3和CaF2，以及可能的堿金屬和堿土金屬的鹵化物的混合物，其特征在于該結(jié)構(gòu)元件(3)被配置在電解槽的內(nèi)襯中，或者構(gòu)成其至少一部分，而且還對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)以便可以使用它們來(lái)主動(dòng)控制側(cè)壁層(10)的厚度和通過(guò)電解槽內(nèi)襯的熱傳遞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的配置，其特征在于該結(jié)構(gòu)元件(3)設(shè)計(jì)具有用于介質(zhì)流通的導(dǎo)管(2)，并且該導(dǎo)管與外部回路(8，16，17)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的配置，其特征在于該導(dǎo)管(2)設(shè)計(jì)具有主要為圓形的橫截面，該橫截面具有光滑(13)，星形(12)，帶尖端(14)或正弦曲線(15)的表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的配置，其特征在于將一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)元件(3)配置在電解槽的側(cè)壁內(nèi)襯中以便冷卻該電解槽(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的配置，其特征在于將一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)元件(3)配置在電解槽的側(cè)壁內(nèi)襯中以便控制層的厚度和/或用于能量回收。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的配置，其中從該電解槽中回收能量，其特征在于使用該能量來(lái)預(yù)熱送入電解槽的氧化鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的配置，其特征在于電解槽(5)包含碳陽(yáng)極和/或惰性陽(yáng)極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的配置，其特征在于電解槽(5)包含水平和/或豎直放置的電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的配置，其特征在于結(jié)構(gòu)元件(3)是由基于碳，碳化物，氮化物，硼化物或氧化物或這些材料的混合物的陶瓷制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的配置，其特征在于結(jié)構(gòu)元件(3)是由碳，氮化硅，氮化鋁，碳化硅，氮氧化硅，氮氧鋁硅，二硼化鈦，二硼化鋯或這些材料的混合物制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的配置，其特征在于結(jié)構(gòu)元件(3)是通過(guò)干壓或濕壓，粉漿澆注和/或壓印制成，并且導(dǎo)管(2)是通過(guò)板材中凹槽，隨后在燒結(jié)之前將板材粘結(jié)起來(lái)的方式制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的配置，其特征在于結(jié)構(gòu)元件(3)是使用所謂的失蠟方法，燒逝材料和/或切割板以隨后依照層壓方法進(jìn)行組裝而制成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11-12的配置，其特征在于結(jié)構(gòu)元件(3)是利用可確保氣密元件的生產(chǎn)方法制成的，所述氣密元件通過(guò)優(yōu)化生坯和/或制成材料的上釉/浸漬制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-12的配置，其特征在于為結(jié)構(gòu)元件(3)提供與外部回路連接的套管和/或過(guò)渡件(18)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-12的配置，其特征在于使用基于耐火水泥，金屬硅等的膠粘劑制造結(jié)構(gòu)元件(3)，以便在燒結(jié)之前連接部件并且有助于燒結(jié)之后元件的氣密。
全文摘要
本發(fā)明涉及電解槽內(nèi)襯中的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)元件(3)的配置，特別適合用作鋁電解槽(5)中的側(cè)壁內(nèi)襯。本發(fā)明特別涉及對(duì)設(shè)計(jì)用于現(xiàn)有電解槽的側(cè)壁內(nèi)襯材料的設(shè)計(jì)和選擇的改進(jìn)，以及所述材料的設(shè)計(jì)和制造，其中該材料的主要用途是利用它在電解槽中回收能量。本發(fā)明還描述了適用于該元件的可能材料以及這些元件的制造。
文檔編號(hào)C25C3/20GK1777704SQ200480010648
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月17日
發(fā)明者O-J·希爾簡(jiǎn) 申請(qǐng)人:諾爾斯海德公司, 克羅諾斯能源公司