一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽的制作方法
【專利摘要】一種鋁?碳?鋁陰極鋁電解槽，涉及一種以鋁作為陰極，以冰晶石一氧化鋁熔體為電解質、熔鹽法生產(chǎn)鋁電解槽的改進。其結構包括：預焙陽極、下料裝置、粉塵凈化裝置；其特征在于其陰極系統(tǒng)的結構包括：電解槽體；設置在電鋁解槽體的兩端頭槽幫內(nèi)、與電解槽體側槽幫內(nèi)壁固接的兩個陰極隔墻；由陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內(nèi)壁形側通道進入電解槽體的陰極母線；位于電解槽體內(nèi)的、開有鋁液通孔的陰極水平隔板。本實用新型的一種鋁?碳?鋁陰極鋁電解槽，由于以無陰極炭塊?無鋼棒?無硼化鈦涂層的鋁液作為陰極，代替鋼棒?炭塊組陰極，消除了傳統(tǒng)鋁電解槽存在的陰極炭塊上的氧化鋁沉淀和蜂窩狀微電池缺陷，在電解生產(chǎn)過程中，不存在爐底沉淀生成的氧化鋁、碳化鋁對電解鋁液污染的問題。
【專利說明】
一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽
技術領域
[0001]—種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，涉及一種以鋁作為陰極，以冰晶石一氧化鋁熔體為電解質、熔鹽法生產(chǎn)鋁電解槽的改進。
【背景技術】
[0002]鋁是產(chǎn)量和消費最大的有色金屬，是僅次于鋼鐵的第二大金屬結構材料，在國民經(jīng)濟與國防建設中具有極其重要的戰(zhàn)略地位。目前，我國電解鋁產(chǎn)量居世界第一位。電解鋁生產(chǎn)是以冰晶石一氧化鋁熔體為電解質，以碳為陽極，以液體鋁、陰極炭塊、陰極鋼棒組成的陰極體系為陰極，通直流電流，在陽極析出CO2氣體，在陰極析出液體鋁。鋁電解的基本反應為:
[0003]通電:2A1203+3C=====3C02+4A1
[0004]按照目前的技術，生產(chǎn)It金屬鋁約須消耗14500kw.h電，我國鋁電解全年約需消耗4510億度電，是名副其實的電老虎。在鋁電解950-960°C的工藝條件下，鋁電解的理論電耗約為6300 kw.h/(t.Al)，能量利用效率不足36%，傳統(tǒng)鋁電解槽示意圖見圖1。
[0005]傳統(tǒng)鋁電解槽電流由陽極流經(jīng)電解液、鋁液，從陰極流出。陽極壓降、極間電阻壓降(包括電解液、鋁液)、陰極壓降高是造成鋁電解能耗高的主要原因。在鋁電解槽電阻壓降中，陰極壓降約占電阻壓降的20%，鋁電解槽的陰極由槽內(nèi)鋁液層和陰極炭塊組組成，陰極壓降由槽內(nèi)鋁液層壓降、鋁碳接觸壓降、炭塊壓降、碳鋼接觸壓降、鋼棒壓降等部分組成。在整個電解槽使用壽命周期內(nèi)，陰極壓降隨電解槽使用時間的延長發(fā)生規(guī)律性變化。在電解槽投入使用的初期(投產(chǎn)一年左右)，陰極壓降隨電解槽使用時間的延長，有逐漸降低的趨勢(隨陰極炭塊石墨化程度提高而降低)。投產(chǎn)2-3年的電解槽，陰極壓降保持相對穩(wěn)定。以后，隨著電解槽使用時間的延長，陰極壓降有逐漸升高的趨勢。傳統(tǒng)鋁電解槽陰極炭塊組，炭塊與導電鋼棒之間會產(chǎn)生的碳-鋼接觸壓降，碳-鋼接觸電壓降隨槽齡增加而先降后升。電解鋁液與炭塊之間的接觸界面電壓降受爐底結殼狀態(tài)影響。以某型鋁電解槽為例，在爐底無結殼的情況下，電解鋁液與炭塊之間的接觸界面電壓降在20-28mv之間，炭塊電壓降為102mv，新槽期間的碳-鋼接觸壓降為69mv，鋼棒電阻壓降為186mv。新槽期間的鋼棒電壓降約占爐底電壓降的48.8%。特別是陰極炭塊組中的碳-鋼接觸壓降隨著槽齡的增加而增大，究其原因是由于:電解槽在使用過程中，槽內(nèi)電解液通過陰極炭塊向底部滲透，滲透出的電解液在碳-鋼接觸部位冷卻，形成不導電的固體電解質層，使碳-鋼接觸壓降急劇上升，傳統(tǒng)鋁電解槽陰極鋼棒與炭塊之間的固體絕緣電解質層示意圖見圖2。
[0006]綜上所述，由鋁液和陰極炭塊組組成陰極的傳統(tǒng)鋁電解槽，陰極鋼棒電壓降約占爐底壓降的49%，極大地增加了鋁電解的電耗;在電解槽使用過程中，滲透出的電解液在碳-鋼接觸部位形成不導電的固體電解質層，使碳-鋼接觸壓降急劇上升，增大鋁電解電耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型的目的就是針對上述已有技術存在的不足，提供一種能有效消除鋁-碳接觸壓降、炭塊電阻壓降、碳-鋼接觸壓降、鋼棒電阻壓降，降低鋁電解電耗，提高鋁電解電流效率的雙層鋁陰極鋁電解槽。
[0008]本實用新型的目的通過以下技術方案實現(xiàn)的。
[0009]—種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，其結構包括:預焙陽極、下料裝置、粉塵凈化裝置;其特征在于其陰極系統(tǒng)的結構包括:
[0010]電解槽體，該電解槽體為由耐火-保溫材料構成的凹形槽體;在電解槽體上部邊緣設有槽幫；
[0011 ]陰極隔墻，該隔墻為各設置在電鋁解槽體的兩端頭槽幫內(nèi)、與電解槽體側槽幫內(nèi)壁固接的兩個隔墻，隔墻底部與電鋁解槽體的下底間設有底通道；陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內(nèi)壁形側通道；
[0012]陰極母線，該陰極母線由陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內(nèi)壁形側通道進入電解槽體；
[0013]陰極水平隔板，該水平隔板為位于電解槽體內(nèi)、與陰極隔墻下端聯(lián)接的水平隔板，在隔板上開有鋁液通孔。
[0014]本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，其特征在于其陰極隔墻由電解槽體由里向外方向，依次由炭塊和耐火-保溫材料構成，其炭塊下部砌有氧化鋁陶瓷磚，所述的陰極水平隔板與陰極隔墻的炭塊下部砌有的氧化鋁陶瓷磚聯(lián)接。
[0015]本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，其特征在于設有陰極隔墻的兩端頭的電鋁解槽體的槽幫為向外的、斷面為“L”的槽幫。
[0016]本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，其特征在于陰極水平隔板下部設有支撐炭塊。
[0017]本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，是“一種以鋁作為陰極的鋁電解方法”的專利申請的專用電解槽。鋁電解生產(chǎn)時，鋁電解槽可采用常規(guī)陽極系統(tǒng)、下料系統(tǒng)、粉塵凈化系統(tǒng)，由于以無陰極炭塊-無鋼棒-無硼化鈦涂層的鋁液作為陰極，代替鋼棒-炭塊組陰極，消除了傳統(tǒng)鋁電解槽存在的陰極炭塊上的氧化鋁沉淀和蜂窩狀微電池缺陷，在電解生產(chǎn)過程中，不存在爐底沉淀生成的氧化鋁、碳化鋁對電解鋁液污染的問題。
【附圖說明】
[0018]圖1為已有技術的傳統(tǒng)鋁電解槽結構示意圖；圖中I為傳統(tǒng)鋁電解槽。
[0019]圖2為已有技術的傳統(tǒng)鋁電解槽陰極鋼棒與炭塊之間的固體絕緣電解質層示意圖；圖中2為鋼棒與炭塊之間的固體絕緣電解質層。
[0020]圖3為本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽的結構示意圖；其圖中，3為雙層鋁陰極鋁電解槽，4為預焙陽極，5為下料裝置，6為粉塵凈化裝置，7為陰極系統(tǒng)，7a為電解槽體，8為陰極隔墻，9為陰極母線，10為陰極水平隔板。
[0021]圖4為本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽的雙層鋁陰極結構示意圖；其圖中，7為陰極系統(tǒng)，8a為側部炭塊，Sb為側部耐火-保溫層，Sc為氧化鋁陶瓷磚，9為陰極母線，10為陰極水平隔板，A為剖面線走向。
[0022]圖5為本實用新型的雙層鋁陰極電解槽圖4中A-A剖面俯視示意圖；其圖中，7b為槽幫，8a為側部炭塊，Sb為側部耐火-保溫層，Sc為氧化鋁陶瓷磚，9a為陰極結構A-A刨面，11為支撐炭塊。
[0023]圖6為本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽的陰極水平隔板的結構示意圖；其圖中，10為陰極水平隔板，1a為鋁液通孔(可以是圓形、橢圓形、三角形、方形、任意多邊形等)O
[0024]圖7為本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽的陰極水平隔板的俯視結構示意圖；其中，10為陰極水平隔板，1a為鋁液通孔(可以是圓形、橢圓形、三角形、方形、任意多邊形等)。
【具體實施方式】
[0025]—種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽3，其結構包括:預焙陽極4、下料裝置5、粉塵凈化裝置6;其陰極系統(tǒng)7的結構包括:
[0026]電解槽體7a，該電解槽體為由耐火-保溫材料構成的凹形槽體;在電解槽體上部邊緣設有槽幫7b;
[0027]陰極隔墻8，該隔墻8為各設置在電鋁解槽體的兩端頭槽幫內(nèi)、與電解槽體側槽幫內(nèi)壁固接的兩個隔墻，隔墻底部與電鋁解槽體的下底間設有底通道；陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內(nèi)壁形側通道；
[0028]陰極母線9，該陰極母線由陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內(nèi)壁形側通道進入電解槽體，見圖3、圖4。
[0029]陰極水平隔板10，該水平隔板為位于電解槽體內(nèi)、與陰極隔墻下端聯(lián)接的水平隔板，在隔板上開有招液通孔10a，見圖6和圖7。
[0030]本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，其陰極隔墻由電解槽體由里向外方向，依次由炭塊8a和耐火-保溫材料Sb構成，其炭塊下部砌有氧化鋁陶瓷磚Sc，所述的陰極水平隔板與陰極隔墻的炭塊下部砌有的氧化鋁陶瓷磚聯(lián)接。
[0031]本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，設有陰極隔墻的兩端頭的電鋁解槽體的槽幫為向外的、斷面為“L”的槽幫。
[0032]本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，陰極水平隔板下部設有支撐炭塊11。
[0033]本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，根據(jù)傳統(tǒng)電解槽存在的陰極鋼棒壓降高、鋼棒和炭塊之間易于形成固體電解質絕緣層的特點，以鋁液代替鋼棒降低陰極壓降；陰極水平隔板將鋁陰極分成可上、下聯(lián)通的雙層鋁液，代替?zhèn)鹘y(tǒng)電解槽由鋁液、炭塊、陰極鋼棒組成的陰極，可以降低新槽期間的爐底壓降接近50%，以某型電解槽為例，降低爐底鋼棒壓降186mv、降低碳-鋼接觸壓降45mv(由碳-鋼接觸壓降轉化為碳-鋁接觸壓降)為例計算，噸鋁降低電耗750kw.h;由于鋁的熔點低，通過炭塊擴散的電解液不會在碳-鋼界面形成固體電解質絕緣層，使電解槽在整個壽命期內(nèi)，爐底壓降隨槽齡的延長而降低，極大地降低鋁電解電耗。
[0034]其陰極水平隔板的材質可以是普通炭塊或者半石墨化炭塊或者石墨化炭塊;分隔炭塊的外形可以是長方形、正方形、梯形;分隔炭塊上設有起鋁液聯(lián)通作用的通道(上層鋁液-下層鋁液之間的聯(lián)通通道)，鋁液聯(lián)通通道可以是圓形、橢圓形、三角形、方形、任意多邊形等，設有的起支撐作用的支撐碳磚，碳磚的材質可以是普通炭塊或者半石墨化炭塊或者石墨化炭塊或者氧化鋁陶瓷磚，見圖6和圖7。
[0035]本實用新型的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，陰極出電母線安放在陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內(nèi)壁形側通道內(nèi)；通道中的鋁液為固態(tài)，當電解槽的熱平衡發(fā)生變化時，通道中的鋁液在固態(tài)、半固態(tài)、液態(tài)之間轉化，此時，下層鋁液通過聯(lián)通通道實現(xiàn)溢補縮。本實用新型的鋁電解槽，以鋁液代替鋼棒的好處是:降低新槽期間的爐底壓降接近50%，；消除了因電解液滲透形成的固體電解質絕緣層，使電解槽在整個壽命期內(nèi)，爐底壓降隨槽齡的延長而降低，極大地降低鋁電解電耗，具有很高的經(jīng)濟價值和社會效益。
[0036]以某型電解槽為例，降低爐底鋼棒壓降186mv、降低碳-鋼接觸壓降45mv(由碳-鋼接觸壓降轉化為碳-鋁接觸壓降)為例計算，噸鋁降低電耗750kw.h;由于鋁的熔點低，通過炭塊擴散的電解液不會在碳-鋼界面形成固體電解質絕緣層，使電解槽在整個壽命期內(nèi)，爐底壓降隨槽齡的延長而降低，極大地降低鋁電解電耗。
【主權項】
1.一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，其結構包括:預焙陽極、下料裝置、粉塵凈化裝置;其特征在于其陰極系統(tǒng)的結構包括: 電解槽體，該電解槽體為由耐火-保溫材料構成的凹形槽體;在電解槽體上部邊緣設有槽幫； 陰極隔墻，該隔墻為各設置在電鋁解槽體的兩端頭槽幫內(nèi)、與電解槽體側槽幫內(nèi)壁固接的兩個隔墻，隔墻底部與電鋁解槽體的下底間設有底通道；陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內(nèi)壁形側通道； 陰極母線，該陰極母線由陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內(nèi)壁形側通道進入電解槽體； 陰極水平隔板，該水平隔板為位于電解槽體內(nèi)、與陰極隔墻下端聯(lián)接的水平隔板，在隔板上開有鋁液通孔。2.根據(jù)權利要求1所述的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，其特征在于其陰極隔墻由電解槽體由里向外方向，依次由炭塊和耐火-保溫材料構成，其炭塊下部砌有氧化鋁陶瓷磚，所述的陰極水平隔板與陰極隔墻的炭塊下部砌有的氧化鋁陶瓷磚聯(lián)接。3.根據(jù)權利要求1所述的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，其特征在于設有陰極隔墻的兩端頭的電鋁解槽體的槽幫為向外的、斷面為“L”的槽幫。4.根據(jù)權利要求1所述的一種鋁-碳-鋁陰極鋁電解槽，其特征在于陰極水平隔板下部設有支撐炭塊。
【文檔編號】C25C3/08GK205635806SQ201620363656
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】賀永東, 張程武, 孫郅程, 趙風君, 曾慧楠, 刑詩雨
【申請人】新疆大學