CN103210273A - 在铝电解槽中控制侧层形成的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种通过使用具有热管的侧内衬来控制层形成的系统和方法。

Description

在铝电解槽中控制侧层形成的系统和方法

发明背景

技术领域

本发明通常涉及热调节，具体地，涉及一种用于在铝电解槽中控制层形成以及热量利用的方法和系统。

背景技术

现在，在依靠所谓的铝电解槽（Hall-Héroult cell）的电解技术生产铝的过程中，电解槽的运行依靠在电解槽侧壁上形成和保持凝固电解液的保护层。这种凝固液（frozen bath）被称为侧层并保护电解槽的侧内衬免受化学和机械磨损，该凝固液是实现电解槽长寿命的必要条件。结晶液（crystallizedbath）同时用作电解槽热平衡变化的缓冲剂。在操作中，电解槽的热产生和热平衡将由于操作的不希望的干扰（液酸度的变化、氧化铝浓度的变化、极间距离的变化，等等）和电解槽上所需的活动（金属出渣（metal tapping）、阳极的变化、焙烧（fire），等等）发生变化。这将导致电解槽周围的层的厚度发生变化，并且在某些情况下，周围的一部分的层将完全消失。然后，侧内衬将暴露于电解液和金属，这与氧化气体的作用相结合将导致侧内衬材料腐蚀，致使侧内衬腐蚀。在操作过程中，随着时间，这种情况的反复发生将导致侧内衬完全消耗。因此，在铝电解槽中控制层的形成和层的稳定性是很重要的。对于具有高电流密度的铝电解槽，模型计算显示，由于较大的发热量，很难保持电解槽的侧层。因此，对具有热平衡问题的这种电解槽和传统电解槽来说，能够保持保护侧内衬的层将是电解槽长寿命的条件。

在根据铝电解槽原理生产铝的过程中，目前能源使用是较高的，如生产每公斤铝需要以千瓦特小时计量的能量。电解槽的热产生是电解槽中欧姆电压（ohmic voltage）下降的结果，例如在电流馈电、生产的金属以及特别是电解液中发生的欧姆电压下降。输入电解槽的能量的大约55%用于电解槽中的热量产生。文献的数据表明电解槽的全部热量损失的大约40%通过侧内衬流失。由于侧内衬的高热量损失和保护凝固层，侧内衬是电解槽的该区域中设置热再生元件的优选位置。

存在一种对于优化控制层形成和热再生的期望。为了能够同时优化该两个目的，热再生尽可能地靠近形成的侧层发生是很重要的。这将导致层形成的控制和层形成的速度尽可能快，并且输入的冷却介质和输出的冷却介质之间的温差尽可能大。后者对能量的利用/再生是更优选的。

现有技术中，可参考NO 318012的授权专利，该授权专利作为PCT/NO2004/000070进入PCT阶段。该专利文献描述了一种侧内衬，该侧内衬形成有用于冷却介质流过的孔（hollow）。但是，该侧内衬的制造工艺复杂，并且需要在材料烧结之前，优选形成模制有孔的侧内衬。

通常，问题在于高效的热传递需要小并且薄的通道（canal），但是，这种通道很难以可靠的方式制造，并且会在烧结过程中被堵塞。

另外，可参考GB2076428A，其中描述了一种铝电解槽，该铝电解槽的底部和壁上具有隔离层。壁上设置有炭块（carbon block），该炭块中模制有热管，以将热量从电解槽中移除。该热管能够调整为不同的距离以改变排热的程度。

热管进入钻取在侧内衬材料中的孔中，设置该热管的问题是，热管和侧内衬材料的热膨胀系数之间的差异将导致在侧内衬中形成裂缝或者热管与侧内衬失去接触。沿着侧内衬中的孔还存在显著的温度差。

因此，需要一种克服上述问题的方法和系统。

发明目的

本发明的目的是提供一种用于在铝电解槽中控制层形成以及热量利用的方法和系统。

发明内容

因此，本发明提供一种用于在铝电解槽中控制层形成以及热量利用的系统，该系统包括侧内衬，该侧内衬设置有至少一个用于热传递的孔和至少一个热管，其特征在于，所述热管由所述孔提供，所述孔为沿着所述侧内衬的表面设置的至少一个通道。

本发明还提供一种用于在铝电解槽中控制层形成以及热量利用的方法，包括侧内衬，所述侧内衬设置有至少一个热传递的孔和至少一个热管，其中，所述热管由所述孔提供，所述孔为沿着所述侧内衬的表面设置的至少一个通道，其特征在于，利用所述至少一个热管传导所述热量。

本发明的有益效果和优选实施方式在从属权利要求中说明。

根据本发明，提供一种侧内衬，该侧内衬设置有用于热传递的热管。

为了控制和调整电解槽中侧内衬厚度的目的，本发明涉及形成侧内衬材料的结构部件以冷却铝电解槽中的侧内衬。通过选择内衬材料的形式，还能够使得这种电解槽的热交换具有将热再生为电能和/或热的可能性。通过形成本发明的内衬材料，可以理解的是，在所述材料中设计、形成和制造孔是为了安装热管例如热导管以将热量传递到铝电解槽的外部的目的。热管的蒸发端安装在电解槽的内侧上，并接触上述的内衬材料，同时，在热管的冷凝端上安装有冷却元件，以将传输的热量传递给适用的冷却介质，例如油。

解决问题的方法：

本发明通过权利要求1描述的侧内衬和权利要求4描述的方法来实现上述概括的目的。

内衬材料的制造中，没有插入薄通道的需求。相反，利用多个连接于侧内衬的热管。

不同的技术效果是，能够实现高效的热传递，而不必烧结具有薄通道的侧内衬，并且未产生上述的由此导致的问题。同时，热管比在通道中使用冷却介质具有更高效的热传递。进一步的技术效果是，热管能够更稳定地固定于位于侧内衬表面中的纵向通道，并且与现有技术描述的通道相比，具有较低的热梯度。

附图说明

图1显示了本发明的用于铝电解槽的形成为具有孔和热管的侧内衬块的典型实施方式；

图2显示图1实施方式的细节部分以及从侧部观察的截面；

图3显示在侧内衬块中设置热管的实施例；

图4显示在侧内衬块中设置热管的另一个实施例。

附图标记说明

1	阳极吊架
		2	阳极炭块
3	液态电解液
		4	液态铝
5	阴极炭块
		6	凝固电解液
7	隔离炉墙
		8	钢壳
9	冷捣糊（ramming paste）
		10	隔热件
11	侧内衬块
		12	热管

13	用于热管的冷凝单元
		14	冷凝翅片
11a	SiC-块——实施例a
		12a	热管——实施例a
13a	用于热管的冷凝单元——实施例a
		11b	SiC-块——实施例b
12b	热管——实施例b
		13b	用于热管的冷凝单元——实施例b

具体实施方式

在此需要理解的是，侧内衬表示侧内衬块11和隔热件10，其中，所述侧内衬块设置有热管12。所述侧内衬块11通常由实施例a和b中的SiC 11a和11b制得。

以下参考显示实施方式的附图来更详细地说明本发明，图1示意地显示了本发明的用于铝电解槽的形成为具有孔和热管的侧内衬块的典型实施方式。

本发明的一个主要部件是由陶瓷材料制得的侧内衬块。该侧内衬块以特定方式制造以获得所需的孔。孔的可能位置的一种实施例显示在图1中，细节部分显示在图2中，但是孔也能够使用其他形式。图2还从设置热管的侧显示了细节截面，其中，热管沿着通道立设在所述侧内衬块的表面中。

图3和图4显示了具有倾斜的热管的其他实施方式的例子。

热管紧靠着这些孔设置，这种热管的一个例子为热导管（heat pipe）的形式。

在热管的冷却端（也就是冷凝侧）安装有冷却部件，该冷却部件包括用于热管的冷凝单元13和冷凝翅片14。

附图中，能够发现冷凝单元13上安装有两个小的管端头（tube end）。一个管端头作为冷却介质的输入口，同时另一个管端头作为冷却介质的输出口，冷却介质用于从热管中带走热量。这样的冷却元件可以连接在一起。

形成本发明基础的原理：

本发明通过多个原理的集成来实现其解决方案。

一个必要条件是，通过侧内衬的热损失确保了能够构造足够的侧层。根据本发明，这通过使用能够将大量的热能高效传递出侧内衬的热管来保证。

另一个原理是使用热管，在热管中，在热端部进行的液体转变为气体的相变将大量的热传递到冷端部，在所述冷端部，将所述气体冷凝为液体，然后，所述液体返回到所述热端部。通过热管，具有两种预期的实施方式：“热导管”，其依靠烛芯效应（wick effect）或其他毛细效应将所述液体吸回所述热端部；以及“热虹吸管（thermosyphon）”，其利用重力将所述液体吸回所述热端部。

优选的实施方式：

铝电解槽的侧壁中包括数十个这样的“热导管”换热器。从电解槽传递出的热量将在冷却介质中传递。该热量能够例如被利用以产生电能。可以将多个铝电解槽连接在一起，从而以高效方式再生制冷效应。

工业实用性：

本发明用于在铝电解槽中控制形成层以及热量利用。

Claims (4)

1.一种用于在铝电解槽中控制层形成和热量利用的系统，该系统包括侧内衬（10，11），所述侧内衬（10，11）设置有至少一个用于热传递的孔和至少一个热管（12），其特征在于，所述热管（12）由所述孔提供，并且所述孔为沿着所述侧内衬（10，11）的表面设置的至少一个通道。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热管（12）为热导管。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热管（12）为热虹吸管。

4.一种在铝电解槽中控制层形成和热量利用的方法，包括：侧内衬（10，11），所述侧内衬（10，11）设置有至少一个用于热传递的孔和至少一个热管（12），其中，所述热管（12）由所述孔提供，并且所述孔为沿着所述侧内衬（10、11）的表面设置的至少一个通道，其特征在于，利用所述至少一个热管传导热量。

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