CN105780056B - 双层铝阴极铝电解槽 - Google Patents
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Abstract
双层铝阴极铝电解槽，涉及一种以铝作为阴极，以冰晶石一氧化铝熔体为电解质、熔盐法生产铝电解槽的改进。其结构包括：预焙阳极、下料装置、粉尘净化装置；其特征在于其阴极系统的结构包括：电解槽体；设置在电铝解槽体的两端头槽帮内、与电解槽体侧槽帮内壁固接的两个阴极隔墙；由阴极隔墙与电铝解槽体端头槽帮内壁形侧通道进入电解槽体的阴极母线；位于电解槽体内的、开有铝液通孔的阴极水平隔板。本发明的双层铝阴极铝电解槽，由于以无阴极炭块‑无钢棒‑无硼化钛涂层的铝液作为阴极，代替钢棒‑炭块组阴极，消除了传统铝电解槽存在的阴极炭块上的氧化铝沉淀和蜂窝状微电池缺陷，在电解生产过程中，不存在炉底沉淀生成的氧化铝、碳化铝对电解铝液污染的问题。
Description
技术领域
双层铝阴极铝电解槽，涉及一种以铝作为阴极，以冰晶石一氧化铝熔体为电解质、熔盐法生产铝电解槽的改进。
背景技术
铝是产量和消费最大的有色金属，是仅次于钢铁的第二大金属结构材料，在国民经济与国防建设中具有极其重要的战略地位。目前，我国电解铝产量居世界第一位。电解铝生产是以冰晶石一氧化铝熔体为电解质，以碳为阳极，以液体铝、阴极炭块、阴极钢棒组成的阴极体系为阴极，通直流电流，在阳极析出CO2气体，在阴极析出液体铝。铝电解的基本反应为：
通电：2Al2O3+3C＝＝＝＝＝3CO2+4Al
按照目前的技术，生产1t金属铝约须消耗14500kw·h电，我国铝电解全年约需消耗4510亿度电，是名副其实的电老虎。在铝电解950-960℃的工艺条件下，铝电解的理论电耗约为6300kw·h/(t·Al)，能量利用效率不足36％，传统铝电解槽示意图见图1。
传统铝电解槽电流由阳极流经电解液、铝液，从阴极流出。阳极压降、极间电阻压降(包括电解液、铝液)、阴极压降高是造成铝电解能耗高的主要原因。在铝电解槽电阻压降中，阴极压降约占电阻压降的20％，铝电解槽的阴极由槽内铝液层和阴极炭块组组成，阴极压降由槽内铝液层压降、铝碳接触压降、炭块压降、碳钢接触压降、钢棒压降等部分组成。在整个电解槽使用寿命周期内，阴极压降随电解槽使用时间的延长发生规律性变化。在电解槽投入使用的初期(投产一年左右)，阴极压降随电解槽使用时间的延长，有逐渐降低的趋势(随阴极炭块石墨化程度提高而降低)。投产2-3年的电解槽，阴极压降保持相对稳定。以后，随着电解槽使用时间的延长，阴极压降有逐渐升高的趋势。传统铝电解槽阴极炭块组，炭块与导电钢棒之间会产生的碳-钢接触压降，碳-钢接触电压降随槽龄增加而先降后升。电解铝液与炭块之间的接触界面电压降受炉底结壳状态影响。以某型铝电解槽为例，在炉底无结壳的情况下，电解铝液与炭块之间的接触界面电压降在20-28mv之间，炭块电压降为102mv，新槽期间的碳-钢接触压降为69mv，钢棒电阻压降为186mv。新槽期间的钢棒电压降约占炉底电压降的48.8％。特别是阴极炭块组中的碳-钢接触压降随着槽龄的增加而增大，究其原因是由于：电解槽在使用过程中，槽内电解液通过阴极炭块向底部渗透，渗透出的电解液在碳-钢接触部位冷却，形成不导电的固体电解质层，使碳-钢接触压降急剧上升，传统铝电解槽阴极钢棒与炭块之间的固体绝缘电解质层示意图见图2。
综上所述，由铝液和阴极炭块组组成阴极的传统铝电解槽，阴极钢棒电压降约占炉底压降的49％，极大地增加了铝电解的电耗；在电解槽使用过程中，渗透出的电解液在碳-钢接触部位形成不导电的固体电解质层，使碳-钢接触压降急剧上升，增大铝电解电耗。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种能有效消除铝-碳接触压降、炭块电阻压降、碳-钢接触压降、钢棒电阻压降，降低铝电解电耗，提高铝电解电流效率的双层铝阴极铝电解槽。
本发明的目的通过以下技术方案实现的。
双层铝阴极铝电解槽，其结构包括：预焙阳极、下料装置、粉尘净化装置；其特征在于其阴极系统的结构包括：
电解槽体，该电解槽体为由耐火-保温材料构成的凹形槽体；在电解槽体上部边缘设有槽帮；
阴极隔墙，该隔墙为各设置在电铝解槽体的两端头槽帮内、与电解槽体侧槽帮内壁固接的两个隔墙，隔墙底部与电铝解槽体的下底间设有底通道；阴极隔墙与电铝解槽体端头槽帮内壁形侧通道；
阴极母线，该阴极母线由阴极隔墙与电铝解槽体端头槽帮内壁形侧通道进入电解槽体；
阴极水平隔板，该水平隔板为位于电解槽体内、与阴极隔墙下端联接的水平隔板，在隔板上开有铝液通孔。
本发明的双层铝阴极铝电解槽，其特征在于其阴极隔墙由电解槽体由里向外方向，依次由炭块和耐火-保温材料构成，其炭块下部砌有氧化铝陶瓷砖，所述的阴极水平隔板与阴极隔墙的炭块下部砌有的氧化铝陶瓷砖联接。
本发明的双层铝阴极铝电解槽，其特征在于设有阴极隔墙的两端头的电铝解槽体的槽帮为向外的、断面为“L”的槽帮。
本发明的双层铝阴极铝电解槽，其特征在于阴极水平隔板下部设有支撑炭块。
本发明的双层铝阴极铝电解槽，是“一种以铝作为阴极的铝电解方法”的专利申请的专用电解槽。铝电解生产时，铝电解槽可采用常规阳极系统、下料系统、粉尘净化系统，由于以无阴极炭块-无钢棒-无硼化钛涂层的铝液作为阴极，代替钢棒-炭块组阴极，消除了传统铝电解槽存在的阴极炭块上的氧化铝沉淀和蜂窝状微电池缺陷，在电解生产过程中，不存在炉底沉淀生成的氧化铝、碳化铝对电解铝液污染的问题。
附图说明
图1为已有技术的传统铝电解槽结构示意图；图中1为传统铝电解槽。
图2为已有技术的传统铝电解槽阴极钢棒与炭块之间的固体绝缘电解质层示意图；图中2为钢棒与炭块之间的固体绝缘电解质层。
图3为本发明的双层铝阴极铝电解槽的结构示意图；其图中，3为双层铝阴极铝电解槽，4为预焙阳极，5为下料装置，6为粉尘净化装置，7为阴极系统，7a为电解槽体，8为阴极隔墙，9为阴极母线，10为阴极水平隔板。
图4为本发明的双层铝阴极铝电解槽的双层铝阴极结构示意图；其图中，7为阴极系统，8a为侧部炭块，8b为侧部耐火-保温层，8c为氧化铝陶瓷砖，9为阴极母线，10为阴极水平隔板，A为剖面线走向。
图5为本发明的双层铝阴极电解槽图4中A-A剖面俯视示意图；其图中，7b为槽帮，8a为侧部炭块，8b为侧部耐火-保温层，8c为氧化铝陶瓷砖，9a为阴极结构A-A刨面，11为支撑炭块。
图6(a)为本发明的双层铝阴极铝电解槽的阴极水平隔板的结构示意图；其图中，10为阴极水平隔板，10a为铝液通孔(可以是圆形、椭圆形、三角形、方形、任意多边形等)。
图6(b)为本发明的双层铝阴极铝电解槽的阴极水平隔板的俯视结构示意图；其中，10为阴极水平隔板，10a为铝液通孔(可以是圆形、椭圆形、三角形、方形、任意多边形等)。
具体实施方式
双层铝阴极铝电解槽3，其结构包括：预焙阳极4、下料装置5、粉尘净化装置6；其阴极系统7的结构包括：
电解槽体7a，该电解槽体为由耐火-保温材料构成的凹形槽体；在电解槽体上部边缘设有槽帮7b；
阴极隔墙8，该隔墙8为各设置在电铝解槽体的两端头槽帮内、与电解槽体侧槽帮内壁固接的两个隔墙，隔墙底部与电铝解槽体的下底间设有底通道；阴极隔墙与电铝解槽体端头槽帮内壁形侧通道；
阴极母线9，该阴极母线由阴极隔墙与电铝解槽体端头槽帮内壁形侧通道进入电解槽体，见图3、图4。
阴极水平隔板10，该水平隔板为位于电解槽体内、与阴极隔墙下端联接的水平隔板，在隔板上开有铝液通孔10a，见图6。
本发明的双层铝阴极铝电解槽，其阴极隔墙由电解槽体由里向外方向，依次由炭块8a和耐火-保温材料8b构成，其炭块下部砌有氧化铝陶瓷砖8c，所述的阴极水平隔板与阴极隔墙的炭块下部砌有的氧化铝陶瓷砖联接。
本发明的双层铝阴极铝电解槽，设有阴极隔墙的两端头的电铝解槽体的槽帮为向外的、断面为“L”的槽帮。
本发明的双层铝阴极铝电解槽，阴极水平隔板下部设有支撑炭块11。
本发明的双层铝阴极铝电解槽，根据传统电解槽存在的阴极钢棒压降高、钢棒和炭块之间易于形成固体电解质绝缘层的特点，以铝液代替钢棒降低阴极压降；阴极水平隔板将铝阴极分成可上、下联通的双层铝液，代替传统电解槽由铝液、炭块、阴极钢棒组成的阴极，可以降低新槽期间的炉底压降接近50％，以某型电解槽为例，降低炉底钢棒压降186mv、降低碳-钢接触压降45mv(由碳-钢接触压降转化为碳-铝接触压降)为例计算，吨铝降低电耗750kw·h；由于铝的熔点低，通过炭块扩散的电解液不会在碳-钢界面形成固体电解质绝缘层，使电解槽在整个寿命期内，炉底压降随槽龄的延长而降低，极大地降低铝电解电耗。
其阴极水平隔板的材质可以是普通炭块或者半石墨化炭块或者石墨化炭块；分隔炭块的外形可以是长方形、正方形、梯形；分隔炭块上设有起铝液联通作用的通道(上层铝液-下层铝液之间的联通通道)，铝液联通通道可以是圆形、椭圆形、三角形、方形、任意多边形等，设有的起支撑作用的支撑碳砖，碳砖的材质可以是普通炭块或者半石墨化炭块或者石墨化炭块或者氧化铝陶瓷砖，见图6。
本发明的双层铝阴极铝电解槽，阴极出电母线安放在阴极隔墙与电铝解槽体端头槽帮内壁形侧通道内；通道中的铝液为固态，当电解槽的热平衡发生变化时，通道中的铝液在固态、半固态、液态之间转化，此时，下层铝液通过联通通道实现溢补缩。本发明的铝电解槽，以铝液代替钢棒的好处是：降低新槽期间的炉底压降接近50％，；消除了因电解液渗透形成的固体电解质绝缘层，使电解槽在整个寿命期内，炉底压降随槽龄的延长而降低，极大地降低铝电解电耗，具有很高的经济价值和社会效益。
以某型电解槽为例，降低炉底钢棒压降186mv、降低碳-钢接触压降45mv(由碳-钢接触压降转化为碳-铝接触压降)为例计算，吨铝降低电耗750kw·h；由于铝的熔点低，通过炭块扩散的电解液不会在碳-钢界面形成固体电解质绝缘层，使电解槽在整个寿命期内，炉底压降随槽龄的延长而降低，极大地降低铝电解电耗。
Claims (4)
1.双层铝阴极铝电解槽，其结构包括：预焙阳极、下料装置、粉尘净化装置；其特征在于其阴极系统的结构包括：
电解槽体，该电解槽体为由耐火-保温材料构成的凹形槽体；在电解槽体上部边缘设有槽帮；
阴极隔墙，该隔墙为各设置在电解槽体的两端头槽帮内、与电解槽体侧槽帮内壁固接的两个隔墙，隔墙底部与电解槽体的下底间设有底通道；阴极隔墙与电解槽体端头槽帮内壁形成侧通道；
阴极母线，该阴极母线由阴极隔墙与电解槽体端头槽帮内壁形成侧通道进入电解槽体；
阴极水平隔板，该水平隔板为位于电解槽体内、与阴极隔墙下端联接的水平隔板，在隔板上开有铝液通孔。
2.根据权利要求1所述的双层铝阴极铝电解槽，其特征在于其阴极隔墙由电解槽体由里向外方向，依次由炭块和耐火-保温材料构成，其炭块下部砌有氧化铝陶瓷砖，所述的阴极水平隔板与阴极隔墙的炭块下部砌有的氧化铝陶瓷砖联接。
3.根据权利要求1所述的双层铝阴极铝电解槽，其特征在于设有阴极隔墙的两端头的电解槽体的槽帮为向外的、断面为“L”的槽帮。
4.根据权利要求1所述的双层铝阴极铝电解槽，其特征在于阴极水平隔板下部设有支撑炭块。
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