一種節能鋁電解槽及其輔助極的製作方法

2023-08-04 16:01:41

一種節能鋁電解槽及其輔助極的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種節能型熔鹽鋁電解槽及其輔助極使用方法，屬有色輕金屬冶金【技術領域】。本發明對現有鋁電解槽進行許多改進，主要為：陰極（2）和陽極（1）的導電面為傾斜式，互為「公母」結構，陰極（2）和陽極（1）的材料可以採用高純石墨塊、石墨塊、石墨質炭塊；陰極（2）類似一個「V」型母槽結構，下部為方形蓄鋁溝（3）；「V」形母槽陰極（2）抱住上方的「V」型公頭陽極（1）；陰極（2）和陽極（1）的導電面與水平面的夾角為，的數值範圍是0°～180°；兩陽極（2）之間設置輔助極，單獨懸掛，自由升降，可以連接電源或不連接電源。鋁電解操作方法在現有基礎上有重要改進。本發明具有槽體小、成本低、節能幅度大、電流效率顯著提高的優點。
【專利說明】一種節能鋁電解槽及其輔助極
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種節能鋁電解槽及其輔助極，屬有色輕金屬冶金【技術領域】。
【背景技術】
[0002]現行的霍爾-埃魯特(Hall-Heroult)鋁電解技術一直採用板式水平放置的陰陽極，極間距為4~6 Cm，陰陽極均為石墨質炭塊。這種方法的優點是陰陽極材料的導電性優良、抗高溫腐蝕性好、形狀簡單、易於加工製作；但板式水平電極也存在一些缺陷:電解過程中，在陽極上新生的氧原子會氧化炭陽極，放出CO2和CO，造成環境汙染；板式水平陰陽極電解過程中，電解出的陰極鋁布滿陰極表面，而且鋁液層厚度不斷增加，實際的極間距也相應減小，鋁液層逐步向陽極靠近，加上電解槽內存在電磁作用引起鋁液面的波動，也增加了陰極鋁的二次氧化，反應式為:AL(1)+C02(g) — A1203+C0。由於二次氧化的影響，導致水平陰陽極的極間距只能在4~6 cm之間，而極間距是噸鋁電耗的主要影響因素，己有資料表明[1'2]，電解質所產生的電壓降(Eili)約佔槽電壓總數的38~39%，在槽電壓各組成中，(Eili)所佔的比例最大，其次是分解電壓(Ejt),佔槽電壓的26%左右。但(Ejt)是不可降低的一項指標，降低(Ejt)將會導致Al2O3不能被電解，因此降低槽電壓的主要手段只能是減少電解質的電壓降(Eie):
(Eftg)可由下式計算[1]:E電解=P DL......(I)
式中:P為電解質的比電阻，D為平均電流密度，L為極間距。從式(I)可見，若能使鋁電解的極間距L下 降50%，電解槽的槽電壓將能降低19~19.5%，相應的鋁電解的能耗也將等比例下降；其次是電流效率(CE)，減少鋁電解過程中的電流損失，可以提高電流效率。電流損失的主要原因是新生成的鋁被二次氧化，因此減少陰極上鋁的二次氧化，也是提高電流效率的重要手段之一，而提高電流效率也會促成噸鋁電耗的下降。隨著鋁電解技術的進步和裝備水平的提高，電流效率也從早期的85%提高到93~95% [1]。在水平陰陽極電解技術條件下，該數值己接近於極限；
綜上所述，高能耗、高汙染和鋁的二次氧化是水平陰陽極電解的主要缺點；
參考文獻
[I ]劉業翔、李吉等「現代鋁電解」(M)，冶金工業出版社(2008年8月)
[2]邱竹賢:「鋁電解的原理」(M)，中國礦業大學出版社。

【發明內容】

[0003]本發明的目標在於克服現有鋁電解技術的不足，提供一種大幅度節約能耗，顯著提高電流效率的熔鹽鋁電解新型裝置和操作方法；
本發明的節能型熔鹽鋁電解槽，其陰陽極結構和陰極鋁液的分布方式與現行的鋁電解槽完全不同，並且增加了輔助極，用於控制蓄鋁溝內的液體溫度和體積；
具體不同點如下:1.本發明描述了一種節能型熔鹽鋁電解槽，其特徵在於陰極(2)和陽極(I)的導電面為傾斜式，互為「公母」結構，陰極(2 )和陽極(I)的材料可以採用高純石墨塊、石墨塊、石墨質炭塊；陰極(2)類似一個「V」型母槽結構，陰極的導電面為炭素材料或有TiB2塗層；「V」型母槽下部為方形蓄鋁溝(3)，最下部是陰極水平基座(4);「V」形母槽陰極(2)抱住上方的「V」型公頭陽極(I);
2.陽極(I)導電面平行於陰極(2)導電面，「V」型公頭陽極(I)根據電解槽空間需要設計成平行四邊形稜柱或多邊形稜柱，陽極可以單獨懸掛或硬性連接；
3.陰極(2)和陽極(I)的導電面與水平面的夾角為，的數值範圍是0°~180°；
4.「V」型陰極(2)中間底部設有蓄鋁溝(3)，其形狀可以設計成方形或半「V」型；
5.兩陽極(I)之間設置輔助極(9)，可以是導電材料或非導電材料；
6.輔助極(9)通過吊掛(8)單獨懸掛，自由升降，可以連接電源或不連接電源；
本發明的節能型熔鹽鋁電解槽，其操作工藝參數和方法與目前的霍爾-埃魯特鋁電解有三個顯著不同點:第一是陰陽極的極間距從現行的4~6 cm減小到2 cm以下，大幅減小極間距有利於降低槽電壓，從而降低噸鋁電耗。能減小極間距的原因是新生的鋁液滴不能停留在傾斜的「V」形陰極表面，而是滾動到蓄鋁溝內，陰極表面上不能形成一定厚度的鋁液層，也就不存在兩極間的鋁液層擾動；第二是採用輔助極來調節蓄鋁溝內的鋁液高度:槽內新生的鋁液較少和電解槽啟動時，放下輔助極，佔用大部分蓄鋁溝空間，阻礙液態電解質和鋁液流入蓄鋁溝內，防止電解質因溫度下降而形成陰極結殼，同時保持電解質中晶種鋁的濃度；當槽內產出的鋁液較多時，提升輔助極，騰空蓄鋁溝，讓鋁液流入溝內；第三是輔助極還可以做成輔助電 極，通電，用於調節槽內熱量、氧化鋁濃度、清理結殼；
本發明與現有鋁電解技術相比，具有結構簡單、成本低、能耗大幅度減少、電流效率顯著提高的優點。
[0004]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1.「V」形傾斜陰陽極電解槽結構總圖1;
圖2.「V」形傾斜陰陽極電解槽結構總圖2;
圖3.圖1中的A-A斷面圖；
圖4.輔助陽極B向視圖；
圖5.陽極俯視圖。
[0005]【具體實施方式】:
本發明的節能型熔鹽鋁電解槽，由槽外殼(7)、保溫及防滲漏層(11)、側部碳塊(5)、底部陰極碳塊(4)、陰極導電鋼棒(10)和「V」形陰極母槽(2)組成槽體下半部分；由「V」形陽極公頭(I)、陽極吊掛(6)、輔助極(9)、輔助極吊掛(8)組成槽體上半部分。本發明所用的異形陰陽極，其製造方法與目前鋁電解陰陽極的成形方法相似，物料的組成和配料方法以及添加方法也相同。不同點在於採用「V」形陰陽極代替水平陰陽極，增加輔助極。成形後陰陽極的焙燒固化工藝與目前水平陰陽極的焙燒固化工藝相同。電解鋁時，除極間距較小和採用輔助極外，電解質成分和其餘電解操作工藝與目前的霍爾-埃魯特電解工藝完全相同。
[0006]實施例1:
在3kg電解質的小試規模下，採用高純石墨塊製作方形電解槽，放於坩鍋爐中，外加熱式工作，「V」形陰極和與之平行的陽極均採用高純石墨塊製作，陰陽極對水平面傾斜角取10°，蓄鋁溝寬23mm、深35mm。由於外加熱容易調節溫度，輔助極不需要通電，使用20mm厚的剛玉板加工而成。電解質採用分子比CR=2.3的常規冰晶石3kg，電解質熔化後，放入陽極並調整至平行於陰極導電面，保持950°C進行鋁電解，陰陽極極間距2 cm,電解時槽電壓在2.8~3.1V之間波動，電解電流在105~120A之間波動，電解48小時後共收集到電解鋁800.54克。據此算出小試電解電流效率為43.5%，噸鋁電耗為23110kWh/T.Al。同等條件的水平陰陽極鋁電解試驗只產出電解鋁691克，由此算出常規法電解鋁的小試電流效率為38.3%,噸鋁電耗為43800kffh/T.Al。
[0007]實施例2:
中試電解槽採用兩塊獨立陽極，「V」形懸掛，「V」型公頭陽極(I)根據電解槽空間需要設計成平行四邊形稜柱，長寬厚為50X50X20 cm ;「V」形母槽陰極的長寬深尺寸為80X106X41cm，蓄鋁溝採用方形設計，長寬深分別為80X 14X IOcm ;輔助極同樣設計成長方體，長高厚分別為70 X 50 X 12cm，頂部獨立懸掛，不連接電源，陰陽極和輔助極都採石墨塊加工而成。電解槽內裝電解質230kg，電解質成分同例I。陰極2導電面對水平面的夾角=42。。電解溫度950°C，實行自熱電解，電解電流設計值為4000A，實際工作電流在3960~4150A之間波動，陰陽極的極間距仍為2 cm 2 mm，電解槽電壓在2.85~3.17V之間波動，經過240小時的連續電解。採集到電解鋁258.4kg。電解過程中的平均槽電壓為3.05V，平均電解電流為4026A，據此算出中試電解電流效率為79.68%，噸鋁電耗為14100kWh/T.Al。對比同等條件下的水平陰陽極電解槽，電解168小時後，產出電解鋁157.2kg，平均槽電壓為4.25V，平均電解電流為4039A，據此可算出水平陰陽極的電流效率為69.04%，單位鋁產電能耗為 18340kWh/T.Al。
[0008]實施例3:
中試電解槽採用兩塊陽極剛性連接，「V」形懸掛，每塊陽極根據電解槽空間需要設計成多邊形稜柱，長寬厚為50X50X20 cm ;「V」形陰極槽的長寬深尺寸為80 X 106 X 41cm，蓄鋁溝採用半「V」形設計，長寬深分別為80 X 20 X 20cm ;輔助極相應設計成半箭頭形，長高厚分別為80 X 50 X IOcm,頂部獨立懸掛，連接電源，陰陽極和輔助極都採用半石墨質炭塊加工而成。其它條件同實施例2，實行自熱式電解，設計電流強度為4000A，實際工作電流波動於3915~4160A。陰陽極的極間距為2 cm 2 mm。經過240小時連續自熱式鋁電解，收集到電解鋁251kg，使用示蹤原子法，在最後一次出鋁前48小時加入示蹤原子銅，由此算出殘留於電解槽的電解鋁共50kg，以上兩項合計產鋁301kg。電解的平均電流為4121A，平均槽電壓為3.1OV0據此算出中試電解的電流效率為90.05%，中試電解的噸鋁電耗為:12100kwh/T.Al。
【權利要求】
1.本發明描述了一種節能型熔鹽鋁電解槽，其特徵在於陰極(2)和陽極(I)的導電面為傾斜式，互為「公母」結構，陰極(2 )和陽極(I)的材料可以採用高純石墨塊、石墨塊、石墨質炭塊；陰極(2)類似一個「V」型母槽結構，陰極的導電面為炭素材料或有TiB2塗層；「V」型母槽下部為方形蓄鋁溝(3)，最下部是陰極水平基座(4);「V」形母槽陰極(2)抱住上方的「V」型公頭陽極(I)。
2.陽極(I)導電面平行於陰極(2)導電面，「V」型公頭陽極(I)根據電解槽空間需要設計成平行四邊形稜柱或多邊形稜柱，陽極可以單獨懸掛或硬性連接。
3.陰極(2)和陽極 (I)的導電面與水平面的夾角為，的數值範圍是0°~180°。
4.「V」型陰極(2)中間底部設有蓄鋁溝(3)，其形狀可以設計成方形或半「V」型。
5.兩陽極(I)之間設置輔助極(9)，可以是導電材料或非導電材料。
6.輔助極(9)通過吊掛(8)單獨懸掛，自由升降，可以連接電源或不連接電源。
【文檔編號】C25C3/08GK103993332SQ201310051774
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年2月18日 優先權日:2013年2月18日
【發明者】不公告發明人 申請人:王宇棟