一種在3.5v槽電壓下電解鋁的工藝方法
2023-05-08 07:05:26 1
專利名稱：一種在3.5v槽電壓下電解鋁的工藝方法
技術領域：
本發明涉及一種電解鋁的工藝方法，具體為一種在3.5V槽電壓下電解鋁的工藝 方法。
背景技術：
電解鋁的生產通常是在如圖1所示的電解槽內進行，傳統的工藝方法是將固體 氧化鋁溶解在950°C左右的熔融電解質內，從陽極通入直流電流，電流穿過液體電解質 和陰極鋁液到陰極炭塊，再從陰極鋼棒導出到下一個電解槽的陽極，當電流穿過液體電 解質層時，與溶解在電解質中的氧化鋁離子發生電化學反應。一方面在陽極表面產生二 氧化碳氣體，另一方面在陰極鋁液表面產生液體鋁，從而完成鋁的生產，其化學反應式 為
2 AL2O3 (溶)+3C (固)=4AL (液)+3C02 (氣)
但是，由於普通電解槽的陰極上表面是一個完整的平面，鋁電解槽周圍環繞著均通 上直流電流的鋁母線，直流電流產生強大的磁場，使得電解槽內的液體鋁在強大磁場中 受磁場力的推動而產生旋轉和移動，從而在鋁液表面形成起伏不定的鋁液波動層11，其 波浪的高度範圍在1.5 2.0cm ；同時，由於目前國內大型預焙鋁電解槽所用的陽極尺寸一 般為1500X660X560cm (長X寬X高)，陽極產生的二氧化碳氣體須從其底部中心朝 兩邊移動，直到到達陽極邊沿才能排出，由於受液體電解質的流體力學性質的影響，二 氧化碳氣體必須由小氣泡長大成一定尺寸的大氣泡，抵消液體電解質的流體力影響後才 能排出，所以，在陽極底部的小氣泡會形成約2cm厚的氣泡層9。在陰極上表面形成的鋁液波動層11和在陽極底面形成的氣泡層9在電解過程中 很容易發生接觸，這會使高溫液態鋁發生嚴重的二次氧化反應，並降低電解電流效率， 所以在生產中陽極底部氣泡層下沿至鋁液波峰之間通常需要留出約Icm厚度的電解質隔 層10 (如圖1所示)，這樣導致普通電解槽內的陽極極距增大，達到4.0 4.5cm，使槽電 壓達到3.95 4.05V，有些電解槽電壓甚至超過4.10V，這使得生產電解鋁的能耗太大(其 直流電耗為13000KWh/TAl左右)。ZL200710010523.4中國專利公開了 「一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽」，它是 使每一塊普通陰極變成有一定高度的凸梁陰極，將普通平底電解槽變成了有若干個凸梁 的異型陰極槽，通過該槽中的陰極凸梁可阻擋鋁液在磁場作用下的旋轉與移動。但是， 這種單一的陰極凸梁只能消弱鋁液形成的波浪，無法消減陽極底部的氣泡層和中間的電 解質隔層，雖然可以降低電解槽電壓，但最多只能降低到3.70V。又如本申請人之前申請 的ZL201020055459.9中國專利公開的「鋁電解用穿孔陽極」，採用了在陽極炭塊上穿孔 的結構來快速的排出陽極底部的二氧化碳氣泡，但這種結構主要目的在於及時排氣，在 普通槽上單獨使用該技術，最多也只能將槽電壓降到3.75V，特別是中間的電解質隔層始 終要控制在Icm的厚度才能避免二次氧化加劇。因此，如何克服電解槽中陽極極距過大的缺陷以及進一步降低能耗成為了目前電解鋁的難題。
發明內容
針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在於解決電解鋁過程中由於陽極 極距大導致電解槽電壓高，使得電解過程的能耗太大的問題，而提供一種能在3.5V槽電 壓下電解鋁的工藝方法。本發明採用的技術方案如下一種在3.5V槽電壓下電解鋁的工藝方法，包括 如下步驟
1)在電解槽內的底部安裝陰極，所述陰極的上表面設有至少一個凸起的陰極凸梁， 陰極凸梁的寬度為15 25cm，高為10 15cm ；
2)在電解槽的上部安裝陽極，所述陽極為設有8 13個導氣孔的陽極炭塊，所述導 氣孔設置在豎直方向上且為上大下小的錐形孔；
3)在電解槽內注入950°C的熔融電解質，並使陰極和陽極均與電解質溶液接觸；
4)將固體氧化鋁溶解在熔融的電解質內，並從陽極通入直流電流；
5)通過真空抬包從電解槽內抽出鋁液，經淨化、澆鑄後得到金屬鋁。相對於現有技術，本發明具有以下有益效果
本發明電解鋁的工藝方法解決了電解時陽極和陰極之間極距太大的問題，通過在 電解時同時採用穿孔結構的陽極和凸梁結構的陰極，使得陽極底部的二氧化碳氣泡層和 陰極上表面的鋁液波動層厚度均減小，進而使得位於氣泡層和鋁液波動層之間的電解質 隔層只需原來的一半(即0.5cm)就可以達到避免二次氧化反應加劇的目的；並且由於電 解質隔層以及氣泡層和鋁液波動層的厚度均減小後，使得陽極與陰極之間的極距也大為 減小，從普通電解槽的極距4.0 4.5cm減小為2.0 2.5cm，進而使得電解槽電壓由原來的 4V左右降低到3.3 3.60V，完全能夠實現在3.50V槽電壓下電解鋁，可使電解鋁每噸電耗 指標在單獨採用穿孔陽極結構或單獨採用凸梁陰極的基礎上再降低lOOOkwh。
圖1為現有工藝方法中使用的鋁電解槽的結構示意圖； 圖2為本發明的工藝方法所採用的電解槽的結構示意圖。圖中，1 一槽殼，2—耐火保溫層，3 —陰極，4一陽極，5—導氣孔，6 —陰極鋼 棒，7—電解質接殼，8—液態電解質，9一氣泡層，10 —電解質隔層，11一鋁液波動層， 12—陰極凸梁。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。如圖2所示，一種在3.5V槽電壓下電解鋁的工藝方法，其步驟如下
1)在電解槽內的底部安裝陰極3，所述陰極3的上表面設有至少一個凸起的陰極凸梁12，陰極凸梁12的寬度為15cm、18cm、20cm或25cm，高為10cm、12cm、13cm或 15cm ；
2)在電解槽的上部安裝陽極4，所述陽極4為設有8 13個導氣孔的陽極炭塊，最優 為12個，所述導氣孔5設置在豎直方向上且為上大下小的錐形孔；
3)在電解槽內注入950°C的熔融電解質，並使陰極3和陽極4均與電解質溶液接
觸；
4)將固體氧化鋁溶解在熔融的電解質內，並從陽極通入直流電流；
5)通過真空抬包從電解槽內抽出鋁液，經淨化、澆鑄後得到金屬鋁。所述電解槽包括鋼質的槽殼1、設置於槽殼1底部的耐火保溫層2、陰極3和 陽極4;陰極3安裝在槽殼1底部的保溫層上，在陰極的底部還設有用於安裝陰極鋼棒 6的凹槽，陰極鋼棒6安裝在陰極炭塊上並兩端伸出槽殼1外；所述陰極凸梁12可以 抑制電解時在陰極上表面鋁液由於電流磁力所產生的波浪過大，使鋁液波動層的厚度從 15 20mm減小到5 7mm，這樣就可以減少陰、陽極極距。參見圖2，所述陽極4上導氣 孔5的主要目的在於將陽極底部二氧化碳氣泡排出，而為加快排氣速度，可以將所述導 氣孔設置為上大下小的錐形孔。在設置導氣孔時，通常將其均勻分布在陽極上鋼爪的兩 側，如在鋼爪兩側各設置4個導氣孔。通過設置導氣孔，可以快速將陽極底部的氣泡排 出，防止小氣泡聚集形成氣泡層，這樣就可以使陽極底部氣泡層的厚度從20mm左右減 小到10 12mm的範圍；當氣泡層厚度減小後，在電解槽內鋁液與二氧化碳氣泡發生二次 氧化反應的程度將進一步減小。本發明中，由於同時採用了穿孔的陽極結構和異形的陰極結構，使得陽極底部 的氣泡層和陰極上表面的鋁液波動層厚度均明顯減小，這樣不僅減小了電解槽內陰、陽 極的極距和槽電壓，而且也正是由於氣泡層和鋁液波動層厚度均被減小後，電解槽內 發生二次氧化的程度大為降低，因此位於氣泡層和鋁液層之間起隔離作用的電解質隔 層的作用也相應的降低，進而可以將電解質隔層的厚度從原來的IOmm減小到5mm， 這樣使得陰、陽極之間的極距進一步被縮小，改進後極距可以從原來的40 45mm降低 到20 25mm的水平，並使得槽電壓也被降低到了 3.30 3.60V的範圍，完全能夠實現在 3.50V槽電壓下電解鋁，從而使得電解時比單獨使用異型或單獨使用穿孔陽極的能耗可再 降低lOOOkwh/t-Al，節約了大量電能，降低了生產成本。為了保證電解槽的熱平衡，還必須對電解槽全面保溫，即在電解槽的底部採用 優質的保溫材料，並且在電解槽的槽殼側面還設置保溫層，並將陽極上部氧化鋁保溫料 的厚度增加2 3cm，同時還可在槽殼外部貼附保溫棉等。需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制技術方案， 儘管申請人參照較佳實施例對本發明作了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解， 那些對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，均 應涵蓋在本發明要求保護的範圍當中。
權利要求
1.一種在3.5V槽電壓下電解鋁的工藝方法，其特徵在於，步驟如下1)在電解槽內的底部安裝陰極(3)，所述陰極(3)的上表面設有至少一個凸起 的陰極凸梁(12)，陰極凸梁(12)的寬度為15 25cm，高為10 15cm ；2)在電解槽的上部安裝陽極(4)，所述陽極(4)為設有8 13個導氣孔的陽極炭 塊，所述導氣孔(5)設置在豎直方向上且為上大下小的錐形孔；3)在電解槽內注入950°C的熔融電解質，並使陰極(3)和陽極(4)均與電解質溶 液接觸；4)將固體氧化鋁溶解在熔融的電解質內，並從陽極通入直流電流；5)通過真空抬包從電解槽內抽出鋁液，經淨化、澆鑄後得到金屬鋁。
2.根據權利要求1所述的工藝方法，其特徵在於，在電解槽槽殼的內側面上還設有保溫層ο
全文摘要
本發明提供一種在3.5V槽電壓下電解鋁的工藝方法，包括如下步驟1)在電解槽底部安裝設有至少一個凸起的陰極凸梁的陰極，陰極凸梁的寬度為15~25cm，高為10~15cm；2)在電解槽的上部安裝設有8~13個導氣孔的陽極，所述導氣孔設置在豎直方向上且為上大下小的錐形孔；3)在電解槽內注入950℃的熔融電解質，使陰極和陽極均與電解質溶液接觸；4)將固體氧化鋁溶解在熔融的電解質內，並從陽極通入直流電流；5)通過真空抬包從電解槽內抽出鋁液，經淨化、澆鑄後得到金屬鋁。本發明的工藝方法解決了電解槽內電解質隔層厚度太大的問題，使得槽電壓降低到3.3~3.60V，可使電解鋁每噸電耗指標降低1000kwh。
文檔編號C25C3/06GK102011146SQ201010617868
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者汪航, 田應甫 申請人:重慶天泰鋁業有限公司