用於電解池的側向絕緣襯裡的製作方法

2024-02-12 07:30:15 1

按照慣例，使用霍爾-赫魯特(Hall-Héroult)方法通過電解在鋁廠中生產鋁。為此，提供電解池(cuve d』électrolyse)，該電解池包括槽殼(caisson)和耐火材料的內襯裡。電解池還包括陰極塊，陰極塊被布置在槽殼的底部，由被設計成收集電解電流從而將電解電流引導到下一個電解池的導電棒穿過。電解池還包括懸吊於陽極框架(諸如，柱和橫向構件)的至少一個陽極塊，所述陽極塊部分地浸入電解浴中，處在陰極塊之上。隨著反應進行，在電解浴下面形成一個覆蓋陰極塊的液體鋁層。電流經由陽極塊、電解浴和金屬層從陽極框架流到陰極，氧化鋁在溫度為大約970℃的電解浴中被溶解。為了限制由於電解浴的化學組分以及其溫度對槽殼的壁造成的的腐蝕，已知的是使用由懸吊於槽殼的內襯裡上的由碳質材料製成的面向內的塊。然而，儘管存在這些面向內的塊和內襯裡，通過容器壁的熱量損耗仍是非常大的，這有害於總能量效率、池的壽命以及電解過程的恰當運行。

本發明的一個目的旨在克服此缺點。為此，本發明提供了一種電解池，該電解池被設計成包含一個電解浴，該電解池包括一個具有側壁的槽殼和覆蓋所述側壁的側向絕緣襯裡，所述側向絕緣襯裡包括：

由可壓縮材料製成的熱絕緣元件，

具有至少一個側面的、由耐火材料製成的楔入元件，所述熱絕緣元件和所述楔入元件抵靠所述槽殼的至少一個側壁交替地固定，以及

面向內的塊，所述面向內的塊被布置成保護該電解浴的所述槽殼、所述熱絕緣元件和所述楔入元件，兩個相鄰的楔入元件之間的距離被適配以使得每個面向內的塊支承抵靠至少兩個楔入元件的側面。

在此配置中，該槽殼的壁用可以由可壓縮材料製成的熱絕緣元件部分地覆蓋，所述熱絕緣元件大大限制了熱量損耗並且保護槽殼壁免受由電解浴和液體鋁生成的大量熱量影響。此外，插入在由可壓縮材料製成的熱絕緣元件之間的耐火楔入元件被用來在建造和操作該池時限制或防止對所述熱絕緣元件的壓縮，而不會形成將有害於槽殼壁的熱傳導橋。所述熱絕緣元件不經受所述槽殼的側壁和面向內的塊之間的有害壓縮，因此它們不被壓碎並且保持它們的熱絕緣能力。因此，由可壓縮材料製成的熱絕緣元件的使用能夠以此方式限制原材料和裝置的成本並且實現改善的和易調整的熱平衡。

可壓縮材料製成的熱絕緣元件意指，在不存在楔入元件的情況下，在池的製造或操作期間，將由面向內的塊壓碎且因此退化的任何元件。可壓縮材料製成的熱絕緣元件可以是充氣結構，尤其是基於纖維的。

有利地，每個楔入元件具有的厚度等於或大於所述熱絕緣元件的厚度。

有利地，所述側向絕緣襯裡還包括由耐火材料製成的布置在熱絕緣元件和面向內的塊之間的保護元件。這些保護元件保護布置在後面的熱絕緣元件免受電解浴穿過面向內的塊的可能的浸透(imprégnation)，以使得對熱絕緣的保護隨著時間被加強。

根據一個布置，兩個相鄰的楔入元件之間的空間容納保護元件。在此配置中，所述保護元件不覆蓋所述楔入元件而是僅覆蓋所述熱絕緣元件。

優選地，每個楔入元件具有與一個熱絕緣元件和一個保護元件的組合厚度大體上相同的厚度，使得所述熱絕緣元件免於壓縮。此布置因此能夠在槽的整個壽命內維持由可壓縮材料製成的熱絕緣元件的強度和熱絕緣能力。

所述熱絕緣元件具有的熱絕緣係數大於所述楔入元件的熱絕緣係數和所述保護元件的熱絕緣係數。以此方式，能夠使用薄的熱絕緣元件。它們的存在對槽殼內部的剩餘體積具有非常小的影響，以實現有效的熱絕緣。這些元件因此能夠減少槽殼的側壁處的熱量損耗，而不需要減小存在於槽殼內的陰極塊的尺寸且因此減小電解過程的效率。

有利地，沿著槽殼的相應的壁的縱向軸線測量的每個熱絕緣元件的長度大於每個楔入元件的長度。此布置優化了槽殼的熱絕緣且限制了熱橋。

典型地，沿著槽殼的相應的壁的縱向軸線測量的每個熱絕緣元件的長度比每個楔入元件的長度大至少四倍。

優選地，所述側向絕緣襯裡還包括面向外的板，有利地所述面向外的板由碳化矽(SiC)製成，所述面向外的板抵靠所述槽殼的至少一個側壁延伸並且被布置成在所述楔入元件、所述熱絕緣元件以及在適當的情況下所述保護元件上方對齊。這些板因此從上面保護所述熱絕緣元件且保護槽殼免受腐蝕影響。它們還有助於在選擇的表面處局部地且受控地移除熱量。

有利地，每個面向外的板具有與每個楔入元件的厚度大體上相同的厚度。所述熱絕緣元件的側邊緣且在適當的情況下所述保護元件的側邊緣因此被覆蓋並且被垂直地保護免受電解池的腐蝕環境的影響。

有利地，所述面向外的板與所述面向內的塊整體成型。

根據一種可能性，所述熱絕緣元件的可壓縮材料由纖維材料製成，所述纖維材料諸如是玻璃纖維材料、碳化纖維材料、巖石纖維材料或大麻纖維材料。它還可以是高度絕緣多微孔類型的或基於珍珠巖、硅藻土或矽酸鈣的。

有利地，所述熱絕緣元件的可壓縮材料具有小於0.5W/m.K的熱傳導率(在室溫下使用ASTM C201方法測量的)。

有利地，由可壓縮材料製成的熱絕緣元件由一個抵抗由電解液煙氣造成的腐蝕的材料層圍繞。高度腐蝕電解煙氣可以在抵靠槽殼的側壁的電解池的整個壽命內滲透和蔓延，從而使所述熱絕緣元件的可壓縮材料退化。將可壓縮材料封閉在一個抵抗來自電解液煙氣(或蒸汽屏障)的腐蝕的材料層內有助於保護可以被用來製造所述熱絕緣元件的材料和擴展可以被用來製造所述熱絕緣元件的材料的範圍。

抵抗來自電解液煙氣的腐蝕的該材料層有利地由一個鋁膜形成。

有利地，所述楔入元件表現出大於10MPa的壓縮抵抗力。

有利地，所述楔入元件具有的熱傳導率低於所述面向內的塊的熱傳導率且在適當的情況下低於所述面向外的板的熱傳導率。

所述楔入元件因此不形成有害於所述熱絕緣元件之間的槽殼壁的熱傳導橋。

根據一種可能，所述楔入元件具有小於2W/m.K的熱傳導率(在室溫下使用ASTM C201測量的)。

有利地，所述楔入元件由耐火磚例如矽酸鹽或雲母板製成，它們具有良好的壓縮強度和低熱傳導率。

典型地，所述保護元件與所述楔入元件的材料或類型相同。

有利地，所述面向內的塊由碳基材料製成，所述材料尤其基於SiC，其確保槽殼將是耐用的，儘管是高度腐蝕的電解條件。

本發明的其他方面、目的和優點將在閱讀對作為非限制性實施例並且參考附圖給出的本發明的實施方案的以下描述時更清楚地顯現。為了提高可讀性，對於示出的所有元件，附圖未必按比例繪製。在以下描述中，為了簡單，與多個實施方案相同的、類似的或等同的元件具有相同的參考數字。

圖1例示根據本發明的一個實施方案的電解池的內部的局部示意性視圖。

圖2例示根據本發明的一個實施方案的電解池的內部的另一個局部示意性視圖。

圖3例示根據本發明的一個實施方案的電解池的內部的又一個局部示意性視圖。

圖4是根據圖3中例示的本發明的實施方案的電解池的內部的局部截面視圖。

如圖1中例示的，電解池100包括槽殼200和側向絕緣襯裡，該側向絕緣襯裡包括交替地固定抵靠在槽殼200的側壁3上的熱絕緣元件1和楔入元件2。這些熱絕緣元件1用保護元件4覆蓋(圖2)，所述保護元件進而覆蓋支承抵靠所述楔入元件2的面向內的塊5(圖3)。面向外的板6也抵靠槽殼200的側壁3延伸並且在熱絕緣元件1的楔入元件2和保護元件4上方對齊。(圖3)。

熱絕緣元件1因楔入元件2的布置而免受槽殼200的側壁和面向內的塊5之間的壓縮影響，所以它們可以由可壓縮的熱絕緣材料製成。所述可壓縮的熱絕緣材料可以是，例如，纖維材料，諸如，玻璃纖維材料、碳化纖維材料、巖石纖維材料或大麻纖維材料。所述可壓縮的熱絕緣材料還可以是例如高度絕緣多微孔類型的或基於珍珠巖、硅藻土或矽酸鈣的材料。

由可壓縮材料製成的熱絕緣元件1具有高熱絕緣係數，使得小厚度的此可壓縮材料足以確保它們覆蓋的槽殼的壁的良好熱絕緣。

楔入元件2包括耐火材料，諸如，耐火磚矽酸鹽或雲母板。所述楔入元件必須保護所述熱絕緣元件免於被壓碎並且有利地促進熱絕緣。這些楔入元件2以及保護元件4通常表現出的熱絕緣特性劣於熱絕緣元件1的熱絕緣特性，即使它們是良好的絕緣體。它們的熱傳導率小於2W/m.K。沿著槽殼200的壁3的縱向軸線(x軸線，圖1)測量的每個熱絕緣元件1的長度被選擇成大於每個楔入元件2的長度。通常，應用一比四且優選地一比五的長度比，以獲得槽殼200的壁3上的最佳熱量損耗減少。

此外，每個楔入元件2的厚度等於或大於熱絕緣元件1的厚度。此外，兩個相鄰的楔入元件2之間的計劃距離小於一個面向內的塊5的沿著槽殼200的壁3的縱向軸線x的長度，以使得面向內的塊5可以支承抵靠至少兩個楔入元件2。以此方式，每個面向內的塊5抵靠至少兩個楔入元件2安置。所述楔入元件具有大於10MPa的抗壓縮強度，以使得它們是足夠剛性的且不可壓縮的，以防止面向內的塊5壓縮由可壓縮材料製成的熱絕緣元件1，否則其會出現減弱的熱絕緣特性。

面向內的塊5是碳基材料。它的作用是幫助保護槽殼200的壁3和熱絕緣元件1免於在非常高的溫度下由於液體鋁和/或電解浴造成的腐蝕影響。它意在覆蓋所有熱絕緣元件1、楔入元件2以及面向外的元件6的至少一部分。

如圖2中例示的，保護元件4可以插入在熱絕緣元件1和面向內的塊5之間，處在兩個相鄰的楔入元件2之間的空間內。每個楔入元件2具有與一個保護元件4和一個熱絕緣元件1的總厚度大體上相同的厚度。這些由耐火材料製成的保護元件4可以隨著時間過去保護絕緣並且完成通過熱絕緣元件1提供的熱絕緣。保護元件4可以由與楔入元件2的組分相同的組分製成。

如圖3中例示的，面向外的板6由碳化矽(SiC)基材料製成，具有與楔入元件2的厚度大體上相同的厚度，覆蓋槽殼200的內壁3與面向內的塊5之間的熱絕緣元件1、楔入元件2以及保護元件4的上側邊緣。此布置有助於保護不同的元件免受腐蝕並且以在適當的位置處提供電解浴、槽殼壁與外部大氣之間的合適的熱量交換以創建一組保護面向內的塊5的冰晶石。

根據一種未例示的可能性，槽殼的所有側壁3都被熱絕緣元件1、楔入元件2、保護元件4、面向內的塊5和面向外的板6覆蓋。以此方式，槽殼200具有最佳的熱分布。

圖4是電解池的局部截面視圖，例示了槽殼200、直接抵靠槽殼200的壁3固定且與保護元件4相鄰、由面向內的塊5和面向外的板6保護的熱絕緣元件1。

以此方式，本發明提供了一種具有側向絕緣襯裡的電解池以通過佔據很少空間的最佳的絕緣來有效地減少熱量損耗。

不言而喻，本發明不限制於上文以實施例的方式描述的實施方案，而是包括所描述的手段的所有技術等同物或變體以及它們的組合。