半豎式陰陽極節能鋁電解槽的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種帶輔助陽極的半豎式陰陽極節能鋁電解槽，屬有色輕金屬冶金【技術領域】。本電解槽的改進結構為：在導電面傾斜的兩塊半豎陽極的下端面之間或在傾斜陽極與側部炭塊之間上設置懸吊的輔助陽極，輔助陽極下端延伸至并與水平陰極的極間距為2～10cm。本發明可大幅度減少能耗，電流效率也進一步提高，并可有效解決陰極過熱而導致陰極工作壽命短和部分電解鋁包裹在電解質凝塊中的問題。
【專利說明】半豎式陰陽極節能鋁電解槽
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半豎式陰陽極節能鋁電解槽，屬有色輕金屬冶金【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前的鋁電解一直均采用霍爾-埃魯特(Hall-Heroult)技術，這種方法的特點是陰陽極均是板狀水平安放，陰陽極的極間距為4~6cm，陰陽極均為炭素材料。這種方法的優點是陰陽極材料的導電性優良，抗腐蝕性好，同時陰陽極的形狀簡單，容易加工制作。但該裝置和方法也存在一些缺點:例如，在電解過程中，在陽極上放電而形成的新生態氧原子，把陽極炭氧化，放出CO2和CO，造成環境的污染；其次，在水平式板狀陰陽極電解中，電解出的陰極鋁是布滿于陰極表面，隨著鋁電解過程的延續鋁液層厚度增加，實際的極間距相應減少，鋁液層逐步向陽極靠近，加之因電解槽內存在電磁場作用引起鋁液面的擾動，這勢必導致陰極鋁被二次氧化增加，其反應式為:A1 (g)+CO2 (g) - AlA+CO0由于二次氧化的限制，致使水平陰陽極鋁電解的極間距只能在4~6 cm之間，而極間距是單位產鋁量電耗的主要決定性因素。已有資料表明電解質所產生的電壓降(Eie)約占槽電壓總數的38~39%，在槽電壓各組元中，(Eili)所占的比例最大，其次是分解電壓(Eji),它占槽電壓的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(Eils)。
[0003](E電解)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(cm)。從(I)式可見，若能使電解的極間距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能產生同比例下降；再其次是電流效率(CE)，它是鋁電解的重要技術經濟指標。減少鋁電解過程中的電流損失，就會導致電流效率的提高，而電流損失的主要原因是陰極上生成的鋁和鈉產生二次氧化而引起的。因此減少陰極上鋁和鈉的二次氧化，也是提高電流效率的重要手段之一，而電流效率的提高也會促成單位產鋁量電能耗的下降。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，該數值已接近于極限，要進一步的提高電流效率也需設法減少鋁和鈉的二次氧化。
[0004]綜上所述，高能耗、高污染和鋁的二次氧化是水平陰陽極電解的主要缺點。
[0005]為了解決上述陰陽極呈板狀水平安放電解槽存在的不足，本發明人曾提出用臥式三棱柱體傾斜陰極取代當今的水平陰陽極鋁電解槽(見ZL2010105064567)，通過小試和中試證明，這種結構的電解槽具有節能10~40%的顯著效果。但中試中也暴露出這種上述兩種不同陰陽極結構的電解槽，在陰極與側部炭塊的中間空位區內，因導電條件欠佳，在生產中會產生局部電解質凝固，并把部分電解鋁包裹在凝塊中。另外，ZL2010105064567專利陰極結構的電解槽因有4個大面浸泡在高溫電解質熔體中，僅僅很小面積的一個面貼接散熱面，這容易引起陰極的過熱而導致陰極工作壽命短。
[0006]參考文獻[1]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】
[0007]本發明的目的在于克服現有鋁電解技術的不足，以及克服本發明人前一專利的不足，而提供一種能耗大幅度減少，電流效率也進一步提高的熔鹽電解鋁新型裝置，它可有效解決局部電解質凝固而將部分電解鋁包裹在凝塊中的現象，并可解決陰極過熱而導致陰極工作壽命短的問題。
[0008]實現本發明上述目的所采取的技術方案是:在導電面傾斜的兩塊半豎陽極的下端面之間或在傾斜陽極與側部炭塊之間上設置懸吊的輔助陽極，輔助陽極下端延伸至并與水平陰極的極間距為2~10cm。
[0009]本發明的進一步技術方案還包括:以電解槽的中心鉛垂面為基準，在水平陰極
(I)上設置兩塊導電面與水平面之間的夾角Θ數值范圍為3°~85°的半豎陰極(2)，兩半豎陰極(2)構成倒八字型，而兩件半豎陽極(7)的導電面與半豎陰極(2)導電面平行；半豎陰極(2)、水平陰極(1)和側部炭塊(5)的結合面均用冷陰極糊粘結結合。兩件半豎式陽極由陽極凸臺中心的螺孔與導電鋼棒連接，或用磷鑄鐵澆注連接。
[0010]為防止輔助陽極與半豎陰極接觸而引起導電短路，在所述的兩件半豎陽極之間懸吊一塊輔助陽極并延伸到半豎陰極的間隙中，輔助陽極與水平陰極的極間距為2~10 Cm ;輔助陽極的正視圖斷面加工成上寬下窄的倒梯形形狀，輔助陽極的側視圖為矩形，輔助陽極的上部卡在半豎陽極之間的縫隙與半豎陽極保持接觸。依靠兩件半豎陽極的重力水平分量的作用，可保證輔助陽極與兩件半豎陽極之間產生緊密接觸而獲得供電，也可從輔助陽極的導電鋼棒上獲得供電。
[0011]所述的每塊半豎陽極上對稱設置有兩個Al2O3加料孔，加料孔的孔徑為6~18cm，孔距為> 20cm。半豎陰極的導電面可用石墨或半石墨炭素材料做成,也可由炭素材料基材與TiB2涂層合成的復合材料做成。
[0012]本發明的有益技術效果表現如下:雖然本發明人的在前專利ZL2010105064567解決了板狀陰陽極水平安放的常規電解槽存在的單位產鋁量電能耗高和污染嚴重的問題，節能可達10~40%，但是其結構決定了陰極的散熱面積較小，很容易引起陰極的過熱而導致陰極工作壽命短。本發明在保持ZL2010105064567專利節能的基礎上，解決了它所存在的陰極的散熱面較小的問題，可以大大延長陰極工作壽命。另外，本發明的兩塊傾斜陽極是互相分離的，與ZL2010105064567相比，具有更容易準確調整極間距的優點。再者，采用本發明的特別結構的輔助陽極，不僅能獲得順利的啟動，而且解決了 ZL2010105064567專利以及在先前的同樣用途專利所存在的陽極之間的局部區域電解質凝固現象，使電解產出的鋁被包裹在凝固的電解質中，不能順利取出的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明半豎式陰陽極鋁電解槽的結構總圖。
[0014]圖2為圖1的A-A水平斷面圖。
[0015]圖3為半豎陽極俯視圖。[0016]圖4為與圖1相配的輔助陽極B向視圖。
[0017]圖5為本發明另一實例的電解槽的結構總圖。
[0018]圖6為與圖5匹配的輔助陽極C向視圖。
[0019]圖中各標號為:1_水平陰極，2-半豎陰極，3-電解槽鋼板外殼，4-電解槽的保溫層，5-側部炭塊，6-導電鋼棒，7-半豎陽極，8-輔助陽極導電鋼棒，9-輔助陽極，10-陰極導電鋼棒，11-加料孔，12-出鋁工具出入孔，14-似三棱柱體炭素陰極，15-傾斜陽極，16-陽極導電鋼棒，17-剛玉絕緣棒，18-輔助陽極炭素板，19-輔助陽極導電鋼棒螺孔，20-剛玉棒旋入盲孔。
【具體實施方式】
[0020]參見圖1~4，本改進的半豎式陰陽極節能鋁電解槽的結構特點是:以電解槽的中心鉛垂面為基準，在水平陰極I上設置兩塊導電面與水平面之間的夾角Θ數值范圍為3°~85°的半豎陰極2，兩半豎陰極2的表面構成了倒八字型，而兩件半豎陽極7的導電面與半豎陰極2的導電面平行，并互為仿形；半豎陰極2、水平陰極I和側部炭塊5的結合面均用冷陰極糊粘結結合，從而可保證組合陰極具有良好的導電性。在兩件半豎陽極7之間懸吊一塊輔助陽極9，并且輔助陽極9的下端延伸到兩件半豎陰極2下端面的間隙中，輔助陽極9與水平陰極I的極間距為2~IOcm ;輔助陽極9的正視圖斷面加工成上寬下窄的倒梯形形狀，輔助陽極9的側視圖為矩形(長方形或正方形)，輔助陽極9的上部卡在兩件半豎陽極7下端面之間的縫隙，依靠兩件半豎陽極7的重力水平分量的作用，可保證輔助陽極9與兩件半豎陽極7之間產生緊密接觸而獲得供電，也可從輔助陽極9的導電鋼棒8上獲得供電。每塊半豎陽極7上對 稱設置有兩個Al2O3加料孔11，加料孔的孔徑為6~18cm，孔距為 > 20cm。
[0021]此外，電解槽四周的側墻中，在側部炭塊與鋼殼之間，依次安排干式防滲漏，高級保溫磚和巖棉板。在電解槽的底部結構中，在水平陰極下面，依次安排干式防滲漏，高級保溫磚、娃藻土磚和娃酸蓋板、巖棉板等保溫材料，這些均與常規電解槽的結構相同。
[0022]在電解槽的升溫培燒啟動方面也和目前鋁電解生產的啟動方法相同。
【具體實施方式】
[0023]實施例1:在3 kg電解質的小試規模下，為簡化電解槽制備工藝，采用方形石墨坩鍋電解槽，按圖1的方式構建簡易電解槽，傾斜陰極與水平面間的夾角Θ為85°。電解質的分子比為2.5，在方形石墨坩鍋中裝入3 kg電解質后，放于坩鍋爐中，外加熱式升溫熔化，待物料熔化后，加入電解種子鋁，再隨后放入傾角與陰極相同的仿形陽極，在950~970°C下進行鋁電解，陰陽極極間距2 cm,電解時槽電壓波動于2.8~3.1伏之間，電解電流波動于50~70A之間，采用人工間斷式加Al2O3，每10分鐘加一次。電解40小時停止電解，收集到電解鋁336克(尚有相當的細粒狀鋁分散和包夾于電解質中不能收集)，計算得出電流效率約為41.6%，單位產鋁能耗21.49kwh/ kg.Α1。但在同等規模下用水平陰陽極進行鋁電解時，平均槽電壓為4.5伏左右，電流效率約為38%，單位產鋁量的能耗為:35.3kwh/ kg.Al。兩者相比節能達38%左右。與ZL2010105064567專利相比，陰極工作壽命短延長了 20~30%,并且未發現電解鋁包裹在凝塊中的現象。[0024]實施例2:在中試規模下，采用圖1的方式設計和構建電解槽，傾斜陰極導電面與水平面的夾角Θ約為40°，電解質的裝入量為260~280 kg，陽極尺寸為59X56X20 Cm。電解質成分同例1，陰陽極的材料與目前鋁電解行業的陰陽極材料相同，為滿足自熱的需要，電解電流的設計值為4000A，實際工作電流為3000~3950A，總計電解電時間為500小時，但因電解初期的過程不穩定(兩對陰陽極的過電不均等，電解槽各部位溫度不均，從而引起極間距和槽電壓不能準確控制到預定值)，在電解槽狀態不穩定時，將停止加入Al2O3,而努力使電解槽的狀態趨向于穩定和平衡。經過約300小時后，電解槽工況趨于穩定平穩，槽電壓保持在3.8伏左右，此后連續加入Al2O3, 500小時后停止電解，產出電解鋁錠98公斤，產分散鋁約21多公斤。計算后兩百小時的電流效率為59.45%，電能耗為19.06kwh/kg.Α1。但與節能槽相對照的同等大小的水平陰陽極電解槽，電解200小時后，只產出電解錠約96.7 kg，產分散鋁約14.5公斤，后200小時的槽電壓約4.8~5.6伏(平均5.2伏)，計算后200小時的電流效率約為55.2%，電能耗為27.67kwh/ kg.Al，節能效果約31%。與ZL2010105064567專利相比，陰極工作壽命短延長了 20~30%，并且未發現電解鋁包裹在凝塊中的現象。
[0025]實施例3:在中試規模下，采用圖5的方式設計和構建電解槽，傾斜陰極與水平面的夾角Θ為4。，電解質的裝入量為260~280公斤，陽極尺寸59 X 55 X 20 Cm。電解質的成分和加入量同例2，電解總時間為500小時，電解工況比例2較容易控制，在電解的最后200小時，電解槽電壓可穩定在3.5~4.5伏(平均4.2伏)。電解結速后產出電解鋁錠約97.4公斤，產分散鋁約11.5公斤，計算后200小時的電解結果為電流效率約54.7%，單位產鋁電能耗為24.51 kwh/ kg *Ae。與同等規模的水平陰陽極電解槽的能耗(27.67kwh/ kg ?Al)相t匕，節能約12.91%。與ZL2010105064567專利相比，陰極工作壽命短延長了 20~30%，并且未發現電解鋁包裹在凝塊中的現象`。
【權利要求】
1.一種半豎式陰陽極節能鋁電解槽，其特征在于:在導電面傾斜的兩塊半豎陽極(7)的下端面之間或在傾斜陽極(15)與側部炭塊(5)之間上設置懸吊的輔助陽極(9)或(18)，輔助陽極下端延伸至并與水平陰極(I)的極間距為2~10cm。
2.按權利要求1所述的半豎式陰陽極節能鋁電解槽，其特征在于:以電解槽的中心鉛垂面為基準，在水平陰極(I)上設置兩塊導電面與水平面之間的夾角Θ數值范圍為3°~85°的半豎陰極(2)，兩半豎陰極(2)構成倒八字型，而兩件半豎陽極(7)的導電面與半豎陰極(2 )導電面平行；半豎陰極(2 )與水平陰極(I)和側部炭塊(5 )的結合面均用冷陰極糊粘結結合。
3.按權利要求2所述的半豎式陰陽極節能鋁電解槽，其特征在于:在兩件半豎陽極(7)之間懸吊一塊輔助陽極(9 )并延伸到兩塊半豎陰極(2 )的間隙中，輔助陽極與水平陰極(I)的極間距為2~10 cm ;輔助陽極(9)的正視圖斷面加工成上寬下窄的倒梯形形狀，輔助陽極(9)的側視圖為矩形，輔助陽極(9)的上部卡在半豎陽極(7)之間的縫隙中并與半豎陽極保持接觸。
4.按權利要求2所述的半豎式陰陽極節能鋁電解槽，其特征在于:每塊半豎陽極(7)上對稱設置有兩個Al2O3加料孔(11) ，加料孔的孔徑為6~18cm，孔距為≤20cm。
【文檔編號】C25C3/08GK103510113SQ201310405995
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】王飚, 王宇棟, 張自華 申請人:王飚