CN101052750B - 电解熔融池的内部冷却 - Google Patents

Abstract

一种用于通过电解还原在熔融液中被溶解的带有金属的材料来生产金属的电解池(10)，该电解池包括壳体(12)和壳体的内部上的衬里，该衬里包括底部阴极衬里和侧壁衬里，该侧壁衬里包括靠着壳体内表面布置的用于从中传导流体的多个流体管，该流体管(26)沿着壳体侧面延伸，并与泵装置连通，以使流体通过该流体管(26)流动。

Description

电解熔融池的内部冷却

技术领域

本发明涉及一种用于生产铝的电解池，尤其涉及一种用于保持和控制通过电解池的侧壁的热流的设备和方法。

背景技术

用于生产铝的电解池包括一电解槽，该电解槽具有一般由多个预焙炭块制成的阴极和阳极。氧化铝供给到冰晶石电解液中，氧化铝在该冰晶石电解液中溶解。在电解过程中，在阴极处生产铝，并在电解槽的底部上形成熔化的铝层，使得冰晶石电解液浮动在该滤层的顶部上。在阳极处产生氧，通过生产一氧化碳和二氧化碳气体导致阳极的消耗。冰晶石电解液的工作温度通常在930℃到大约970℃的范围中。

该电解槽包括外钢质壳，该外钢质壳具有沿着槽的底部设置在绝缘和耐火材料层顶部上的炭质阴极块。这些炭质阴极块利用集电棒和铝柔性连接到电汇流条上。在改变侧壁的精确结构的同时，靠着该钢质壳设置包括炭块和耐火材料的组合的衬里。

在电解池的工作期间，在电解槽的侧壁上形成一个凝固的壳或壳层。尽管该层的厚度在电解槽的工作期间可能有变化，但是该壳的形成对电解池的工作是非常关键的。如果该壳变得太厚，则由于该壳将在阴极上发展并扰乱将对磁场有影响的阴极电流分布，所以将影响电解池的工作。另一方面，如果凝固的层变得太薄或者在某些位置缺少凝固层时，则电解液将侵蚀电解槽的侧壁衬里，最终导致侧壁衬里损坏。如果侧壁衬里上的侵蚀达到电解液侵蚀钢壳侧壁的程度，因为有金属和电解液从电解池流出的危险，则电解池必须停机。

因此，受控制的壳层的形成是良好的槽的操作和电解池中耐火衬里的长寿命是必要的。而且，对于电解池中受控层形成，控制电解池的热动力学的操作以及尤其是来自电解液的热量通过侧壁衬里的流动是必要的。

在最近的技术发展中，使用如散热片之类的被动热传递装置将热量通过电解槽的钢壳从电解池中去除，以试图增大可用于传递来自电解槽的侧壁的热的表面面积。需要从电解槽中去除的热量取决于通过电解池的电流量和电解池的电压。如果电流或电压增大，则为了保持形成在耐火材料的内壁上的壳层的适当厚度的需要通过侧壁抽取的热量将增大，并会经常变化超出电解池侧壁上的被动冷却元件的设计能力。

因此，本发明的目的是，提供一种装置，通过该装置可以主动控制电解池的热动力学上的需要，以使得能够在侧壁耐火材料的内表面上形成和保持一个壳层。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种用于生产金属的电解池，其中通过电解还原在熔融盐液中溶解的带有金属的材料(例如称为三氧化二铝的氧化铝)来生产金属，该电解池包括壳体，和壳体内部上的衬里，该衬里包括底部阴极衬里和侧壁衬里，该侧壁衬里包括靠着壳体内表面布置的多个流体管，用于从中传导流体，该流体管沿着壳体的侧面延伸，并与泵装置连通，以使流体流过该流体管。

在本发明的范围中，电解池的侧壁为电解池的纵向侧壁和端壁。

申请人已经发现，通过在内壳体表面附近提供流体导管，可以以足够的速率从电解池中抽取热量，以将凝固壳层保持足够厚度，以保护侧壁耐火材料。在电解池的工作期间，由电流感应的磁场导致熔融金属在电解池中的移动。该熔融金属的移动在电解池中产生更热区域，从而增大在该区域中的热量传递的要求，以在电解池侧壁上保持凝固材料的足够厚度。这些熔融金属电流也可能导致凝固壳层的腐蚀，从而暴露耐火侧壁，除非从电解池的该区域中去除足够热量，以保持凝固层的厚度。

因此，在本发明的一个优选形式中，该电解池沿着壳体的每个纵向侧壁设置有至少两排冷却流体导管，每排冷却流体导管都冷却电解池的固定部分。在本发明的一个优选形式中，每排冷却导管都从电解池的每个纵向侧的大约一半中抽取热量。每排冷却导管也都沿着侧壁的至少一部分延伸，并与相应的纵向侧壁结合。

上述冷却流体导管能承载有能力传递通过耐火材料传导的热量的任何流体。尽管冷却剂液体提供从电解池导出更多热量的范围，但是它们也存在着在熔融金属附近使用液体的相关风险增加的问题，并且用于液体的处理系统的成本增大。因此，最好是通过流体导管的冷却流体为气体，并最好是空气。用于使冷却流体流入冷却导管的泵装置可以是鼓风机或其它类型的气泵。在流体的情况下，可以使用任何通常现有的液体泵。

电解池中熔融金属流的方向由电汇流条的设计和所感应的磁场来决定。在电解池的下游侧，熔融金属通常导向纵向侧的中央。这导致下游纵向侧的中央比外端更热。

因此，最好是进入下游侧上冷却流体导管的冷却流体经基本上在电解池的中央区域上或其附近对应于电解池的短轴的入口进入，并通过电解池的相应端部附近的出口排出。

在电解池的上游侧，熔融金属中感应的电流将熔融金属从电解池的中央区域送走。因此，在电解池的上游侧，冷却流体由布置在电解池的相应端部附近的入口处进入冷却流体导管，并在基本位于电解池的纵向侧的中央区域上或其附近的出口从流体导管中排出。

在本发明的优选形式中，在通过流体导管后受热的空气可以与氧化铝或者与用于将氧化铝输送到电解池的流动气体进行热交换。

附图说明

附图1(a)为根据本发明的所述壳体的实施例的剖视图；

附图1(b)为附图1(a)的实施例中侧壁的衬套和冷却的透视图；

附图1(c)为附图1(a)和1(b)的实施例的内部流体导管的透视图；

附图2和附图3是通过电解池的上游和下游侧上的流体导管的流体的两个可能流动方向的示意图。

具体实施方式

应该理解的是，在本说明书中公开和限定的本发明扩展到由文字或附图提到和明白的两个或多个单个特征的所有可能的组合。所有这些不同组合构成本发明的各个可能的方面。

在附图1中所示电解池的剖视图中，电解池包括大量钢质支架10和钢质壳体12，以及内部耐火衬里，该耐火衬里包括底部绝缘层14和侧壁衬里19和20。该衬里适当地包括具有抵抗电解液和熔化的铝的腐蚀能力，以及具有相对于热传导和电传导良好的特性。所述侧衬里包括多个块体，它们由如金刚砂19和含碳材料20的材料形成。位于底部绝缘层上的是连接到集电棒24上的阴极22，该集电棒将电流从阴极导走。

在附图1(b)和1(c)中所示的实施例中，内部流体导管26设置为沿着电解池的侧壁水平延伸。在块19和流体导管26之间设置一些导热材料，以提供流体导管和侧壁块19之间的良好热接触。流体导管26设置有流体管28、29和48，它们将流体输送到流体导管26并从流体导管26输出，如附图2中所示，该流体可以是液体或气体。尽管从热传导角度看，液体可以是有吸引力的，但是将液体导入高温环境的确表现出安全性风险的很大的增大，并增大了液体突发地接触液态金属的可能性。而且，由于难以保持电解池电位的隔离，所以液体将造成电气危害。于是，尽管使用液体存在一定的好处，但是如空气之类的易于获得的气体是优选的。

当操作一个电解池时，可以设置内部流体导管操作，使得面对电解池内部的侧面衬里表面19和20的温度略微低于熔融的电解液的温度。于是，由于由流过内部流体导管26的流体冷却效果和熔融电解液所产生的温度差，固体稳定层形成在侧面衬里的内部上。该层帮助保护该侧面衬里免于受到熔融电解液腐蚀，并极大延长了侧面衬里的寿命。

附图2公开了供给入口流体管28和29的气泵32。这些管供给到入口集管28和40，该入口集管与在池的壳体12的内侧上电解池的侧面衬里中的内部流体管26流体连通。该入口集管38和40朝着电解池纵向侧接近短轴的中间位置设置，并将进入流体导管的流体导向电解池的相应端部。流体通过一部分侧面衬里，并汇集在电解池的端部中的排出集管42和44处。集管42和44分别与相应排出流体管48连通并被结合在一起并被通到热交换器50。在所述热交换器中，被加热的排出空气将热量传递到如输送进给到电解池的氧化铝的流动空气之类的合适的介质。该被传递的热量在氧化铝被添加到电解池之前对其进行加热。在附图2中所示的设置中，示出入口集管38和40为将冷却流体引导到电解池的中央，然后该流体通过内部流体导管，并通过排出集管42、44在电解池的相应端部处排出。

在附图3中所示的备选流体通道中，冷却电解池的上游侧的流体由入口管11和13供给，并通过设置在电解池端部(43，45)处的入口集管进入，该入口集管将流体引向电解池上游侧的中央区域处的排出集管51。该中央区域靠近电解池的短轴的位置。在附图3的实施例中，电解池的下游侧在电解池的中央区域(38)处或其附近具有入口集管，该入口集管将流体通过内部流体导管导向电解池的相应端部处的排出集管(47，49)。来自排出集管47，49和51的热空气通过排出流体管48被导向热交换器51。

尽管本发明已经就少量的流体管26和入口38、40、43和45进行了说明，但是本领域技术人员将会认识到的是，随着流体管和入口沿着侧壁的横截面和位置改变，可以使用任意数量的流体管和入口以适应沿着侧壁的期望热区域。为了最佳地实现除去热量，内部流体管的应用不应局限于电解池的长的一侧，而是也可以应用在电解池的短的一侧上。还可能的是，将内部流体管定位在垂直方向上，而不是水平方向上。

本领域技术人员还将认识到的是，当气体进入和离开流体管26时，通过监视气体的温度，可以确定从电解池去除的热量的指示数字，并且确定与所形成结壳层的厚度相关的去除热量的量。还将认识到的是，通过继续监视入口和出口之间流体温度的增加，可以确定关于涉及电解池衬里的厚度和所述结壳层的良好状态的潜在问题的指示。流体温度及其动向可以用作可调变量，以通过增大或降低气泵的速度，或者通过控制经过管系统中一系列节气阀的流体流量来调节在管中流体的体积。

由于通过侧壁去除的所有热量都主要通过流体导管，少量的热量从池壳体12的外表面辐射。这提供了通过为池的壳体外侧设置隔热而对池外的热平衡进一步进行控制的机会。

在电解池工作期间，会有许多临时中断供给电解池的电力的原因。为了防止电解池内的内含物质在这些电力中断期间固化，池的壳体可以设置有一层绝热层52，其可以靠着池壳体的外表面布置，以在电力供给中断期间流体的流动停止的情况下保持电解池中的热量。由于通过该侧壁衬里的热量通过流体导管26被周期性地去除，所以该绝热层可以在池壳体壁上形成固定的器材设备。

Claims (11)

1.一种用于通过电解还原在熔融盐液中溶解的带有金属材料来生产金属的电解池，该电解池包括壳体，及

壳体内部上的衬里，该衬里包括底部阴极衬里，及

侧壁衬里，该侧壁衬里包括靠着壳体的内表面布置的用于从中传导流体的多个流体管，每个流体管沿着壳体的各纵向侧面和各端部侧面延伸，并与泵连通，以使流体通过该流体管流动。

2.如权利要求1所述的电解池，其特征在于，所述流体管设置有入口和出口。

3.如权利要求2所述的电解池，其特征在于，所述入口设置在电解池中的比出口处更热的区域。

4.如权利要求1所述的电解池，其特征在于，所述流体管沿着电解池的每个纵向侧布置在至少两排导管中。

5.如权利要求4所述的电解池，其特征在于，每排所述导管都沿着邻接相应纵向侧的端部的一部分上延伸。

6.如权利要求4所述的电解池，其特征在于，每排所述导管都包括一个以上的流体管。

7.如权利要求1所述的电解池，其特征在于，该电解池为在由电解池构成的电解槽系列中的一个电解池，该电解池相对于由电解池构成的电解槽系列的整体的流动具有上游侧和下游侧。

8.如权利要求7所述的电解池，其特征在于，所述流体管设有入口和出口，纵向侧下游的流体管的入口大致设置在电解池的中央区域上或其附近，出口设置在电解池的相应的端部上或其附近。

9.如权利要求7或8所述的电解池，其特征在于，所述管设有入口和出口，纵向侧上游的所述管的入口设置在电解池的相应端部上或其附近，出口设置在电解池的纵向侧上游的中央区域上或其附近。

10.如权利要求2所述的电解池，其特征在于，来自所述流体管的出口的流体通到用于和电解池的带有金属材料进料进行热交换的热交换器。

11.用于在权利要求1的电解池中通过电解还原在熔融盐液中溶解的带有金属材料来生产金属的方法，包括如下步骤：

在电解池中形成熔盐和溶解金属的熔融金属液，该电解池包括壳体和在壳体内部上的衬里，该衬里包括侧壁衬里和底部衬里，通过靠着壳体的内表面形成在侧壁衬里中的冷却流体管循环冷却流体，以从电解液中去除热量，并在侧壁衬里上形成一层固化材料的壳层，

通过调节流过冷却流体管的冷却流体，保持侧壁衬里上的所述壳层。

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