CN101323958A - 一种新型铝电解槽结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种新型铝电解槽结构，由于在电解槽上设置了可调节电解槽内产成铝层界液面高低，带有能够控制铝液流量的截流装置和能对盛铝槽实施电极加热的铝液储流槽，可使阴极碳块上表面的铝液，通过储流槽上的导流孔顺利的流入盛铝池内，解决了阴极碳块表面电解槽熔池内产成铝液层界面高低可调问题，从而可以通过降低电解槽内铝液层高度的方式，消除铝液层产生的磁旋流及磁场对电解质高度及电解极距高低的影响，达到降低极距电压降，减少产成铝的二次氧化烧损，降低铝电解工艺电耗的目的。

Description

一种新型铝电解槽结构

技术领域：

一种新型铝电解槽结构是主要应用于电解铝工业生产的一种新型的预焙铝电解槽结构。

背景技术：

铝电解槽是用于电解铝生产的装备，它的主要功能是在低压大电流的作用下，使氧化铝产生热电化学反应，生成电解铝液。

现通用的铝电解槽，由阴极槽结构和阳极结构两大部分组成。

电解槽阴极槽结构主要是在电解槽钢壳体之中，内部保温层和防渗漏料层上，用捣固糊将阴极碳块和阴极钢棒砌筑成阴极内衬，再在阴极内衬周边砌筑上侧部碳块，构筑而成的电熔池部分，它的作用是提供一个传导强大电流，使氧化铝生成电解铝的阴极熔池。其中由阴极碳块及阴极钢棒和捣固糊砌筑而成的阴极熔池的上表面，即阴极内衬上表面为水平面，是实现电解槽阴极导电、熔池功能的工作面。

阳极结构包括熔池上面的金属结构，它可分为门式支架横梁、阳极提升装置、阳极母线，阳极钢爪铝导杆组、中间打壳下料机构、集气烟罩和排烟管等部分组成。其中在经过阳极大母线、阳极钢爪铝导杆组等部件传导电流后阳极碳块的下表面，是参与铝电解工作的主要工作面。

阳极碳块下表面与阴极内衬上表面之间的是氧化铝经过热电化学反应生成电解铝的电解层。

在电解槽启动通入电流进入电解工况状态下后，由于阳极和阴极之间的低电压、大电流的作用，固体氧化铝在熔融冰晶石熔体中溶解，发生电化学反应，在热平衡状态下生成电解质，在阳极上得到气态物质，在阴极上得到液态铝。通常称熔融状态下的氧化铝(含冰晶石氟化盐等化合物)为电解质，称电解生成后的液态铝为产成铝液。

在电解过程中，由于铝液的比重大于电解质向下沉淀，依附在电解槽阴极内衬上表面和电解质(即液态氧化铝)下表面之间，形成一层铝液层，这层铝液层既是阴极的导电层也是阴极碳块内衬的保护层，同时也形成了阴极和电解质之间的一个电阻层和电磁旋流层。

这种在电解槽内的铝液层的界面高度，随着电解时间的增长不断增高，产成铝液层作为电阻层和电磁旋流层的负面影响也逐渐加大，为了消除铝液层作为电阻层和电磁旋流层的负面影响，使电解槽内的由氧化铝经过热电化学反应生成后的电解质层的厚度也随着加高，既电解的极距高度的加高，致使槽内的电压降升高，电解铝工艺电耗增大。

通常每增加一厘米厚度的电解质，既极距高度，电解槽的工艺电压降会增加350mV左右，致使每吨铝多耗电1000kwh左右。

在现有的电解槽工艺条件下，多采用定时吸铝的方式将电解过程中产成的铝液(作为成品)吸出，以降低铝液水平面的高度，降低因铝液界面的升高而导致电解产生的工艺电阻耗的增加。

同时，电解过程中产成的铝液，由于在电解槽内工况状态下，能产生二次氧化反应，致使电解铝的产量下降，损耗增加。

为消除因铝液层界面的升高而导致电解产生的工艺电阻耗的增加的影响，增加电解铝的产能，目前国内外电解铝行业提出了将电解槽熔池底面，既阴极碳块内衬上表面，由水平式设计改为带有一定坡度的倾斜式设计的方案，或在由水平式阴极碳块内衬上表面开设上铝液导流槽，意图将电解槽中的生成的铝液，向某一方向或某一点流动集聚的设计方案。但是，由于产成铝液的排

出结构设计、砌筑工艺方案等多方面技术问题难以解决，，一直停留在理论探讨和试验室试验阶段，从未加以实施。

发明内容：

一种新型的铝电解槽结构创新的设计的目的：为解决和减少现通用的铝电解槽结构在电解生产过程中，电解质下部阴极表面上部电解产成铝沉积层，既铝液层因此产生的磁场和磁选流，对增高极距电压，所带来的电阻耗电；使电解过程中的产成铝液能够既时排出，减少产成铝液在电解过程中的二次氧化烧损，为此，我设计人员根据多年从事电解铝和其它冶金矿热炉设计的经验，发明提出了一种新型的铝电解槽结构设计方案。

一种新型铝电解槽结构，由电解槽阴极结构和阳极结构两大部分组成，该结构的特点是：铝电解槽的阴极内衬上表面设有聚铝导流槽，在其阴极内衬的端部炭块的侧面，构造安装上带有可调节控制电解槽内铝液水平高低的截流装置，和带可控制调节盛铝池内产成铝液温度的加热装置的产成铝液储流槽.

依据上述总体设计方案；在电解槽阴极内衬端部，设置上有可控制调节铝液水平高低和控制调节温度的铝液储流槽，铝液储流槽的槽体可用碳素材料或炭化硅等抗铝液或电解质腐蚀的保温耐火材料制成，储流槽上设置有铝液导流孔、截流孔、流通孔、侧部检修观察孔和盛铝池，盛铝池上设置有可移动式保温盖板，导流孔、截流孔、流通孔的断面，可设计构制成圆形或矩形。

依据上述结构总体设计方案：在铝液储流槽上部与导流孔垂直相交的截流孔上，配置有能够控制电解槽内铝液高度作用和截流装置，该装置由流棒、阳极导电机构、导电闭合开关、提升压放机构等零部件构成，其中截流装置上的截流棒的断面形状规格尺寸应与与截流孔相对应，能对导流孔(21)中的铝液起截流和密封作用，截流棒可用耐高温抗电解质腐蚀的碳素石墨材料制成。

依据上述结构总体设计方案：在铝液储流槽盛铝池的上，安装有能对盛铝池内的产成铝液实施加热用的加热装置，该加热装置由石墨炭素电极加热棒装置、提升压放机构，上部阳极导电分流卡具机构等零部件构成，电极加热棒的水平断面可为矩形或圆形。依据上述结构总体设计方案：在阴极内衬与储流槽相连接处，构造出与铝液储流槽上的铝液导流孔相通，与阴极炭块钢棒相平行的产成铝液边部聚铝导流槽，边部聚铝导流槽的底面低于相邻阴极内衬的上表面，并向铝液导流孔方向倾斜，致使电解槽内的产成铝液能够沿着边部聚铝导流槽或或阴极内衬上表面经过铝液导流孔流入盛铝池。

依据上述结构总体设计方案：在铝电解槽阴极内衬上水平表面，设置有低于阴极内衬上水平表面，向铝液导流孔方向倾斜，与铝液导流孔轴线方向平行的主干聚铝导流槽，并在主干聚铝导流槽的两侧，铝电解槽阴极内衬上表面，两阴极炭块缝间捣固糊上设置有分支聚铝导流槽，该分支聚铝导流槽底部由电解槽侧部的高处向主干聚铝导流槽底部倾斜。

本发明一种新型铝电解槽结构，由于在电解槽上设置了可调节电解槽内产成铝层界液面高低，带有能够控制铝液流量的截流装置和能对盛铝槽实施电极加热的铝液储流槽，可使阴极碳块上表面的铝液，能够在铝液截流装置的控制下，通过导流孔流入到产成铝液盛铝池中，解决了阴极碳块表面电解槽熔池内产成铝液层界面高低能够人为的调节控制的问题，从而可以通过降低电解槽内铝液层高度的方式，消除铝液层产生的磁旋流及磁场对电解质高度及电解极距高低的影响，达到降低极距电压降，减少产成铝的二次氧化烧损，降低铝电解工艺电耗的目的：又使产成铝液层能起到保护阴极内衬，平衡电阻，调节稳定极距的作用，以达到铝电解槽工艺稳定，参数平衡，节电生产的目的。

附图说明：

一种新型铝电解槽结构设计方案可参照下列图示予以说明，结合理解上述发明内容则更加明了。

图1：一种新型铝电解槽结构的总体方案立面示意图

图2：一种新型铝电解槽结构的阴极上表面示意图

图3：一种新型铝电解槽结构的阴极内衬和液铝储流槽立面断面示意图

图4：一种新型铝电解槽结构的阴极内衬上表面示意图

图5：是图4端部阴极内衬端部与储流槽内侧部结构断面示意图

图6：一种新型铝电解槽结构在阴极内衬上表面设置有分支聚铝导流槽和液铝液储流槽立面断面示意

图7：一种新型铝电解槽结构铝液储流槽截流装置结构断面示意图

图8：一种新型铝电解槽结构铝液储流槽加热装置结构断面示意图

上述图中零部件序号所示：

1铝液、2电解质、3阴极钢棒、4阴极炭块、5捣固缝间糊、6阳极炭块、7阳极大母线、8上部提升桁架梁、9铝导杆小合卡具、10、阴极大母线、11钢壳、12防渗漏层、13小炭块、14阴极内衬、15硼化钛涂层、16侧部炭块：20铝液储流槽、21导流孔、22截流孔、23流通孔、24检修观察孔、25盛铝池、26糟体墙、27保温盖板、28耐火塞料、29吸铝管；30截流装置、31截流棒、32阳极导电机构系统、33导电闭合开关、34分流软铜导线、35连接卡具接头、36绝缘连接、37提升压放机构、38电机、39自动控制系统；40保温加热装置、41加热电极、42提升压放机构、43阳极导电分流卡具、44支撑架、45阴极小钢棒、46电动机械传动机构、47阳极母线闭合开关、48阴极母线闭合开关、50边部聚铝导流槽、51主干聚铝导流槽、52分支聚铝导流槽、53边部碳块。

实施方案：一种新型铝电解槽结构是在现通用的铝电解槽结构基础上创新设计出来的，该电解槽结构部件的制作与安装工艺，可参照现行的相关技术工艺标准进行。一种新型的铝电解槽的砌筑施工以及零部件的加工的要点如下：

1在电解槽的钢壳体(11)内按图纸设计、工艺要求，砌筑好阴极炭块的保温层和防渗漏层(12)。

2、在铝电解槽的钢壳体(11)内的防渗漏层(12)上，确定水平标高和出铝端边部阴极炭块(4)的位置之后，先构造安装上铝液储流槽(20)的槽体(20)，铝液储流槽(20)墙体部分材料可以采用碳素材料、炭化硅、氮化硅结合炭化硅等抗电解质冲刷，耐腐蚀、耐氧化的材料预制而成，材料化学成分相接近于铝电解槽侧部碳。储流槽(20)外墙槽体(26)以及盛铝池(25)周边可以采用高铝耐火砖砌筑，也可采用碳素捣固料或抗铝液腐蚀的捣打料砌筑制成。

铝液储流槽(20)上设置有若干个水平方向与电解槽溶池内相连的产成铝液导流孔(21)、与导流孔(21)垂直相交的截流孔(22)、铝液流通孔(23)、检修观察孔(24)和产成铝液盛铝池(25)，铝液储流槽(20)上可设置有移动式保温盖板(27)，以及吸铝管(29)。

导流孔(21)、截流孔(22)、流通孔(23)的断面可设计构制成圆形或矩形等形状。铝液导流孔(21)的断面可设计构造成外大里小的梯形形状，铝液储流槽(20)上的铝液导流孔(21)个数可根据电解槽的实际需要设定。盛铝池(25)靠外侧墙壁面上部设有能对导流孔(21)、流通孔(23)，进行检修疏导用的导检修观察孔(24)，平时不用时，用塞料(28)紧密堵死，防止铝液外流，只有在需用时才打开，使用过程中要随时检查。盛铝池(25)的上端设置有盖板(27)，用来保持盛铝池(25)内铝液(1)的温度。

3、在防渗料层(12)的上表面捣固砌筑阴极炭块(4)钢棒(3)组，在阴极炭块(4)的水平上表面中部沿大母线(7)轴线方向，构造出由另一端向铝液储流槽(20)上铝液导流孔(21)方向倾斜并与铝液导流孔(21)轴线方向平行主干聚铝导流槽(51)和设置在铝电解槽阴极内衬(14)上表面两阴极炭块(4)缝间捣固糊(5)上的分支聚铝导流槽(52)，该分支聚铝导流槽(52)底部由电解槽侧部的高处向主干聚铝导流槽(51)底部倾斜.然后，在阴极炭块内衬上表面(14)捣固涂打上硼化钛可湿润阴极保护层(15)，砌筑捣固好侧部炭块(16)；构筑成一个电解铝的阴极电解溶池。

4、在铝液储流槽(21)和端部阴极炭块(4)之间，用石墨炭素材料或炭化硅材料捣固砌筑制出与阴极钢棒(3)相平行的边部聚铝导流槽(50)，其边部聚铝导流槽(50)的底部高度设置应低于阴极内衬(16)上水平表面，其高差与铝液导流孔(21)的高度相一致，既导流孔(21)的上边沿与端部相邻炭块(4)的上表面基本在同以平面上。其边部聚铝导流槽(50)的底部可向铝液导流孔(21)方向倾斜。

5、在铝液储流槽(20)上方的对应位置，制做安装上可调节控制电解槽内铝液(1)水平高低的截流装置(30)，该装置主要由截流棒(31)、阳极导线连接系统(32)、导电闭合开关(33)、提升压放机构(37)、等零部件所构成。

截流棒(31)与铝液储流槽(20)的截流孔(22)的形状规格相配合，靠截流棒(31)的在截流孔(22)洞进行的上下穿插运动，调节铝液导流孔(21)和截流孔(22)断面的闭合大小，来控制电解槽内阴极内衬(14)上表面的产成铝液(1)流入铝液导流孔(21)内的铝液(1)流量多少，以达到控制调节电解槽内铝液(1)层水平界面高低的目的，

截流棒(31)一般采用石墨碳素材料制成。截流棒(31)的上端有金属连接卡具接头(35)，与阳极导电线路系统(32)相连接，截流棒(31)的上端用电解阳极大母线上的电流作为正极，截流棒(31)与下端相接触的储流槽(20)墙体(26)石墨碳素材料或导流孔(21)中的产成铝液(1)作为负极，利用电解槽的电流源，对石墨碳素材料制成截流棒(31)进行电阻加热。阳极导电连接线路系统(32)上设有闭合开关(33)，以控制电路的闭合。截流棒(31)固定在提升压放机构(37)上，安装固定在电解槽结构上，也可固定在阳极大母线上(7)，调整提升压放机构(37)的下上移动，可采用电机驱动机械机构(38)，也可采用手动，还可以利用电解车间的多功能天车螺旋卡具等方式进行，采用电机驱动机械机构(38)可与电解槽槽控箱系统(39)配套使用，以便实现自动化控制。

6、为了控制调节铝液(1)储流槽(20)上盛铝池内(25)的铝液(1)温度，防止冷却凝结，可在电解槽阳极大母线(7)的端部，铝液储流槽(20)的盛铝池(25)内上方，安装上铝液导电加热装置(40)。

铝液(1)导电加热装置(40)上部阳极部分由电极加热棒(41)、提升压放机构(42)、阳极导电分流卡具(43)、支撑架(44)、电动机械传动机构(46)、阳极母线闭合开关(47)等零部件组成。

电极加热棒()通过阳极导电分流卡具机构()与阳极大母线()相连接，作为电极加热棒的正极，在铝液储流()槽盛铝池()底部可安装有阴极分流导电装置，作为电极加热棒()的负极，阴极分流导电装置由阴极小钢棒()分流导线()和阴极母线闭合开关()等零部件组成，工作时与电解槽阴极母线相连接。

加热装置()在加热时，储流槽()上盛铝池()内铝液()温度，也可采用调整电极加热棒与铝液接触面积或调整电流强度的方法进行调整，可用人工和机械自动化两种方式进行控制。

第一种加热工作方式为；当盛铝池(25)内的铝液(1)温度比较高，进行正常加热工作时，将阴极母线(9)闭合开关(48)断开，电极加热棒(41)通过电极提升压放机构(42)与阳极大母线(7)进行连接，视为正极，盛铝池(25)内铝液(1)与电解槽内铝液(1)阴极相连接，视为负极，构成一个电流回路，靠调整电极加热棒(41)的高度以及盛铝池(25)内铝液(1)接触面积，调整电极加热棒(41)加热功率，利用电极加热棒(41)的电阻热，对盛铝池(25)内的铝液(1)进行温度控制和调节。此时可把盛铝池(25)内的铝液(1)可视为阴极内衬表面铝液(1)的一部分。

第二种加热工作方式为；在铝液储流槽(20)盛铝池(25)底部，安装有阴极分流导电装置作为加热棒(41)的负极补充电流回路，阴极分流导电装置由阴极分流小钢棒(45)、阴极母线闭合开关(48)、分流导线等零部件组成。

当盛铝池(25)内的铝液(1)温度比较低时，需要较大的电流对盛铝池(25)内的铝液(1)进行加热时，此时接通阴极大母线闭合开关(48)，让盛铝池(25)底部的阴极小钢棒(45)与电解槽阴极大母线相(10)连接，通过阴极短路的方法加大电极加热棒(41)与低温铝液(1)的电流通量，以加大调整电极加热棒(41)加热功率，达到快速熔解加热低温铝液(1)的目的。

电极加热棒(41)的加热功率，可用调整电极加热棒(41)与铝液(1)接触面积，或调整电流强度的方法进行调整，可用人工或机械自动化两种方式进行控制。

一种新型铝电解槽结构整体制作完成后，其储流槽(20)盛铝池(25内的铝液(1))，由于和电解槽内的铝液1不混合，此时可加入其它合金，对铝液(1)化学成份进行调整，必要时可将导流孔(21)侧面的截流棒(31)关闭，利用上部加热装置(40)的阳极电源，和底部小阴极钢棒(45)的阴极电源，把盛铝池(25)看做是一个小电熔池，对铝液1进行合金共熔处理。

工业应用效果；本发明一种新型铝电解槽结构，由于在电解槽上设置了可调节电解槽内产成铝层界液面高低，带有能够控制铝液流量的截流装置和能对盛铝槽实施电极加热的铝液储流槽，可使阴极碳块上表面的铝液，通过储流槽上的导流孔顺利的流入盛铝池内，解决了阴极碳块表面电解槽熔池内产成铝液层界面高低可调问题，从而可以通过降低电解槽内铝液层高度的方式，消除铝液层产生的磁旋流及磁场对电解质高度及电解极距高低的影响，达到降低极距电压降，减少产成铝的二次氧化烧损，降低铝电解工艺电耗的目的。同时又可以用调节电解槽内铝液层面高低的方式，调节电解槽内的工艺参数的平衡，以达到铝电解槽工艺稳定，参数平衡，节电生产的目的，采用本发明结构设计方案对现通用的电解槽，进行实施改造，可使吨铝电解电耗大幅下降。

Claims (6)

1一种新型铝电解槽结构，由电解槽阴极结构和阳极结构两大部分组成，该结构的特点是：铝电解槽的阴极内衬(14)上表面设有聚铝导流槽(51)，在其阴极内衬(14)的端部炭块(4)的侧面，构造安装上带有可调节控制电解槽内铝液(1)水平高低的截流装置(30)，和带可控制调节盛铝池(25)内产成铝液(1)温度的加热装置40的产成铝液储流槽(20)。

2、依据权利要求1所述的一种新型铝电解槽结构其特征是：在电解槽阴极内衬(14)端部，设置上有可控制调节铝液水平高低和控制调节温度的铝液储流槽(20)，铝液储流槽(20)的槽体可用碳素材料或炭化硅等抗铝液或电解质腐蚀的保温耐火材料制成，储流槽上设置有铝液导流孔(21)、截流孔(22)、流通孔(23)、侧部检修观察孔(24)和盛铝池(25)，盛铝池(25)上设置有可移动式保温盖板(27)，导流孔(21)、截流孔(22)、流通孔(23)的断面，可设计构制成圆形或矩形。

3、依据依据权利要求1所述的一种新型铝电解槽结构其特征是：在铝液储流槽(20)上部与导流孔(21)垂直相交的截流孔(22)上，配置有能够控制电解槽内铝液高度作用和截流装置(30)，该装置由截流棒(31)、阳极导电机构(32)、导电闭合开关(33)、提升压放机构(34)等零部件构成，其中截流装置(30)上的截流棒(31)的断面形状规格尺寸应与与截流孔(22)相对应，能对导流孔(21)中的铝液(1)起截流和密封作用，截流棒(31)可用碳素石墨等耐高温抗电解质腐蚀的材料制成。

4、依据权利要求1所述的一种新型铝电解槽结构其特征是：在铝液储流槽(21)盛铝池(25)的上部，安装有能对盛铝池(25)内的产成铝液(1)实施加热用的加热装置(40)，该加热装置(40)由石墨炭素电极加热棒(41)装置、提升压放机构(42)，上部阳极导电分流卡具机构(43)等零部件构成，电极加热棒的水平断面可为矩形或圆形，电极加热棒(41)通过阳极导电分流卡具机构(43)与阳极大母线(7)相连接，作为电极加热棒(41)的正极，在铝液储流槽(20)盛铝池(25)底部可安装有阴极分流导电装置，作为电极加热棒(41)的负极，阴极分流导电装置由阴极小钢棒(45)、分流导线和阴极母线闭合开关(48)等零部件组成，工作时与电解槽阴极母线相连接。

5、依据权利要求1所述的一种新型铝电解槽结构其特征是：在阴极内衬(14)与储流槽(20)相连接处，构造出与铝液储流槽(20)上的铝液导流孔(21)相通，与阴极炭块钢棒(3)相平行的产成铝液(1)边部聚铝导流槽(50)，边部聚铝导流槽(50)的底面低于相邻阴极内衬(14)的上表面，并向铝液导流孔(21)方向倾斜。

6、依据权利要求1所述的一种新型铝电解槽结构特征是：在铝电解槽阴极内衬(14)上水平表面，设置有低于阴极内衬(14)上水平表面，向铝液导流孔(21)方向倾斜，与铝液导流孔(21)轴线方向平行的主干聚铝导流槽(51，并在主干聚铝导流槽(51)的两侧，铝电解槽阴极内衬上(14)表面，两阴极炭块(4)缝间捣固糊(5)上设置有分支聚铝导流槽(52)，该分支聚铝导流槽(52)底部由电解槽侧部的高处向主干聚铝导流槽(51)底部倾斜。

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