CN101701344B - 一种降低电解槽中铝液流速、减缓阴极磨损的方法 - Google Patents

一种降低电解槽中铝液流速、减缓阴极磨损的方法 Download PDF

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Abstract

一种降低电解槽中铝液流速、减缓阴极磨损的方法，属于电解铝技术领域。针对具有表面带有凸起结构的阴极炭块的电解槽，在电解槽的两个相邻阴极碳块之间的碳素捣固糊上部设置耐火材料墙板，耐火材料墙板的上表面与阴极炭块表面上的凸起一样高或高于阴极炭块凸起的上表面；耐火材料墙板侧面的阴极炭块的上表面形状是平的或具有凸起的结构。本发明方法能减缓铝液流速、减少铝液波动、提高电解槽铝液面稳定性、减少阴极炭块表面凸起磨蚀，且对铝电解过程和铝的质量没有影响。

Description

一种降低电解槽中铝液流速、减缓阴极磨损的方法
技术领域
本发明属于电解铝技术领域，具体涉及一种降低电解槽中铝液流速、减缓阴极磨损的方法。
背景技术
目前工业上的纯铝都是采用熔盐电解法生产的，铝电解生产需要消耗较高的电能，其直流电耗可以用如下公式来表示：
式中V平为电解槽的平均电压，CE为电解槽的电流效率。
从上式可以看出，为了降低铝电解生产的电能消耗可以通过降低电解槽电压的方法来实现，在现行的工业电解槽上，如果保持电流效率不变，电解槽的槽电压每降低0.1伏可以实现直流电能消耗降低300kWh/t·Al以上。
降低槽电压可以通过改进电解槽的阴极结构，提高阴极铝液面的稳定性来实现，为此，有研究人员发明了一种其阴极表面具有多种型式凸起的阴极结构的铝电解槽，使得电解槽的阴极铝液面的稳定性大大提高，从而降低了电解槽的有效极距和槽电压，取得了铝电解直流电耗大大降低的效果。但凸起的上表面仍存在着较大的铝液流速和波动，这种流动和波动造成了凸起阴极表面的磨蚀，因此有必要更加降低阴极铝液面的流速和波动。
发明内容
针对目前铝电解工艺中存在的铝液流速快、液面波动和铝液磨蚀阴极严重的问题，本发明提供一种一种降低电解槽中铝液流速、减缓阴极磨损的方法，达到提高电解槽阴极铝液的稳定性、减少凸起的阴极消耗、提高电解槽寿命的目的。
本发明在电解槽的每两个相邻阴极碳块之间的碳素捣固糊上部设置有耐火材料墙板，墙板由碳氮化硅或镁铝尖晶石制成，或由镁质高密度耐火材料、镁铝质高密度耐火材料或镁钙质高密度耐火材料制成。这些墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向设置，设置在两个阴极碳块之间的碳素捣固糊的上部，这些墙板的上表面与阴极碳块表面上的凸起一样高或高于阴极碳块凸起的上表面。这些两个阴极碳块之间的耐火材料墙板具有进一步阻断铝液流速减少铝液波动，提高电解槽铝液面稳定性，减少阴极碳块表面凸起磨蚀的功能。
本发明特别针对具有表面带有凸起结构的阴极碳块的电解槽，其新型阴极结构电解槽由发明专利申请200710010523.4提出。
上述相邻两个阴极碳块碳素捣固糊上部设置的耐火材料墙板的宽度为6～10cm，高度为10～18cm。耐火材料墙板侧面的阴极碳块的上表面形状是平的，或具有凸起的结构(如图5所示)，该凸起的宽度为3～8cm，高度为2～15cm，长度与墙板长度一致，凸起的横截面为矩形。在电解槽正常生产的过程中该凸起可以防止阴极碳块上的沉淀物进入耐火材料墙板边部侵蚀墙板。耐火材料墙板的横截面为矩形也可以是梯形。在每两个相邻阴极碳块之间、与阴极碳块长度方向相一致的方向上，设置上述耐火材料墙板数为2～8个，分设在电解槽进电端和出电端两排阳极底面的下方，当耐火材料墙板数为2个时，两个耐火材料墙板之间的距离为10～25cm。当耐火材料墙板数为3～8个时，除阳极中缝下边两个耐火材料墙板的距离为10～20cm外，其它墙板之间的距离为5～20cm，每个耐火材料墙板的长度相同，电解槽阴极碳块的长度减去间断的总长度得到的数值除以墙板数获得的数值即为每个墙板的长度。
阴极碳块上表面的凸起平行于阴极碳块的长度方向且位于阴极碳块上表面的中央，其宽度为13～20cm，高度为10～18cm，在长度方向上有间断，间断的数量为1～5个。当长度方向上的这种凸起只有一个间断时，间断的位置正好位于电解槽两排阳极中间的大缝的位置上，其间断的距离为10～20cm，当阴极碳块表面上的凸起的间断为3～5个时，中间的间断的位置也正好位于电解槽两排阳极之间的中缝的位置上，其长度为10～20cm，其它两个间断位于中间间断的两边，其长度为10～15cm。当间断数为4～5个时，除两排阳极中缝下边的间断的长度为10～20cm外，其它间断的长度为5～20cm，每个凸起的长度相同，电解槽阴极碳块的长度减去间断的总长度得到的数值除以凸起数获得的数值即为每个凸起的长度。
电解槽阴极碳块上表面凸起横截面的形状可以是梯形也可以上部为矩形，下部为梯形，也可以均为矩形。但无论是梯形还是矩形，其凸起部分与碳块基体的结合处皆为圆角。
以上阴极碳块凸起的形状、结构、尺寸是与专利申请200710010523.4相一致。
在每个阴极碳块的上表面的中间间断处可以有一个与阴极碳块的长度方向相垂直的凸起，垂直的凸起与阴极碳块为一个整体。与阴极碳块的长度方向垂直的凸起与平行的凸起之间的距离为5～10cm。对于一个整体电解槽而言，位于出铝口端的阴极碳块其中间不设置与阴极碳块纵向方向相垂直的凸起。垂直的凸起的横截面为矩形，或梯形，但无论是矩形还是梯形，其与碳块基体的连接部都要加工成圆角。垂直凸起的长度与每个阴极碳块的宽度相同。
在本发明中，表面带有凸起结构的阴极碳块的坯料是由骨料与粘结剂沥青混捏后经振动成型或挤压成型制成的，骨料为煅后无烟煤，或煅后无烟煤和人造石墨的混合物。当阴极碳块坯料的骨料为煅后无烟煤和人造石墨的混捏物时，人造石墨的含量一般为0～50％(质量比)，且人造石墨以细粉加入，粒度小于0.075mm。新型阴极结构的阴极碳块的坯料也可以是硬质人造石墨。新型阴极碳块的坯料还可以按人造石墨占骨料的重量百分含量的不同做成梯度型的。即在坯料的配料的过程中，坯料的下部，使用含有较高的人造石墨重量百分含量的骨料，人造石墨的含量为60～100％，其余为电煅无烟煤，占整个骨料配料的0～40％(质量含量)；而在坯料上部10～20cm的范围内，骨料中的人造石墨要尽可能地少或全部为电煅无烟煤，人造石墨的质量含量0～30％，其余为电煅无烟煤；而在两者之间的为过渡层，人造石墨和煅后无烟煤的比例介于上下两层的配料比之间。
在本发明中，为了减少阴极铝液对电解槽阴极碳块表面上的凸起的冲刷磨蚀，阴极碳块表面的凸起的上表面可以涂覆一定厚度的TiB2/C复合材料，其厚度为2～5cm，TiB2/C复合材料中TiB2的质量含量为30～80％，其余为人造石墨粉，二者的混合物以热固性树脂为粘结剂，按质量百分比计粘接剂用量为TiB2和人造石墨粉总量的5～15％。混合均匀后涂敷在凸起的上表面，然后在100～200℃的温度下使其固化。电解槽焙烧启动过程中，热固性树脂进行高温分解最后形成TiB2/C的复合材料。粘接剂选用常用的热固性树脂即可。
本发明在电解槽的两个相邻阴极碳块之间的碳素捣固糊上设置耐火材料墙板，该墙板是由抗磨蚀、抗腐蚀的铝镁尖晶石或碳氮化硅等材料制成的，其高度随着铝电解时间的增长降低速度较慢，这些耐火材料墙板具有进一步减缓铝液流速、减少铝液波动、提高电解槽铝液面稳定性、减少阴极碳块表面凸起磨蚀的功能，且对铝电解过程和铝的质量没有影响。
附图说明
图1为在相邻两块阴极碳块之间设置有耐火材料墙板的电解槽俯视图。
图2为图1中A-A剖面示意图；
图3为图1中B-B剖面示意图；
图4图1中C-C剖面示意图；
图5为阴极碳块边部带有凸起的新型结构电解槽的示意图；
图6为阴极碳块边部带有凸起的新型结构电解槽的俯视图；
图7为横截面为梯形的阴极凸起的形状示意图；
图8为横截面上部为矩形下部为梯形的阴极凸起的形状示意图；
图9为横截面上部为梯形下部为矩形的阴极凸起的形状示意图；
图10为横截面为矩形的阴极凸起的形状示意图。
图中：1.侧部斜坡，2.阴极碳块，3.耐火材料墙板，4.阴极钢棒，5.槽壁保温材料，6.侧部钢壳，7.浇注耐火材料，8.侧部碳块，9.碳素捣固糊，10.槽底保温材料，11.底部钢壳，12.凸起。
具体实施方式
如附图所示，新型阴极结构的电解槽的外部有侧部钢壳6、底部钢壳11，紧贴侧部钢壳6的为槽壁保温材料5，槽壁保温材料5内部为侧部碳块8(或碳氮化硅砖)，阴极碳块2与侧部碳块8(或碳氮化硅砖)通过侧部斜坡1连接。电解槽的整体阴极由多块阴极碳块2组成，相邻两个阴极碳块2通过碳素捣固糊9相连，电解槽阴极碳块通过阴极钢棒4与外部电源连接，在阴极碳块2底部有槽底保温材料10，槽底保温材料10下部为底部钢壳11。与普通铝电解槽不同的是新型阴极结构的电解槽的阴极碳块表面带有与阴极碳块长度方向平行的凸起结构。本发明在相邻两块阴极碳块之间设置由耐火材料墙板3，耐火材料墙板3设置在阴极中缝的上部，镶嵌在两个阴极碳块之间，紧靠耐火材料墙板3的阴极碳块2表面可以是平的，也可以做成如图5形状的凸起12，该耐火材料墙板3有进一步降低铝液流速，保持铝液稳定的作用。
实施例1
针对具有表面带有凸起结构的阴极碳块的电解槽，在电解槽的每两个相邻阴极碳块之间的碳素捣固糊上部设置有耐火材料墙板，墙板由碳氮化硅制成。这些墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向设置，设置在两个阴极碳块之间的碳素捣固糊的上部，这些墙板的上表面与阴极碳块表面上的凸起一样高。这些两个阴极碳块之间的耐火材料墙板具有进一步阻断铝液流速减少铝液波动，提高电解槽铝液面稳定性，减少阴极碳块表面凸起磨蚀的功能。
上述相邻两个阴极碳块碳素捣固糊上部设置的耐火材料墙板的宽度为8cm，高度为14cm。耐火材料墙板侧面的阴极碳块的上表面形状是平的。耐火材料墙板的横截面为矩形。在每两个相邻阴极碳块之间、与阴极碳块长度方向相一致的方向上，设置上述耐火材料墙板数为5个，分设在电解槽进电端和出电端两排阳极底面的下方，除阳极中缝下边两个耐火材料墙板的距离为15cm外，其它墙板之间的距离为12cm，每个耐火材料墙板的长度相同，电解槽阴极碳块的长度减去间断的总长度得到的数值除以墙板数获得的数值即为每个墙板的长度。
为了减少阴极铝液对电解槽阴极碳块表面上的凸起的冲刷磨蚀，阴极碳块表面的凸起的上表面可以涂覆一定厚度的TiB2/C复合材料，其厚度为3.5cm，TiB2/C复合材料中TiB2的质量含量为55％，其余为人造石墨粉，二者的混合物以热固性树脂为粘结剂，按质量百分比计粘接剂用量为TiB2和人造石墨粉总量的10％。混合均匀后涂敷在凸起的上表面，然后在150℃的温度下使其固化。电解槽焙烧启动过程中，热固性树脂进行高温分解最后形成TiB2/C的复合材料。
实施例2
针对具有表面带有凸起结构的阴极碳块的电解槽，在电解槽的每两个相邻阴极碳块之间的碳素捣固糊上部设置有耐火材料墙板，墙板由镁铝尖晶石制成。这些墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向设置，设置在两个阴极碳块之间的碳素捣固糊的上部，这些墙板的上表面高于阴极碳块凸起的上表面。这些两个阴极碳块之间的耐火材料墙板具有进一步阻断铝液流速减少铝液波动，提高电解槽铝液面稳定性，减少阴极碳块表面凸起磨蚀的功能。
上述相邻两个阴极碳块碳素捣固糊上部设置的耐火材料墙板的宽度为10cm，高度为18cm。耐火材料墙板侧面的阴极碳块的上表面，具有凸起的结构(如图5所示)，该凸起的宽度为5cm，高度为8cm，长度与墙板长度一致，凸起横截面为矩形。在电解槽正常生产的过程中该凸起可以防止阴极碳块上的沉淀物进入耐火材料墙板边部侵蚀墙板。耐火材料墙板的横截面为梯形。在每两个相邻阴极碳块之间、与阴极碳块长度方向相一致的方向上，设置上述耐火材料墙板数为8个，分设在电解槽进电端和出电端两排阳极底面的下方，除阳极中缝下边两个耐火材料墙板的距离为10cm外，其它墙板之间的距离为5cm，每个耐火材料墙板的长度相同，电解槽阴极碳块的长度减去间断的总长度得到的数值除以墙板数获得的数值即为每个墙板的长度。
为了减少阴极铝液对电解槽阴极碳块表面上的凸起的冲刷磨蚀，阴极碳块表面的凸起的上表面涂覆一定厚度的TiB2/C复合材料，其厚度为5cm，TiB2/C复合材料中TiB2的质量含量为80％，其余为人造石墨粉，二者的混合物以热固性树脂为粘结剂，按质量百分比计粘接剂用量为TiB2和人造石墨粉总量的15％。混合均匀后涂敷在凸起的上表面，然后在200℃的温度下使其固化。电解槽焙烧启动过程中，热固性树脂进行高温分解最后形成TiB2/C的复合材料。
实施例3
针对具有表面带有凸起结构的阴极碳块的电解槽，在电解槽的每两个相邻阴极碳块之间的碳素捣固糊上部设置有耐火材料墙板，墙板由镁质高密度耐火材料制成。这些墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向设置，设置在两个阴极碳块之间的碳素捣固糊的上部，这些墙板的上表面与阴极碳块表面上的凸起一样高。这些两个阴极碳块之间的耐火材料墙板具有进一步阻断铝液流速减少铝液波动，提高电解槽铝液面稳定性，减少阴极碳块表面凸起磨蚀的功能。
上述相邻两个阴极碳块碳素捣固糊上部设置的耐火材料墙板的宽度为6cm，高度为10cm。耐火材料墙板侧面的阴极碳块的上表面，具有凸起的结构(如图5所示)，该凸起的宽度为8cm，高度为15cm，长度与墙板长度一致，凸起横截面为矩形。在电解槽正常生产的过程中该凸起可以防止阴极碳块上的沉淀物进入耐火材料墙板边部侵蚀墙板。耐火材料墙板的横截面为矩形。在每两个相邻阴极碳块之间、与阴极碳块长度方向相一致的方向上，设置上述耐火材料墙板数为2个，分设在电解槽进电端和出电端两排阳极底面的下方，两个耐火材料墙板之间的距离为18cm。每个耐火材料墙板的长度相同，电解槽阴极碳块的长度减去间断的总长度得到的数值除以墙板数获得的数值即为每个墙板的长度。
为了减少阴极铝液对电解槽阴极碳块表面上的凸起的冲刷磨蚀，阴极碳块表面的凸起的上表面可以涂覆一定厚度的TiB2/C复合材料，其厚度为2cm，TiB2/C复合材料中TiB2的质量含量为30％，其余为人造石墨粉，二者的混合物以热固性树脂为粘结剂，按质量百分比计粘接剂用量为TiB2和人造石墨粉总量的5％。混合均匀后涂敷在凸起的上表面，然后在100℃的温度下使其固化。电解槽焙烧启动过程中，热固性树脂进行高温分解最后形成TiB2/C的复合材料。
实施例4
针对具有表面带有凸起结构的阴极碳块的电解槽，在电解槽的每两个相邻阴极碳块之间的碳素捣固糊上部设置有耐火材料墙板，墙板由镁铝质高密度耐火材料制成。这些墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向设置，设置在两个阴极碳块之间的碳素捣固糊的上部，这些墙板的上表面高于阴极碳块凸起的上表面。这些两个阴极碳块之间的耐火材料墙板具有进一步阻断铝液流速减少铝液波动，提高电解槽铝液面稳定性，减少阴极碳块表面凸起磨蚀的功能。
上述相邻两个阴极碳块碳素捣固糊上部设置的耐火材料墙板的宽度为8cm，高度为16cm。耐火材料墙板侧面的阴极碳块的上表面，具有凸起的结构(如图5所示)，该凸起的宽度为6cm，高度为10cm，长度与墙板长度一致，凸起横截面为矩形。在电解槽正常生产的过程中该凸起可以防止阴极碳块上的沉淀物进入耐火材料墙板边部侵蚀墙板。耐火材料墙板的横截面为矩形。在每两个相邻阴极碳块之间、与阴极碳块长度方向相一致的方向上，设置上述耐火材料墙板数为6个，分设在电解槽进电端和出电端两排阳极底面的下方，除阳极中缝下边两个耐火材料墙板的距离为15cm外，其它墙板之间的距离为12cm，每个耐火材料墙板的长度相同，电解槽阴极碳块的长度减去间断的总长度得到的数值除以墙板数获得的数值即为每个墙板的长度。
为了减少阴极铝液对电解槽阴极碳块表面上的凸起的冲刷磨蚀，阴极碳块表面的凸起的上表面可以涂覆一定厚度的TiB2/C复合材料，其厚度为4cm，TiB2/C复合材料中TiB2的质量含量为60％，其余为人造石墨粉，二者的混合物以热固性树脂为粘结剂，按质量百分比计粘接剂用量为TiB2和人造石墨粉总量的12％。混合均匀后涂敷在凸起的上表面，然后在180℃的温度下使其固化。电解槽焙烧启动过程中，热固性树脂进行高温分解最后形成TiB2/C的复合材料。
实施例5
针对具有表面带有凸起结构的阴极碳块的电解槽，在电解槽的每两个相邻阴极碳块之间的碳素捣固糊上部设置有耐火材料墙板，墙板由镁钙质高密度耐火材料制成。这些墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向设置，设置在两个阴极碳块之间的碳素捣固糊的上部，这些墙板的上表面高于阴极碳块凸起的上表面。这些两个阴极碳块之间的耐火材料墙板具有进一步阻断铝液流速减少铝液波动，提高电解槽铝液面稳定性，减少阴极碳块表面凸起磨蚀的功能。
上述相邻两个阴极碳块碳素捣固糊上部设置的耐火材料墙板的宽度为7cm，高度为12cm。耐火材料墙板侧面、阴极碳块的上表面，具有凸起的结构(如图5所示)，该凸起的宽度为4cm，高度为6cm，长度与墙板长度一致，凸起横截面为矩形。在电解槽正常生产的过程中该凸起可以防止阴极碳块上的沉淀物进入耐火材料墙板边部侵蚀墙板。耐火材料墙板的横截面为是梯形。在每两个相邻阴极碳块之间、与阴极碳块长度方向相一致的方向上，设置上述耐火材料墙板数为3个，分设在电解槽进电端和出电端两排阳极底面的下方，除阳极中缝下边两个耐火材料墙板的距离为20cm外，其它墙板之间的距离为20cm，每个耐火材料墙板的长度相同，电解槽阴极碳块的长度减去间断的总长度得到的数值除以墙板数获得的数值即为每个墙板的长度。
为了减少阴极铝液对电解槽阴极碳块表面上的凸起的冲刷磨蚀，阴极碳块表面的凸起的上表面可以涂覆一定厚度的TiB2/C复合材料，其厚度为3cm，TiB2/C复合材料中TiB2的质量含量为40％，其余为人造石墨粉，二者的混合物以热固性树脂为粘结剂，按质量百分比计粘接剂用量为TiB2和人造石墨粉总量的6％。混合均匀后涂敷在凸起的上表面，然后在170℃的温度下使其固化。电解槽焙烧启动过程中，热固性树脂进行高温分解最后形成TiB2/C的复合材料。

Claims (3)

1.一种降低电解槽中铝液流速、减缓阴极磨损的方法，其特征在于针对具有表面带有凸起结构的阴极碳块的电解槽，在电解槽的两个相邻阴极碳块之间的碳素捣固糊上部设置耐火材料墙板，耐火材料墙板的上表面与阴极碳块表面上的凸起一样高或高于阴极碳块凸起的上表面；耐火材料墙板侧面的阴极碳块的上表面形状是平的或具有凸起的结构，凸起的宽度为3～8cm，高度为2～15cm，长度与耐火材料墙板长度一致，凸起的横截面为矩形。
2.按照权利要求1所述的降低电解槽中铝液流速、减缓阴极磨损的方法，其特征在于在每两个相邻阴极碳块之间、与阴极碳块长度方向相一致的方向上，设置上述耐火材料墙板数为2～8个，分设在电解槽进电端和出电端两排阳极底面的下方，当耐火材料墙板数为2个时，两个耐火材料墙板之间的距离为10～25cm，当耐火材料墙板数为3～8个时，除阳极中缝下边两个耐火材料墙板的距离为10～20cm外，其它墙板之间的距离为5～20cm，每个耐火材料墙板的长度相同，耐火材料墙板的宽度为6～10cm，高度为10～18cm。
3.按照权利要求1所述的降低电解槽中铝液流速、减缓阴极磨损的方法，其特征在于在阴极碳块表面的凸起的上表面涂覆TiB2/C复合材料，涂覆厚度为2～5cm，TiB2/C复合材料中TiB2的质量含量为30～80％，其余为人造石墨粉，二者的混合物以热固性树脂为粘结剂，按质量百分比计粘接剂用量为TiB2和人造石墨粉总量的5～15％，将TiB2、人造石墨粉和粘接剂混合均匀后涂敷在凸起的上表面，然后在100～200℃的温度下使其固化。
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