CN101949035B - 铝电解用新型组合石墨化异型阴极 - Google Patents

Abstract

一种铝电解用新型组合石墨化异型阴极，包括主体块和石墨化阴极阻流块，主体块纵向边缘对称设有凹槽，并将不同于主体块材质的石墨化阴极阻流块跨越两个主体块镶嵌在两个凹槽内。本发明采用的是在两块阴极主体块接合缝上“跨极镶嵌”阻流块方式，减小铝电解的极距，降低槽电压约0.35v～0.5v，吨铝节能可≥1000KWh，节能降耗效果显著。本发明既可避免在主体块中间开槽而减少主体块有效厚度影响其寿命，又可达到对主体块接合缝进行局部结构补强的目的，从而延长电解槽寿命。

Description

铝电解用新型组合石墨化异型阴极

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，特别涉及一种用熔盐电解法制取金属铝的铝电解异型阴极。

背景技术

铝是以氧化铝熔盐电解法制造的，其基本原理：熔融的Al₂O₃在阳极/阴极间直流的作用下发生电化学反应使Al/O分离，Al³⁺不断地在阴极获得电子形成Al液滴并聚积成大量铝液，而O^2-不断地在阳极失去电子并与C反应生成大量CO₂，其化学反应方程式为2Al₂O₃+3C＝4Al+3CO₂，该反应过程中需要消耗大量电能。铝电解直流电耗遵循如下公式：直流电耗＝2980×V/μ(V表示槽电压，因“极距”变化而变化、μ表示电流效应，现代电解槽为0.93-0.95)。实践表明，阳极与铝液面之间的距离(简称“极距”)对电解铝电耗的影响极大，在使用现有平面型普通阴极的情况下，熔盐电解法生产金属铝的直流电耗在13500～13800kWh/tAl之间。因铝电解槽受加料、磁场、电场、阳极更换、阳极气体逸出等因素影响，槽内铝液面会产生波动而形成“湍流”，一方面“湍流”可对电解液起“搅拌”作用而减少电解质沉淀有利于生产；另一方面“湍流”引起液面波动造成“极距”增大而使电耗升高，同时“湍流”易磨损阴极降低阴极寿命。在铝电解用异型阴极的研究和发明方面，我们检索到如下国内外公开文献：

1.中国专利，名称：一种异形阴极碳块结构铝电解槽，申请(专利)号：200710010523.4申请日：2007.3.2.，分类号：C25C3/08(2006.1)申请(专利权)人：冯乃样，摘要：该异形阴极碳块结构铝电解槽，包括槽壳、设置在底部的耐火保温材料、阳极和阴极，阴极碳块为异形结构，即在阴极碳块的表面形成若干凸起，该发明的阴极结构铝电解槽可以减缓电解槽内阴极铝液的流动速度和降低铝液的波动高度，从而达到提高铝电解槽的金属铝液面的稳定性，减少铝的溶解损失，提高电流效率和减少极距，降低铝电解生产电能消耗，以及在阴极底部凸起的墙体之间能形成粘稠冰晶石熔体氧化铝的混合物或沉淀物，阻止阴极铝液通过槽底裂纹和缝隙流入槽底，熔化钢棒，达到延长电解槽寿命的目的。该发明的凸起的异形结构阴极碳块是与主体块连成一体，异形明极碳块结构的材料同传统的电解槽的阴极碳块一样，它可以是由无烟煤作成的异形阴极碳块，也可以是由人造石墨碎或无烟煤和人造石墨碎的混和料作成的异形阴极碳块，还可以是石墨化或半石墨化的异形阴极碳块。该发明虽然对铝电解的阴极结构进行了改进，便于生产与操作，取得了一定的积极效果，但还是存在如下不足：

a)凸起部分与本体属同质材料，而凸起部分受铝液“湍流”冲刷大，故寿命远低于本体部分，随着凸起部分的损耗，节电效果下降明显。

b)表面凸起成型时得将生坯制成凸起结构，其现有成型设备、模具、焙烧炉装炉等不适应，必须对原有的生产设备投入巨资进行技改方能实现产业化。即使技改后，阴极表面凸起部分容易造成裂纹废品。

c)未实现对阴极结合部位的薄弱环节进行结构补强。

d)在阴极底部凸起的墙体之间能形成粘稠冰晶石熔体氧化铝的混合物或沉淀物有利于延长槽寿命是一种误导，这只会增大槽底电阻率，增加不必要的电耗。

2.中国专利，名称：一种能减缓阴极凸起磨蚀的新型阴极结构铝电解槽，申请(专利)号：CN200910248884.1，分类号：C25C3/08(2006.01)I，申请(专利权)人：冯乃祥，地址：辽宁省沈阳市和平区南湖望湖北路七巷2号11-3，摘要：一种能减缓阴极凸起磨蚀的新型阴极结构铝电解槽，在每个阴极碳块上沿长度方向的边部加工有凸起结构，称为长度方向凸起；或在阴极碳块上部加工与阴极碳块的长度方向相垂直的凸起，称为宽度方向凸起；或在阴极碳块上边部同时加工长度方向凸起和宽度方向凸起。阴极碳块凸起的中间镶嵌有一层耐火材料墙板，阴极碳块凸起与耐火材料墙板构成整体凸起，整体凸起具有减缓铝液流速、减少铝液波动、提高电解槽铝液面稳定性的作用，在阴极碳块凸起被磨蚀后，由于耐火材料墙板比碳的电化学磨蚀性小，耐火材料墙板能继续起到减缓铝液流速的作用。主权项：一种能减缓阴极凸起磨蚀的新型阴极结构铝电解槽，其特征在于在每个阴极碳块上沿长度方向的边部加工有凸起结构，称为长度方向凸起；或在阴极碳块上部加工与阴极碳块的长度方向相垂直的凸起，称为宽度方向凸起；或在阴极碳块上边部同时加工长度方向凸起和宽度方向凸起；三种结构形式如下：(1)在每个阴极碳块上沿长度方向的边部加工有长度方向凸起长度方向凸起的高度为10～18cm，宽度为5～15cm，位于每个阴极碳块沿长度方向的边部，且该长度方向凸起的外侧表面与阴极碳块边缘的水平距离为1～3cm，两个相邻阴极碳块的中缝用碳素捣固糊捣固连接，捣固糊的高度与阴极碳块的高度相等，在两个相邻阴极碳块捣固糊的上表面安放一条耐火材料墙板，在每两个相邻阴极碳块之间，耐火材料墙板与相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起构成一个整体长度方向凸起；(2)在阴极碳块上部同时加工长度方向凸起和宽度方向凸起宽度方向凸起位于上述的两个整体长度方向凸起之间，宽度方向凸起与阴极碳块为一个整体，在每个阴极碳块上，宽度方向凸起与其相邻的整体长度方向凸起之间的距离为5～10cm；(3)在阴极碳块上部加工宽度方向凸起每个阴极碳块上，每两个宽度方向凸起之间的距离为20～40cm，宽度方向凸起的高度为10～18cm，宽度为18～30cm，长度与阴极碳块的宽度相一致或小于阴极碳块的宽度2～6cm。

该发明除了与文献1存在的相同的技术问题外，还存在由于采用耐火材料——为非导电材料，必将导至槽电阻率提高，增加电耗，与节能的目标相背离。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种能利用现有设备进行生产，生产成本低，阻流块寿命长(与电解槽同寿命)，同时实现对两个阴极主体块结合部位的薄弱环节进行结构补强，解决铝电解液易从两个阴极主体块结合部位漏槽的技术问题的铝电解用组合式异型阴极。

本发明是这样实现的：

铝电解用新型组合石墨化异型阴极，包括主体块和石墨化阴极阻流块，主体块纵向边缘对称设有两组凹槽，不同于主体块材质的石墨化阴极阻流块跨越两个主体块之间的连接缝，镶嵌在两个凹槽组合成的凹槽内，并用糊料将石墨化阴极阻流块(3)捣固在主体块(1)上，即两块阴极主体块接合缝上“跨极镶嵌”阻流块。主体块、阻流块的外形尺寸、镶嵌组合方式及机加工要求可依据电解槽大小及变压器装机容量而定。

以上所述的铝电解用新型组合石墨化异型阴极，其主体块为普通铝电解用炭块材质，阻流块为铝电解用石墨化材质。

以上所述的石墨化阴极阻流块与主体块的横向外侧边缘的距离为300～380mm，以使铝电解槽阳极作业或维修时不会碰坏或撞松阻流块，两块石墨化阴极阻流块之间的间距为300～350mm，便于电解槽加料作业。

以上所述的铝电解用新型组合石墨化异型阴极，主体块之间的连接缝是用糊料捣固。

以上所述的铝电解用新型组合石墨化异型阴极，其凹槽的深度为100～150mm宽度为80～100mm。

以上所述的铝电解用组合石墨化异型阴极，石墨化阴极阻流块的横断面为矩形或凸形；横断面为凸形时，石墨化阴极阻流块顶端设有倒角，倒角的角度为135°～175°，倒角高度为30～60mm。

本发明的铝电解用新型组合石墨化异型阴极与现有技术相比具有如下优点：

(1)采用在两块阴极主体块接合缝上“跨极镶嵌”阻流块方式，构成节能石墨化异型阴极，该阴极通过凸起的阻流块能稳定铝液液面而减小极距≥10mm、降低槽电压约0.35～0.5V，达到每吨电解铝节约电耗≥1000kWh的目的。

(2)采用“跨极镶嵌”方式，既可避免在主体块中间开槽而减少主体块有效厚度影响其寿命，又可达到对主体块薄弱部位(主体块接合缝)进行局部结构补强的目的，从而延长电解槽寿命。

(3)对主体块、阻流块采用不同材质材料进行生产，质量改进针对性强、实施简单、并可降低成本。

(4)阴极生产过程中现有主体设备、模具、炉型等不用改变，操作性强。

(5)使用时，筑槽简单、与现行铝电解工艺一致。

附图说明：

图1为本发明铝电解用新型组合石墨化异型阴极的立体图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的右视图。

图中，1为主体块，2为连接缝，3为石墨化阻流块，4为凹槽，5为顶端倒角。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明铝电解用新型组合石墨化异型阴极，主体块的外形尺寸和阻流块长度依据电解槽大小及变压器装机容量而定；在主体块(1)纵向边缘对称开设有两组深度为100mm，宽度为80mm的凹槽(4)，凹槽(4)与主体块的横向外侧边缘的距离为300mm，同一侧的两个凹槽(4)之间的间距为300mm；将不同于主体块材质的，横断面为矩形的，高度为120mm，宽度为150mm的石墨化阴极阻流块(3)跨越两个主体块(1)的连接缝(2)，镶嵌在两个凹槽(4)组合成的凹槽内内；最后再用糊料将主体块(1)之间的连接缝(2)捣固和用糊料将石墨化阴极阻流块(3)捣固在主体块(1)上。即可。

实施例2

如图1所示，本发明其中之一的铝电解用新型组合石墨化异型阴极，主体块的外形尺寸和阻流块长度依据电解槽大小及变压器装机容量而定；在主体块(1)纵向边缘对称开设有两组深度为125mm，宽度为90mm的凹槽(4)，凹槽(4)与主体块的横向外侧边缘的距离为340mm，同一侧的两个凹槽(4)之间的间距为325mm；将不同于主体块材质的，横断面为矩形的，高度为190mm，宽度为175mm的石墨化阴极阻流块(3)跨越两个主体块(1)的连接缝(2)，镶嵌在两个凹槽(4)组合成的凹槽内内；最后再用糊料将主体块(1)之间的连接缝(2)捣固和用糊料将石墨化阴极阻流块(3)捣固在主体块(1)上。即可。

实施例3

如图1所示，本发明其中之一的铝电解用新型组合石墨化异型阴极，主体块的外形尺寸和阻流块长度依据电解槽大小及变压器装机容量而定；在主体块(1)纵向边缘对称开设有两组深度为150mm，宽度为100mm的凹槽(4)，凹槽(4)与主体块的横向外侧边缘的距离为380mm，同一侧的两个凹槽(4)之间的间距为350mm；将不同于主体块材质的，横断面为凸形的，整体高度为260mm，整体宽度为200mm，顶端倒角(5)的角度为135°，倒角高度为30mm的石墨化阴极阻流块(3)跨越两个主体块(1)的连接缝(2)，镶嵌在两个凹槽(4)组合成的凹槽内内；最后再用糊料将主体块(1)之间的连接缝(2)捣固和用糊料将石墨化阴极阻流块(3)捣固在主体块(1)上。即可。

实施例4

如图1所示，本发明其中之一的铝电解用新型组合石墨化异型阴极，主体块的外形尺寸和阻流块长度依据电解槽大小及变压器装机容量而定；在主体块(1)纵向边缘对称开设有两组深度为150mm，宽度为100mm的凹槽(4)，凹槽(4)与主体块的横向外侧边缘的距离为380mm，同一侧的两个凹槽(4)之间的间距为350mm；将不同于主体块材质的，横断面为凸形的，整体高度为260mm，整体宽度为200mm，顶端倒角(5)的角度为150°，倒角高度为45mm的石墨化阴极阻流块(3)跨越两个主体块(1)的连接缝(2)，镶嵌在两个凹槽(4)组合成的凹槽内内；最后再用糊料将主体块(1)之间的连接缝(2)捣固和用糊料将石墨化阴极阻流块(3)捣固在主体块(1)上。即可。

实施例5

如图1所示，本发明其中之一的铝电解用新型组合石墨化异型阴极，主体块的外形尺寸和阻流块长度依据电解槽大小及变压器装机容量而定；在主体块(1)纵向边缘对称开设有两组深度为150mm，宽度为100mm的凹槽(4)，凹槽(4)与主体块的横向外侧边缘的距离为380mm，同一侧的两个凹槽(4)之间的间距为350mm；将不同于主体块材质的，横断面为凸形的，整体高度为260mm，整体宽度为200mm，顶端倒角(5)的角度为175°，倒角高度为60mm的石墨化阴极阻流块(3)跨越两个主体块(1)的连接缝(2)，镶嵌在两个凹槽(4)组合成的凹槽内内；最后再用糊料将主体块(1)之间的连接缝(2)捣固和用糊料将石墨化阴极阻流块(3)捣固在主体块(1)上。即可。

Claims (6)

1.一种铝电解用组合石墨化异型阴极，包括主体块（1）和石墨化阴极阻流块（3），其特征在于：主体块（1）纵向边缘对称设有两组凹槽（4），石墨化阴极阻流块（3）跨越两个主体块（1）之间的连接缝（2），镶嵌在两个凹槽（4）组合成的凹槽内，并用糊料将石墨化阴极阻流块（3）捣固在主体块（1）上。

2.根据权利要求1所述的铝电解用组合石墨化异型阴极，其特征在于：主体块（1）为普通铝电解用炭块材质，阻流块（3）为铝电解用石墨化材质。

3.根据权利要求1所述的铝电解用组合石墨化异型阴极，其特征在于：所述的石墨化阴极阻流块（3）与主体块的横向外侧边缘的距离为300~380mm，同一纵向的两块石墨化阴极阻流块（3）之间的间距为300~350mm。

4.根据权利要求1所述的铝电解用组合石墨化异型阴极，其特征在于：主体块（1）之间的连接缝（2）用糊料捣固。

5.根据权利要求1所述的铝电解用组合石墨化异型阴极，其特征在于：凹槽的深度为100~150㎜,宽度为80~100㎜。

6.根据权利要求1所述的铝电解用组合石墨化异型阴极，其特征在于：所述的石墨化阴极阻流块（3）的横断面为矩形或凸形。

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