CN101984143B - 一种外热式铝电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种外热式铝电解槽，包括电炉，电炉内设有上方开口的钢套，钢套内贴合设有上方开口的石墨槽，石墨槽内设有上下活动的石墨阴极托盘，石墨阴极托盘上设有阴极导电棒，阴极导电棒外穿套有上下活动的阳极导电管，阳极导电管与阴极导电棒之间设有绝缘保护管，阳极导电管的底部连接有石墨阳极，石墨阳极穿设于绝缘保护管外且位于石墨阴极托盘的上方。本发明通过改变外热式铝电解槽的阴、阳极结构，使电解电流从阳极到阴极托盘，再直接回到电源，不存在侧部导电问题。

Description

一种外热式铝电解槽
技术领域
本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种外热式铝电解槽。
背景技术
铝电解技术的发展已有100多年的历史，仍在不断地发展过程中。电解槽的一般结构是：用石墨块或碳块作为阳极，由石墨块或碳块筑成的槽体作为阴极。电解槽工作时，要避免槽体侧部导电。工业生产所用的铝电解槽由于电解电流很大，都采用的是自热式设计，即：利用电解电流通过冰晶石-氧化铝熔体时所产生的热量来维持电解槽的正常工作温度（950℃左右）。电解电流主要集中在电解槽的中部，所以发热也主要集中在槽的中部，能保证电解槽中部的电解质在电解过程中始终处于熔融状态，而槽子的四周由于温度较低，电解质会凝固结壳而形成槽帮，槽帮不仅可以保护槽体免受电解质的浸蚀，更重要的是它能阻止侧部导电，保证电解电流从阳极向下流入铝液阴极，这对保证电解槽拥有合适的阴极电流密度，获得较高的电流效率是不可缺少的。工业铝电解槽的结构示意图如图1所示，外部为槽壳1-1，电解时，电流从阳极母线1-5流入阳极1-4，然后进入冰晶石-氧化铝熔体1-6，由于冰晶石-氧化铝熔体凝固而成的槽帮1-3的保护作用，电流不会流向边部炭块1-2，而是向下进行入阴极铝液1-7，最后经阴极炭块1-8和阴极导电棒1-9回到电源。
在实验室从事铝电解技术或铝合金制备研究时，研究人员使用的往往都是小型铝电解槽，其电解电流较低，达不到自热所需的电流大小。因此，多采用外热式的铝电解槽，即通过外加热的方法熔解电解质并维持电解槽的正常工作温度。如此以来，在电解过程中，电解槽内的电解质都将处于熔融状态，不会出现因槽子四周温度低，电解质凝固而形成槽帮的情况，当电流从阳极流入电解质时，会有部分电流从槽子侧部流走，出现侧部导电的情况，如果不阻断侧部导电，阴极的实际电流密度将会很低，从而导致电流效率很低，甚至根本就电解不出铝。为了防止侧部导电，通常是将一个尺寸合适的氧化铝刚玉管放入圆型槽内，由于刚玉管的绝缘作用，可以保证电解电流由阳极向下流入阴极。现有外热式铝电解槽示意图如图2所示，电炉2-1供热，电解时，电流从阳极导电棒2-7流入石墨阳极2-6，然后进入冰晶石-氧化铝熔体2-9，由于绝缘套管2-5的保护作用，电流不会流向石墨槽2-4的边部，而是向下进行入阴极铝液2-8，最后经石墨槽2-4、石墨槽钢套2-2和阴极导电棒2-3回到电源。由于冰晶石融体的溶解作用，刚玉管会被逐渐溶解。因此，在电解过程中，用于防止侧部导电的刚玉管只能是一次性使用，且维持时间不长，如果要进行较长时间的铝电解试验，就必须不断地更换刚玉管。在实验室从事铝电解技术或铝合金制备研究时，如果使用电流只有几十安培的微型电解槽，由于槽中所用氧化铝刚玉管的尺寸较小，实验成本不会太高。但如果使用的是电解电流为几百安培的小型外热式铝电解槽，就需要使用较大尺寸的刚玉管，而大尺寸的刚玉管价格昂贵，所以，采用这类铝电解槽从事研究工作，试验成本将会很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种避免侧部导电的外热式铝电解槽。
本发明采用以下技术方案：
一种外热式铝电解槽，电炉内设有上方开口的钢套，钢套内贴合设有上方开口的石墨槽，石墨槽内设有上下活动的石墨阴极托盘，石墨阴极托盘上设有阴极导电棒，阴极导电棒外穿套有上下活动的阳极导电管，阳极导电管与阴极导电棒之间设有绝缘保护管，阳极导电管的底部连接有石墨阳极，石墨阳极穿设于绝缘保护管外且位于石墨阴极托盘的上方。
所述石墨槽的底部为漏斗形。
所述钢套置于电炉的底部，钢套与电炉底部之间设有耐火砖。
所述电炉的顶部、围绕阳极导电管设有耐火砖。
本发明采用从改变电解槽的阴、阳极结构出发，改变了传统铝电解槽以槽体作为阴极的结构模式，采用一个石墨阴极托盘作为电解槽的阴极，石墨槽本身不与任何电极直接相连，从而彻底解决了外热式铝电解槽侧部导电的问题，在无需采取保护措施的情况下即可避免侧部导电，较大幅度地降低了外热式铝电解槽的制造成本和运行成本，而且电解槽运行的稳定性也有较大提高。
本发明的电炉用于熔化电解质和维持电解槽的正常工作温度，与石墨槽贴合设置的钢套用于保护石墨槽免受氧化，石墨阴极托盘为边缘稍高的圆盘状，可以存放少量铝液，电解试验开始前，向石墨阴极托盘内放上少量铝，铝熔化并铺满石墨阴极托盘而成为真正的阴极，阳极导电管接电源正极，从而将电源正极接入石墨阳极，阴极导电棒与电源负极相接，阴极导电棒外的绝缘保护管用于保护阴极导电棒免受电解质的腐蚀并起绝缘作用，它可以阻断电流由电解质直接流回电源的通路，以及避免阴极导电棒与石墨阳极发生短路。
本发明的外热式铝电解槽的工作过程是：首先将冰晶石、氧化铝及其他添加剂放入石墨槽，由电炉进行加热，待全部熔化后，将阳极导电管和阴极导电棒接入直流电解电源，电流经阳极导电管流入石墨阳极并通过熔融电解质进入石墨阴极托盘上的铝液，然后电流再通过石墨阴极托盘和阴极导电棒流回电源。在此过程中，熔融电解质中的Al3+不断向石墨阴极托盘移动，并在铝液阴极处获得电子还原成Al原子并进入阴极铝液。随着电解过程的进行，石墨阴极托盘上的铝液不断增加，当铝液面稍高于石墨阴极托盘的边缘时，铝液便开始溢出而流入石墨槽中，石墨槽的底部是漏斗式结构，这有利于铝液的收集和出铝，同时也可以减少铝液与电解质的接触面积，降低铝的溶解率。在电解过程中，石墨阳极被不断消耗而使极距(即：石墨阳极与阴极铝液的间距。)增加，可以通过向上提升阴极托盘的办法调整极距。由于石墨槽体没有与电解电源直接相接，构不成回路，也就不存在侧部导电问题。可以根据电解电流的大小，合理设计阴极托盘的尺寸，可以达到一个理想的阴极电流密度，从而获到较高的电流效率。在进行较长时间的电解试验时，应选择恰当的时间添加氧化铝和补充电解质，并注意更换阴极导电棒的绝缘保护管，以免阴极导电棒受到电解质的腐蚀。
本发明的外热式铝电解槽与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过改变外热式铝电解槽的阴、阳极结构，使电解电流从阳极到阴极托盘，再直接回到电源，不存在侧部导电问题。
2、因无需考虑侧部导电问题，运用本发明特别适合建造电解电流在200-600A的外热式铝电解槽。
3、本发明外热式铝电解槽的运行成本较低。石墨阴极托盘可以重复使用；阴极导电棒的绝缘保护管，虽然属于一次性使用，且在电解时间较长时，需定时更换，但本发明电解槽使用的绝缘保护管尺寸小，价格便宜。
4、石墨阴极托盘上可以存放少量的铝液，保证了铝液是真正的阴极。通过调整石墨阴极托盘的高度可以很容易地调整极距，最大程度模拟了大型铝电解槽的工作过程，电解槽的电流效率较高，工作稳定性好。
附图说明
图1为工业铝电解槽结构示意图；
图2为现有外热式铝电解槽结构示意图；
图3为本发明的结构示意图。
具体实施方式
本发明的外热式铝电解槽，结构如图3所示，包括电炉1，电炉1内设有上方开口的钢套2，钢套2内贴合设有上方开口的石墨槽3，石墨槽3内设有上下活动的石墨阴极托盘4，石墨阴极托盘4上设有阴极导电棒8，阴极导电棒8外穿套有上下活动的阳极导电管6，阳极导电管6与阴极导电棒8之间设有绝缘保护管7，阳极导电管6的底部连接有石墨阳极5，石墨阳极5穿设于绝缘保护管7外且位于石墨阴极托盘4的上方，石墨槽3的底部为漏斗形，钢套2置于电炉1的底部，钢套2与电炉1底部之间设有耐火砖11，电炉1的顶部、围绕阳极导电管6设有耐火砖12，减少热量的损耗。
本发明的外热式铝电解槽的工作过程是：首先将冰晶石、氧化铝及其他添加剂放入石墨槽3，由电炉1进行加热，待全部熔化后，将阳极导电管6和阴极导电棒8接入直流电解电源，电流经阳极导电管6流入石墨阳极5并通过熔融电解质进入石墨阴极托盘4上的铝液10，然后电流再通过石墨阴极托盘4和阴极导电棒8流回电源。在此过程中，熔融电解质中的Al3+不断向石墨阴极托盘4移动，并在铝液10阴极处获得电子还原成Al原子而进入阴极铝液10。随着电解过程的进行，石墨阴极托盘4上的铝液10不断增加，当铝液10面稍高于石墨阴极托盘4的边缘时，铝液10便开始溢出而流入石墨槽3中，石墨槽3的底部是漏斗式结构，这有利于铝液的收集和出铝，同时也可以减少铝液与电解质的接触面积，降低铝的溶解率。在电解过程中，石墨阳极5被不断消耗而使极距增加，可以通过向上提升石墨阴极托盘4的办法调整极距。由于石墨槽3体没有与电解电源直接相接，构不成回路，也就不存在侧部导电问题。
本发明在实施时可将阳极导电管6与阴极导电棒8固定设置于可升降的支架上，通过调整可升降支架的高度实现对石墨阳极5或石墨阴极托盘4的上下调节，也可以采用其他方式固定。

Claims (4)

1.一种外热式铝电解槽，包括电炉，其特征在于，电炉内设有上方开口的钢套，钢套内贴合设有上方开口的石墨槽，石墨槽内设有上下活动的石墨阴极托盘，石墨阴极托盘上设有阴极导电棒，阴极导电棒外穿套有上下活动的阳极导电管，阳极导电管与阴极导电棒之间设有绝缘保护管，阳极导电管的底部连接有石墨阳极，石墨阳极穿设于绝缘保护管外且位于石墨阴极托盘的上方。
2.如权利要求1所述的外热式铝电解槽，其特征在于，所述石墨槽的底部为漏斗形。
3.如权利要求1或2所述的外热式铝电解槽，其特征在于，所述钢套置于电炉的底部，钢套与电炉底部之间设有耐火砖。
4.如权利要求3所述的外热式铝电解槽，其特征在于，所述电炉的顶部、围绕阳极导电管设有耐火砖。
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