CN102002731B - 一种节能型熔盐铝电解槽及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节能型熔盐铝电解槽及其方法，属有色轻金属冶金技术领域。本发明与现有铝电解槽相比有许多不同；其主要不同部分为：阴极(2)和阳极(1)的导电面为倾钭式，并互为仿形，阴极(2)和阳极(1)的材料均为炭素导电材料；阴极(2)似一个卧式三棱柱体结构，三棱柱体的导电面为炭素材料上有TiB₂涂层，或为直接炭素基材；三棱柱体下部为方形阴极水平基座(4)，阴极水平基座(4)周边有铝液收集槽(3)；位于阴极(2)三棱柱体上方的阳极(1)分成左右两翼，阳极(1)的两翼由炭质材料连接头(17)硬性连接。操作方法在现有铝电解法基础上有重要改进。本发明具有结构简单，成本低，能耗大幅度减少，电流效率显著提高的优点。

Description

一种节能型熔盐铝电解槽及其方法

技术领域：

本发明涉及一种节能型熔盐电解铝槽及其方法，属有色轻金属冶金技术领域。

背景技术：

目前的铝电解一直均采用霍尔-埃鲁特(Hall-Heroult)技术，这种方法的特点是阴阳极均是板状水平安放，阴阳极的极间距为4～6cm，阴阳极均为炭素材料。这种方法的优点是阴阳极材料的导电性优良，抗腐蚀性好，同时阴阳极的形状简单，容易加工制作。但该装置和方法也存在一些缺点：例如，在电解过程中，在阳极上放电而形成的新生态氧原子，把阳极炭氧化，放出CO₂和CO，造成环境的污染；其次，在水平式板状阴阳极电解中，电解出的阴极铝是布满于阴极表面，随着铝电解过程的延续铝液层厚度增加，实际的极间距相应减少，铝液层逐步向阳极靠近，加之因电解槽内存在电磁作用引铝液面起的扰动，这势必导致阴极铝被二次氧化增加，其反应式为：AL(g)+CO₂(g)→Al₂O₃+CO。由于二次氧化的限制，致使水平阴阳极铝电解的极间距只能在4～6cm之间，而极间距是单位产铝量电耗的主要决定性因素。已有资料表明^[1、2]，电解质所产生的电压降(E _电解 )约占槽电压总数的38～39％，在槽电压各组元中，(E _电解 )所占的比例最大，其次是分解电压(E _分 )，它占槽电压的26％左右。但(E _分 )是不可降低的一项指标，降低(E _分 )将会导致Al₂O₃不能被电解，因此降低槽电压的主要手段只能是减少电解质的电压降(E _电解 )。

(E_电解)可由下式计算^[1]：E _电解 ＝ρDL……(1)

式中：ρ为电解质的比电阻，D为平均电流密度，L为极间距(cm)。从(1)式可见，若能使铝电解的极间距L下降50％，电解槽的槽电压将能降低19～19.5％，相应的铝电解的能耗也能产生同比例下降；再其次是电流效率(CE)，它是铝电解的重要技术经济指标。减少铝电解过程中的电流损失，就会导致电流效率的提高，而电流损失的主要原因是阴极上生成的铝和钠的二次氧化而引起。因此减少阴极上铝和钠的二次氧化，也是提高电流效率的重要手段之一，而电流效率的提高也会促成单位产铝量电能耗的下降。随着铝电解技术的进步和装备水平的提高，电流效率也从早期的85％提高到93～95％^[1]。在水平阴阳极电解技术条件下，该数值已接近于极限，要进一步的提高电流效率也需设法减少铝和钠的二次氧化。

综上所述，高能耗、高污染和铝的二次氧化是水平阴阳极电解的主要缺点。

参考文献

[1]刘业翔、李吉等“现代铝电解”(M)，冶金工业出版社(2008年8月)

[2]邱竹贤：“铝电解的原理”(M)，中国矿业大学出版社。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有铝电解技术的不足，而提供一种能耗大幅度减少，电流效率也进一步显著提高的熔盐电解铝新型装置和操作方法。

本发明的节能型熔盐铝电解槽，其阴阳极结构和阴极铝液的分布方式与现行的铝电解槽完全不同，其具体不同点如下：

a.阴极(2)和阳极(1)的导电面为倾钭式，并互为仿形，阴极(2)和阳极(1)的材料均为炭素导电材料；阴极(2)似一个卧式三棱柱体结构，三棱柱体的导电面为炭素材料上有TiB₂涂层，或为直接炭素基材；三棱柱体下部为方形阴极水平基座(4)，阴极水平基座(4)周边有铝液收集槽(3)；位于阴极(2)三棱柱体上方的阳极(1)分成左右两翼，阳极(1)的两翼由炭质材料连接头(17)硬性连接；

b.互为仿形的阴极(2)和阳极(1)的炭素导电材料包括：石墨和目前电解铝所用的水平阴阳极人工合成炭素阴阳极材料及半石墨化材料，以及其他以元素碳为主的导电材料；

c.阴极(2)和阳极(1)的导电面与铅垂面的夹角为θ，θ的数值范围是15°～75°；

d.倾钭式阴极(2)的导电面的水平方向，设有不连续阻流台阶，其作用是防止加入电解质中的Al₂O₃粉，未溶解完毕就落入铝液收集槽(3)中，阻流台阶的高和宽a＝2～5mm，两相邻两阻流台阶的间距b＝2～8cm；

e.环绕在阴极水平底部(4)周边的铝液收集槽(3)的上部与阳极(1)相距10cm以上、其底部距阳极(1)20～30cm；

f.倾钭阳极(1)的两翼导电板上开有1～3排气孔(16)、阳极两翼之间的连接头长度为阳极翼总长的15％～25％。

本发明的节能型熔盐铝电解槽操作方法，其操作工艺参数和方法与目前的霍尔-埃鲁特铝电解有两个显著不同点：第一是阴阳极的极间距从常规铝电解的4～6cm下降到2cm及其以下。这样大幅下降极间距也会导致槽电压和单位产铝电耗的大幅度下降。能大幅下降极间距的理由是阴阳极导电面是倾钭的和互仿形的。如前所述，倾钭和仿形结构将使阴阳极之间只有电解质和阴极面上向下滚动的电解铝液滴，阴极表面上形不成一定厚度的铝液层，因此也就不存在两极间的铝液层扰动。第二是改变了Al₂O₃粉下料点的点数，从目前的多个阳极配一个下料孔变为每对阳极上方安排一个下料孔，下料孔的位置安排在阳极导电两翼上方的排气通道位置，即在阳极两翼间连接头的前或后10～20cm处。这样所加入的Al₂O₃粉，90～100％的会立即进入阴阳极导电面间，能让Al₂O₃快速进入贫Al₂O₃区，从而快速溶解，加快还原，加快了电解进程，提高了电解槽的单位生产力，对提高电流效率和减少单位铝产能耗也有促进作用。

本发明与现有铝电解技术相比，具有结构简单，成本低，能耗大幅度减少，电流效率显著提高的优点。

附图说明：

图1为本发明电解槽主视剖面结构示意图。

图2为图1中阳极1两翼的俯视结构示意图。

图3为图1中的A-A面剖视结构示意图。

图4为图1中阴极2的部分纵向剖视结构示意图。

图5为图4中阻流台阶的放大结构示意图。

具体实施方式：

本发明的节能型熔盐电解铝槽，由槽外壳9，置于槽外壳9内壁上的岩棉板层，置于岩棉板层8上的硅酸铝盖板层7，置于硅酸铝盖板层7上的轻质保温砖6，置于轻质保温砖6上的干式防渗漏层5，置于干式防渗漏层5上的炭化硅侧样板10，置于干式防渗漏层5底部的阴极水平底部4，设置于阴极水平底部4上集铝槽3，其上设置有导电钢棒10的阴极2，在阴极2上方有由吊掛螺母14固定的阳极1，置于阴极水平底部4与炭化硅侧样板13之间的扎糊填料层11和高强浇注料层12，置于槽外壳9上方的炉口高铝砖层组成。

本发明所用的异形阴阳极，其制造方法与目前铝电解阴阳极的成形方法相似，物料的组成和配料方法以及成形方法均是相同的。不同的仅是采用振动法或挤压成形时，需把现有制取水平阴阳极的模具更换为倾斜异形阴阳极成形模具。成形后阳极或阴极的焙烧固化工艺与目前水平阳极，阴极的焙烧固化工艺相同。电解铝时，除本发明的专用较小极间距和Al₂O₃加料布点不同外，电解质成分和其余电解操作工艺与目前的霍尔-埃鲁特电解工艺完全相同。

实施例1：

在3kg电解质的小试规模下，为简化制作工艺，采用方形石墨坩锅作电解槽，放于坩锅炉中，外加热式工作，近似卧式三棱柱体的阴极2以及两翼展开的阳极1均由石墨做成，阴阳极对水平面倾钭角(90°-θ)取15°，由于阴极2卧式三棱柱体的长度等于坩锅长度，因此阴极2两端无集铝槽3，只有三棱柱体的两侧面有集铝槽3。阴极2导电面上的阻流台阶高宽为2mm，台阶距离为2cm，采用分子比CR＝2.3的常规冰晶石电解质3kg，熔化后，放入仿形双翼阳极1，在950℃的温度下进行铝电解试验，阴阳极极间距2cm，电解时槽电压波动于2.8到3.1伏间，电解电流波动于105～120A之间，电解48小时后共收集到电流铝766.78克。据此算出小试电解电流效率为42.5％，单位产铝电能耗为24.57kwh/kg·Al。而在同等条件和同等时间下用霍尔一埃鲁特水平阴阳极进行铝电解对照试试验时，只产出电解铝691克，由此算出常规法电解铝的小试电流效率为38.3％，而单位产铝能耗为：43.8kwh/kg·Al。

实施例2：

中试电解槽，阳极1单翼尺寸为50×50×20cm，阴极2三棱柱体长宽高尺寸为

电解槽内装电解质230kg，电解质成分同例1，阴阳极材料为目前国内铝电解常用阴阳极炭素材料。阴极2导电面对铅垂面的倾角θ＝42°，阴极2导电面上阻流台阶高度a＝3mm，阻流台阶间距b＝5cm，阴极2导电面为TiB₂涂层炭基复材。电解温度950℃，实行自热电解，电解电流设计值为4000A，实际工作电流波动于3960～4154A之间，阴阳极的极间距仍为2cm±2mm，电解槽电压波动于2.85～3.17之间，经过240小时的连续电解。采集到的电解铝258.4kg。电解过程中的平均槽电压为3.05伏，平均电解电流为4026A，据此算出中试电解电流效率为79.68％，单位产铝电能耗为11.40kwh/kg·Al。但在同等大小的水平阴阳极电解槽上电解168小时后，产出电解铝157.2kg，平均槽电压为4.25伏，平均电解电流以为4039A，据此可算出水平阴阳极的电流效率为69.04％，单位铝产电能耗为18.34kwh/kg·Al。

实施例3：

中试电解槽，阳极1两翼尺格为50×50×20cm，阴极2三棱柱体尺寸为50×25.9×48.3×0.5(cm)，电解槽内装入同实施例2的电解质300kg，阴极2导电面对铅垂面的倾角θ＝15°，阴阳极材料为目前国内铝电解常用阴阳极炭素材料，阴极2导电面上阻流台阶高a＝5mm，两相邻阻流台阶的间距b＝8cm.阴极导电面上涂有0.3mm厚的TiB₂涂层，其他条件同实施例2，实行自热式电解，设计电流强度为4000A，实际工作电流波动于3915～4162A。阴阳极的极间距为2cm±2mm。经过240小时连续自热式铝电解，收集到电解铝261.2kg，使用示踪原子法，在最后一次出铝前48小时加入示踪原子铜，由此算出残留于电解槽的电解铝共40.34kg，以上两项合计产铝301.32kg。电解的平均电流为4023A，平均槽电压为3.15伏。据此算出中试电解的电流效率为93.05％，中试电解的单位铝产能耗为：10.84kwh/kg·Al。

Claims (3)

1.一种节能型熔盐铝电解槽，其特征在于其阴极(2)和阳极(1)的导电面为倾斜式，并互为仿形，阳极(1)的材料为炭素导电材料；阴极(2)似一个卧式三棱柱体，三棱柱体的横断面三角形的两底角为正常几何角，三棱柱体的导电面可为炭素材料，或为炭素基材与TiB₂涂层组成的复合材料；三棱柱体下部为方形阴极水平基座(4)，阴极水平基座(4)周边有铝液收集槽(3)；位于阴极(2)三棱柱体上方的阳极(1)分成左右两翼，阳极(1)的两翼由炭素材料连接头(17)硬性连接； 

上述的节能型熔盐铝电解槽，其第二特征在于阴极(2)和阳极(1)导电面与铅垂面的夹角为θ，θ的数值范围是15°～75°； 

上述的节能型熔盐铝电解槽，其第三特征在于倾斜式阴极(2)的导电面水平方向上设有不连续阻流台阶，其作用是防止加入到电解质中的Al₂O₃粉，未溶解完毕就落入铝液收集槽(3)中，阻流台阶的高和宽都为2～5mm，两相邻阻流台阶的间距b＝2～8cm； 

上述的节能型熔盐铝电解槽，其第四特征在于环绕在阴极水平基座(4)周边的铝液收集槽(3)上部与阳极(1)相距10cm以上，据电解槽规模的不同，收集槽底部距阳极(1)应为20～30cm； 

上述的节能型熔盐铝电解槽，其第五特征在于倾斜阳极(1)的两块导电板上开有1～3行排气孔(16)，阳极两翼之间连接头的长度为阳极翼总长的15％～25％。

2.权利要求1所述的节能型熔盐铝电解槽，其特征在于互为仿形的阴极(2)和阳极(1)的炭素导电材料包括：石墨和目前电解铝所用的人工合成的阴阳极炭素导电材料及半石墨化材料，以及其他以元素碳为主的导电材料。

3.应用权利要求1所述节能型熔盐铝电解槽的电解方法，其特征在于阴极(2)和阳极(1)的极间距为2cm及其以下；为加速Al₂O₃的溶解和电沉积速度，及促进Al₂O₃浓度的均匀化，每一对阳极(1)配置一个Al₂O₃粉的下料孔，下料孔位置安排在阳极两翼上方的排气通道位置，即在两阳极之间的碳素材料连接头(17)前或后10-20cm的范围内。 

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