CN102011146A - 一种在3.5v槽电压下电解铝的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在3.5V槽电压下电解铝的工艺方法，包括如下步骤：1)在电解槽底部安装设有至少一个凸起的阴极凸梁的阴极，阴极凸梁的宽度为15~25cm，高为10~15cm；2)在电解槽的上部安装设有8~13个导气孔的阳极，所述导气孔设置在竖直方向上且为上大下小的锥形孔；3)在电解槽内注入950℃的熔融电解质，使阴极和阳极均与电解质溶液接触；4)将固体氧化铝溶解在熔融的电解质内，并从阳极通入直流电流；5)通过真空抬包从电解槽内抽出铝液，经净化、浇铸后得到金属铝。本发明的工艺方法解决了电解槽内电解质隔层厚度太大的问题，使得槽电压降低到3.3~3.60V，可使电解铝每吨电耗指标降低1000kwh。

Description

一种在3.5V槽电压下电解铝的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种电解铝的工艺方法，具体为一种在3.5V槽电压下电解铝的工艺方法。

 

背景技术

电解铝的生产通常是在如图1所示的电解槽内进行，传统的工艺方法是将固体氧化铝溶解在950℃左右的熔融电解质内，从阳极通入直流电流，电流穿过液体电解质和阴极铝液到阴极炭块，再从阴极钢棒导出到下一个电解槽的阳极，当电流穿过液体电解质层时，与溶解在电解质中的氧化铝离子发生电化学反应。一方面在阳极表面产生二氧化碳气体，另一方面在阴极铝液表面产生液体铝，从而完成铝的生产，其化学反应式为：

2AL₂O₃（溶）+3C（固）=4AL（液）+3CO₂（气）

但是，由于普通电解槽的阴极上表面是一个完整的平面，铝电解槽周围环绕着均通上直流电流的铝母线，直流电流产生强大的磁场，使得电解槽内的液体铝在强大磁场中受磁场力的推动而产生旋转和移动，从而在铝液表面形成起伏不定的铝液波动层11，其波浪的高度范围在1.5~2.0cm；同时，由于目前国内大型预焙铝电解槽所用的阳极尺寸一般为1500×660×560cm（长×宽×高），阳极产生的二氧化碳气体须从其底部中心朝两边移动，直到到达阳极边沿才能排出，由于受液体电解质的流体力学性质的影响，二氧化碳气体必须由小气泡长大成一定尺寸的大气泡，抵消液体电解质的流体力影响后才能排出，所以，在阳极底部的小气泡会形成约2cm厚的气泡层9。

在阴极上表面形成的铝液波动层11和在阳极底面形成的气泡层9在电解过程中很容易发生接触，这会使高温液态铝发生严重的二次氧化反应，并降低电解电流效率，所以在生产中阳极底部气泡层下沿至铝液波峰之间通常需要留出约1cm厚度的电解质隔层10（如图1所示），这样导致普通电解槽内的阳极极距增大，达到4.0~4.5cm，使槽电压达到3.95~4.05V，有些电解槽电压甚至超过4.10V，这使得生产电解铝的能耗太大（其直流电耗为13000KWh/TAl左右）。

ZL200710010523.4中国专利公开了“一种异形阴极碳块结构铝电解槽”，它是使每一块普通阴极变成有一定高度的凸梁阴极，将普通平底电解槽变成了有若干个凸梁的异型阴极槽，通过该槽中的阴极凸梁可阻挡铝液在磁场作用下的旋转与移动。但是，这种单一的阴极凸梁只能消弱铝液形成的波浪，无法消减阳极底部的气泡层和中间的电解质隔层，虽然可以降低电解槽电压，但最多只能降低到3.70V。又如本申请人之前申请的ZL201020055459.9中国专利公开的“铝电解用穿孔阳极”，采用了在阳极炭块上穿孔的结构来快速的排出阳极底部的二氧化碳气泡，但这种结构主要目的在于及时排气，在普通槽上单独使用该技术，最多也只能将槽电压降到3.75V，特别是中间的电解质隔层始终要控制在1cm的厚度才能避免二次氧化加剧。因此，如何克服电解槽中阳极极距过大的缺陷以及进一步降低能耗成为了目前电解铝的难题。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决电解铝过程中由于阳极极距大导致电解槽电压高，使得电解过程的能耗太大的问题，而提供一种能在3.5V槽电压下电解铝的工艺方法。 

    本发明采用的技术方案如下：一种在3.5V槽电压下电解铝的工艺方法，包括如下步骤：

1）在电解槽内的底部安装阴极，所述阴极的上表面设有至少一个凸起的阴极凸梁，阴极凸梁的宽度为15~25cm，高为10~15cm；

2）在电解槽的上部安装阳极，所述阳极为设有8~13个导气孔的阳极炭块，所述导气孔设置在竖直方向上且为上大下小的锥形孔；

3）在电解槽内注入950℃的熔融电解质，并使阴极和阳极均与电解质溶液接触；

4）将固体氧化铝溶解在熔融的电解质内，并从阳极通入直流电流；

    5）通过真空抬包从电解槽内抽出铝液，经净化、浇铸后得到金属铝。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

    本发明电解铝的工艺方法解决了电解时阳极和阴极之间极距太大的问题，通过在电解时同时采用穿孔结构的阳极和凸梁结构的阴极，使得阳极底部的二氧化碳气泡层和阴极上表面的铝液波动层厚度均减小，进而使得位于气泡层和铝液波动层之间的电解质隔层只需原来的一半（即0.5cm）就可以达到避免二次氧化反应加剧的目的；并且由于电解质隔层以及气泡层和铝液波动层的厚度均减小后，使得阳极与阴极之间的极距也大为减小，从普通电解槽的极距4.0~4.5cm减小为2.0~2.5cm，进而使得电解槽电压由原来的4V左右降低到3.3~3.60V，完全能够实现在3.50V槽电压下电解铝，可使电解铝每吨电耗指标在单独采用穿孔阳极结构或单独采用凸梁阴极的基础上再降低1000kwh。

 

附图说明

图1为现有工艺方法中使用的铝电解槽的结构示意图；

图2为本发明的工艺方法所采用的电解槽的结构示意图。

图中，1—槽壳，2—耐火保温层，3—阴极，4—阳极，5—导气孔，6—阴极钢棒，7—电解质接壳，8—液态电解质，9—气泡层，10—电解质隔层，11—铝液波动层，12—阴极凸梁。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

    如图2所示，一种在3.5V槽电压下电解铝的工艺方法，其步骤如下：

1）在电解槽内的底部安装阴极3，所述阴极3的上表面设有至少一个凸起的阴极凸梁12，阴极凸梁12的宽度为15cm、18cm、20cm或25cm，高为10cm、12cm、13cm或15cm；

2）在电解槽的上部安装阳极4，所述阳极4为设有8~13个导气孔的阳极炭块，最优为12个，所述导气孔5设置在竖直方向上且为上大下小的锥形孔；

3）在电解槽内注入950℃的熔融电解质，并使阴极3和阳极4均与电解质溶液接触；

4）将固体氧化铝溶解在熔融的电解质内，并从阳极通入直流电流；

5）通过真空抬包从电解槽内抽出铝液，经净化、浇铸后得到金属铝。

    所述电解槽包括钢质的槽壳1、设置于槽壳1底部的耐火保温层2、阴极3和阳极4；阴极3安装在槽壳1底部的保温层上，在阴极的底部还设有用于安装阴极钢棒6的凹槽，阴极钢棒6安装在阴极炭块上并两端伸出槽壳1外；所述阴极凸梁12可以抑制电解时在阴极上表面铝液由于电流磁力所产生的波浪过大，使铝液波动层的厚度从15~20mm减小到5~7mm，这样就可以减少阴、阳极极距。参见图2，所述阳极4上导气孔5的主要目的在于将阳极底部二氧化碳气泡排出，而为加快排气速度，可以将所述导气孔设置为上大下小的锥形孔。在设置导气孔时，通常将其均匀分布在阳极上钢爪的两侧，如在钢爪两侧各设置4个导气孔。通过设置导气孔，可以快速将阳极底部的气泡排出，防止小气泡聚集形成气泡层，这样就可以使阳极底部气泡层的厚度从20mm左右减小到10~12mm的范围；当气泡层厚度减小后，在电解槽内铝液与二氧化碳气泡发生二次氧化反应的程度将进一步减小。

本发明中，由于同时采用了穿孔的阳极结构和异形的阴极结构，使得阳极底部的气泡层和阴极上表面的铝液波动层厚度均明显减小，这样不仅减小了电解槽内阴、阳极的极距和槽电压，而且也正是由于气泡层和铝液波动层厚度均被减小后，电解槽内发生二次氧化的程度大为降低，因此位于气泡层和铝液层之间起隔离作用的电解质隔层的作用也相应的降低，进而可以将电解质隔层的厚度从原来的10mm减小到5mm，这样使得阴、阳极之间的极距进一步被缩小，改进后极距可以从原来的40~45mm降低到20~25mm的水平，并使得槽电压也被降低到了3.30~3.60V的范围，完全能够实现在3.50V槽电压下电解铝，从而使得电解时比单独使用异型或单独使用穿孔阳极的能耗可再降低1000kwh/t-Al，节约了大量电能，降低了生产成本。

为了保证电解槽的热平衡，还必须对电解槽全面保温，即在电解槽的底部采用优质的保温材料，并且在电解槽的槽壳侧面还设置保温层，并将阳极上部氧化铝保温料的厚度增加2~3cm，同时还可在槽壳外部贴附保温棉等。

 需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明要求保护的范围当中。

Claims (2)

1.一种在3.5V槽电压下电解铝的工艺方法，其特征在于，步骤如下：

1）在电解槽内的底部安装阴极（3），所述阴极（3）的上表面设有至少一个凸起的阴极凸梁（12），阴极凸梁（12）的宽度为15~25cm，高为10~15cm；

2）在电解槽的上部安装阳极（4），所述阳极（4）为设有8~13个导气孔的阳极炭块，所述导气孔（5）设置在竖直方向上且为上大下小的锥形孔；

3）在电解槽内注入950℃的熔融电解质，并使阴极（3）和阳极（4）均与电解质溶液接触；

4）将固体氧化铝溶解在熔融的电解质内，并从阳极通入直流电流；

5）通过真空抬包从电解槽内抽出铝液，经净化、浇铸后得到金属铝。

2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，在电解槽槽壳的内侧面上还设有保温层。

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