CN102400179A - 一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法。其特征在于其过程是首先用耐火耐蚀保护材料对电极导杆进行紧密的包裹，将导杆完全密封;然后对导杆进行强制冷却，降低导杆外壁温度，使渗透过耐蚀保护材料的电解质在接触到导杆之前凝固，形成保护层。本发明采用耐火耐蚀保护材料与气体强制冷却相结合的方式对电极导杆进行保护，能有效的阻断电解质或铝水的渗透。凝固的电解质也会使耐火耐蚀材料更加坚固致密，避免导杆受到电解质的腐蚀和电化学腐蚀，从而能够大大提高导杆的使用寿命。同时，由于降低了导杆的工作温度，会使导杆的电阻降低，减少电能消耗；也会增加导杆的抗高温蠕变性，降低导杆因长期服役而造成的拉长、变形。

Description

一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法

技术领域

本发明涉及一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法。

背景技术

目前，以炭阳极为主要特征的预焙阳极铝电解槽，成为当今铝工业的主流槽型，并且随着工业技术的进步，预焙炭阳极铝电解槽在不断的向大型化、自动化、高电流效铝、高寿命、低能耗等方向发展。尽管也取得了重大成绩，如槽型扩大到500kA至600kA，电流效率达到95%以上，直流电耗已降低至13000kW·h/t（Al）以下。但其自身有着非常大的缺陷：消耗大量的碳素资源；生产过程排放大量的CO₂、CFn、PAH等温室气体和致癌物质；能量利用率低于50%等。这不仅制约着铝工业的发展，也威胁到人类的生存健康。采用惰性阳极铝电解槽则可以解决这些问题。惰性阳极铝电解槽不仅阳极消耗少，而且排放出的是氧气，适合人类低碳经济的发展。

惰性阳极铝电解槽的理论最低能耗（9240kW·h/t（Al））高于炭阳极铝电解槽的理论最低能耗（6320kW·h/t（Al））。但采用多室结构的惰性电极铝电解槽，由其单位体积内的电极反应面积可以大大增加，相同尺寸的电解槽可以采用更大的电流，即使在较低极距、较低槽电压下运行，也能够有足够的发热量，保证电解槽的热平衡。所以，惰性电极铝电解槽的槽电压和其综合能耗可以低于现有预焙阳极铝电解槽。然而，多室结构铝电解槽惰性电极导杆的保护，在工业化过程中将是一个关键的技术。特别是竖式、多室、阴阳极交错排列的惰性电极铝电解槽。

传统的预焙阳极铝电解槽，其炭阳极通过磷生铁浇注与钢爪连接，钢爪经爆炸焊块与铝导杆连接，铝导杆继而连接在大母线上。正常运行时，阳极与钢爪连接处位于电解质液面上方，并且有电解质表面结壳和氧化铝（或称为覆盖料）覆盖，达到防止炭块氧化和保温的作用。而钢爪的大部分、爆炸焊块、铝导杆均在覆盖料之上，露于空气中，通过对流和辐射散热，降低自身的温度。并且由于有电解质结壳和覆盖料对电解质液面的遮盖，钢爪、爆炸焊、铝导杆的工作环境温度和挥发性氟化物气氛浓度均较低，使其能够在不需要外加保护的情况下即可长期工作。但惰性电极铝电解槽，特别是竖式、多室、阴阳极交错排列的惰性电极铝电解槽，其电极和电解质上方则不能用电解质结壳和覆盖料的方式进行保护。

一方面、惰性电极铝电解槽往往采用低温电解质，电解质表面难以形成结壳，并且竖式、多室、阴阳极交错排列的惰性电极铝电解槽，其电解质表面若采用氧化铝或覆盖料进行覆盖，则落入极间的氧化铝或覆盖料将会严重影响电解反应的进行。严重时会造成电极大面积损坏，而被迫停槽。

再者、如果采用散热的方式使电解质表面结壳，并用覆盖料覆盖。那么其散热量必然很大，否则结壳会融化，覆盖料坍塌，同样会造成电解难以进行。惰性阳极铝电解槽要在综合能耗方面占优势，就必须降低散热损失。

其次、由于电极不能既耐氧化又耐铝水冲蚀。电极必须没于电解质水平面以下，特别是阴极。所以电极导杆一部分会没入电解质，一部分在电解质液面以上。在电解质液面上方的导杆可以通过致密的耐火耐蚀材料进行保护，免受电解质挥发氛、氟化氢及氧气的侵害。但对于电解质液面以下部分，难以选择合适材料对其保护，以避免受到电解质的腐蚀或渗透。当电解质渗透至导杆后，由于电解质存在离子导电，导杆便成为电极，参与电化学反应，于是导杆很快就会被腐蚀完毕。

基于竖式、多室、阴阳极交错排列的惰性电极铝电解槽这些特点和降低热损失的需要，导致电极导杆的保护非常困难。

中国专利CN200810049240.5、CN89210028.1、CN200610051288.0及美国专利US6866768均从不同的角度公布了一种水平电流、阴阳极交错排列、多室结构的铝电解槽，但都是概念性的描述了槽的结构，并没有具体化，更没有涉及在实际运行时对电极导杆的保护。

专利200510011143.3公布了一种低温生产铝的方法及其专用的铝电解槽。文中说明了所用电解质成分、阴极和阳极的成分，并且阴阳极也是交错排列，呈竖式多室结构。但没有提及在运行时如何对电解槽上部进行保温和密封，以及如何对导杆进行保护。

专利CN200610032461.2公布了一种铝电解用陶瓷基惰性阳极与金属导杆的连接方法。文中重点阐述了金属导杆与陶瓷基惰性阳极连接处采用压力扩散焊的实施方法，并没有说明其电极用于竖式多室结构的铝电解槽，或上下结构的铝电解槽，也没有说明如何对导杆进行保护。

美国专利US6436272、US4622111分别介绍了采用空心式阴极和倾斜式电极的惰性电极铝电解槽。文中都详细介绍了电极交错布置和具体实施的方式，但都没有详细的说明电极导杆的保护。美国专利US6818106公布了一种惰性阳极的组装方式。它将多个惰性阳极组合成如同预焙槽炭阳极的方式，适用于上下结构的惰性阳极铝电解槽，导杆外露于空气中。

以上专利文献中涉及到的惰性电极铝电解槽，大都属于试验性或概念性的电解槽，没有涉及到工业运行时具体的实施及对电极导杆应有的保护。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在不足，提供一种能有效的阻断电解质或铝水的渗透，避免导杆受到电解质的腐蚀和电化学腐蚀，提高导杆的使用寿命，降低导杆的工作温度，减少电能消耗，降低导杆变形的惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，其特征在于其过程是首先用耐火耐蚀保护材料对电极导杆进行紧密的包裹，将导杆完全密封; 然后对导杆进行强制冷却，降低导杆外壁温度，使渗透过耐蚀保护材料的电解质在接触到导杆之前凝固，形成保护层。

本发明一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，其特征为耐火耐蚀保护材料为定型材料/不定型材料，其材质选自刚玉、碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化铝、镁铝尖晶石、氧化锆中的一种或多种组合。

本发明一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，其特征为导杆用气体/液态气体进行强制冷却，气体选自空气、压缩空气、氮气、液氮、氩气、二氧化碳中的一种或多种组合。

本发明一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，其特征为电极导杆采用空心导杆，用一根细管插入导杆内部，选用吹气方式、抽气方式中的一种或两种组合，对导杆进行冷却。

本发明一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，其特征为对导杆用耐火耐蚀保护材料包裹时，将冷却管道与导杆一起包裹，埋入耐火耐蚀材料中，预留冷却管道的进口和出口。选用吹气方式、抽气方式中的一种或两种组合，使冷却气体通过冷却管道，从而对导杆进行冷却。

本发明采用耐火耐蚀保护材料与气体强制冷却相结合的方式对电极导杆进行保护，能有效的阻断电解质或铝水的渗透。凝固的电解质也会使耐火耐蚀材料更加坚固致密，避免导杆受到电解质的腐蚀和电化学腐蚀，从而能够大大提高导杆的使用寿命。同时，由于降低了导杆的工作温度，会使导杆的电阻降低，减少电能消耗；也会增加导杆的抗高温蠕变性，降低导杆因长期服役而造成的拉长、变形。

附图说明

图1为本发明在实施例1的20kA惰性阳极铝电解槽上的空心导杆吹气冷却保护方案的结构示意图；

图2为本发明在实施例2的20kA惰性阳极铝电解槽上的预埋冷却金属管的保护方案的结构示意图；

图3为本发明在实施例3的20kA惰性阳极铝电解槽上的预埋冷却金属管的保护方案的结构示意图。

具体实施方式

一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，首先用耐火耐蚀保护材料对电极导杆进行紧密的包裹，使导杆完全密封，避免导杆直接与电解质或电解质气氛接触。然后对导杆进行强制冷却，降低导杆外壁温度，使渗透过耐蚀保护材料的电解质在接触到导杆之前凝固。凝固的电解质能切断导杆与电解质的离子导电通道，避免导杆的电化学腐蚀使耐蚀，还可以使材料更加坚固致密，增加其抵抗电解质冲蚀和溶解的能力。同时凝固电解质还可阻止铝水的渗透和耐火耐蚀保护材料在熔盐电解质中的溶解。

下面结合实施例，详细说明本说明

实施例1

本实施例如图1所示。

本实例说明的是一种采用不定型耐火耐蚀材料保护和空心导杆吹气冷却相结合的保护方法，用于20kA惰性电极铝电解槽。其惰性电极为竖式，阴阳极垂直交错排列，形成多室结构铝电解槽。图中显示仅代表导杆保护的方法，不代表电极的真实组装方式。

连接电极1的导杆3采用空心导杆，用自主研发的不定型耐火耐蚀材料2进行包裹。冷却气体经罗茨风机6和外围管路7，进入电极的集气管9，冷却气体从集气管9分别进入各个冷却细管4，冷却气体从细管4的底部流出，经导杆内部与冷却细管间的环形缝隙中汇入到电极上部的集气罩8中，集气罩8与电极母线5形成密封的腔体。气体在集气罩中汇集后，再经由外围管道10去热量回收利用系统。冷却气体为空气，最终可以排空。

本实施例中气体及冷却换热的参数为：

单组电极所需冷却风量为0.095~0.12 m³/min；冷却气体经过电极后压力损失为4.35~6.79 kPa；单组电极所需换热量为0.3~0.4 kJ/s；电极导杆内孔直径6mm；冷却细管外径4mm，内径3mm；气源动力由额定功率为3 kW的罗茨风机提供，全压19.6kP。

实施例2

本实施例如图2所示。

本实例说明的是一种采用不定型耐火耐蚀材料保护和预埋冷却金属管道进行气体冷却相结合的保护方法，用于20kA惰性电极铝电解槽。其惰性电极为竖式，阴阳极垂直交错排列，形成多室结构铝电解槽。图中显示仅代表导杆保护的方法，不代表电极的真实组装方式。

连接电极11的导杆13采用实心导杆，用自主研发的不定型耐火耐蚀材料12进行包裹。在包裹导杆时将冷却管道14紧贴导13杆一并埋入耐火耐蚀材料12中。冷却空气在负压的驱动下，从过滤器17进入电极的集气管18，冷却空气从集气管18分别进入各个预埋的冷却管道14中，冷却空气在流经管道的过程中将热量带走。各路气体在集气管19中汇集后，再经由抽风系统16及外围管道20去热量回收利用系统。冷却气体为空气，最终可以排空。

本实施例中气体及冷却换热的参数为：

单组电极所需冷却风量为0.061~0.095 m³/min；冷却气体经过电极后压力损失为0.08~0.1 kPa；单组电极所需换热量为0.3~0.5 kJ/s；冷却金属埋管外径10mm，内径8mm；气源动力由额定功率为3 kW的中压离心风机提供。

实施例3

本实施例如图3所示。

本实例说明的是一种采用不定型耐火耐蚀材料保护和预埋冷却金属管道进行气体冷却相结合的保护方法，用于20kA惰性电极铝电解槽。其惰性电极为竖式，阴阳极垂直交错排列，形成多室结构铝电解槽。图中显示仅代表导杆保护的方法，不代表电极的真实组装方式。

连接电极21的导杆23采用实心导杆，用自主研发的不定型耐火耐蚀材料22进行包裹。在包裹导杆时将冷却管道24紧贴导23杆一并埋入耐火耐蚀材料22中。冷却管道出口29预留在中下部。冷却气体经离心风机26和外围管路27，进入电极的集气管28，冷却气体从集气管28分别进入各个预埋的冷却管道24，冷却气体在流经管道的过程将热量带走。气体经各冷却埋管的出口29排出，进入电解槽内，随电解槽烟气一起，经抽风管道20进入电解槽烟气处理与净化系统。冷却气体为空气，最终随处理过的电解烟气一起排空。

本实施例中气体及冷却换热的参数为：

单组电极所需冷却风量为0.062~0.098 m³/min；冷却气体经过电极冷却管道后压力损失为0.045~0.82 kPa；单组电极所需换热量为0.3~0.5 kJ/s；冷却金属埋管外径10mm，内径8mm；气源动力由额定功率为1.5kW的离心风机提供。

以上实施例，仅是本发明一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法中3种不同的实施方式。耐火耐蚀材料的材质及种类的改变、对导杆的包裹形式的改变、导杆内孔径尺寸的改变、电极冷却气体进出口相对位置改变、冷却管道在耐火耐蚀材料中铺设形式的改变、冷却管道材质的改变、冷却管道几何尺寸的改变、吹气或抽气气源设备改变等，所有类似的变化组合，均在本专利保护之内。

Claims (5)

1.一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，其特征在于其过程是首先用耐火耐蚀保护材料对电极导杆进行紧密的包裹，将导杆完全密封; 然后对导杆进行强制冷却，降低导杆外壁温度，使渗透过耐蚀保护材料的电解质在接触到导杆之前凝固，形成保护层。

2.根据权利要求1所述的一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，其特征为耐火耐蚀保护材料为定型材料/不定型材料，其材质选自刚玉、碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化铝、镁铝尖晶石、氧化锆中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，其特征为导杆用气体/液态气体进行强制冷却，气体选自空气、压缩空气、氮气、液氮、氩气、二氧化碳中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，其特征为电极导杆采用空心导杆，用一根细管插入导杆内部，选用吹气方式、抽气方式中的一种或两种组合，对导杆进行冷却。

5.根据权利要求1所述的一种惰性电极铝电解槽电极导杆的保护方法，其特征为对导杆用耐火耐蚀保护材料包裹时，将冷却管道与导杆一起包裹，埋入耐火耐蚀材料中，预留冷却管道的进口和出口；选用吹气方式、抽气方式中的一种或两种组合，使冷却气体通过冷却管道，从而对导杆进行冷却。

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