CN103608489A - 用于制备铝的电解槽 - Google Patents

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Abstract

用于通过电解制备铝的电解槽(1)，其包括：(i)具有底壁(2a)和侧壁(2b)的槽(2)，(ii)置于底壁(2a)的阴极(10)，(iii)连接至阴极(10)的导电装置，且所述导电装置被布置成用于从一个电解槽(1)向另一个电解槽传导电解电流，此外，该导电装置在介于阴极(10)上表面和槽(2)侧壁(2b)的上边缘之间的区域的高度处穿过槽(2)的侧壁(2b)。

Description

用于制备铝的电解槽
本发明涉及用于制备铝的电解槽。
工业上，铝通过使用霍尔-赫劳尔特（Hall-Heroult）电解法由氧化铝而制备。为此，使用尤其由钢槽壳、耐火内衬以及阴极构成的电解槽，所述阴极基于由碳质材料制成的阴极块并连接至用于传导电解电流的导体。该电解槽还包括尤其由冰晶石——氧化铝溶解于其中——构成的电解浴。
该霍尔-赫劳尔特法由以下步骤组成：将构成阳极的碳块部分地浸入电解浴中，该阳极随着反应进行而消耗。通常提供驱动装置，使得阳极随着其消耗而下降至电解槽中。在电解槽底部，形成一层液态铝，其通过抽吸或虹吸除去。
通过霍尔-赫劳尔特法制备铝在保持电解槽中一定的热平衡下进行。热平衡可通过槽中产生的热量（主要来自电解电流）来补偿槽的热损失而实现。
此外，电解槽通常成形为使其侧面的内壁上形成一个凝固的冰晶石斜坡（talus）。所述斜坡保护内衬于槽的内部侧壁的材料不受液态铝和电解浴的侵蚀。
为了在槽中形成斜坡，已知一股侧向的热流可通过所用材料和槽侧壁的构成部件的组装构型在槽侧壁的顶部散发，或者，如必要，如US6251237所已知的，还可以通过吹气。
然而，不想要的输出热流通常加入这股所需热流中。例如热流通过固定于阴极的导体从槽逸出就是这种情况。这导致热量损失，使得难以维持槽中的热平衡。
因此，本发明的目的在于通过提供具有更好绝热性能的用于制备铝的电解槽来克服上述某些或全部缺陷。
为此，本发明涉及一种电解槽，其用于通过电解制备铝，所述电解槽包括：
(i)具有底壁和侧壁的槽壳，
(ii)位于底壁的阴极，
(iii)连接至阴极下部的导电装置，且所述导电装置被布置成用于从一个电解槽向另一个电解槽传导电解电流，
其特征在于，所述导电装置在介于阴极上表面和槽壳侧壁的上边缘之间的区域的高度处穿过槽壳的侧壁。
因此，本发明提供一种具有改进绝热性能的电解槽。与已知的电解槽相比，本发明电解槽的热损失降低。本发明电解槽的热损失还为可控的，使得形成保护槽侧壁材料的斜坡。为此，热流在包含于槽壳内的液体处流出。
更特别地，阴极由阴极块形成，所述阴极块尤其由碳质材料制成。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述阴极块在其下部包括至少一个凹槽并且导电装置部分地置于所述凹槽内。借助于铸铁在所述凹槽中实现阴极块和导电装置之间的良好的物理连接和电连接。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述导电装置在介于电解浴下水平面和上水平面之间的区域的高度处穿过槽壳的侧壁。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述导电装置在电解浴下水平面处，即电解浴与铝层的界面处，穿过槽壳的侧壁。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述导电装置包括与阴极接触的第一部分和连接至第一部分且在槽壳内自下而上延伸的第二部件。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述第二部分为基本垂直的。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述导电装置包括至少一个连接至第二部分且延伸穿过槽壳侧壁的端部。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述端部为基本水平的。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述与阴极接触的第一部分由钢或钢和铜制成。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述导电装置由钢、铜或钢和铜制成。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述导电装置的第二部分的至少一部分由铜制成。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述端部的至少一部分由铜制成。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述导电装置包括条。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述导电装置包括板。
“板”意指一维尺寸（厚度）相较于其他两个维度的尺寸可忽略、特别是以使热交换表面增加和/或使空间要求降低的任何部件。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述导电装置的第二部分的至少一部分为板。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述板侧向延伸超过第一部分。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述板与至少两个第一部分电连接。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述板与不同个数的第一部分和端部连接。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述板自下而上延伸超出所述端部。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述第二部分与内衬于槽壳内的材料电绝缘。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述第二部分通过混凝土与内衬于槽壳内的材料电绝缘。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述槽壳内衬有耐火材料块。
根据本发明电解槽的另一个特征，所述槽壳包括位于导电装置的第二部分和槽壳侧壁之间的绝热体。
从如下参考附图的详细描述能够更好地理解本发明，附图中：
-图1为现有技术电解槽的剖视图，
-图2为示明主要输出热流的已知电解槽的示意图，
-图3为本发明具体实施方案的电解槽的示意图，
-图4为现有技术用于传导电解电流的装置的透视图，
-图5和图6为在本发明具体实施方案的电解槽中用于传导电解电流的装置的透视图，
-图7为本发明具体实施方案的电解槽的示意图。
图1示出用于由氧化铝制备铝的电解槽1。所述电解槽1包括金属槽壳2。所述金属槽壳2可由钢制成。其具有底壁2a和侧壁2b。槽壳2包括电解浴8。反应过程中，形成液态铝层13。所述电解浴8和液态铝层13为通过电解制备铝的过程中固有的液体。
槽壳2包括块3、4。所述块特别地具有绝热功能并内衬于金属槽壳2内。块3、4可例如包括耐火砖和/或碳块。在图1所示的实例中，所述块4位于槽壳内紧贴于槽壳2的侧壁2b的上部。所述块3覆盖槽壳2的底部壁2a。
槽1还包括多个阳极5。所述阳极5由碳块制成。其可通过连接机构7连接至杆6，所述连接机构7通常称为多脚件（multipode），包括多个固定至阳极5的螺栓。所述杆6连接至承载结构9。
阳极5设计为浸入电解浴8中。所述电解浴8尤其含有冰晶石和氧化铝。所述阳极5随着形成铝的电解反应的进行而消耗，且用于驱动杆6的装置可使杆6相对于承载结构9平移，从而使得阳极5随着其在槽1中的消耗而下降。
一个具有氧化铝和粉碎的浴（bain broyé）的包覆层12大体覆盖电解浴8，且至少部分地覆盖阳极5。
凝固的冰晶石斜坡14形成于槽1边缘。所述斜坡14保护块4免受来自电解浴8和液态铝层13的化学腐蚀。
槽1还包括阴极10。所述阴极10可包括多个由碳质材料制成的阴极块。所述阴极10在其下部与尤其由一个或多个导体11形成的电解电流导电装置连接。更特别地，每个阴极块在其下部包括至少一个凹槽，所述凹槽内放置有导电装置。借助于铸铁在凹槽内实现阴极块与导电装置之间的良好的物理连接和电连接。所述导体11在形成于槽壳且为此目的而提供的孔口处穿过槽壳2。所述导体11收集阴极的电流，以将其从一个电解槽传送至另一个电解槽。图4示出可连接至阴极10的已知导体11的实例。
图2示意性地示出一个已知电解槽1。导体11基本上在阴极10的下部且接近于槽壳2的底部2a穿过槽壳2。
与热阴极10连接的导体11易于导致在接近槽壳底部2a的槽侧面从槽1中损失热。离开槽的热流15因而示于图2。
此外，需要能形成斜坡14（图2未示出），从而保护内衬于槽壳2的材料（图1所示实例中的块4）免受电解浴8和液态铝层的化学腐蚀。
为了有助于斜坡14的形成，在槽壳2的侧壁2b的上部处需要输出热流16。位于包含于槽1的液体和槽壳2的侧壁2b之间的热流促进斜坡14的形成。
图3为本发明具体实施方案的电解槽的示意图。对应于所述实施方案的槽1本质上不同于现有技术的槽，区别在于所述槽1包括具有一个或多个端部11a的导体11，所述端部11a在包含于电解槽1中的液体的高度处穿过槽壳2。
如图3所示，所述导体11上升至接近包含于槽壳2中的液体。槽壳2中的液体和导体11的端部11a之间的温度差导致热流在液体的高度处输出。所述流使得斜坡14形成，以保护位于槽1侧面的材料。
因此，在本发明的槽中，热流15——最初在接近槽底部2a的槽侧面2b通过电导体11产生热量损失——被消除，以使散发至槽外部的热量减少。此外，通过导体11从槽向外散发的热量有利地用于调节斜坡14。
导体11在块4内上升至包含于槽壳2内的液体的水平，至所述端部11a穿过槽壳2的高度。
根据具体实施方案，端部11a在介于阴极10上表面和槽壳2的侧壁2b的上边缘之间的区域的高度处穿过槽壳的侧壁2b。
端部11a可在介于电解浴8的下水平面和上水平面之间的区域的高度处穿过槽壳的侧壁2b。
更特别地，端部11a在电解浴8的下水平面的高度处穿过槽壳2的侧壁2b。
在图5所示的实例中，导体11为条。其也可全部或部分由导电板（plaque conductrice）构成，即厚度小，且更具体而言厚度为1-5cm，且宽度至少为所述厚度的三倍。图5中的导体11包括基本上水平的第一部分11b，所述第一部分11b连接至阴极10，且在一端至少以基本上垂直的第二部分11c结束，所述第二部分11c在内衬于槽壳2的块4内上升。在每个基本上垂直的第二部分11c的端部为穿过槽壳的基本上水平的端部11a。所述端部11a本身可连接至导电元件以向下一个槽传导电流。
本发明具体实施方案的导体11由钢制成、或铜制成、或钢和铜制成。根据本发明的具体实施方案，所述导体11具有由钢或钢和铜制成的第一部分11b，其更具体而言对应于连接至阴极10的部分，以及具有由铜制成的其他部分11c、11a，其对用于延伸至阴极10外部的导体11的部分。
槽通常具有多个在槽1中横向排布的阴极块，从而形成阴极10。这些阴极块在其下部各自具有一个凹槽或两个平行的凹槽，导体11置于凹槽内。
图6示出导体，其特别适于装配这种阴极块，所述导体包括两个与板形式的相同第二部分11c连接的第一部分11b，以及具有两个端部11a。
使用板相对于使用条的优势在于，节省将其排布在槽壳内和使其与内衬于槽壳内的材料一起排布所需的空间。此外，板提供更好的热交换表面，因而提供热流在槽中的更好的分布，同时提供更可控的用于调节斜坡14的形成的散热。
这样的板11c还可以侧向延伸超出所述第一部分11b或垂直方向上在所述端部11a之上。
此外，相同的板11c可电连接至更多的第一部分11b，特别是电连接至2至20个第一部分11b。连接至板的端部11a的个数也可以与连接的第一部分11b的个数不同，且图6中所示的导体11可例如包括单个端部11a。
如仅一个第一部分11b与单个第二部分11c一起使用，所述第二部分11c还可为板的形式。
导体的第二部分11c能聚集由包含于槽中的液体在槽的边缘处释放的热流，以将热流引向外部，从而使得内衬于槽壳2内的材料中的热流减少。这样做的优势在于，这些材料升温更少且经受更少的损害。此外，由于槽壳2的侧壁2b上的输出流被导体11和端部11a聚集，侧壁2b具有更均匀的温度且温度更冷，从而使得槽壳2的侧壁2b上产生热点（point chaud）的风险降低。
槽壳2可包括绝热体17，其位于导体11和槽壳2的侧壁2b之间。所述绝热体17可紧贴于槽壳2的侧壁2b的内表面。图7示出本发明具体实施方案的电解槽1的实例，其安装有绝热体17。所述绝热体17还可垂直延伸于所述端部11a之上。
可借助本发明的导体11使所述绝热体17紧贴于槽壳2侧壁2b的内表面安装，这是因为热流优先经由端部11a散发，与具有来自现有技术的导体的槽不同，在后者中槽的边缘处的温度变得太高且绝热体受到损害。因此，本发明既可改进槽的整体绝热性能也可控制斜坡的形成。
此外，与使用来自现有技术的导体——大量的热量通过导体从底部散发——相比，使用本发明的导体11，穿过阴极10的热流减少，其优势在于降低阴极10冷却的风险，阴极10冷却导致碎片聚集在阴极10上并且增加导体11和阳极5之间的电阻。
有利地，导体11的第二部分11c与内衬于槽壳2内的材料电绝缘，从而限制或避免在阳极和槽1边缘之间出现包含于槽1中的液体中的电流线（ligne de courant）的风险。该绝缘有利地使用混凝土产生。
虽然结合具体实施例对本发明进行了描述，但是显而易见的是，本发明不以任何方式受到限制，并且只要其在本发明的范围内，本发明包括所描述手段的所有技术等同物及其结合。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.用于通过电解制备铝的电解槽(1)，其包括：
(i)具有底壁(2a)和侧壁(2b)的槽壳(2)，
(ii)位于底壁(2a)的由阴极块形成的阴极(10)，
(iii)连接至阴极(10)下部的导电装置，且所述导电装置被布置成用于从一个电解槽(1)向另一个电解槽传导电解电流，
其特征在于，所述导电装置在介于阴极(10)上表面和槽壳(2)侧壁(2b)的上边缘之间的区域的高度处穿过槽壳(2)的侧壁(2b)。
2.根据权利要求1所述的电解槽(1)，其特征在于，所述阴极块由碳质材料制成。
3.根据权利要求1至2任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述阴极块在其下部包括至少一个凹槽，且所述导电装置部分地置于所述凹槽中。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置在介于电解浴(8)下水平面和上水平面之间的区域的高度处穿过槽壳(2)的侧壁(2b)。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置在电解浴(8)下水平面高度处，即电解浴(8)与铝层(13)的界面处，穿过槽壳(2)的侧壁(2b)。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置包括与阴极(10)接触的第一部分(11b)、和连接至第一部分(11b)且在槽壳(2)内自下而上延伸的第二部分(11c)。
7.根据权利要求6所述的电解槽(1)，其特征在于，所述第二部分(11c)为基本垂直的。
8.根据权利要求6或7所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置包括至少一个端部(11a)，所述端部连接至第二部分(11c)且延伸穿过槽壳(2)的侧壁(2b)。
9.根据权利要求8所述的电解槽(1)，其特征在于，所述端部(11a)为基本水平的。
10.根据权利要求7至9任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，与所述阴极(10)接触的第一部分(11b)由钢或钢和铜制成。
11.根据权利要求1至10任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置由钢、铜或钢和铜制成。
12.根据权利要求7至10任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置的第二部分(11c)的至少一部分由铜制成。
13.根据权利要求8至10任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述端部(11a)的至少一部分由铜制成。
14.根据权利要求1至13任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置包括条。
15.根据权利要求1至14任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置包括板。.
16.根据权利要求15所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置的第二部分(11c)的至少一部分为板。
17.根据权利要求16所述的电解槽(1)，其特征在于，所述板侧向延伸超过第一部分(11b)。
18.根据权利要求17所述的电解槽(1)，其特征在于，所述板与至少两个第一部分(11b)电连接。
19.根据权利要求17或18所述的电解槽(1)，其特征在于，所述板与不同个数的第一部分(11b)和端部(11a)连接。
20.根据权利要求16至19任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述板自下而上延伸超过端部(11a)。
21.根据权利要求6至20任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述第二部分(11c)与内衬于槽壳(2)内的材料电绝缘。
22.根据权利要求21所述的电解槽(1)，其特征在于，所述第二部分(11c)与内衬于槽壳(2)内的材料通过混凝土电绝缘。
23.根据权利要求1至22任一项所述的槽(1)，其特征在于，所述槽壳(2)内衬有由耐火材料制成的块(3,4)。
24.根据权利要求6至23任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述槽壳(2)包括置于所述导电装置的第二部分(11c)与槽壳(2)的侧壁(2b)之间的绝热体(17)。

Claims (25)

1.用于通过电解制备铝的电解槽(1)，其包括：
(i)具有底壁(2a)和侧壁(2b)的槽壳(2)，
(ii)位于底壁(2a)的阴极(10)，
(iii)连接至阴极(10)下部的导电装置，且所述导电装置被布置成用于从一个电解槽(1)向另一个电解槽传导电解电流，
其特征在于，所述导电装置在介于阴极(10)上表面和槽壳(2)侧壁(2b)的上边缘之间的区域的高度处穿过槽壳(2)的侧壁(2b)。
2.根据权利要求1所述的电解槽(1)，其特征在于，所述阴极由阴极块形成。
3.根据权利要求2所述的电解槽(1)，其特征在于，所述阴极块由碳质材料制成。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述阴极块在其下部包括至少一个凹槽，且所述导电装置部分地置于所述凹槽中。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置在介于电解浴(8)下水平面和上水平面之间的区域的高度处穿过槽壳(2)的侧壁(2b)。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置在电解浴(8)下水平面高度处，即电解浴(8)与铝层(13)的界面处，穿过槽壳(2)的侧壁(2b)。
7.根据权利要求1至6任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置包括与阴极(10)接触的第一部分(11b)、和连接至第一部分(11b)且在槽壳(2)内自下而上延伸的第二部分(11c)。
8.根据权利要求7所述的电解槽(1)，其特征在于，所述第二部分(11c)为基本垂直的。
9.根据权利要求7或8所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置包括至少一个端部(11a)，所述端部连接至第二部分(11c)且延伸穿过槽壳(2)的侧壁(2b)。
10.根据权利要求9所述的电解槽(1)，其特征在于，所述端部(11a)为基本水平的。
11.根据权利要求8至10任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，与所述阴极(10)接触的第一部分(11b)由钢或钢和铜制成。
12.根据权利要求1至11任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置由钢、铜或钢和铜制成。
13.根据权利要求8至11任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置的第二部分(11c)的至少一部分由铜制成。
14.根据权利要求9至11任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述端部(11a)的至少一部分由铜制成。
15.根据权利要求1至14任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置包括条。
16.根据权利要求1至15任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置包括板。.
17.根据权利要求16所述的电解槽(1)，其特征在于，所述导电装置的第二部分(11c)的至少一部分为板。
18.根据权利要求17所述的电解槽(1)，其特征在于，所述板侧向延伸超过第一部分(11b)。
19.根据权利要求18所述的电解槽(1)，其特征在于，所述板与至少两个第一部分(11b)电连接。
20.根据权利要求18或19所述的电解槽(1)，其特征在于，所述板与不同个数的第一部分(11b)和端部(11a)连接。
21.根据权利要求17至20任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述板自下而上延伸超过端部(11a)。
22.根据权利要求7至21任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述第二部分(11c)与内衬于槽壳(2)内的材料电绝缘。
23.根据权利要求22所述的电解槽(1)，其特征在于，所述第二部分(11c)与内衬于槽壳(2)内的材料通过混凝土电绝缘。
24.根据权利要求1至23任一项所述的槽(1)，其特征在于，所述槽壳(2)内衬有由耐火材料制成的块(3,4)。
25.根据权利要求7至24任一项所述的电解槽(1)，其特征在于，所述槽壳(2)包括置于所述导电装置的第二部分(11c)与槽壳(2)的侧壁(2b)之间的绝热体(17)。
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