CN103993332B

CN103993332B - 一种节能铝电解槽及其辅助极

Info

Publication number: CN103993332B
Application number: CN201310051774.2A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-02-18
Also published as: CN103993332A

Abstract

本发明涉及一种节能型熔盐铝电解槽及其辅助极使用方法，属有色轻金属冶金技术领域。本发明对现有铝电解槽进行许多改进，主要为：阴极和阳极的导电面为倾斜式，互为“公母”结构；阴极类似一个“V”型母槽结构，下部为方形蓄铝沟；“V”形母槽阴极抱住上方的“V”型公头阳极；阴极和阳极的导电面与水平面的夹角为，的数值范围是0°～180°；两阳极之间设置辅助极，单独悬挂，自由升降，可以连接电源或不连接电源。铝电解操作方法在现有基础上有重要改进。本发明具有槽体小、成本低、节能幅度大、电流效率显著提高的优点。

Description

一种节能铝电解槽及其辅助极

技术领域

本发明涉及一种节能铝电解槽及其辅助极，属有色轻金属冶金技术领域。

背景技术

现行的霍尔-埃鲁特（Hall-Heroult）铝电解技术一直采用板式水平放置的阴阳极，极间距为4～6㎝，阴阳极均为石墨质炭块。这种方法的优点是阴阳极材料的导电性优良、抗高温腐蚀性好、形状简单、易于加工制作；但板式水平电极也存在一些缺陷：电解过程中，在阳极上新生的氧原子会氧化炭阳极，放出CO₂和CO，造成环境污染；板式水平阴阳极电解过程中，电解出的阴极铝布满阴极表面，而且铝液层厚度不断增加，实际的极间距也相应减小，铝液层逐步向阳极靠近，加上电解槽内存在电磁作用引起铝液面的波动，也增加了阴极铝的二次氧化，反应式为：AL（l）+CO₂(g)→Al₂0₃+CO。由于二次氧化的影响，导致水平阴阳极的极间距只能在4～6㎝之间，而极间距是吨铝电耗的主要影响因素，己有资料表明^［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％，在槽电压各组成中，（E_电解）所占的比例最大，其次是分解电压（E_分），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Al₂0₃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。从式（１）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将等比例下降；其次是电流效率（CE），减少铝电解过程中的电流损失，可以提高电流效率。电流损失的主要原因是新生成的铝被二次氧化，因此减少阴极上铝的二次氧化，也是提高电流效率的重要手段之一，而提高电流效率也会促成吨铝电耗的下降。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，该数值己接近于极限。

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

本发明的目标在于克服现有铝电解技术的不足，提供一种大幅度节约能耗，显著提高电流效率的熔盐铝电解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，并且增加了辅助极，用于控制蓄铝沟内的液体温度和体积。

具体不同点如下：

1.本发明描述了一种节能型熔盐铝电解槽，其特征在于阴极（2）和阳极（1）的导电面为倾斜式，互为“公母”结构，阴极（2）和阳极（1）的材料可以采用高纯石墨块、石墨块、石墨质炭块；阴极（2）类似一个“V”型母槽结构，阴极的导电面为炭素材料或有TiB₂涂层；“V”型母槽下部为方形蓄铝沟（3），最下部是阴极水平基座（4）；“V”形母槽阴极（2）抱住上方的“V”型公头阳极（1）；

2.阳极（1）导电面平行于阴极（2）导电面，“V”型公头阳极（1）根据电解槽空间需要设计成平行四边形棱柱或多边形棱柱，阳极可以单独悬挂或硬性连接；

3.阴极（2）和阳极（1）的导电面与水平面的夹角为，的数值范围是0°～180°；

4.“V”型阴极（2）中间底部设有蓄铝沟（3），其形状可以设计成方形或半“V”型；

5.两阳极（1）之间设置辅助极（9），可以是导电材料或非导电材料；

6.辅助极（9）通过吊挂（8）单独悬挂，自由升降，可以连接电源或不连接电源。

本发明的节能型熔盐铝电解槽,其操作工艺参数和方法与目前的霍尔-埃鲁特铝电解有三个显著不同点：第一是阴阳极的极间距从现行的4～6㎝减小到2㎝以下，大幅减小极间距有利于降低槽电压，从而降低吨铝电耗。能减小极间距的原因是新生的铝液滴不能停留在倾斜的“V”形阴极表面，而是滚动到蓄铝沟内，阴极表面上不能形成一定厚度的铝液层，也就不存在两极间的铝液层扰动；第二是采用辅助极来调节蓄铝沟内的铝液高度：槽内新生的铝液较少和电解槽启动时，放下辅助极，占用大部分蓄铝沟空间，阻碍液态电解质和铝液流入蓄铝沟内，防止电解质因温度下降而形成阴极结壳，同时保持电解质中晶种铝的浓度；当槽内产出的铝液较多时，提升辅助极，腾空蓄铝沟，让铝液流入沟内；第三是辅助极还可以做成辅助电极，通电，用于调节槽内热量、氧化铝浓度、清理结壳。

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.“V”形倾斜阴阳极电解槽结构总图1;

图2.“V”形倾斜阴阳极电解槽结构总图2;

图3. 图1中的A-A 断面图;

图4. 辅助阳极B向视图;

图5. 阳极俯视图。

具体实施方式：

本发明的节能型熔盐铝电解槽，由槽外壳（7）、保温及防渗漏层（11）、侧部碳块（5）、底部阴极碳块（4）、阴极导电钢棒（10）和“V”形阴极母槽（2）组成槽体下半部分；由“V”形阳极公头（1）、阳极吊挂（6）、辅助极（9）、辅助极吊挂（8）组成槽体上半部分。

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添加方法也相同。不同点在于采用“V”形阴阳极代替水平阴阳极，增加辅助极。成形后阴阳极的焙烧固化工艺与目前水平阴阳极的焙烧固化工艺相同。电解铝时，除极间距较小和采用辅助极外，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，采用高纯石墨块制作方形电解槽，放于坩锅炉中，外加热式工作，“V”形阴极和与之平行的阳极均采用高纯石墨块制作，阴阳极对水平面倾斜角取10^°，蓄铝沟宽23mm、深35mm。由于外加热容易调节温度，辅助极不需要通电，使用20mm厚的刚玉板加工而成。电解质采用分子比CR=2.3的常规冰晶石3kg，电解质熔化后，放入阳极并调整至平行于阴极导电面，保持950℃进行铝电解，阴阳极极间距2㎝，电解时槽电压在2.8～3.1V之间波动，电解电流在105～120A之间波动，电解48小时后共收集到电解铝800.54克。据此算出小试电解电流效率为43.5％，吨铝电耗为23110kWh/T·Al。同等条件的水平阴阳极铝电解试验只产出电解铝691克，由此算出常规法电解铝的小试电流效率为38.3％，吨铝电耗为43800kWh/T·Al。

实施例2：

中试电解槽采用两块独立阳极，“V”形悬挂，“V”型公头阳极（1）根据电解槽空间需要设计成平行四边形棱柱，长宽厚为50×50×20㎝；“V”形母槽阴极的长宽深尺寸为80×106×41cm，蓄铝沟采用方形设计，长宽深分别为80×14×10cm；辅助极同样设计成长方体，长高厚分别为70×50×12cm，顶部独立悬挂，不连接电源，阴阳极和辅助极都采石墨块加工而成。电解槽内装电解质230kg，电解质成分同例1。阴极2导电面对水平面的夹角=42^。。电解温度950℃，实行自热电解，电解电流设计值为4000A，实际工作电流在3960～4150A之间波动，阴阳极的极间距仍为2㎝2㎜，电解槽电压在2.85～3.17V之间波动，经过240小时的连续电解。采集到电解铝258.4kg。电解过程中的平均槽电压为3.05V，平均电解电流为4026A，据此算出中试电解电流效率为79.68％，吨铝电耗为14100kWh/T·Al。对比同等条件下的水平阴阳极电解槽，电解168小时后，产出电解铝157.2kg，平均槽电压为4.25V，平均电解电流为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18340kWh/T·Al。

实施例3：

中试电解槽采用两块阳极刚性连接，“V”形悬挂，每块阳极根据电解槽空间需要设计成多边形棱柱，长宽厚为50×50×20㎝；“V”形阴极槽的长宽深尺寸为80×106×41cm，蓄铝沟采用半“V”形设计，长宽深分别为80×20×20cm；辅助极相应设计成半箭头形，长高厚分别为80×50×10cm，顶部独立悬挂，连接电源，阴阳极和辅助极都采用半石墨质炭块加工而成。其它条件同实施例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3915～4160A。阴阳极的极间距为2㎝2㎜。经过240小时连续自热式铝电解，收集到电解铝251kg，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50kg，以上两项合计产铝301kg。电解的平均电流为4121A,平均槽电压为3.10V。据此算出中试电解的电流效率为90.05％，中试电解的吨铝电耗为：12100kwh/T·Al。

Claims

1.一种节能型熔盐铝电解槽，其特征在于倾斜式两阳极之间设置辅助极；辅助极是导电材料或非导电材料，通过吊挂单独悬挂，自由升降，连接电源或不连接电源；

阴极和阳极的导电面为倾斜式，互为“公母”结构，阴极和阳极的材料采用石墨块、石墨质炭块；阴极类似一个“V”型母槽结构， “V”型母槽中间下部为方形或半“V”型蓄铝沟，“V”形母槽阴极抱住上方的“V”型公头阳极。

2.根据权利要求1所述节能型熔盐铝电解槽，阳极导电面平行于阴极导电面，“V”型公头阳极根据电解槽空间需要设计成平行四边形棱柱或多边形棱柱，阳极单独悬挂或硬性连接。

3.根据权利要求1所述节能型熔盐铝电解槽，阴极和阳极的导电面与水平面的夹角的数值范围是0°～180°，其中不包括“0°”“90°”“180°”。