CN104884678A - 铝电解槽阴极分流器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有色金属冶金，具体而言，涉及由冰晶石-氧化铝熔体电解提取铝，并且其可用于阴极组件的分流器结构。在铝电解槽中，结构了将电流从铝熔体导引至阴极总线的阴极垂直金属分流器，以便其顶部为熔融铝，而底部为固态铝。分流器位于在炉膛板衬垫内制成的管道中，所述管道的中部具有加宽部，其比分流器的两部分都宽。分流器管道中的加宽部可充填有复合材料，即，二硼化钛-碳。可将分流器结构成管，并且管道中的加宽部和所述管内的空间可充填有复合材料二硼化钛-碳。应用提出的技术方案能够显著提高电效率，因为阴极分流器中不存在含有异质材料的接触组件、电流损失减少并且实现了有保障的有效电流分配和有效电流分流。

Description

铝电解槽阴极分流器结构

本发明涉及有色金属冶金，具体而言，涉及由冰晶石-氧化铝熔体电解提取铝，并且其可用于阴极组件的分流器结构。

用于生产铝的电解槽的阴极组件是极其重要的电动机械元件，其在很大程度上决定了电解槽的使用寿命和技术性电解工艺的效率，包括炉膛板中的电流分配和电流输送。

电子阴极组件及其制造技术的现有结构具有较多的缺点。电流负荷从阴极处的金属(熔融铝)经碳质炉膛板输送至机械固定(导电胶、生铁浇铸)在碳质砌块中的钢分流器杆或方坯(bloom)，然后穿过钢方坯和铝阴极放电的接触组件并进一步到达铝阴极收集总线上。在具有不同电动机械性质的电接触组件中使用了不同的材料，其造成接触组件中的电压梯度、局部过热、接触组件完整性的破坏、炉膛板完整性的破坏，并由此导致炉膛板中电流分配受扰乱以及技术工艺参数的不稳定。

存在已知的铝电解槽阴极，其具有杆形式的分流器，所述分流器位于可抵抗熔融铝和冰晶石的化学作用的材料(例如致密石墨材料)的垂直管中，而所述垂直管被置于钢管内并通过隔热层彼此分开。分流器杆的上部处于熔融状态，并与电解槽的金属形成直接接触，同时固态底部与分流器总线连接(美国专利3723287号，C22d 3/02,3/12，1973年3月17日公布)。

此种分流器结构的主要缺点是难以制造、笨重，以及由此产生的阴极组件的高成本价格。

与提出的发明最接近的是一种用于由熔融盐和氧化铝的混合物生产铝的电解槽的分流器结构，其包括阳极以及由铝制成并垂直延伸穿过底部衬垫的阴极分流器元件，所述阴极分流器元件的与阴极铝熔体接触的上部为液态，而与阴极总线接触的下部为固态，其中所述阴极分流器元件至少部分地以倒截锥(其下截面与上截面面积之比为1:2)的形式制成且以数量等于或大于阳极的数量安装，同时所述底部衬垫由耐火非碳材料制成，并涂布有不与铝相互作用的材料层(RF专利2281986号，С25СЗ/08，2006)。

依据其目的、其技术本质以及存在的相似特征，选择此方案作为最接近的现有技术。通过消除阴极分流器的接触组件、消除阴极中的水平电流以及相应地减少金属和电解质之间边界处的循环和波形成，所述已知方案可消除这些接触组件中的电压梯度，这会直接影响电流输出和耗电参数；其减少了熔体经炉膛板和阴极分流器元件和衬垫之间边界处的渗出，减少了碱金属对炉膛板的渗透，并由此提高了电解槽的使用寿命。

所述已知技术方案的主要缺点是，在电解槽的运行期间，于管内表面和铝芯之间出现电解质层，该电解质层将铝挤出铝。处于600℃～650℃的电解质将结晶在管壁上，并造成分流器的截面减小。这导致其液态部分和固态部分之间的电接触恶化，阴极中电压梯度增加，分流器局部受热，温度状态不稳定，电解槽技术运行受到扰乱，并且工艺的技术和经济参数降低。

而且，当分流器元件由上下横截面积比为1:2的倒锥形式且以等于或大于阳极数量的数量制得时，下横截面积由0.65А/mm²的对铝容许的电流密度而决定。这意味着，对于针对电流强度120kА结构的具有16个阳极和16个分流器元件的常规电解槽而言，分流器元件的尺寸分别为：下部上部提出的具有分流器的方案的优点在于阴极中的电压梯度低，而严重的缺点在于通过分流器元件从铝中显著移除热量，该缺点需要通过增加电极之间的间隙而补偿。这增加了生产每吨电解铝所需的电消耗。

由提出的技术方案解决的问题是确保分流器在其液态部分和固态部分之间的可靠的电接触，并确保其在电解槽的整个工作寿命期间的稳定状态。本发明所解决的第二个问题涉及技术条件的稳定以及提升电解工艺的技术和经济参数。

技术效果为：分流器在其液态部分和固态部分之间形成可靠的电接触，确保了在电解槽的工作寿命期间的稳定状态，技术条件稳定，并且提升电解工艺的技术和经济参数。

根据本发明完成提出的问题的解决方案，其中，在如下铝电解槽中：其中垂直金属阴极分流器将电流从铝熔体运载至阴极总线结构，所述分流器被结构为上部是熔融铝而下部是固态，并且其置于在炉膛板衬垫内制成的管道中，所述分流器管道的中部具有加宽部，该加宽部比所述分流器的两部分都宽。

本发明通过特定的区别特征得到补充，其有助于解决上述问题。

根据权利要求2，分流器管道中的加宽部充填有复合材料二硼化钛/碳。

根据权利要求3，分流器为管的形式，并且管道中的加宽部和管内的空间充填有复合材料二硼化钛/碳。

通过图形材料解释了本发明的主旨。

图1显示具有提出的分流器的铝电解槽的阴极，通过切掉四分之一示出；

图2显示具有分流器的管道的底部砌块；

图3以切出视角示出具有分流器的组装形式的底部砌块；

图4显示具有权利要求2所述分流器的组装形式的底部砌块；

图5显示具有权利要求3所述分流器的组装形式的底部砌块。

具有惰性阳极的铝电解槽的阴极组件包含：钢阴极外壳1；由高铝土混凝土(А1₂О₃至少90％)制成的底部砌块2；安装在底部砌块2的管道3中的铝分流器，其具有固态部分4和液态部分5；由铝板制成的载流集电器6，其具有延伸至外部的部件7；在砌块之间的由高铝土混凝土制成的接缝8；边缘砌块9；耐火砖层，比如由耐火土、高铝土氧化镁方镁石碳质砖块制成；隔热材料10，其可由轻质耐火土、蛭石、泡沫硅藻土、硅酸钙制成；以及用于充填底部砌块2的管道3的基于二硼化钛/碳的复合材料11。

阴极组件的底部砌块2具有分流器用管道3，该分流器具有固态部分4和液态部分5，所述管道均匀分布在底部砌块2的工作面上。可通过对砌块机加工或在底部砌块2的形成期间制成管道3。首先，在分流器的固态部分4和由铝制成的载流集电器6之间形成连接。所述连接通过焊接形成。然后，将与分流器组装为整体单元的载流集电器6安装在底部砌块2中，并通过将安装杆“定位”至从底部砌块突出的分流器而固定在此。此后，将组装的底部砌块2安装在阴极中。应注意制造阴极分流管道和分流器的补充准备步骤和这些步骤的成本是微乎其微的，其与在电解槽运行期间实现的结果有关。

电解槽如下工作。电解槽的阴极在启动前通过气体或液体燃烧器或电加热器加热至850℃～900℃。分流器的上部熔化并成为分流器5的液态部分，并且管道3中的加宽部(形成腔)被充填。通过由集电器6实现的热量去除防止了铝从管道的进一步排放，这使得液态铝在分流器周围结晶，从而充填在管道3和分流器之间存在的腔。

在将电解槽的阴极加温之后，将液态铝倒入槽中以便在炉膛板上形成120mm～150mm的层；此铝层与分流器的液态部分5作为一个整体连接并形成闭合电路。所产生的电路有效地将电流负荷从阳极输送至阴极，随后将电流负荷施加到电解库的电流通路中的下一电解槽。电流负荷的输送效率由以下决定：使用作为导体的液态和固态铝，电路中不存在异质材料的电接触，并且炉膛衬垫的材料中没有电阻。

制造具有加宽部的管道3将大幅增加分流器的液态部分5和固态部分4的接触面积，并在电解槽的整个工作寿命期间确保其稳定的电接触。

而且，底部砌块2中的管道3的加宽部可充填有基于二硼化钛-碳的复合材料11。此方案如下运作。复合材料11被液态铝润湿，并防止分流器的液态部分5和固态部分4之间的电解质渗透。随着时间推移，本身具有大约30％～40％孔隙度的复合材料被铝浸渍，并形成充填有与沉积在阴极处的组成相同的金属的内部的孔、毛细管、通道和腔。由于底部砌块的管道中的腔初始充填有复合材料，所以使用这种方案可降低启动期间铝泄露到槽基座中的风险，防止了铝的渗透。

此外，分流器可以管的形式制得，其内腔充填有复合材料11，其在短时间内便充分被液态铝浸渍。

此方案的一个益处在于降低分流器的制造成本，由于分流器的上部将或多或少熔化，于是使用中空铝管代替固体铝杆是完全合理的。这将能够在分流器的制造中节约约25％～30％。

因此，实现了稳定的电解槽的电气和技术参数、有效的电流分配、金属阴极分流器的更加可靠的运行(即，分流器在其液态部分和固态部分之间的电接触)及其更长的工作寿命、更长的电解槽的使用寿命、以及因此具有的更好的工艺的技术和经济参数。

如下组装用于具有惰性阳极的铝电解槽的衬垫。

首先组装底部砌块2，为此，将提供有管道3的预先连接的载流集电器6置于成形的底部砌块2中，并将预先连接有分流器4(垂直管)的载流集电器6固定在此，随后将底部砌块2运送至衬垫的安装地点。

在组装和安置钢阴极外壳1之后，将其底部衬以耐火和隔热材料11，其后用起着整平衬垫作用的松散材料层覆盖耐火层表面，在其上以一定间隔放置底部砌块以便相邻砌块间的间隙为30mm～50mm，从而在砌块之间产生接缝9。此后，铺设侧衬垫或“边”，其沿底部砌块和阴极外壳壁下部之间的阴极外壳周界放置，并由抵靠外壳壁填装的隔热材料层和抵靠隔热材料填装的耐火材料组成。用侧面衬垫披覆载流集电器的突出部，确保“边”紧固，同时不妨碍铝集电器的热膨胀。所述“边”是用于安装边缘衬垫9的基座；沿外壳1的壁以单排进行非金属耐火化合物边缘砌块的安装，将它们胶粘至外壳壁，并且对所有承载和连接表面润滑。可使用含有碳化硅粉末的喷浆、灰浆或耐火混凝土作为粘合剂或胶结组合物。

衬垫组装的最终和关键操作是充填底部砌块2之间的接缝8。

使用提出的技术方案能够显著提高用电效率，因为阴极分流器中不存在含有异质材料的接触组件、电流损失降低并且确保了有效电流分配和有效电流分流。

Claims (3)

1.一种铝电解槽阴极分流器结构，其中，垂直式金属阴极分流器将电流从铝熔体运载至阴极总线结构，所述分流器的上部是熔融铝而下部为固态，并且该分流器被置于在炉膛板衬垫内制成的管道中，其特征在于，分流器管道的中部具有加宽部，该加宽部比所述分流器的两部分都宽。

2.如权利要求1所述的铝电解槽阴极分流器结构，其特征在于，所述分流器管道中的所述加宽部充填有复合材料二硼化钛/碳。

3.如权利要求1所述的铝电解槽阴极分流器结构，其特征在于，所述分流器为管的形式，并且所述管道中的所述加宽部和所述管内的空间充填有复合材料二硼化钛/碳。