CN105780053A - 一种以铝作为阴极的铝电解方法 - Google Patents

Abstract

一种以铝作为阴极的铝电解方法，涉及熔盐法生产铝电解方法的改进。其特征在于其电解过程是采用电解槽底部的铝液作为阴极进行铝电解的；其电解槽底部的铝液与阴极母线接触形成铝电解的阴极。本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，铝电解槽可采用常规阳极系统、下料系统、粉尘净化系统，本发明的方法以无阴极炭块‑无钢棒‑无硼化钛涂层的铝液作为阴极，代替钢棒‑炭块组阴极，消除了传统铝电解槽存在的阴极炭块上的氧化铝沉淀和蜂窝状微电池缺陷，在电解生产过程中，不存在炉底沉淀生成的氧化铝、碳化铝对电解铝液污染的问题。

Description

一种以铝作为阴极的铝电解方法

技术领域

一种以铝作为阴极的铝电解方法，涉及熔盐法生产铝电解方法的改进。

背景技术

目前，常规电解铝生产是以冰晶石一氧化铝熔体为电解质，以碳为阳极，以液体铝、阴极炭块、阴极钢棒组成的阴极体系为阴极，通直流电流，在阳极析出CO₂气体，在阴极析出液体铝，传统铝电解槽示意图见图1。按照目前的技术，生产1t金属铝约须消耗综合交流电度15000kw·h左右，在铝电解930-960℃的工艺条件下，铝电解的能量利用效率不足36％(阳极碳素材料消耗折合电耗3000kw·h)。传统铝电解槽电流由阳极流经电解液、铝液，从阴极流出。阳极压降、极间电阻压降(包括电解液、铝液)、阴极压降高是造成铝电解能量利用效率低的主要原因。在铝电解槽电阻压降中，阴极压降约占电阻压降的20％，铝电解槽的阴极由槽内铝液层和阴极炭块组组成，阴极压降由槽内铝液层压降、铝碳接触压降、炭块压降、碳钢接触压降、钢棒压降等部分组成。在电解槽投入使用的初期(投产一年左右)，阴极压降随电解槽使用时间的延长，有逐渐降低的趋势(随阴极炭块石墨化程度提高而降低)。投产2-3年的电解槽，阴极压降保持相对稳定。以后，随着电解槽使用时间的延长，阴极压降有逐渐升高的趋势。传统铝电解槽阴极炭块组的炭块与导电钢棒之间会产生碳-钢接触压降。炭块电压降、碳-钢接触压降随槽龄增加而先降后升。电解铝液与炭块之间的接触界面电压降受炉底结壳状态影响有较大的波动。以某型铝电解槽为例，在炉底无结壳的情况下，电解铝液与炭块之间的接触界面电压降2d在20-28mv之间，炭块电压降2e为102mv，新槽期间的碳-钢接触压降2b为69mv，钢棒压降为186mv。新槽期间的钢棒电压降约占炉底电压降的48.8％，传统铝电解槽阴极炭块组示意图见图2。特别是，阴极炭块组中的碳-钢接触压降随着槽龄的增加而增大，究其原因是由于：电解槽在使用过程中，槽内电解液通过阴极炭块向底部渗透，渗透出的电解液在碳-钢接触部位冷却，形成不导电的固体电解质层，使碳-钢接触压降急剧上升，传统铝电解槽阴极钢棒与炭块之间的固体绝缘电解质层示意图见图3。在传统电解槽阴极炭块上，易于形成氧化铝沉淀，传统铝电解槽炭块阴极上形成的蜂窝状沉淀，阴极炭块上形成的氧化铝沉淀，受电解槽冷热状态影响而发生变化，沉淀可以是糊状、板壳状或者蜂窝状，糊状、板壳状沉淀可以使槽电压升高400mv-900mv，蜂窝状沉淀不仅使阴极炉底压降增加，还能形成以铝为阳极、以阴极炭块为阴极的微电池，在微电池的阳极上生成氧化铝、在阴极上生成碳化铝，炭块阴极上生成的氧化铝沉淀，增大电解铝电耗、降低铝电解电流效率，所生成的氧化铝、碳化铝造成电解铝液污染，传统铝电解槽炭阴极上形成的蜂窝状沉淀示意图见图4。

综上所述，由铝液和阴极炭块组组成阴极的传统结构的铝电解槽，阴极钢棒电压降约占炉底压降的49％，极大地增加了铝电解的电耗；在电解槽使用过程中，渗透出的电解液在碳-钢接触部位形成不导电的固体电解质层2g，使碳-钢接触压降急剧上升，增大铝电解电耗；在阴极炭块上形成的氧化铝沉淀，不仅使阴极炉底压降增加，还能形成以铝为阳极、以阴极炭块为阴极的微电池，生成的氧化铝、碳化铝，增大电解铝电耗、降低铝电解电流效率，同时造成电解铝液污染。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种能有效消除铝-碳接触压降、炭块电阻压降、碳-钢接触压降、钢棒电阻压降，降低铝电解电耗，提高铝电解电流效率的以铝作为阴极的铝电解方法。

本发明的目的过以下技术方案实现的。

一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其电解过程是采用电解槽底部的铝液作为阴极进行铝电解的。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其电解槽底部的铝液与阴极母线接触形成铝电解槽的阴极。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于在铝电解槽槽体的两端头内侧设有与电解槽槽体侧壁固接的隔墙，隔墙底部伸入铝液并与电解槽槽体底形成铝液下部通道，隔墙与铝电解槽槽体的两端头内壁形铝液侧通道，阴极母线在铝液侧通道中与铝液联接成一个整体。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其隔墙由电解槽里向外方向，依次由炭块和耐火-保温材料构成，其炭块下部砌有氧化铝陶瓷砖。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其铝电解过程的电解槽的下部结构由耐火-保温材料构成，耐火-保温材料上部可以衬设碳素材料层。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其铝电解过程的电解液层位于阳极与阴极铝液层之间。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其电解槽开槽生产过程的步骤包括：

(1)烘炉：用炉盖与阴极系统组成密闭的空间，烘炉用烧嘴安装在烘炉用炉盖上，烘炉烧嘴对电解槽槽膛进行烘烤，烘炉温度为350-1000℃，优选烘炉温度为400-950℃；

(2)灌铝：待电解槽槽膛温度达到400-950℃，继续保温10-48h，待槽底温度达到300-900℃，揭开烘炉用炉盖，向槽膛内灌入铝液。铝液温度为700-900℃，灌入的铝液量以阴极母线槽中铝液高度达到母线槽深度30％-70％为准，在铝液表面撒冰晶石对高温铝液进行保护；随炉冷却铝液，待铝液凝固，上表面温度降低到500-640℃即进行高温装炉作业；

(3)装炉：在阴极铝上部安放阳极，保持阳极与阴极接触,在阳极四周均匀铺设冰晶石、电解质块、槽达(碳酸钠)、氟化钙、氟化镁、氟化钠、氧化铝物料，物料配比按照常规工艺要求进行；

(4)通电焙烧：待阳极温度上升至400-960℃，阳极中缝中冰晶石、电解质块熔化，电解液联通，电解槽具备启动条件；

(5)启动：向电解槽中灌入液体电解质，电解槽中液体电解质高度达到8-35cm，向槽四周、阳极中缝加物料；随后，开始提升阳极，进行效应启动，效应电压10-50V，每次效应时间控制在2-60minutes之间；待槽四周人造炉帮形成，电解液水平达到工艺要求，向电解槽中灌入铝液；对母线槽中的铝液进行吹风冷却，使母线槽中铝液凝固，实现稳定的导电联通条件；随后，电解槽转入启动后期管理，逐步转入正常电解维护工艺条件。

(6)电解、加料：电解质分子比控制在1.3-2.7之间，；电解温度在800-1000℃之间；

(7)出铝：采用传统电解槽出铝方法进行出铝作业。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，铝电解槽可采用常规阳极系统、下料系统、粉尘净化系统，本发明的方法以无阴极炭块-无钢棒-无硼化钛涂层的铝液作为阴极，代替钢棒-炭块组阴极，消除了传统铝电解槽存在的阴极炭块上的氧化铝沉淀和蜂窝状微电池缺陷，在电解生产过程中，不存在炉底沉淀生成的氧化铝、碳化铝对电解铝液污染的问题。

附图说明

图1为已有技术的图1.传统铝电解槽示意图；其图中，1为传统铝电解槽。

图2为已有技术的传统铝电解槽阴极炭块组示意图；其图中，2为阴极炭块组。

图3为已有技术的传统铝电解槽阴极钢棒与炭块之间的固体绝缘电解质层示意图，其图中，2g为钢棒与炭块之间的固体绝缘电解质层。

图4为已有技术的传统铝电解槽炭阴极上形成的蜂窝状沉淀示意图；其图中，2h为阴极炭块上形成的蜂窝状微电池。

图5为本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法采用的电解槽的结构示意图；其图中3为阳极，4为纯铝阴极系统，5为阴极母线，6为阴极铝液，7为隔墙。

图6为本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法采用的纯铝阴极铝电解槽阴极结构A-A剖面示意图；其图中，5为阴极母线，8为炭块，9为侧部耐火-保温层，10为氧化铝陶瓷砖，15为阴极铝液。

图7为本发明的方法的烘炉时的装置结构示意图；其图中，11为烘炉用炉盖，12为烘炉烧嘴，13为槽膛，13a为槽底，14为从联通通道中排出的烟气。

具体实施方式

一种以铝作为阴极的铝电解方法，其电解过程是采用电解槽槽4体底部的铝液作为阴极进行铝电解；其电解槽槽体底部的铝液6与阴极母线5接触形成铝电解的阴极。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，在铝电解槽槽体的两端头内侧设有与电解槽侧壁固接有隔墙7，隔墙底伸入阴极铝液，并与电解槽底形成铝液下部通道，隔墙与铝电解槽的两端头内壁形成铝液侧通道，阴极母线5在铝液侧通道中与铝液接触；其隔墙7由电解槽里向外方向，依次由炭块8和耐火-保温材料9构成，其炭块下部砌有氧化铝陶瓷砖10(电解槽两个小面无需砌筑氧化铝陶瓷砖)；其铝电解过程的电解槽的下部结构由耐火-保温材料构成。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其电解过程的步骤包括：

(1)烘炉：电解槽烘炉采用图7所示的装置进行烘烤，由烘炉用炉盖11与下部阴极系统组成密闭的空间，烘炉用烧嘴12安装在烘炉用炉盖11上，烘炉烧嘴12对电解槽膛13进行烘烤，烘烤所用燃料可以是粉煤、燃气、燃油或者阳极气体，优选燃料为阳极气体，烟气14从联通通道中排出。为防止烘炉期间发生侧部碳素材料氧化，烘炉采用还原气氛。烘炉温度为350-1000℃，优选烘炉温度为400-950℃。

灌铝：待槽膛温度达到400-950℃，继续保温10-48h，待槽底温度达到300-900℃，揭开烘炉用炉盖，向槽膛内灌入铝液，铝液温度为700-900℃，灌入的铝液量以阴极母线槽中铝液高度达到母线槽深度30％-70％为准，在铝液表面撒冰晶石对高温铝液进行保护。随炉冷却铝液，待铝液凝固，上表面温度降低到500-640℃即进行高温装炉作业。

装炉：按工艺位置要求在阴极铝上部安放阳极，保持阳极与阴极接触，所有阳极重量由导电梁承重。在阳极四周均匀铺设冰晶石、电解质块、槽达(碳酸钠)、氟化钙、氟化镁、氟化钠、氧化铝等物料，物料配比按照常规工艺要求进行。阳极中缝处的物料以冰晶石、电解质块为主，参杂2％-45％的氟化钠，上部覆盖氧化铝。在阳极与下一台电解槽进电母线之间安装分流片和分流钢带。

通电焙烧：根据阳极温度上升情况，分阶段拆除分流片和分流钢带，待阳极温度上升至400-960℃，阳极中缝中冰晶石、电解质块熔化，电解液联通，电解槽具备启动条件。

启动：向电解槽中灌入液体电解质，电解槽中液体电解质高度达到8-35cm，向槽四周、阳极中缝加物料。随后，开始提升阳极，进行效应启动，效应电压10-50V，每次效应时间控制在2-60minutes之间，效应电压高，效应持续时间短；效应电压地，效应持续时间长；效应期间，视槽四周、阳极中缝物料熔化情况，及时补充物料。利用高温效应、提升电解液水平、构建槽四周炉帮、并使阳极、电解液、槽膛下部的底部耐火-保温层的温度达到电解工艺要求。待槽四周人造炉帮形成，电解液水平达到工艺要求，向电解槽中灌入铝液，至阴极母线槽中铝液高度达到工艺要求。对母线槽中的铝液进行吹风冷却，使母线槽中铝液凝固，实现稳定的导电联通条件。电解槽转入启动后期管理，逐步转入正常电解维护工艺条件。

电解、加料：电解采用低熔点、低分子比电解质为宜，电解质分子比控制在1.3-2.7之间，电解质中添加降低电解质熔点的添加剂(如氯化钠、氯化钾、氟化锂、氟化钙、氟化镁等)以实现低温铝电解；电解温度在800-1000℃之间。最好采用槽外配料加料(定期从槽内抽取氧化铝贫化的电解液，在槽外配入氧化铝后，将补充氧化铝的电解液返回电解槽)工艺；或者采用点式下料，下料量以不产生氧化铝炉底沉淀为宜；采用点式下料方法时，槽内下料点布置较传统电解槽多，每个下料点每次下料的下料量较传统电解槽少。

出铝：采用传统电解槽出铝方法进行出铝作业。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其隔墙炭块8下部砌有氧化铝陶瓷砖的作用是阻断侧部炭块8与纯铝阴极15之间的水平电流，增加铝液的安静性能，提高电流效率。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，针对传统电解槽存在的阴极钢棒压降高、钢棒和炭块之间易于形成固体电解质绝缘层、阴极炭块上易于形成氧化铝沉淀和蜂窝状微电池，生成的氧化铝、碳化铝，增大电解铝电耗、降低铝电解电流效率等不足，以纯铝铝液阴极代替钢棒-炭块组组成的阴极；以纯铝铝液阴极代替钢棒-炭块阴极的好处是：降低新槽期间的炉底压降95％以上。以某型电解槽为例，降低铝-碳接触压降24mv(20-28mv)、炉底钢棒压降186mv、炭块压降102mv、碳-钢接触压降69mv为例计算，吨铝降低电耗1234kw·h；消除了碳-钢界面形成固体电解质绝缘层，使电解槽在整个寿命期内，炉底压降始终维持在极低的水平，极大地降低铝电解电耗。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，以纯铝阴极代替代替钢棒-炭块组阴极，消除了传统铝电解槽存在的阴极炭块上的氧化铝沉淀和蜂窝状微电池缺陷，在电解生产过程中，不存在炉底沉淀生成的氧化铝、碳化铝对电解铝液污染的问题。

本发明的一种以铝作为阴极的铝电解方法，阴极出电母线安放在隔墙与铝电解槽的两端头内壁形铝液侧通道内，母线槽与下层铝液之间通过联通通道联为一体。母线槽和联通通道中的铝液为固态，当电解槽的热平衡发生变化时，联通通道4k中的铝液在固态、半固态、液态之间转化，此时，纯铝阴极通过溢流和补缩确保从纯铝阴极→联通通道→阴极出电母线7之间的出电回路畅通，保证电解过程连续进行。

本发明所述的无阴极炭块-无钢棒-无硼化钛涂层的纯铝阴极的低电耗铝电解槽，与传统铝电解槽相比，以铝液代替传统的炭块-钢棒复合阴极,消除了铝-碳接触压降、炭块电阻压降、碳-钢接触压降、钢棒电阻压降，以某型传统铝电解槽为例，降低炉底压降381mv，相当于降低吨铝电耗1234kw·h，相当于铝电解产业全年降低电耗384亿度；消除了因电解液渗透形成的固体电解质绝缘层，使电解槽在整个寿命期内，炉底压降始终维持在极低的水平，极大地降低铝电解电耗；消除了因炉底沉淀引起的氧化铝、碳化铝对电解铝液的污染，降低电解铝电耗、提高了铝电解电流效率，具有很高的经济价值和社会效益。

Claims (7)

1.一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其电解过程是采用电解槽底部的铝液作为阴极进行铝电解的。

2.根据权利要求1所述的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其电解槽底部的铝液与阴极母线接触形成铝电解的阴极。

3.根据权利要求1所述的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于在铝电解槽槽体的两端头内侧设有与电解槽槽体侧壁固接有隔墙，隔墙底伸入铝液、与电解槽槽体底形成铝液下部通道，隔墙与铝电解槽槽体的两端头内壁形铝液侧通道，阴极母线在铝液侧通道中与铝液接触。

4.根据权利要求1所述的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其隔墙由电解槽里向外方向，依次由炭块和耐火-保温材料构成，其炭块下部砌有氧化铝陶瓷砖。

5.根据权利要求1所述的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其铝电解过程的电解槽的下部结构由耐火-保温材料构成。

6.根据权利要求1所述的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其铝电解过程的电解液层位于阳极与阴极铝液层之间。

7.根据权利要求1所述的一种以铝作为阴极的铝电解方法，其特征在于其电解过程的步骤包括：

(1)烘炉：用炉盖与阴极系统组成密闭的空间，烘炉用烧嘴安装在烘炉用炉盖上，烘炉烧嘴对电解槽槽膛进行烘烤，烘炉温度为350-1000℃，优选烘炉温度为400-950℃；

(2)灌铝：待电解槽槽膛温度达到400-950℃，继续保温10-48h，待槽底温度达到300-900℃，揭开烘炉用炉盖，向槽膛内灌入铝液，铝液温度为700-900℃，灌入的铝液量以阴极母线槽中铝液高度达到母线槽深度30％-70％为准，在铝液表面撒冰晶石对高温铝液进行保护；随炉冷却铝液，待铝液凝固，上表面温度降低到500-640℃即进行高温装炉作业；

(3)装炉：在阴极铝上部安放阳极，保持阳极与阴极接触,在阳极四周均匀铺设冰晶石、电解质块、槽达(碳酸钠)、氟化钙、氟化镁、氟化钠、氧化铝物料，物料配比按照常规工艺要求进行；

(4)通电焙烧：待阳极温度上升至400-960℃，阳极中缝中冰晶石、电解质块熔化，电解液联通，电解槽具备启动条件；

(5)启动：向电解槽中灌入液体电解质，电解槽中液体电解质高度达到8-35cm，向槽四周、阳极中缝加物料；随后，开始提升阳极，进行效应启动，效应电压10-50V，每次效应时间控制在2-60minutes之间；待槽四周人造炉帮形成，电解液水平达到工艺要求，向电解槽中灌入铝液；对母线槽中的铝液进行吹风冷却，使母线槽中铝液凝固，实现稳定的导电联通条件；电解槽转入启动后期管理，逐步转入正常电解维护工艺条件。

(6)电解、加料：电解质分子比控制在1.3-2.7之间，；电解温度在800-1000℃之间；

(7)出铝：采用传统电解槽出铝方法进行出铝作业。