CN107541755B - 一种内加热式熔盐电解槽 - Google Patents

Abstract

一种内加热式熔盐电解槽，涉及一种熔盐电解过程的电解槽结构的改进。其特征在于在电解槽的槽体内壁表面贴合设有加热装置；所述的加热装置的结构包括：与电解槽的槽体内壁表面贴合的加热体保护板，该嵌入安装在加热体保护板上顶向下开有的下凹盲槽/孔中的加热体。所述的电解槽内衬为拼装、组合式石墨坩埚；所述的加热装置为分体式，能够与石墨坩埚侧壁分离，并单独更换。本发明一种内加热式熔盐电解槽，电解槽不受坩埚内衬材料尺寸和寿命的限制，能够开展大电流、长时间的电解试验，可开展100A‑1000A电解试验，能够满足几百小时至几千小时的长期电解试验的需求，且成本相对不高、容易实现。

Description

一种内加热式熔盐电解槽

技术领域

一种内加热式熔盐电解槽，涉及一种熔盐电解过程的电解槽结构的改进。

背景技术

在工业化生产中，许多种金属都是采用熔盐电解的方法制得，例如，铝、镁、镨、钕，以及镨钕合金等。对于这种工业化的电解槽来说，由于电解电流较高，电解过程产生的热量，已经能够维持熔盐电解所需要的高温环境，所以通常不需要额外的能量去加热。

在从事熔盐电解技术研究时，经常要使用实验室规模的小型电解槽。由于小型电解槽的电解电流较小，电解过程中产生的热量少，不足以维持熔盐电解所需的高温。因此，对于这种实验室规模的电解槽，必须采用外加热的方法来保证熔盐电解过程的正常进行。

现行的实验室规模的电解槽制作方法，通常是采用石墨坩埚或刚玉坩埚作为电解槽内衬，将其放入一个井式电加热炉的炉膛中，电加热炉提供热量，石墨坩埚或刚玉坩埚盛装电解过程所需要的熔盐。为了避免渗出的熔盐或挥发出去的熔盐对加热炉造成损坏，在石墨坩埚或刚玉坩埚外，往往还有一层整体的刚玉坩埚或耐高温金属坩埚，作为隔离层来保护井式加热炉。

上述这种实验室规模的熔盐电解槽，其结构简单、容易实现，但也存在着非常明显的缺陷：1）试验规模受到限制。受到石墨坩埚或刚玉坩埚尺寸或制作成本的限制，电解槽不能够做大。电解槽尺寸受到限制，对应的则是电解试验的电流大小或电极材料大小受到限制，通常只能做几十安倍的微型电解试验；2）寿命不长，电解试验不能长时间进行。内衬坩埚和保护层坩埚的寿命决定了电解试验能够开展的时间，通常只能够做几个小时到几十个小时的电解试验；3）井式加热炉被损坏的几率较高。在坩埚意外开裂，或者在进行较长时间的电解试验以后坩埚损坏，均会造成熔盐腐蚀加热炉的炉膛，而使加热炉损坏，并且电解试验也会被迫停止。

熔盐电解过程往往带有较强的腐蚀特性。以熔盐铝电解为例：

目前商业化的金属材料，还没有能够长期经受铝电解槽内熔盐腐蚀的材料出现；刚玉系列的材料，主要成分是氧化铝，能够溶解到熔盐中；石墨碳素材料尽管能够经受熔盐的长期腐蚀，但在熔盐液面处却很容易被氧化腐蚀。所以，能够盛装熔盐并满足长期电解试验需要的内衬材料非常关键，是制约电解槽寿命的关键因素。

工业化生产的预焙阳极铝电解槽，靠外部冷却的作用，熔盐电解质能够在内衬侧部自然形成一层结壳，它能够保护内衬材料免受电解质熔体的腐蚀，特别是在熔盐电解质的液面处。所以，工业化的电解槽能够有较长的寿命。

然而，在实验室规模的铝电解槽中，由于采用外加热的原因，电解槽内衬侧部不能够形成熔盐电解质结壳，内衬将直接面对熔盐电解质的腐蚀。特别是在熔盐电解质的液面处，内衬材料很容易被腐蚀而形成穿孔、破裂。这也是实验室规模熔盐铝电解槽不能够长寿的一个最为关键的因素。

发明内容

本发明目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种不用外加热源，使电解槽能够不受到石墨坩埚或刚玉坩埚内衬尺寸和寿命的限制，有效增加电解槽运行寿命，能够在实验室的条件下开展大电流、长期的熔盐电解试验的内加热式熔盐电解槽。

本发明的目的是通过以下技术方案实现。

一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于在电解槽的槽体内壁表面贴合设有加热装置。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于所述的加热装置的结构包括：

加热体保护板，该保护板与电解槽的槽体内壁表面贴合，在套板上顶向下开有下凹的盲槽/孔；

加热体，该加热体嵌入安装在加热体保护板上顶向下开有的下凹盲槽/孔中。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于所述的加热体保护板材质为石墨。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于所述的加热体套板贴合设置于内加热式熔盐电解槽垂向内侧壁上。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其加热装置沿垂向分为若干个，组合后满覆于电解槽的槽体内壁上。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其加热体为棒状电加热体，上部引出端平向弯折，呈倒“L”型。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其熔盐电解槽的槽体结构由外向内依次包括：钢制槽壳、保温层、干式防渗料层、刚玉浇注层和石墨坩埚内衬，在保温层、干式防渗料层、刚玉浇注层和石墨坩埚上沿盖有刚玉浇注层板。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其熔盐电解槽的石墨坩埚内衬为拼装、组合式石墨坩埚。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其熔盐电解槽的石墨坩埚内衬形状为圆形或方形中的一种，由石墨底座和侧壁构成。

本发明一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于所述的加热体为电加热管，电加热管外表面金属为不锈钢、钼钢、钨钢中的一种。

本发明一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其电解槽在棒状电加热体上部盖有钢制盖板。

本发明一种内加热式熔盐电解槽，具有以下优点：（1）加热装置布置在电解槽内衬的内部，不仅提供发热源，还能保护内衬；（2）加热装置贴在电解槽内衬侧壁的内表面，替代电解槽内衬侧壁直接面对电解质熔体，减缓了电解槽内衬侧壁的腐蚀速度；（3）加热装置的保护层被腐蚀或发热体损坏后，能够单独更换，从而大大增加了电解槽本身的运行寿命；（4）能够使电解槽不受内衬材料尺寸和寿命的限制，能够在实验室的条件下开展大电流、长期的熔盐电解试验。

本发明一种内加热式熔盐电解槽，在电解槽坩埚内衬材料的内表面，布置带有保护板层的发热体构成的加热装置，其保护层不仅能够保护发热体，还能够保护坩埚内衬材料，从而使电解槽不受坩埚内衬材料尺寸和寿命的限制，能够开展大电流、长时间的电解试验，可开展100A-1000A电解试验，能够满足几百小时至几千小时的长期电解试验的需求，且成本相对不高、容易实现。

附图说明

图1为本发明一种内加热式熔盐电解槽的一种结构示意图；

图2为本发明一种内加热式熔盐电解槽的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但并非对其保护范围的限制。

一种内加热式熔盐电解槽，在电解槽的槽体内壁表面贴合设有加热装置；所述的加热装置的结构包括：加热体保护板8，该保护板与电解槽的槽体内壁表面贴合，在套板上顶向下开有下凹的盲槽；加热体9，该加热体嵌入安装在加热体保护板上顶向下开有的下凹盲槽中。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，在电解槽石墨坩埚内衬材料侧壁的内表面，布置带有保护层板的发热体构成的加热装置，其保护层板不仅能够保护发热体，还能够保护坩埚内衬材料，从而使电解槽不受坩埚内衬材料、尺寸和寿命的限制，能够开展大电流、长时间的电解试验。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，其电解槽内衬为拼装、组合式石墨坩埚4，石墨坩埚内衬外层依次为氧化铝层3、防渗料层2、保温层1、钢制槽壳7，由此构成电解槽的主体结构；带有保护层的发热体构成的加热组件，能与石墨坩埚侧壁内表面贴合，并覆盖侧壁的全部内表面，而石墨坩埚的底部不布置发热体或加热组件；加热组件为分体式，由多组拼接而成，且能够与石墨坩埚侧壁分离，能够单独更换；带有保护层的发热体采用电加热。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，所述石墨坩埚内衬，拼装、组合后为圆形或方形中的一种，由石墨底座和侧壁构成；所述石墨坩埚内衬外层的氧化铝层，为刚玉浇注料浇筑而成；所述石墨坩埚内衬外层的氧化铝层，为工业氧化铝填充构成；所述石墨坩埚内衬外层的防渗料层，为铝电解领域常用的干式防渗料；所述石墨坩埚内衬外层的保温层，为保温砖、硅酸钙板、纤维板中的一种或多种组合构成。在保温层、干式防渗料层、刚玉浇注层和石墨坩埚上沿盖有刚玉浇注层板5。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，述带有保护层的发热体构成的加热组件，其保护层外观为带有孔洞的板状，能够与石墨内衬内表面贴合；发热体外观为倒“L”型的棒状，发热体放置于板状保护层的槽/孔洞中；带有保护层的发热体构成的加热组件，其保护层的材质为石墨。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，所述带有保护层的发热体构成的加热组件，其发热体为电加热管，电加热管外表面金属采用不锈钢、钼钢、钨钢中的一种。

本发明一种内加热式熔盐电解槽，其电解槽在棒状电加热体上部盖有钢制盖板6。

本发明的一种内加热式熔盐电解槽，所述带有保护层的发热体构成的加热组件，在保护层腐蚀或发热体损坏后，能够在电解槽运行的条件下单独更换，以保证电解槽能够持续的运行。

实施例1

电解槽结构如附图中的图1所示。

图1为电极竖式排列的惰性阳极试验用电解槽。电解槽由内到外的结构组成依次为：拼装、组合式石墨坩埚4；刚玉浇注料（氧化铝层）3；干式防渗料2；硅酸钙板（保温层）1；钢制槽壳7。惰性阳极11和可润湿性阴极10竖式交错排列，通过导杆与槽上方的母线连接。

加热组件为分体式，有四组分别紧贴在石墨坩埚的四个内侧壁。每组加热组件均由石墨保护板8和四个L型单端电加热管9构成，加热管外层金属为310S不锈钢。加热组件放置在电解槽内以后，用钢制炉盖6进行压紧固定。运行过程中，加热组件起到加热和保护石墨坩埚侧壁的作用。当加热组件的石墨保护板8受到腐蚀，或者倒“L”电加热管9损坏，则可以将加热组件提出，更换一组新的。

电解槽内布置完加热组件后，其内部净尺寸为：长350mm，宽290mm，深400mm。

电解试验过程，采用KF-NaF-AlF₃低温电解质体系，电解温度800-850℃，由加热组件提供热量。电解过程直流电为200A，两块可润湿性阴极，一块惰性阳极。电解过程需要持续的提供氧化铝下料，还需要定期将底部产生的铝水取出。

当试验运行1020小时左右，加热组件的石墨保护板，在电解质液面处有显著的氧化、腐蚀迹象，个别位置已经裸露出加热管。于是将四组加热组件逐个更换，而电解试验并没有停止。更换新加热组件后，继续加热，电解试验持续进行。约1600小时左右，惰性阳极需要提出检测分析，于是停止加热，试验停止。

试验周期内：电解质温度能够维持在800-850℃，电解槽石墨内衬侧壁没有明显腐蚀。电解槽还可以继续使用。

实施例2

电解槽结构如附图中的图2所示。

图2为惰性阳极试验用上下结构电解槽（阳极在上，阴极在下）。电解槽由内到外的结构组成依次为：拼装、组合式石墨坩埚；刚玉浇注料（氧化铝层）；干式防渗料；硅酸钙板（保温层）；钢制槽壳。惰性阳极11在阴极上方，通过导杆与槽上方的母线连接。阴极在阳极下方，通过阴极钢棒12连接并引出槽外，与上方母线连接。

加热组件为分体式，有四组分别紧贴在石墨坩埚的四个内侧壁。每组加热组件均由石墨保护板和四个L型单端电加热管构成，加热管外层金属为钨钢。加热组件放置在电解槽内以后，用钢制炉盖进行压紧固定。运行过程中，加热组件起到加热和保护石墨坩埚侧壁的作用。当加热组件的石墨保护板受到腐蚀，或者倒“L”电加热管损坏，则可以将加热组件提出，更换一组新的。

电解槽内布置完加热组件后，其内部净尺寸为：长350mm，宽290mm，深350mm。

电解试验过程，采用KF-NaF-AlF₃-LiF低温电解质体系，电解温度880-920℃，由加热组件提供热量。电解过程直流电为400A，一块惰性阳极，蓄铝池13中存有一定量的铝水作为阴极。电解过程需要持续的提供氧化铝下料，还需要定期将底部产生的铝水取出。

当试验运行820小时后，加热组件的石墨保护板，在电解质液面处有显著的氧化、腐蚀迹象，个别位置已经裸露出加热管。于是将四组加热组件逐个更换，更换新加热组件后，继续加热，而电解试验并没有停止。约1200小时左右，惰性阳极需要提出检测分析，于是停止加热，试验停止。

试验周期内：电解质温度能够维持在880-920℃，电解槽石墨内衬侧壁没有明显腐蚀。电解槽还可以继续使用。

以上实施例是本发明在研发试验过程的部分案例，只为更加清楚的阐述而非限制。电解槽具体尺寸、大小、阳极种类、电解质成分、电解过程参数、电流大小等有变化，但符合本专利要求所述特征的，均在本专利保护之内。

Claims (10)

1.一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于在电解槽的槽体内壁表面贴合设有加热装置，所述的加热装置的结构包括：加热体保护板，该保护板与电解槽的槽体内壁表面贴合，在套板上顶向下开有下凹的盲槽/孔；加热体，该加热体嵌入安装在加热体保护板上顶向下开有的下凹盲槽/孔中。

2.根据权利要求1所述的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于所述的加热体保护板材质为石墨。

3.根据权利要求1所述的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于所述的加热体保护板贴合设置于内加热式熔盐电解槽垂向内侧壁上。

4.根据权利要求1所述的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其加热装置沿垂向分为若干个，组合后满覆于电解槽的槽体内壁上。

5.根据权利要求1所述的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其加热体为棒状电加热体，上部引出端平向弯折，呈倒“L”型。

6.根据权利要求1所述的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其熔盐电解槽的槽体结构由外向内依次包括：钢制槽壳、保温层、干式防渗料层、刚玉浇注层和石墨坩埚内衬，在保温层、干式防渗料层、刚玉浇注层和石墨坩埚上沿盖有刚玉浇注层板。

7.根据权利要求6所述的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其熔盐电解槽的石墨坩埚内衬为拼装、组合式石墨坩埚。

8.根据权利要求7所述的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其熔盐电解槽的石墨坩埚内衬形状为圆形或方形中的一种，由石墨底座和侧壁构成。

9.根据权利要求1所述的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于所述的加热体为电加热管，电加热管外表面金属为不锈钢、钼钢、钨钢中的一种。

10.根据权利要求1所述的一种内加热式熔盐电解槽，其特征在于其电解槽在棒状电加热体上部盖有钢制盖板。