CN108642524A - 一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝‑碳复合阴极铝电解槽阴极，是为“一种以铝液‑碳块复合层作为阴极的铝电解方法”专利申请的专用电解槽。铝电解生产时，铝电解槽可采用常规阳极系统、下料系统、粉尘净化系统，由于以无钢棒‑无硼化钛涂层的铝液‑碳块复合层作为阴极，代替传统钢棒‑碳块‑铝液复合阴极，有利于提高电解槽使用寿命，具有很高的经济价值和社会效益。
Description
技术领域
一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，涉及以冰晶石—氧化铝熔体为电解质、熔盐法生产铝电解槽的改进。
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、阴极碳块、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。按照目前的技术，生产1t金属铝约须消耗13000kw·h电，在铝电解940-960℃的工艺条件下，铝电解的能量利用效率不足45%。在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重要原因。
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碳块组组成，阴极压降由槽内铝液层压降、铝碳接触压降、碳块压降、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（随阴极碳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。
传统铝电解槽的阴极碳块组的碳块与导电钢棒之间产生碳-钢接触压降，碳块电压降、碳-钢接触压降随槽龄增加而先降后升。电解铝液与碳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，电解铝液与碳块之间的接触界面电压降在20-28mv之间，碳块电压降为102mv，新槽期间的碳-钢接触压降为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%。特别是，阴极碳块组中的碳-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碳块向底部渗透，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。在传统电解槽阴极碳块上，易于形成氧化铝沉淀，传统铝电解槽碳块阴极上形成的蜂窝状沉淀，阴极碳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400-900mv，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、以阴极碳块为阴极的微电池，在微电池的阳极上生成氧化铝、在阴极上生成碳化铝，碳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。传统铝电解槽示意图见图1，传统铝电解槽阴极碳块组见图2，传统铝电解槽阴极钢棒与碳块之间的固体绝缘电解质层示意图见图3。
综上所述，由铝液和阴极碳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，使碳-钢接触压降急剧上升，增大铝电解电耗；在阴极碳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、以阴极碳块为阴极的微电池，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一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极。本发明的目的通过以下技术方案实现的。
一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，其特征在于其阴极系统的结构包括：电解槽体，该电解槽体为由侧部碳块、侧部保温层、阴极碳块、炉底防渗-耐火-保温复合层、电解槽壳构成的凹形槽体，槽壁内部边缘设有人造炉帮。
一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，其特征在于其阴极系统的结构包括：阴极碳块，该阴极碳块上部边缘为侧部碳块与侧部保温层组成的复合层，侧部碳块位于内侧，侧部保温层位于外侧，阴极碳块内侧为人造炉帮，阴极碳块下部为炉底防渗-耐火-保温复合层；阴极碳块为整体密实结构，相邻两碳块间用碳糊固结，其长度延伸至电解槽体钢结构预留电流导出窗口处。
一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，其特征在于其阴极系统的结构包括：导电接头，该导电接头为设置在阴极碳块的端部、安放在电解槽体钢结构预留电流导出窗口中；导电接头材质为铜及铜合金、耐热钢、高温钢、4J43膨胀合金、普通软磁合金、普通低碳钢或上述材料组成的复合结构；导电接头与电解槽壳之间用镁砖或高铝砖绝缘，其一端与阴极碳块连接，另一端通过阴极软带与阴极母线相连，长度在5-300mm之间；导电接头的作用，一是从阴极碳块导出电流，二是封堵电解槽体钢结构预留电流导出窗口，防止外部空气氧化阴极碳块。
本发明的一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，是“一种以铝液-碳块复合层作为阴极的铝电解方法”的专利申请的专用电解槽。铝电解生产时，铝电解槽可采用常规阳极系统、下料系统、粉尘净化系统，由于以无钢棒-无硼化钛涂层的铝液-碳块复合层作为阴极，代替传统钢棒-碳块-铝液复合阴极，消除了碳-钢界面形成固体电解质绝缘层，消除了阴极钢棒电阻压降，使电解槽在整个寿命期内，炉底压降始终维持在较低的水平，以某型电解槽为例，降低炉底钢棒压降186mv、碳-钢接触压降69mv，吨铝降低电耗900kw·h。相当于铝电解产业全年降低电耗297亿度；极大地降低铝电解电耗、提高了铝电解电流效率，具有很高的经济价值和社会效益。
附图说明
图1为传统铝电解槽示意图，其图中，1a为阳极，1b为电解液，1c为铝液，1d为阴极；
图2为传统铝电解槽阴极炭块组示意图，其图中，2a为阴极碳块，2b为碳块与导电钢棒之间的碳糊，2c为阴极棒，2d为电解铝液与碳块之间的接触界面电压降，2e为碳块电压降，2f为碳-钢接触压降；
图3为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，3a为钢棒与碳块之间的固体绝缘电解质层；
图4为本发明的一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极示意图，其图中，4a、侧部碳块，4b、侧部保温层，4c、人造炉帮，4d、阴极铝液层，4e、阴极碳块，4f、炉底防渗-耐火-保温复合层，4g、导电接头，4h、电解槽体钢结构预留电流导出窗口，4i、阴极软带，4j、阴极母线，4k、电解槽体，4l、电解槽壳；
图5为本发明的一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极A-A剖面俯视示意图，其图中，4a、侧部碳块，4b、侧部保温层，4c、人造炉帮，4e、阴极碳块，4g、导电接头，4h、电解槽体钢结构预留电流导出窗口，4i、阴极软带，4j、阴极母线，5a、阴极碳块间碳糊轧缝。
具体实施方式
一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，其特征在于其阴极系统的结构包括：电解槽体4k，该电解槽体为由侧部碳块4a、侧部保温层4b、阴极碳块4e、炉底防渗-耐火-保温复合层4f、电解槽壳4l构成的凹形槽体，槽壁内部边缘设有人造炉帮4c，见图4。
一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，其特征在于其阴极系统的结构包括：阴极碳块4e，该阴极碳块4e上部边缘为侧部碳块4a与侧部保温层4b组成的复合层，侧部碳块4a位于内侧，侧部保温层4b位于外侧，阴极碳块4e内侧为人造炉帮，阴极碳块4e下部为炉底防渗-耐火-保温复合层4f；阴极碳块4e为整体密实结构，相邻两碳块间用碳糊固结，其长度延伸至电解槽体钢结构预留电流导出窗口4h处，见图4。
一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，其特征在于其阴极系统的结构包括：导电接头4g，该导电接头4g为设置在阴极碳块4e的端部、安放在电解槽体钢结构预留电流导出窗口4h中；导电接头材质为铜及铜合金、耐热钢、高温钢、4J43膨胀合金、普通软磁合金、普通低碳钢或上述材料组成的复合结构；导电接头4g与电解槽壳4l之间用镁砖或高铝砖绝缘，其一端与阴极碳块4e连接，另一端通过阴极软带4i与阴极母线4j相连，长度在5-300mm之间；导电接头4g的作用，一是从阴极碳块导出电流，二是封堵电解槽体钢结构预留电流导出窗口4h，防止外部空气氧化阴极碳块4e，见图4，图5。
本发明的一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，是“一种以铝液-碳块复合层作为阴极的铝电解方法”的专利申请的专用电解槽。铝电解生产时，铝电解槽可采用常规阳极系统、下料系统、粉尘净化系统，由于以无钢棒-无硼化钛涂层的铝液-碳块复合层作为阴极，代替传统钢棒-碳块-铝液复合阴极，消除了碳-钢界面形成固体电解质绝缘层，消除了阴极钢棒电阻压降，使电解槽在整个寿命期内，炉底压降始终维持在较低的水平，以某型电解槽为例，降低炉底钢棒压降186mv、碳-钢接触压降69mv，吨铝降低电耗900kw·h。相当于铝电解产业全年降低电耗297亿度；极大地降低铝电解电耗、提高了铝电解电流效率，具有很高的经济价值和社会效益。
使用时，采用电解槽底部的铝液作为阴极进行铝电解；其电解槽底部的铝液与阴极碳块形成铝电解的阴极。
本发明的一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，针对传统电解槽存在的阴极钢棒压降高、钢棒和碳块之间易于形成固体电解质绝缘层，使阴极压降随着槽龄的延长而显著升高，增大电解铝电耗、降低铝电解电流效率等问题。以碳-铝复合阴极代替钢棒-碳块-铝液阴极，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较低的水平，极大地降低铝电解电耗，可降低新槽期间阴极压降60%以上。以某型电解槽为例，降低炉底钢棒压降186mv、碳-钢接触压降69mv，吨铝降低电耗900kw·h；以500KA电解槽寿命期四年为例，一台电解槽寿命期内可实现节电500万kw·h。相当于铝电解产业全年降低电耗297亿度，具有很高的经济价值和社会效益。
Claims (1)
1.一种铝-碳复合阴极铝电解槽阴极，其特征在于其阴极系统的结构包括：
电解槽体，该电解槽体为由侧部碳块、侧部保温层、阴极碳块、炉底防渗-耐火-保温复合层、电解槽壳构成的凹形槽体，槽壁内部边缘设有人造炉帮；阴极碳块，该阴极碳块上部边缘为侧部碳块与侧部保温层组成的复合层，侧部碳块位于内侧，侧部保温层位于外侧，阴极碳块内侧为人造炉帮，阴极碳块下部为炉底防渗-耐火-保温复合层；阴极碳块为整体密实结构，相邻两碳块间用碳糊固结，其长度延伸至电解槽体钢结构预留电流导出窗口处；导电接头，该导电接头为设置在阴极碳块的端部、安放在电解槽体钢结构预留电流导出窗口中；导电接头材质为铜及铜合金、耐热钢、高温钢、4J43膨胀合金、普通软磁合金、普通低碳钢或上述材料组成的复合结构；导电接头与电解槽壳之间用镁砖或高铝砖绝缘，其一端与阴极碳块连接，另一端通过阴极软带与阴极母线相连，长度在5-300mm之间。
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