CN108754537A - 一种铝电解用阴极及铝电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝电解用阴极及铝电解槽，该阴极包括本体，所述本体与铝液接触的表面设有多条相互平行排列的凹槽，所述凹槽的爬升角不小于90°，所述凹槽的宽度为1‑500μm，凹槽的深度为1‑500μm，凹槽的深度与凹槽的宽度之比大于0且小于0.3；相邻两条凹槽之间的间距为1‑500μm，相邻两条凹槽之间的间距与凹槽的宽度之比大于0且小于0.3。本发明通过合理设置铝电解槽阴极表面凹槽的形状和尺寸，保证铝液在阴极表面的润湿状态为Wenzel润湿态，显著增加铝液与铝电解槽阴极表面的接触面积，降低铝液和阴极的接触压降；同时，还能降低电解槽中铝液的波动，有利于电解槽稳定运行，实现节能降耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝电解用阴极及铝电解槽，属于冶金设备领域。
背景技术
当前，铝电解工业普遍采用的是冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产金属铝，该方法是以冰晶石做溶剂，氧化铝做溶质，炭素材料做阴阳极，通入万安培电流电解从而在阴极析出金属铝。
现行铝电解槽内必须存留24~30 cm厚的铝液层，以利用铝液自身重力来提高铝液在炭阴极表面上的稳定性。由于铝液与阴极表面之间的润湿性差，再加上电磁场作用，铝液仍在阴极表面波动。为此，生产中不得不保持较高的极距（40~60 mm），以防止铝液波动或阴阳极短路而影响电流效率，而电解槽被迫在较高的槽电压下运行，造成高的吨铝能耗。因此，提高阴极对铝液的润湿性，可提高铝液稳定性，进而改善槽稳定性，如实现阴极与铝液的完全润湿，则不需要在阴极上方存留厚厚的铝液层，从而大大削弱磁场对铝液的巨大干扰，可实现大幅度降低极距的同时保证高的电流效率，有利于节能降耗。
为了解决这个问题，科研工作者们展开了大量研究。硼化钛陶瓷由于和铝液润湿性能好、电导率高、抗腐蚀和抗钠渗透能力强等原因一度被认为是最有望应用于铝电解槽阴极的材料，但由于其烧结难度高、脆性大、成本高，而涂层又不易与阴极炭块基体良好结合等造成始终未能应用到工业铝电解槽。因此，寻找一种新的途径来改善铝液和阴极的润湿性能，尤为重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种铝电解用阴极及铝电解槽，以提升阴极对铝液的润湿性能，降低铝电解生产能耗。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种铝电解用阴极，包括本体，所述本体与铝液接触的表面设有多条相互平行排列的凹槽，所述凹槽的爬升角不小于90°，所述凹槽的宽度为1-500μm，凹槽的深度为1-500μm，凹槽的深度与凹槽的宽度之比大于0且小于0.3；相邻两条凹槽之间的间距为1-500μm，相邻两条凹槽之间的间距与凹槽的宽度之比大于0且小于0.3。
本发明中，凹槽的爬升角指凹槽的底面与凹槽的侧面之间的夹角。凹槽的宽度包括凹槽自身不同深度位置处的槽宽，可以理解，当凹槽的爬升角为90°时，凹槽不同深度处的宽度为恒定值；当凹槽的爬升角大于90°时，就单个凹槽来看，不同深度位置处的槽宽不同。本发明所描述的凹槽的宽度可以统一理解为凹槽底面的宽度。相邻两条凹槽之间的间距是指相邻两条凹槽的两条相邻顶边之间的距离。
在本体与铝液接触的表面开设大量尺寸为微米级的凹槽，合理控制凹槽的形状和尺寸比例，使得铝液和本体表面的润湿状态为Wenzel润湿态，如此，铝液会浸入凹槽内部，与凹槽内部表面完全接触。由于本体表面有大量微型凹槽，使得凹槽与阴极的接触面积显著增加，铝液对阴极的润湿性能增加，则铝液与阴极的接触压降会明显减少，无需再在铝电解槽内留存24~30 cm厚的铝液层，从而大大削弱磁场对铝液的巨大干扰，提高电流效率，节能降耗。同时，Wenzel润湿状态会降低了铝液在阴极表面的滑动性能，一定程度上阻碍了电解槽中铝液的波动，有益于电解槽的稳定运行。
进一步地，以每两条相邻凹槽之间的本体表面区域为一个子区域，凹槽的侧面与该侧面邻接的子区域之间的夹角不小于90°，如此，可进一步保障铝液在本体表面的润湿属于Wenzel润湿态。
进一步地，所述爬升角为90-150℃。
进一步地，所述爬升角为90-135°。
进一步地，凹槽的深度与凹槽的宽度之比在0.02-0.2之间，相邻两条凹槽之间的间距与凹槽的宽度之比在0.02-0.2之间。
优选的，在满足相邻两条凹槽之间的间距与凹槽的宽度与比小于0.2的前提下，不要使凹槽的宽度值太大，这样会使得本体表面凹槽的数量减少，会降低铝液与本体表面的接触面积，使得压降降低效果削弱。
进一步地，所述凹槽的宽度为50-350μm，凹槽的深度为50-350μm；相邻两条凹槽之间的间距为50-350μm。
进一步地，所述本体主要由炭素材料或硼化钛构成。
进一步地，所述凹槽的横截面为矩形或梯形。
优选地，所述凹槽的横截面为矩形，以保证铝液与本体接触面积足够大，接触电压降低效果明显。
进一步地，所述凹槽的长度方向与本体的长度方向垂直，凹槽的长度不大于本体的宽度。
本发明中，凹槽可通过激光雕刻或显微机械加工产生。
一种铝电解槽，包括槽体，槽体内设有如上所述的铝电解用阴极。
作为本发明的一种实施方式，所述铝电解用阴极铺设于槽体的内底部，所述凹槽分布于本体的上表面，所述凹槽的长度方向垂直于本体的长度方向。如此，本体表面凹槽的数量得到明显增加，较多的凹槽对铝液在本体表面的滑动阻碍作用得到增强，电解槽稳定性能提高。
基于同一思想，本发明的阴极也可用于导流槽和竖向电解槽。
由于固体材料不可能完全光滑，其表面存在或大或小的凹坑和凸起，液体在固体表面的润湿并不是完全的固液接触，因此液体润湿固体可分为两种润湿状态：一种情况是凹坑尺寸偏小，使得液体并未完全浸入凹坑中与固体表面接触，即凹坑中固液之间存在空气，此为Cassie润湿状态。另一种是固体表面的粗糙度较低，可近似看作液体与固体表面完全接触，又或者是凹坑较大，液体浸入到凹坑中和固体几乎完全接触，此为Wenzel润湿状态。在铝电解阴极表面开设一定尺寸的凹槽，当阴极表面实现Wenzel润湿状态时，铝液会完全浸入凹槽中，润湿全部的铝电解槽阴极表面，增加铝液在阴极表面的润湿性能，使得阴极表面和铝液的接触表面积显著增加，可以有效的降低铝液和阴极的接触压降。同时，实现Wenzel润湿状态会使得铝液在阴极表面的后退接触角接近于零，导致铝液在阴极表面的滑动性能显著降低，有效阻碍电解槽中铝液的波动，防止了由于铝液波动带来的金属二次氧化及极距波动等问题，有利于电解槽的稳定运行。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1.本发明的铝电解用阴极，只需对铝电解用阴极的表面做相应处理，不需要对电解槽其他部分做改动，结构简单，便于在现有工业铝电槽上直接应用。
2.本发明的铝电解用阴极，基于微观固液润湿机理，不限制铝电解槽阴极材料，无论是工业运用的炭块阴极，或者是当前正在研究的硼化钛阴极等，都可以使用。
3.本发明的铝电解用阴极，通过合理设置表面凹槽形状和尺寸，实现铝液和电解槽阴极表面的润湿状态为Wenzel润湿状态，极大程度的增加铝液和电解槽阴极表面的接触面积，显著降低铝液和电解槽阴极的接触压降。
4.通过将凹槽平行于铝电解槽端面设置，使得铝液在铝电解槽长度方向的后退接触角显著降低（接近于零度），一定程度上降低了铝液该方向的滑动性能，降低了铝电解槽中铝液在铝电解槽长度方向的波动，有利于电解槽的稳定运行，实现节能降耗。
附图说明
图1为本发明的一种铝电解用阴极的立体结构示意图。
图2为本发明的另一种铝电解用阴极的立体结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
实施例1
如图1所示，本实施例的铝电解用阴极，包括本体1，该本体宏观形状为矩形，本体1表面设有大量平行排列的凹槽1；所述凹槽爬升角α的大小为90°，凹槽的宽度n为400μm，凹槽的深度h为72μm，相邻凹槽2的两条相邻顶边之间的距离（相邻凹槽之间的间距）m为60μm；所述凹槽2的深度与凹槽2的宽度之比为0.18，相邻凹槽2的两条相邻顶边之间的距离与凹槽2的宽度之比为0.15。
以每两条相邻凹槽2之间的本体表面区域为一个子区域3，凹槽2的侧面与该侧面邻接的子区域2之间的夹角β为90°。
所述凹槽2及子区域3完全覆盖于本体上表面，凹槽2的长度与本体的宽度相同。
实施例2
如图2所示，本实施例的铝电解用阴极，包括本体1，该本体宏观形状为矩形，本体1表面设有大量平行排列的凹槽1；所述凹槽爬升角为135°，凹槽的槽宽n为200μm，凹槽的深度h为35μm，相邻凹槽2的两条相邻顶边之间的距离m为20μm；所述凹槽2的深度与凹槽2的宽度之比为0.175，相邻凹槽2的两条相邻顶边之间的距离与凹槽2的宽度之比为0.1。
以每两条相邻凹槽2之间的本体表面区域为一个子区域3，凹槽2的侧面与该侧面邻接的子区域2之间的夹角β为45°。
所述凹槽2及子区域完全覆盖于本体上表面，凹槽2的长度等于本体的宽度。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种铝电解用阴极，包括本体（1），其特征在于，所述本体（1）与铝液接触的表面设有多条相互平行排列的凹槽（2），所述凹槽的爬升角（α）不小于90°，所述凹槽的宽度（n）为1-500μm，凹槽的深度（h）为1-500μm，凹槽的深度与凹槽的宽度之比大于0且小于0.3；相邻两条凹槽之间的间距（m）为1-500μm，相邻两条凹槽之间的间距与凹槽的宽度之比大于0且小于0.3。
2.根据权利要求1所述的铝电解用阴极，其特征在于，以每两条相邻凹槽（2）之间的本体表面区域为一个子区域（3），凹槽（2）的侧面与该侧面邻接的子区域之间的夹角（β）不小于90°。
3.根据权利要求1所述的铝电解用阴极，其特征在于，所述爬升角为90-135°。
4.根据权利要求1所述的铝电解用阴极，其特征在于，凹槽的深度与凹槽的宽度之比在0.02-0.2之间，相邻两条凹槽之间的间距与凹槽的宽度之比在0.02-0.2之间。
5.根据权利要求1所述的铝电解用阴极，其特征在于，所述凹槽的宽度（n）为50-350μm，凹槽的深度（h）为50-350μm；相邻两条凹槽之间的间距（m）为50-350μm。
6.根据权利要求1所述的铝电解用阴极，其特征在于，所述本体主要由炭素材料或硼化钛构成。
7.根据权利要求1所述的铝电解用阴极，其特征在于，所述凹槽的横截面为矩形或梯形。
8.根据权利要求1所述的铝电解用阴极，其特征在于，所述凹槽的长度方向与本体的长度方向垂直，凹槽的长度不大于本体的宽度。
9.一种铝电解槽，包括槽体，其特征在于，槽体内设有如权利要求1-8任一项所述的铝电解用阴极。
10.根据权利要求9所述的铝电解槽，其特征在于，所述铝电解用阴极铺设于槽体的内底部，所述凹槽分布于本体的上表面，所述凹槽（2）的长度方向垂直于槽体的长度方向。
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