CN109876752B - 一种可控的工业铝电解电化学过程研究方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控的工业铝电解电化学过程研究方法及装置，包括小型实验阳极炭块、电流表和可变电阻器，及低电阻导线。利用低电阻导线连接阳极母线横梁与小型阳极炭块，浸入工业铝电解槽火眼或阳极炭块间缝处电解质中，通过改变回路电阻控制通过电流，控制电化学反应，进行电解实验并取得试验数据。该装置既可用于铝电解电化学反应机理的科学研究，也可用于工业槽电解参数优化，利用该装置获得数据真实可靠，更贴近铝电解工业一线实际，且造价便宜、易于实践。

Description

一种可控的工业铝电解电化学过程研究方法及装置

技术领域

本发明属于铝电解槽技术领域，特别涉及一种可控的工业铝电解电化学过程研究方法及装置。

背景技术

我国铝电解工业起步于20世纪50年代，发展迅猛，原铝产量连续十几年位居世界第一，但我国还只是铝工业大国，铝电解工业未来可持续发展已受到严重的挑战。为应对复杂的经济与市场的挑战，我国铝电解行业正向着大型化、智能化的革新方向发展，但同时一系列的基础问题尚未得到透彻的研究和解决，例如铝电解阳极电化学反应机理、工业电解质对电解过程的影响等问题，制约了我国铝电解工业的进一步发展。阳极、电解质是铝电解槽的“心脏”和“血液”，起着导电和参与化学反应的作用，其在电解过程中的一系列变化都直接影响铝电解生产的稳定和电解槽的使用寿命。

目前，涉及铝电解过程的机理性问题是通过实验室模拟实验或计算机仿真计算得到预测结果，但前者忽略了实际生产中各种复杂因素的影响，难以模拟实际生产条件，后者所得结果需要进行可靠的验证。因此，为了获得铝电解过程在实际生产中发生的反应变化的真实情况，以研究铝电解的反应机理和工业槽电解参数优化，有必要设计一种可控的一种可控的工业铝电解电化学过程研究方法及装置

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种可控的工业铝电解电化学过程研究方法及装置，该方法能够较为直接地研究铝电解槽阳极电化学反应及探索电解工艺条件。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种可控的工业铝电解电化学过程研究方法，利用导线将电流从阳极母线横梁上引至实验阳极炭块组，将实验阳极炭块组插入电解质中进行阳极电解试验，电解试验过程中通过控制电流强度，使得实验阳极炭块组的电流密度与工业铝电解槽阳极炭块的电流密度一致，反应设定时间后，将实验阳极炭块组从电解槽内取出，对实验阳极炭块组进行取样检测分析，即可实现铝电解槽阳极电解反应研究。

进一步的，所述实验阳极炭块组不与电解槽内的铝液相接触。

进一步的，通过在回路中串联可变电阻实现电流强度的调节。

一种可控的工业铝电解电化学过程研究装置，采用低电阻导线连接工业铝电解槽的阳极母线横梁与实验阳极炭块组，实验阳极炭块组可浸入工业铝电解槽火眼口处或阳极间缝或中缝处电解质进行阳极电解试验，低电阻导线上连接有电流表与可变电阻。

其中，低电阻导线可采用直径较粗的铜导线并部分包裹绝缘材料，与槽壳保持绝缘。

为降低降低接触电阻，增加装置的导电性，低电阻导线通过铝板与阳极母线横梁连接或低电阻导线一端分出多根与阳极母线横梁连接的支线。

实验阳极炭块组可采用现有工业阳极材料，通过车床加工等方式加工成一定形状，阳极炭块组上打有孔洞用于磷生铁浇筑，形成磷生铁接头。

可变电阻量程宜较小，且最大电阻不超过0.1Ω，可采用连续可变电阻或多个定值电阻并联的方式接入装置。

电流表量程为1～50A，可根据装置设计的通过电流确定。

实验阳极炭块组可通过多根铜线焊接固定在阳极炭块磷生铁接头之上，可采用悬吊方式或者其他金属支架固定，使阳极炭块组浸入电解质之中。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明构建电解回路可模拟不同工艺参数下阳极电化学反应状态，并且由于通过电流较小，对电解槽生产运行影响微乎其微，在保证试验槽稳定生产、不用停槽、不破坏槽体的前提下，实现铝电解槽阳极电解反应研究及工艺参数优化，安全可靠。

本发明其实现方式简单且操作方便，体积小，可便携移动拆卸，可重复用于多次试验研究。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为模拟工业铝电解电化学过程实际实验示意图。

图3为模拟工业铝电解电化学过程实际实验前(左)、后(右)小型阳极炭块组样品。

图4为模拟工业铝电解电化学过程实验小型阳极炭块组截面XPS检测结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种可控的工业铝电解电化学过程研究装置，包括实验阳极炭块组3、电流表4和可变电阻5，导线1一端与实验阳极炭块组3连接，另一端连接至工业铝电解槽的阳极母线横梁2，电流表4和可变电阻器5串接在导线1上。

具体的，为降低接触电阻，增加装置的导电性，可采用直径较粗的铜导线，并且在阳极母线横梁2上设有导电金属铝板，导线1连接在导电金属铝板上，导线外侧包裹绝缘材料实现与槽壳的绝缘。

在实际设计中，实验阳极炭块组3可采用现有工业阳极材料，通过车床加工等方式加工成型，实验阳极炭块组3的顶部打有孔洞，通过在孔洞内浇筑磷生铁生成与导线连接的磷生铁接头，采用多根铜线焊接固定在阳极炭块磷生铁接头之上。

需要说明的是，电流表4的量程、可变电阻器5的量程以及结构形式可以根据实际需要进行设计，如本实施例中电流表量程为1～50A，可变电阻器5的量程宜较小，且最大电阻不超过0.1Ω，可采用连续可变电阻或多个定值电阻并联的方式接入导线。

本实施例涉及的研究铝电解槽阳极电解反应的装置，既可用于铝电解电化学反应机理的科学研究，也可用于工业槽电解参数优化，利用该装置获得数据真实可靠，更贴近铝电解工业一线实际，且造价便宜、易于实践。

一种可控的工业铝电解电化学过程研究方法，使用上述装置，将实验阳极炭块组3浸入在工业铝电解槽火眼口处或阳极中间缝隙处的电解质中进行阳极电解试验，通过调节可变电阻5，控制回路电流强度，使得实验阳极炭块组的电流密度与工业铝电解槽阳极炭块的电流密度一致，反应一段时间后，将小型实验阳极炭块组3从电解槽内同其周围包裹电解质一并取出，对实验阳极炭块组3进行取样检测分析，即可实现铝电解槽阳极电解反应研究。

具体的，小型实验阳极炭块组3可采用悬吊方式或者其他金属支架固定，使小型实验阳极炭块组浸入电解质之中而不接触铝液。

本实施例可以在保证试验槽稳定生产、不用停槽、不破坏槽体的前提下，实现铝电解槽阳极电解反应研究，具有操作方便、实验成本低的优点。

本实施例因直接将实验阳极炭块组至于电解槽中，并通过控制电路强度，将实验阳极炭块组的电流密度与工业铝电解槽阳极炭块的电流密度保持一致，进而保证了实验阳极炭块组与工业铝电解槽阳极炭块反应条件的一致性，进而得到的试验结果准确可靠。

此外，整个装置不与电解槽发生密切接触，对电解槽主体结构不会产生很大的影响，因而对电解槽的生产运行影响几乎可以忽略，同时还可以模拟不同种类材料阳极在各种槽况下的电解反应情况，以优化工业槽电解参数，实现电解槽长寿命高效运行。

实施例

为研究某工业铝电解槽在实际正常电解条件下的电化学过程，在某420kA电解槽中进行实验。低电阻导线1采用铜导线，用绝缘塑料包裹，10根铜线并联，降低电阻，每根铜线直径4mm；在阳极母线横梁2上连接一块铝板，降低接触电阻，用夹具把导线夹在阳极母线横梁2上；实验阳极炭块组3采用现有工业阳极材料，加工成直径16cm的圆柱形，上方打有孔洞浇筑磷生铁接头，接头与铜线焊接，如图1所示。

实验中，如图2所示，采用L形不锈钢管作为支架6，调整合适的高度，使阳极炭块下端浸入电解质之中，将装置垂直固定在出铝口上方。调节可变电阻，使电流稳定在2.455A，静置反应一段时间。通电完毕后，切断电源，用铁桶7取出阳极小型实验阳极炭块3，淬冷或静置冷却，如图3所示，取样检测分析，小型实验阳极炭块组3截面XPS检测结果如图4所示，通过停机对工业铝电解槽内的阳极炭块进行分析后，发现实验阳极炭块组3截面XPS检测结果与实际阳极炭块非常接近，因而也验证了该方法的可行性。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种可控的工业铝电解电化学过程研究方法，其特征在于：

利用导线将电流从工业铝电解槽的阳极母线横梁上引至实验阳极炭块组，将实验阳极炭块组插入工业铝电解槽的电解质中进行阳极电解试验，电解试验过程中通过控制电流强度，使得实验阳极炭块组的电流密度与工业铝电解槽阳极炭块的电流密度一致，反应设定时间后，将实验阳极炭块组从电解槽内取出，对实验阳极炭块组进行取样检测分析，即可实现铝电解槽阳极电解反应研究，导线上串接有电流表与可变电阻，通过可变电阻实现电流强度的调节。

2.根据权利要求1的所述的一种可控的工业铝电解电化学过程研究方法，其特征在于：所述实验阳极炭块组不与电解槽内的铝液相接触。

3.一种可控的工业铝电解电化学过程研究装置，其特征在于：采用低电阻导线连接工业铝电解槽的阳极母线横梁与实验阳极炭块组，实验阳极炭块组浸入工业铝电解槽火眼口处或阳极中间缝隙处电解质进行阳极电解试验，低电阻导线上串接有电流表与可变电阻。

4.根据权利要求3所述的一种可控的工业铝电解电化学过程研究装置，其特征在于：低电阻导线采用直径较粗的铜导线并部分包裹绝缘材料，与槽壳保持绝缘。

5.根据权利要求3所述的一种可控的工业铝电解电化学过程研究装置，其特征在于：低电阻导线通过铝板与阳极母线横梁连接，或者是，

低电阻导线一端分出多根与阳极母线横梁连接的支线。

6.根据权利要求3所述的一种可控的工业铝电解电化学过程研究装置，其特征在于：实验阳极炭块组采用现有工业阳极材料制作，阳极炭块组上打有孔洞用于磷生铁浇筑，形成磷生铁接头。

7.根据权利要求3所述的一种可控的工业铝电解电化学过程研究装置，其特征在于：可变电阻的最大电阻不超过0.1Ω，采用连续可变电阻或多个定值电阻并联的方式接入。

8.根据权利要求3所述的一种可控的工业铝电解电化学过程研究装置，其特征在于：所述电流表量程为1~50A。

9.根据权利要求3所述的一种可控的工业铝电解电化学过程研究装置，其特征在于：实验阳极炭块组采用悬吊方式或者通过支架浸入电解质之中。

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