CN109913907A - 自动加料的连续自焙阳极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动加料的连续自焙阳极，包括阳极框架、阳极框架内部填装的自焙阳极糊以及阳极糊下料系统；所述阳极框架为竖直置于铝电解槽内部的板状框架，框架底面封闭，框架竖向侧面设置内部阳极与电解质接触的镂空结构，框架顶面设置有加料口，所述阳极糊下料系统的下料口置于加料口的上方。本发明的连续自焙阳极可在大电流的条件及密闭环保的条件下实现特大型铝电解槽连续节能生产，便于维护与更换，从而完全避免了传统小型自焙槽的关键弊端，与对应的板式阴极可以构成竖式电解，单位空间的反应面积相比传统预焙槽及小自焙槽有数量级的提升。

Description

自动加料的连续自焙阳极

技术领域

本发明专利属于铝电解槽技术，具体涉及一种自动加料的连续自焙阳极结构。

背景技术

霍尔-埃鲁特法(Hall-Héroult)铝电解工艺一直是工业炼铝的唯一方法，其核心反应在铝电解槽内进行。现行工业铝电解槽经历了小型自焙槽、小型预焙槽、大型预焙槽和特大型预焙槽的发展历程，传统自焙槽由于环保等原因，在工业界已被全部淘汰，当前主流电解槽皆为大型或特大型预焙阳极铝电解槽。

在目前的预报阳极电解槽中，阳极的使用周期为28～31d，当阳极达到使用周期时，需要根据预焙阳极结构设计和组装情况，在保持一定残极高度情况下及时更换阳极，从而保证铝电解槽的正常稳定运行。铝电解槽中有温度场，物料场和电磁场。阳极的更换对“三场”都具有一定影响，但其影响最大的是温度场。正常稳定运行的铝电解槽内部是处于热平衡状态，换极前，正常运行的铝电解槽保持着相对的能量平衡，浸入电解质中的阳极部分温度和电解质温度是相同的，阳极上部分的温度也高达600～700℃当高温残极由电解槽中拔出时，一方面残极会从电解质中带走一部分热量；另一方面，从拔出阳极到新阳极上槽需要一定的时间，拔出阳极的位置会出现一定的空间，也会散失一部分热量；此外，当室温新阳极安装到电解槽上并浸入电解质中时，由于二者之间巨大的温差，新阳极也会从电解质中吸收大量的热量，直至在二者界面达到新的热平衡为止。因此，换极过程实际上就是热平衡——破坏热平衡——建立新的热平衡的过程。通常，300kA级以上的大型电解槽每天都会有换极过程，这一过程让电解槽在长达数小时内都处于不稳定非正常生产状态，这对电解槽的绿色节能生产带了巨大的负面影响。

整体而言，所采用预焙阳极进行按照水平排布进行电解的工艺存在以下诸多缺陷：

1.不连续的阳极对电解槽稳定性负面影响巨大：由于传统预焙铝电解槽的阳极为非连续生产，平均每台铝电解槽每天都有阳极更换的人工作业，这将给铝电解的正常生产带来较大的影响，尤其是当前铝电解行业为追求低能耗而执行的低电压工艺，导致电解槽的物料平衡、热平衡与磁流体稳定性皆处于高度敏感的临界区域，故每次阳极更换皆会给电解槽带来长时间的非正常生产周期，这一方面让电解槽的能耗得不到有效降低，另一方面也会对槽寿命产生一定的影响。

2.水平电解模式让电解槽投资大：电解槽中阴阳极电解界面为水平的，因此电解槽越大则电解槽占地面积越大，不但会导致槽内磁流体稳定性问题益发凸出，还造成电解槽建造与运行成本增加。

3.水平电解模式让电解槽能耗巨大：由于磁流体稳定性的影响，电解槽的极距一般保持在3.5～4.5cm之间，由此导致了极间的无效损失压降过大，而由于铝电解的能耗与电压成正比，即过高的极距直接导致铝电解过程巨额的电能损失，这也是铝电解过程电能利用率始终在50％徘徊的重要原因。

由此可见，现有铝电解槽的预焙阳极对铝电解的高效绿色节能来说已缺乏足够的潜力，为了实现铝电解的进一步深度节能，则需要从根本上改变阳极结构的设计。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的预焙阳极以及在铝电解槽内的水平电解模式存在的不够节能的问题，提供一种自动加料的连续自焙阳极。

本发明采用如下技术方案实现：

自动加料的连续自焙阳极，包括阳极框架、阳极框架内部填装的自焙阳极糊以及阳极糊下料系统；

所述阳极框架为竖直置于铝电解槽内部的板状框架，框架底面封闭，框架竖向侧面设置内部阳极与电解质接触的镂空结构，框架顶面设置有加料口，所述阳极糊下料系统的下料口置于加料口的上方。

进一步的，所述阳极糊下料系统包括阳极糊自动输送管和阳极糊加料管，所述阳极糊自动输送管位于铝电解槽内部所有阳极框架的上方，内部设有阳极糊自动输送设备，若干与阳极框架一一对应的阳极糊加料管一端连接在阳极糊自动输送管上，另一端延伸至阳极框架的加料口上方。

进一步的，所述阳极糊自动输送设备为布置在阳极糊自动输送管内部的螺旋输送机。

进一步的，所述阳极糊加料管的出料口位置设置有阳极糊分流器，所述阳极糊加料管的出料口通过阳极糊分流器分成两部分分别从阳极框架的两侧进行均匀加料。

进一步的，还包括埋设在自焙阳极糊内的水平集流钢爪、垂直集流钢爪以及水平电流均化钢爪，所述水平集流钢爪沿阳极的上部长度方向布置，并且与伸出阳极顶部的阳极导杆固定连接，若干所述垂直集流钢爪一端与水平集流钢爪连接，另一端沿高度方向向下布置，每个所述垂直集流钢爪上连接有若干沿阳极厚度方向布置的水平电流均化钢爪。

进一步的，所述阳极框架在与铝电解槽的阴极平行相对的侧面设置露出内部阳极的网状结构，其余竖直侧面均封闭设置。

在本发明的自动加料的连续自焙阳极中，所述阳极框架采用绝缘复合板，所述绝缘复合板包括两层特种不锈钢板或铁酸镍基金属陶瓷板以及中间一层绝缘层。

优选的，所述绝缘层为氧化铝层。

进一步的，所述绝缘复合板的的总厚度为20-50mm，其中，所述特种不锈钢板或铁酸镍基金属陶瓷板的厚度为5-20mm，所述绝缘层的厚度为5mm-10mm。

采用上述连续自焙阳极的铝电解槽结构，其思路与现行预焙铝电解槽及传统小型自焙铝电解槽等存在根本性差异。首先，相比传统预焙铝电解槽，自动加料的连续自焙阳极可在大电流的条件及密闭环保的条件下实现特大型铝电解槽连续节能生产；其次，相比已淘汰的小自焙槽，本发明的自焙阳极在电解槽内部布置若干块，与对应的若干块阴极一同组成多室氧化空间，且焙烧的阳极糊为在密闭环境下自动的加料，整个阳极框架可从电解槽内完全取出，便于维护与更换，从而完全避免了传统小型自焙槽的关键弊端；最后，由于本发明的阳极框架采用竖直放置的板式结构，可与对应的板式阴极可以构成竖式电解，单位空间的反应面积相比传统预焙槽及小自焙槽有数量级的提升。

总体而言，本发明的有益效果归纳如下：

(1)巨大的节能优势。由于采用竖式电解的阳极和阴极设计，在底部电解范围之外的铝液层不存在电流，阴极和阳极的极距可设置到极限水平，从而大幅降低电解槽的槽电压(>500mV)，相应的节能效果显著；

(2)连续电解生产，槽况可长期保持稳定，有利于电解槽操作与生产。由于阳极采用的是自焙阳极，通过配置阳极糊下料系统、若干阳极分布于电解槽内可以实现电解槽全自动连续生产，避免由于阳极整块频繁更换导致的槽况波动，保证电解槽长期稳定运行。

(3)清洁生产。本发明的自焙阳极与阳极糊下料系统为全密闭体系，烟气温度较高且烟气中污染物浓度较高，一方面可以实现烟气余热的高效利用，另一方面可以实现污染物的集中净化处置。

(4)维护容易，成本较低。本技术方案的连续自焙阳极均可在出现故障后快速将其从电解槽内完全取出，并替换以新极，从而让铝电解槽的阳极维护更加方便。

综上所述，本发明的连续自焙阳极可以进一步提高铝电解槽的节能效率和生产效率。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的自动下料的连续自焙阳极的正面结构示意图。

图2为实施例中的阳极框架的结构示意图。

图3为实施例中的阳极糊下料系统结构示意图。

图4为实施例中的阳极框架的绝缘复合板截面示意图。

图中标号：1-槽体，111-聚铝沟，2-阳极，200-自焙阳极糊，201-阳极框架，2011-不锈钢板，2012-绝缘层，202-网状结构，203-加料口，211-阳极导杆，212-水平集流钢爪，213-垂直集流钢爪，214-水平电流均化钢爪，221-阳极糊自动输送管，222-阳极糊加料管，223-阳极糊分流器，42-阳极母线。

具体实施方式

实施例

参见图1-3，图示中铝电解槽内部设置的阳极2为本发明的优选实施方案，该阳极2为自焙阳极，具体包括自焙阳极糊200、阳极框架201以及阳极导杆211、水平集流钢爪212、垂直集流钢爪213、水平电流均化钢爪214、阳极糊自动输送管221、阳极糊加料管222和阳极糊分流器223。由耐高温绝缘复合板构成的阳极框架201用来承载自焙阳极糊200自动添加与成型。自焙阳极糊200经过阳极糊自动输运管221输运至阳极框架201上部，再经阳极糊加料管222、阳极糊分流器223分别自动填装到阳极框架201中，并在阳极框架201中通过铝电解槽内部高温环境完成自动焙烧成型。

具体如图2中所示，本实施例中的阳极框架201为一个板状结构的框架，即自焙阳极糊200在阳极框架内部焙烧成型后形成一个板状结构的阳极块。阳极框架201的底部由完整的绝缘复合板封闭，在阳极框架201的竖向侧面设置镂空结构，便于铝电解槽内部的电解质与阳极框架内部的阳极材料接触，阳极框架的顶面保留设置加料口203，用于向阳极框架201内部连续加入自焙阳极糊来补充消耗的阳极材料。

本实施例中板状结构的阳极与平行的板状阴极配合，交错分布在铝电解槽的槽体1内部，因此图1中阳极框架201的前后两侧大侧面(或者位于边缘的其中一侧大侧面)为与板状阴极形成竖式电解的电解表面，在与铝电解槽的阴极平行相对的阳极框架201侧面设置露出内部阳极材料的网状结构202，其余竖直侧面与阳极框架底面一样通过完整的绝缘复合板封闭设置。自焙阳极糊200进入阳极框架201内部后，快速被铝电解槽内部高温被烧成型，不会大量从网状结构202漏出，部分露出的阳极材料因为凸出于阳极表面，通过集中分布的电流也会被快速消耗掉，因此设置网状结构202的阳极表面能够形成较平整的阳极电解表面。

本实施例中的阳极2为自焙阳极，通过阳极糊自动输送管221、阳极糊加料管222和阳极糊分流器223构成的阳极糊下料系统可以对阳极框架201内部进行自动连续添加自焙阳极糊200，以补偿被消耗掉的阳极材料。

具体如图1和图3中所示，阳极糊自动输送管221位于铝电解槽的槽体1内部所有阳极框架的上方，一般沿垂直于板状阳极的方向布置，在阳极糊自动输送管221内部设置螺旋输送机作为阳极糊自动输送设备，通过螺旋输送机实现自焙阳极糊200在阳极糊自动输送管221内部的输送，若干与阳极框架201的位置一一对应的阳极糊加料管222一端连接在阳极糊自动输送管221上，另一端延伸至阳极框架201的加料口203上方，阳极糊加料管222将阳极糊自动输送管221内部的自焙阳极糊引流到对应的阳极框架201内部。

本实施例的阳极框架201采用绝缘复合板制成，如图4所示，绝缘复合板包括两层特种不锈钢板2011或铁酸镍基金属陶瓷板以及中间一层绝缘层2012，总厚度为20-50mm，中间一层的绝缘层2012采用的绝缘材料可为氧化铝或其他廉价绝缘材料，厚度为5mm-10mm，外面一层除了可以采用不锈钢板之外，还可采用铁酸镍基金属陶瓷板材料，厚度为5-20mm。

为了将自焙阳极糊200均匀地填充到阳极框架201的内部，在阳极糊加料管222的出料口位置设置有阳极糊分流器223，阳极糊加料管222的出料口通过阳极糊分流器223分成两部分，从阳极糊加料管222流出的自焙阳极糊分成两路从阳极框架的两侧进行均匀加料。阳极糊加料管222上部为单独一根总管，经阳极糊分流器223分流后，成为两根加料管分别在阳极钢爪的两侧完成加料。

本实施例的阳极2的顶部也配置由阳极导杆211，作为将阳极2悬挂在铝电解槽内部的连接部件以及阳极的导电部件，阳极导杆211上设有将铝电解槽内部所有阳极并联的阳极母线42。阳极2在铝电解槽内的悬挂方式可参考现有铝电解槽。同时，由于板状结构的阳极分布面积较大，为了提高阳极导杆211对阳极整体的连接强度以及电流在阳极内部的分流均化，本实施例在阳极2内部分布有阳极钢爪结构，具体如图1和图2所示，包括埋设在自焙阳极糊200内的水平集流钢爪212、垂直集流钢爪213以及水平电流均化钢爪214，水平集流钢爪212沿阳极2的上部长度方向布置，并且与伸出阳极顶部的阳极导杆211固定连接，若干垂直集流钢爪213的顶端与水平集流钢爪212连接，另一端沿阳极的高度方向向下延伸布置，垂直集流钢爪213之间等距平行分布，保证在阳极内部的均匀分布，每个垂直集流钢爪213上连接有若干沿阳极厚度方向布置的水平电流均化钢爪214，水平电流均化钢爪214的中间位置与垂直集流钢爪213固定连接，相互之间同样等距平行布置，水平电流均化钢爪214的长度可以随着与阳极导杆211之间的距离逐渐变远，根据电流的走向，依次从上到下增加长度。

阳极导杆211的材质与现行工业铝电解槽一致，为铝制材料，截面大小根据理论电流密度进行自行加工，水平集流钢爪212、垂直集流钢爪213以及水平电流均化钢爪214的截面大小根据电流密度进行自行加工。

如图1中所示，本实施例的连续自焙阳极应用于电流强度在400kA级的可连续运行的多室节能铝电解槽中，电解槽长度为10m，宽度为3.5m。板状结构的阳极2通过阳极导杆211吊装固定在铝电解槽的槽体1内，阳极2的一端紧靠槽体1的内衬侧面，仅留10mm空间便于电解质流动，阳极2的另一端距离槽体1的另一侧内衬的空间可达200mm，一方面有利于电解质缓慢流动，另一方面预留出铝液聚集的聚铝沟111，将聚铝沟111置于槽体内部阳极和阴极的点解区域之外，避免聚铝沟内部的铝液通电。

图1中的阳极导杆211材质为铝制材料，截面为200mm*200mm，水平集流钢爪212的截面为80mm*200mm，水平电流均化钢爪214的截面为40*40mm，垂直集流钢爪213的截面为80mm*80mm。

槽体1的内衬在槽体底部呈倾斜布置，将电解过程中所产生的铝液全部汇集到侧部的聚铝沟111内，且铝液中并不通入电流，不存在磁流体稳定性的影响。应用本发明技术方案的大型多室连续自焙铝电解槽可实现连续阳极生产，消除了阳极更换对电解槽的不良影响，最重要的是，完全忽略磁流体的应，可将极距设定至临界水平，从而实现电压大幅降低，即大幅节能，具有巨大的经济与环境效益及可操作性。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.自动加料的连续自焙阳极，其特征在于：包括阳极框架、阳极框架内部填装的自焙阳极糊以及阳极糊下料系统；

所述阳极框架为竖直置于铝电解槽内部的板状框架，框架底面封闭，框架竖向侧面设置内部阳极与电解质接触的镂空结构，框架顶面设置有加料口，所述阳极糊下料系统的下料口置于加料口的上方。

2.根据权利要求1所述的自动加料的连续自焙阳极，所述阳极糊下料系统包括阳极糊自动输送管和阳极糊加料管，所述阳极糊自动输送管位于铝电解槽内部所有阳极框架的上方，内部设有阳极糊自动输送设备，若干与阳极框架一一对应的阳极糊加料管一端连接在阳极糊自动输送管上，另一端延伸至阳极框架的加料口上方。

3.根据权利要求2所述的自动加料的连续自焙阳极，所述阳极糊自动输送设备为布置在阳极糊自动输送管内部的螺旋输送机。

4.根据权利要求2所述的自动加料的连续自焙阳极，所述阳极糊加料管的出料口位置设置有阳极糊分流器，所述阳极糊加料管的出料口通过阳极糊分流器分成两部分分别从阳极框架的两侧进行均匀加料。

5.根据权利要求1所述的自动加料的连续自焙阳极，还包括埋设在自焙阳极糊内的水平集流钢爪、垂直集流钢爪以及水平电流均化钢爪，所述水平集流钢爪沿阳极的上部长度方向布置，并且与伸出阳极顶部的阳极导杆固定连接，若干所述垂直集流钢爪一端与水平集流钢爪连接，另一端沿高度方向向下布置，每个所述垂直集流钢爪上连接有若干沿阳极厚度方向布置的水平电流均化钢爪。

6.根据权利要求1所述的自动加料的连续自焙阳极，所述阳极框架在与铝电解槽的阴极平行相对的侧面设置露出内部阳极的网状结构，其余竖直侧面均封闭设置。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的自动加料的连续自焙阳极，所述阳极框架采用绝缘复合板，所述绝缘复合板包括绝缘层以及绝缘层两侧覆盖的特种不锈钢板或铁酸镍基金属陶瓷板。

8.根据权利要求7所述的自动加料的连续自焙阳极，所述绝缘层为氧化铝层。

9.根据权利要求8所述的自动加料的连续自焙阳极，所述绝缘复合板的的总厚度为20-50mm，其中，所述特种不锈钢板或铁酸镍基金属陶瓷板的厚度为5-20mm，所述绝缘层的厚度为5mm-10mm。