CN110029360A - 墙式铝电解阴极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种墙式铝电解阴极，所述阴极为板状结构，并且沿竖直方向固定设置在铝电解槽的槽膛底部，与同为板状结构的阳极将铝电解槽内部分隔成至少两个在水平方向分布的电解室。所述阴极包括阴极炭块和阴极导电钢棒，采用本发明的墙式铝电解阴极，可以与铝电解阳极一起将铝电解槽内部波动剧烈的熔体区域分隔成可连续运行的多个氧化室，彻底消除扰动电流对电解槽磁流体稳定性的影响，是一种能为多室连续铝电解的深度节能与环保提供保障的新型阴极结构。

Description

墙式铝电解阴极

技术领域

本发明属于铝电解槽技术，特别是涉及一种墙式铝电解阴极结构。

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。现行铝电槽的阴极为内衬的一部分，水平放置于铝电解槽的底部，作为一个平面，上面有铝液作为真正的阴极，尽管该类电解槽的容量已经做到600kA，但该类型电解槽存在诸多缺陷：

1.铝电解槽的电解反应界面为水平的，因此电解槽越大则电解槽占地面积越大，造成电解槽建造与运行成本增加。

2.由于铝液层在阴极上流动，属于真正的阴极，因此会受到电解过程中磁流体稳定性的影响，铝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，现有铝电解槽的阴极布置并不合理，未能有效利用电解槽的有效空间，且对节能效果有效，因此，为了实现铝电解的进一步深度节能，则需要从根本上改变阴极结构的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有铝电解槽阴极结构存在的不够节能的问题，提供一种新型布置方式的墙式铝电解阴极。

本发明采用如下技术方案实现：

墙式铝电解阴极，所述阴极为板状结构，并且沿竖直方向固定设置在铝电解槽的槽膛底部，与同为板状结构的阳极将铝电解槽内部分隔成至少两个在水平方向分布的电解室。

进一步的，所述阴极包括阴极炭块和阴极导电钢棒，所述阴极炭块为板状结构，所述阴极导电钢棒包括埋设在阴极炭块内部的水平集流钢棒、垂直导电钢棒和电流均化钢棒，所述水平集流钢棒沿阴极炭块的长度方向水平布置在阴极炭块的下半部，其中水平集流钢棒的一端伸出阴极炭块至铝电解槽外部，作为阴极母线连接端，若干所述垂直导电钢棒一端固定连接在水平集流钢棒上，另一端沿阴极炭块高度方向布置，每个所述垂直导电钢棒上连接有若干沿阳极厚度方向布置的电流均化钢棒。

作为一种优选方案，所述水平集流钢棒为等截面棒材。

作为另一种优选方案，所述水平集流钢棒的截面随与阴极母线连接端的距离增大而增大。

进一步的，所述水平集流钢棒的最大截面高度差为10～50mm。

进一步的，所述电流均化钢棒的截面积和长度均一致，截面积为圆形或方形，长度保持钢棒端头距离阴极炭块的外边界垂直距离为20～40mm。

在本发明的墙式铝电解阴极中，所述阴极炭块为方形板状炭块，底部沿水平方向固定嵌放在铝电解槽的槽膛底部，相邻阴极炭块之间的铝电解槽槽膛底部设置沿阴极炭块长度方向朝一侧倾斜的底面，并在铝电解槽槽膛底面较低的一侧设置相对槽膛底面凹陷的聚铝沟，所述阴极炭块在铝电解槽槽膛底面的垂直投影与聚铝沟错开设置。

采用本发明的墙式铝电解阴极，可以与铝电解阳极一起将铝电解槽内部分隔成可连续运行的多个氧化室，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，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，本发明的阴极为若干块，相比较整体铺设在电解槽底部的整体式阴极结构更便于维护与更换；最后，由于本发明的阴极为板式竖直设置的结构，与之对应的阳极一同形成的电解室为竖式电解，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。因此，采用本发明提供电解槽具备节能、连续生产及投资节省等系列优势。

总体而言，本发明的墙式铝电解阴极结构具有如下有益效果：

(1)巨大的节能优势。由于本发明的墙式铝电解阴极可让铝电解槽采用竖式电解，并且与铝电解槽的聚铝沟错开，在铝液层不存在电流，阴阳极的极距可设置到极限水平，彻底解决铝电解槽的稳定性差的难题，从而大幅降低电解槽的槽电压(>500mV)，相应的节能效果显著；

(2)有效延长阴极寿命。本技术方案的阴极结构为竖式电解过程，消除了扰动电流，避免了熔体对阴极的冲刷，大幅度延长阴极的工作寿命。

综上所述，本发明的墙式铝电解阴极能将电解槽进行分隔，将波动剧烈的熔体区域分隔成若干小型的电解室，彻底消除扰动电流对电解槽磁流体稳定性的影响，是一种能为多室连续铝电解的深度节能与环保提供保障的新型阴极结构。

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为实施例一中的墙式铝电解阴极在铝电解槽内的安装示意图。

图2为图1中的铝电解槽的俯视图。

图3为实施例一中的墙式铝电解阴极的整体结构示意图。

图4为实施例一中的墙式铝电解阴极底部与铝电解槽槽膛底部的位置关系示意图。

图5为实施例二中的墙式铝电解阴极在铝电解槽内的安装示意图。

图中标号：1-槽体，107-槽膛底部倾斜炭块，111-聚铝沟，2-阳极，42-阳极母线，3-阴极，31-阴极炭块，32-垂直导电钢棒，33-水平集流钢棒，34-电流均化钢棒，6-电解质，7-铝液。

具体实施方式

实施例一

参见图1-4，图示中的铝电解槽为应用本发明的墙式铝电解阴极的具体实施方案，具体如图1所示，该阴极3为一个板状结构，沿竖直方向固定设置在铝电解槽的槽体1内部，阴极3的底部固定放置在槽体1的槽膛底部，在铝电解槽的槽膛内形成类似隔墙的结构，与同为板状结构的阳极2将铝电解槽内部分隔成至少两个电解室，如图2所示，所有的电解室沿水平方向分布，并且阳极2和阴极3分别位于电解室的两侧面，对阳极2和阴极3之间的电解质进行竖向电解。

结合参见图1和图3，本实施例中的阴极3为方体板状结构，包括整体预焙成型的阴极炭块31以及预埋在阴极炭块31内部的垂直导电钢棒32、水平集流钢棒33和电流均化钢棒34，垂直导电钢棒32、水平集流钢棒33和电流均化钢棒34整体构成阴极炭块31的骨架结构，作为阴极炭块31的骨架提高阴极炭块31的整体强度的同时，通过在阴极炭块31内部均匀分布的立体结构实现电流在阴极炭块31表面的均匀分布。

具体的，水平集流钢棒33沿阴极炭块31的长度方向水平布置在阴极炭块的下半部，其中水平集流钢棒33的一端端头伸出阴极炭块至铝电解槽外部，作为阴极母线连接端，若干根垂直导电钢棒32一端固定连接在水平集流钢棒33上，另一端沿阴极炭块的高度方向延伸布置，每个所述垂直导电钢棒32上连接有若干沿阳极厚度方向布置的电流均化钢棒34，可以看出，所述垂直导电钢棒32以及电流均化钢棒34均全部埋设在阴极炭块内部，整个阴极炭块31表面只有水平集流钢棒33的一端伸出阴极炭块，作为电流接入。如图2中所示，所有阴极3的水平集流钢棒33从铝电解槽槽体1的同一侧伸出，在槽体1的同一侧将所有阴极通过阴极母线并联在一起，并将电流汇集到下一台电解槽，而所有的阳极2则通过阳极顶部的阳极导杆与阳极母线42并联在一起。

在本实施例中，所述水平集流钢棒33为等截面棒材，即水平集流钢棒33的横截面可为相同尺寸的方形尺寸，截面的宽度和高度均一致，其中宽度为150mm，高度为100mm。

水平集流钢棒33、垂直导电钢棒32和电流均化钢棒34的材质为传统电解槽用钢棒，电流均化钢棒34的截面积和长度均一致，截面为方形，且电流均化钢棒34的端头距离阴极炭块31的外边界垂直距离为20～40mm。

如图1和图4中所示，本实施例的阴极3与铝电解槽的槽体1的安装关系如下：阴极炭块31为方形板状炭块，阴极炭块31的底面沿水平方向固定嵌放在铝电解槽的槽膛底部，相邻阴极炭块31之间的铝电解槽槽膛底部设置沿阴极炭块长度方向朝一侧倾斜的底面，并在铝电解槽槽膛底面较低的一侧设置相对槽膛底面凹陷的聚铝沟111。实际在铝电解槽砌筑过程中，可以将阴极3整体与铝电解槽的槽体1一体砌筑，在槽体1的槽膛底部通过铺设槽膛底部倾斜炭块107形成底部斜面，并在槽膛底部倾斜炭块107上预留出用于安装阴极3的定位槽，定位槽的底部为水平面，将阴极炭块31底面固定嵌入到槽体1底部的定位槽中，实现阴极3在槽体1的倾斜底面上保持水平安装。

电解质6在阴极3和阳极2之间以及阴极3(阳极2)与槽体1之间的空间流通，电解产生的铝液7沉积在底部并通过槽膛底部斜面自动汇集到聚铝沟111内部，所述阴极炭块在铝电解槽槽膛底面的垂直投影与聚铝沟错开设置，这样聚铝沟111位于阴极3和阳极2之间的电解空间之外，聚铝沟111内部流动的铝液不会被通电磁化。

该墙式氧化铝阴极分隔铝电解槽槽体形成多室分隔电解，彻底消除水平电流，阴极和阳极之间可以设置更小的极距，实现槽内电压大幅降低，实现电解槽的大幅节能，多室分隔电解也进一步提升了电解槽的产能。

实施例二

参见图5，图示中的铝电解槽为应用本发明的墙式铝电解阴极的又一种具体实施方案，本实施例中的阴极3与实施例一不同之处在于：阴极炭块31内部的水平集流钢棒33的截面随与远离阴极母线的距离增大而增大，即水平集流钢棒33的横截面为渐变的不同尺寸，截面还是方形，截面的宽度均一致，为150mm，远离水平集流钢棒33伸出端的阳极炭块内部的截面高度比伸出位置的截面高度高10～50mm。

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 (7)

1.墙式铝电解阴极，其特征在于：所述阴极为板状结构，并且沿竖直方向固定设置在铝电解槽的槽膛底部，与同为板状结构的阳极将铝电解槽内部分隔成至少两个在水平方向分布的电解室。

2.根据权利要求1所述的墙式铝电解阴极，所述阴极包括阴极炭块和阴极导电钢棒，所述阴极炭块为板状结构，所述阴极导电钢棒包括埋设在阴极炭块内部的水平集流钢棒、垂直导电钢棒和电流均化钢棒，所述水平集流钢棒沿阴极炭块的长度方向水平布置在阴极炭块的下半部，其中水平集流钢棒的一端伸出阴极炭块至铝电解槽外部，作为阴极母线连接端，若干所述垂直导电钢棒一端固定连接在水平集流钢棒上，另一端沿阴极炭块高度方向布置，每个所述垂直导电钢棒上连接有若干沿阳极厚度方向布置的电流均化钢棒。

3.根据权利要求2所述的墙式铝电解阴极，所述水平集流钢棒为等截面棒材。

4.根据权利要求2所述的墙式铝电解阴极，所述水平集流钢棒的截面随与阴极母线连接端的距离增大而增大。

5.根据权利要求4所述的墙式铝电解阴极，所述水平集流钢棒的最大截面高度差为10～50mm。

6.根据权利要求2所述的墙式铝电解阴极，所述电流均化钢棒的截面积和长度均一致，截面积为圆形或方形，长度保持钢棒端头距离阴极炭块的外边界垂直距离为20～40mm。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的墙式铝电解阴极，所述阴极炭块为方形板状炭块，底部沿水平方向固定嵌放在铝电解槽的槽膛底部，相邻阴极炭块之间的铝电解槽槽膛底部设置沿阴极炭块长度方向朝一侧倾斜的底面，并在铝电解槽槽膛底面较低的一侧设置相对槽膛底面凹陷的聚铝沟，所述阴极炭块在铝电解槽槽膛底面的垂直投影与聚铝沟错开设置。