CN110382744B - 用于通过电解熔体生产铝的金属惰性阳极 - Google Patents

用于通过电解熔体生产铝的金属惰性阳极 Download PDF

Info

Publication number
CN110382744B
CN110382744B CN201880014963.3A CN201880014963A CN110382744B CN 110382744 B CN110382744 B CN 110382744B CN 201880014963 A CN201880014963 A CN 201880014963A CN 110382744 B CN110382744 B CN 110382744B
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
elements
bath
current
fins
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880014963.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110382744A (zh
Inventor
D·A·斯马克夫
A·G·布尔采夫
A·O·古谢夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rusal Engineering and Technological Center LLC
Original Assignee
Rusal Engineering and Technological Center LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rusal Engineering and Technological Center LLC filed Critical Rusal Engineering and Technological Center LLC
Publication of CN110382744A publication Critical patent/CN110382744A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110382744B publication Critical patent/CN110382744B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C25C3/12—Anodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)

Abstract

提出了金属惰性阳极的设计，它以具有贯通开口的穿孔结构(特别是由相互交叉的纵向和横向阳极元件形成，并由交叉的阳极元件的侧面界定)形式制成，并且包含从槽液中突出并与阳极元件或电流导体一体化的垂直或倾斜的鳍片。结果，它确保了阳极和阳极下的气泡层中电压降的减少，阳极过电压和阳极消耗的减少，电流效率和冰晶石‑氧化铝结壳的可靠性的提高，这导致阳极使用寿命的增加，并促进在熔体表面上形成可靠耐用的冰晶石‑氧化铝结壳，从而提高工艺效率。

Description

用于通过电解熔体生产铝的金属惰性阳极
本发明涉及有色金属冶金，特别涉及用于通过电解氟化物类熔体生产电解铝的阳极。
现在，通过在约950℃下电解分解溶解在氟化物熔体中的铝氧化物(Al2O3)或氧化铝，在还原(电解)池中生产铝。这种用于铝生产的方法以其发明人命名为Hall-Héroult法。
用于电解过程的阳极是由碳制成的，因此阳极由于被氧化铝分解时释放的氧气氧化而连续消耗。由于碳阳极的使用，还原池不断地释放氧化物和碳氟化物，而使用自焙或Soederberg技术也会导致排放致癌的多环芳烃(PAH)，如苯并(a)芘。
除了上述环境问题之外，使用消耗性碳阳极不能改善该方法的经济指标，因为阳极制造成本在铝生产成本中占显著比例。因此，自从Hall-Héroult法发明以来，一直在寻找一种在电解过程中释放氧气的非消耗性或惰性阳极材料。
到目前为止，已经提出了各种惰性阳极：金属、陶瓷和金属陶瓷。在经济效率和技术可行性方面，由金属合金制成的阳极是最优选的，因为其具有最低的成本、高导电性、延展性，同时具有机械强度，易于加工和焊接。
惰性阳极与碳阳极相比的基本差异之一还在于，在惰性阳极上释放的氧气泡的直径为毫米的十分之几，这显著小于碳阳极上释放的CO和CO2气泡的直径。这是由于与碳相比，槽液与惰性阳极材料之间的接触角更小。由于释放出大量的小氧气泡，惰性阳极下气泡层的厚度和熔体中的气体含量显著更高。因此，与碳阳极下的情况相比，惰性阳极下气泡层中的电压降显著更高。
申请US2004/0163967显示，用具有倾斜工作面的较小尺寸的多个阳极替换具有水平工作面的大金属陶瓷阳极导致电解池电压的显著降低(因为氧气泡从阳极下方更好地逸出，并且阳极下的气泡层中的电压降减少)。
金属阳极的物理和机械性能允许随意改变其尺寸和形状，以减少阳极的重量，优化槽液循环流动，改善气体从阳极下逸出的条件，并改善槽液中氧化铝溶解的均匀性。
专利RU 2374362和申请WO 00/40781、WO 00/40782、WO 03/006716的发明描述了具有多个由纵向的元件间的间隙彼此隔开的平行延伸元件的阳极。这种设计允许氧气泡从阳极下方更快地逸出到阳极元件之间的间隙中。阳极元件可以具有共面对齐的平行条、叶片、杆的形状。元件间的间隙构成了用于槽液循环和氧气泡逸出的流通开口。阳极额外配备有加速氧化铝进料溶解的装置；这种装置代表由彼此隔开、布置为高于且邻近穿孔阳极结构的平行且倾斜的偏转器形成的槽液引导元件。
氧气泡在延伸的阳极元件的下表面上产生并逸出到穿孔阳极结构的元件间的间隙中，然后，它们经过倾斜的偏转器之间。由于这种气体逸出，槽液在倾斜的偏转器之间向上和向下循环并经过元件间的间隙。向上流动的气体和槽液促进了氧化铝进料溶解到熔融槽液的开放表面上。向下的槽液流将溶解的氧化铝颗粒带到阳极元件的下工作面。带有偏转器的阳极元件完全浸没在槽液中，只有垂直的电流导体或垂直的电流分配器从槽液中突出。
申请WO 03/006716描述了专利RU 2374362和申请WO 00/40781和WO 00/40782中提出的阳极的改进设计。改进的阳极中的阳极元件额外具有锥形上部和与上部一体化的电化学活性下部。阳极元件的锥形上部具有这样的形状，以确保沿着锥形上部的一个表面向上的槽液流动和沿其另一个表面的向下流动。阳极元件的这种设计使得气体能够从阳极下方逸出和槽液循环经过阳极。为了延长阳极使用寿命，提出了用含有导电惰性结构金属(如镍和/或钴)和活性扩散金属(如铁)的合金制造阳极，所述活性扩散金属扩散到电化学活性阳极表面，并在此氧化以确保电化学活性阳极表面的稳定性。
已知使用穿孔垂直阳极电解熔体来生产铝的电解池；参见国际申请WO 03/074766和WO 04/104273的公报。这些申请还给出了用于穿孔阳极的材料的实例。在垂直阳极中，穿孔用于从电极间的间隙抽出气体。然而，在垂直放置的穿孔阳极的情况下，需要从侧向抽出气体，并且即使气体不是侧向移动，那么它也将容易地从电极间的间隙向上逸出。在水平放置的电极的情况下，这样的电极阻止气体向上流动，并且其从阳极下无处可去。因此，该问题对水平电极更为迫切。此外，垂直阳极不需要鳍片，因为从槽液中突出的板状阳极本身就是鳍片。下面将详细考虑所提出的本发明的优点(在所选择的现有技术的背景下)。
基于全部特征，选择申请WO 03/006716的发明作为最接近的等同物(或现有技术)。
现有技术的缺点在于，具有彼此隔开的纵向阳极元件的阳极(与非穿孔阳极相比)具有更小面积的释放氧气的工作面，因为很大一部分的阳极表面被元件间的间隙代替。这导致阳极电流密度增加，结果阳极过电压增加，阳极消耗更高，这使得不能降低电解池电压和延长阳极使用寿命。
现有技术的另一个缺点是，当使用这种阳极设计时，存在槽液表面上的结壳完整性的问题。
如上所述，当通过电解生产铝时，现在主要使用预焙碳阳极；它们呈现平行六面体形式的巨大本体。碳阳极安装在电解池中，彼此之间具有小间隙。安装在一个池中的所有阳极称为阳极碳。由于阳极碳的高度比熔融槽液层的厚度大得多，因此阳极碳的一部分总是从槽液中突出。因此，不少于60％的电解池腔室区域被碳阳极占据，并且槽液占据阳极之间的狭窄间隙中的区域，以及沿阳极碳和电解池腔室的侧壁之间容纳的周边的区域。同时，槽液表面总是覆盖有由凝固槽液和氧化铝组成的结壳。这减少了槽液蒸发和电解池的能量损失。形成结壳并保持在从槽液中突出的阳极上的熔体上方。
当使用现有技术的阳极时，这种阳极的主要部分浸入槽液熔体中，只有电流导体从中突出，这占据了电解池腔室的一小部分区域。因此，与使用碳阳极的电解池相比，冰晶石-氧化铝结壳的面积大3倍，并且这种结壳将不能保持在从槽液中突出的电流导体上的槽液上方，因为它延伸得相当远，而且强度相对较低。在电解池运行期间，氧化铝层积聚在结壳表面上；必须减少通过电解池顶部的能量损失。由于隔热，结壳可能熔化并破裂。当在试验电解池中测试现有技术的穿孔阳极时，观察到结壳周期性地向下坍塌到阳极的一部分上，该部分浸没在槽液中。结果，经过元件间的间隙的熔体循环被破坏，槽液的组成和温度急剧变化，即，铝生产过程有显著中断。
在专利信息来源US 5368702、US 6402928、US 6656340、US 6723221、WO 02/070784、US 7749363、US 2006124471和RU 2582421中，提出了隔热盖以防止在槽液表面上形成结壳并减少热量通过电解池顶部的损失。这可以解决在使用穿孔阳极并且这种阳极的仅仅电流导体和/或电流分配器从槽液中突出时可能的结壳坍塌的问题。盖材料必须能够耐受高温下的气态含氟化合物、氧气和槽液滴，以及机械负载。盖必须确保低透气性、完整性、隔热性和耐久性。截至目前，尚未找到满足所有这些要求的材料。由于盖材料在电解池工作期间逐渐浸渍并与槽液蒸汽相互作用，因此所提出的盖的使用寿命不超过几个月。这导致机械强度的损失，并最终导致盖的破坏。因此，盖需要更换，这导致运行成本和铝生产成本的增加。此外，盖材料的成分不断地在槽液中消耗，在阴极上还原并污染所产生的铝。
因此，对于穿孔阳极，最有效的是开发一种确保熔体表面上的可靠耐用的冰晶石-氧化铝结壳的方法。
现有技术和所提出发明的阳极的共同特征是惰性金属阳极基本上具有穿孔结构以加速气泡从阳极下方逸出，并且可以配备一些控制由向上移动的氧气泡引起的槽液循环的装置(以便改善槽液表面的氧化铝溶解并将富含氧化铝的槽液输送到阳极的下工作面)。阳极元件的偏转器和/或垂直截面的形状可以用作控制槽液循环的装置。
本发明的目的是开发一种用于通过电解氟化物熔体来生产铝的穿孔金属阳极的设计，与现有技术相比，这将实现减少阳极中和阳极下的气泡层中的电压降，降低阳极过电压和阳极消耗，以及改善电流效率和冰晶石-氧化铝结壳的可靠性。
技术结果是解决手头的问题，降低电解池电压，延长阳极使用寿命，改善电流效率，确保在熔体表面上形成可靠耐用的冰晶石-氧化铝结壳。
由于已经发现用于通过电解熔体来生产铝的金属惰性阳极的最佳构造，因此解决了手头的问题，并且实现了技术效果，该金属惰性阳极具有多个电化学活性阳极元件、电流分配器和电流导体。阳极具有不少于两个从槽液中突出的垂直或倾斜的鳍片，其中，阳极旨在用于水平放置。
本发明由其结构设计的以下特定实施方式表示。阳极具有带有贯通开口的穿孔结构，贯通开口优选均匀地跨越阳极分布；阳极的穿孔度为约15-35％，优选约20％。
鳍片与所述电流导体一体化。垂直或倾斜的鳍片用于在槽液熔体的表面上形成可靠耐用的冰晶石-氧化铝结壳，其中，所述鳍片的优选高度为使得它们从槽液中突出约5-20cm。形成之后，结壳的完整性由位于熔体表面上方的鳍片和电流导体支持。
阳极可以包含纵向和横向阳极元件，所述纵向和横向阳极元件相互交叉并形成具有贯通开口的穿孔阳极结构，所述贯通开口由交叉的阳极元件的侧面界定。从槽液中突出的鳍片可以与阳极元件一体化，以提高结构的强度和跨越阳极的电流分布。阳极元件可以以截面为具有圆角的多边形、椭圆形或圆形形式的直的或弯曲的杆、条或板的形式制成，并且位于同一平面内。
当所述纵向和横向阳极元件以直角交叉时是合理的；然而，所述纵向和横向阳极元件可以以不同于直角的角度交叉。通常，阳极具有不少于一个与阳极元件连接的电流分配器。此外，所述阳极具有不少于一个与电流分配器连接的电流导体。
当纵向元件之间的距离和横向阳极元件之间的距离相同时是合理的，这将确保均匀分布，然而，纵向元件之间的距离和横向元件之间的距离可以变化。可以根据工艺目标改变尺寸。通常，阳极元件在交叉点处有一定程度的圆角。阳极可以通过金属或砂模铸造来制造。
作为本发明的又一个实施方式，提出了一种用于通过电解熔体生产铝的金属惰性阳极，其具有多个电化学活性阳极元件、电流分配器和电流导体。同时，阳极结构以穿孔结构形式制成，所述穿孔结构由相互交叉的纵向和横向阳极元件形成并由交叉的阳极元件的侧面界定，并且所述阳极结构包含从槽液中突出并与阳极元件或电流导体一体化的垂直或倾斜的鳍片，其中，所述阳极旨在用于水平放置。所述阳极的穿孔度为约15-35％，并且开口的面积为约10-100cm2。
本发明的第二实施方式由以下特定实施方式表示。阳极的穿孔度优选为20％，开口面积为约0.001m2，所述阳极的穿孔度优选为约20％，开口的面积优选为约50cm2。
另外，还要求保护用于通过电解熔体生产铝的电解池，其包含任何水平放置的所提出的金属惰性阳极的构造。
附图说明
图1——所提出的本发明的穿孔阳极的实施方式的实例；图2——在电解池中安装所提出的穿孔阳极的实例。
图1示出了金属惰性阳极，其根据本发明具有最佳设计，包括纵向(1)和横向(2)阳极元件、垂直鳍片(3)和电流导体(4)。呈矩形截面条形式的交叉的纵向(1)和横向(2)阳极元件形成具有贯通开口(5)的穿孔阳极结构，贯通开口(5)由交叉的阳极元件的侧面界定。垂直鳍片(3)与电流导体(4)和阳极元件(1)和(2)一体化，这样能够改善阳极结构的强度和跨越阳极的电流分布。
图2显示了安装在用于铝生产的电解池中的最佳设计的金属惰性阳极。在电解池运行期间，铝(7)沉积并积聚在其碳底(6)上，并且氧气泡在阳极下表面上释放。由于溶解在槽液熔体(8)中的氧化铝(铝氧化物)分解，当直流电流通过电解池时，铝沉积并释放氧气。由槽液的结晶成分和氧化铝组成的冰晶石-氧化铝结壳以小间隙(9)位于槽液表面(8)上方。在电解池运行期间，在穿孔阳极的元件(2)的下表面上释放的氧气泡经过贯通开口(5)并逸出到槽液和结壳(10)之间的间隙(9)中。在没有开口(5)的情况下，气泡将在阳极下积聚，这将导致电解池中的电压升高和铝(7)的氧化。矩形截面阳极的元件(2)完全浸没在槽液熔体中，鳍片(3)和电流导体(4)从槽液中突出。因此，结壳的完整性由熔体表面上方的鳍片(3)和电流导体(4)支持。如果没有鳍片，结壳将向下坍塌到浸没在槽液中的阳极元件(2)上。因此，开口(5)将被堵塞，阻碍氧气泡逸出，熔体循环将被破坏，电解池电压和熔融槽液温度将升高，即，铝生产过程将受到严重破坏。鳍片(3)在结构上与阳极元件(2)和电流导体(4)一体化。因此，电流从电流导体(4)经过鳍片(3)通过并且均匀地跨越阳极元件(2)分布，能够降低阳极中的电压降和氧气逸出的过电压。
本发明的实质在于提出优化阳极的穿孔以改善氧气泡从阳极下方逸出，从而降低电解池电压，于是减少气泡层中的电压降，同时，实现阳极电流密度的最小可能增加(为了确保低阳极过电压、阳极中低电压降和低阳极消耗)。阳极的穿孔度越高，即开口所占面积的份额越高，则气泡越容易从阳极下方(从电极间的空间)逸出，气泡层的厚度越小，其中的电压降越少。此外，阳极下的气泡层的厚度越小，则氧对所产生的铝金属(积聚在电解池底部并且是阴极)的氧化越小。因此，气泡层厚度的减小提高了电流效率并降低了比能耗。
另一方面，阳极的穿孔度越高，则阳极表面积越小，且阳极电流密度越高。
已知的是阳极电流密度的增加导致阳极过电压和阳极消耗的增加。
此外，阳极穿孔度的增加导致阳极本身的电流密度增加，因此阳极中的电压降减少。这还伴随着跨越阳极的电流分布劣化，导致各个阳极区域中的电流密度的变化，结果导致不均匀的阳极消耗。
因此，当增加穿孔度时，电解池电压的降低将持续直至达到穿孔度的某个最佳值。为了达到技术效果，需要解决优化阳极的穿孔度和开口尺寸的问题。
在用于生产氯气和苛性钠的电解池中，对于阳极解决了类似的问题[L.M.Yakimenko.Electrode materials in applied electrochemistry.M.,‘Chemistry’,1977,264页]。在具有汞阴极的电解池中使用低磨损阳极并且电极水平放置的情况下，必须提供阳极上从电流通过的区域释放的氯气的排放道。为此，已经开发了各种设计的板电极，以及由穿孔片材制成的电极。基于使用NaOH水溶液运行的具有汞阴极的电解池的模型，研究了寻找水平片状阳极的最佳穿孔度的问题。对于具有直径为6-8mm的开口的阳极，确定穿孔度与电压的相关性。在穿孔度为35-40％(在所有电流密度值下)观察到最小电压值。此外，已经确认电解池电压与电流密度的相关性的斜率也随着穿孔度的增加而减小。
在相同的阳极穿孔度下，随着穿孔开口的直径减小，总的阳极表面(包括开口的内表面)增加，并且气泡从生成点到开口边缘的路径变短。此外，在较小直径的开口，电极之间的电场具有更均匀的性质，并且在这种情况下，槽液的有效电阻小于开口的直径较大的情况。然而，电压仅降低(随着开口直径减小)到某一点。在小直径的穿孔开口，受阻气体的逸出能力可以通过以下事实来解释：气泡由于表面张力所致停留在开口中，形成栓塞。
为了确定穿孔开口直径对气体抽出条件的影响，研究了以下阳极：具有相同穿孔度(35％)和各种穿孔开口直径的阳极，3mm厚的穿孔有直径为2、4、6、8和12mm的开口的阳极，10mm厚的穿孔有直径为4、6、8和12mm的开口的阳极。穿孔开口的中心位于正三角形网格的边角处(<60°)。在电极厚度为3mm时，对于4和6mm的穿孔开口直径获得最小电压值，并且在阳极厚度为10mm时，对于具有穿孔有直径6mm的开口的阳极的电解池获得这样的电压值；在具有穿孔有4mm和8mm开口的阳极的电解池中，电压更高(高20-40mV)。如果电极具有大致相同的电压，则应推荐穿孔有较大直径开口的电极用于工业应用(因为它们更容易制造)。对于厚度约为10mm的工业电极，可以推荐具有直径为6-8mm的开口的穿孔；3-5mm厚的阳极应穿孔有直径为约6mm的开口。
推导出以下公式来计算气体仍然可能留在开口中的开口直径的极限值：
Figure BDA0002185385890000071
其中，d—开口直径；σ—溶液的表面张力；b—阳极片的厚度；γ—溶液密度。
浓度为250-300g/l的氯化钠溶液的σ/γ值在60-100℃在6.0-6.7mm2变化。在这些条件下，3mm厚的片状阳极的穿孔开口直径的极限值为5.1-5.5mm，对于10mm厚的阳极，其为2.2-2.5mm。
很明显，对于10mm厚的阳极，开口直径的计算值与现实生活中发现的最佳值显著不同。其原因在于，随着开口的直径减小(并且穿孔度相同)，对于气泡(与它们夹带的流体一起)从阳极下方经穿孔开口的流动的流体动力学阻力增加。
所提出的方案的非显而易见性的原因在于，由于槽液性质(电导率、粘度、密度、表面张力)、气泡的大小和两相流的流体动力学差异非常大，基于已知数据不可能确定用于通过熔体电解生产铝的惰性阳极中的任何最佳穿孔度和开口尺寸。
此外，需要考虑到，由于在金属阳极表面上形成氧化物保护层并生长，因此用于铝生产的惰性阳极中的开口尺寸随时间显著变化。
为了正确计算穿孔的最佳程度和直径，还需要计算两相气-液流的气体-流体动力学循环流量，这是涉及开发合适的数学模型并基于从真实系统和物理模型获得的测量结果进行验证的一项艰巨任务。
由于在熔体中进行大规模实验以确定最佳穿孔度和开口尺寸存在问题，因此模拟(数学和物理)是解决与阳极中和阳极下的气泡层中的电压降的减少以及阳极过电压的减少相关的问题的最合理方式。
建模包括开发气泡流的二维和三维两相模型，以描述电解池的电极间空间中的电场和流体动力学过程，包括阳极上的气体逸出：惰性阳极表面上的气体形成的电化学过程，气泡流的两相模型，电解池工作区中的电场模型，并考虑槽液中的气体量。
因此，所开发的数学模型基于电势和GVF(气体体积分数)的两个耦合椭圆方程以及流体动力学方程(速度分量的方程和连续性方程)的体系。方程组是耦合的。特别是，电场与气体含量相关；气体含量与充有气体的槽液的流量等相关。方程组是非线性的。
为了实现铝电解槽中阳极上的气体逸出的所述数学模型，开发了一种计算算法，用于求解与气体含量相关的二维和三维静态问题，该算法基于空间中的有限元近似和用牛顿法迭代求解非线性耦合方程组。
使用开发的应用软件进行计算。基于测量实验电解池中气体含量和气泡尺寸的结果验证该模型。基于在所开发的应用软件的帮助下进行的多参数三维计算(基于网格模型，考虑惰性阳极的真实几何形状)的结果，优化了惰性阳极的穿孔。对于计算，将阳极尺寸设定为1x1m2和0.06m厚。阳极在两个方向上均匀地穿孔有圆形截面的开口。以阳极之间在横向上的距离等于0.1m并且在纵向上的距离等于0.2m进行计算。阳极和电解池侧壁之间的距离取为等于0.2m。电极间距离为0.06m。
最佳标准是相对于没有穿孔的阳极并且不考虑槽液的气体含量(I0)以分数表示的在固定电压降下通过阳极的电流(安培数)。该参数越小则越差，这是因为在相同的安培数下电解池电压会更高。
选择以下参数作为变量：开口数36-100，穿孔度0-30％，圆形开口直径0.04-0.10m：
Figure BDA0002185385890000091
从上表中可以明显看出，如果不考虑槽液中的气体含量，那么阳极穿孔会导致安培数降低，这是由于阳极中电压降因阳极面积减小而增长。然而，在气体逸出的条件下，非穿孔阳极上的电流(安培数)减少约4倍(由于阳极下方的槽液的充气层中的电压降增加)。在阳极下方气体逸出的条件下(为了增加通过阳极的安培数)，最佳穿孔度为20％，开口的最佳直径为约0.04m，相当于约0.001m2的开口面积，考虑到开口的形状可能与圆形不同。
尽管为了简化起见，针对圆形开口进行了优化，但是开口的形状可以是具有圆角的多边形的形式，其面积和尺寸大致对应于圆形开口的面积和直径。
本发明的另一个特征是在穿孔金属阳极(其主要部分浸没在槽液中)的设计中提供垂直或倾斜的鳍片，以形成可靠且耐用的冰晶石-氧化铝结壳。这些鳍片的最佳高度为使得它们从槽液中突出约5-20cm的高度。因此，当使用所提出的阳极时，不仅阳极电流导体从槽液中突出而且鳍片从槽液中突出。这能够缩短从槽液中突出的阳极元件之间的距离。于是，鳍片将结壳分成小区域，这降低了其坍塌的风险。此外，突出的鳍片促进结壳强化，因为它们带走了热量并降低了鳍片附近的结壳温度。因此，降低了结壳熔化和坍塌的风险。
阳极鳍片与阳极电流导体和/或阳极的穿孔部分一体化。当鳍片与阳极电流导体和阳极的穿孔部分二者一体化时，它导致阳极的更好的结构完整性和跨越阳极的更好的电流分布，但同时阳极重量和材料消耗变得更高。当增加鳍片的数量时，结壳可靠性也会提高，因为鳍片之间的距离更短，因此结壳延伸较少，结果，结壳更好地冷却，于是更强。
鳍片还可用于控制由氧气泡向上移动引起的槽液循环流量(目的是改善氧化铝在槽液表面的溶解和将富含氧化铝的槽液输送到阳极的下工作面)。为此，鳍片的倾斜角度和位置可以变化，以确保槽液定向移动到氧化铝供给点。
与现有技术中的阳极相比，具有鳍片的穿孔阳极的工业测试表明，所提出的设计方案在降低电解池电压和确保槽液上方的可靠结壳方面是有效的。

Claims (21)

1.一种用于通过电解熔体生产铝的金属惰性阳极，其具有多个电化学活性阳极元件、电流分配器和电流导体，其特征在于，所述阳极包含不少于两个从槽液中突出的垂直或倾斜的鳍片，其中，所述阳极设计成水平放置，所述阳极以具有跨越所述阳极分布的贯通开口的穿孔结构形式制成，并且阳极穿孔度为15-35％，开口的面积为10-100cm2。
2.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，阳极穿孔度为20％。
3.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，所述鳍片与所述电流导体一体化。
4.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，所述垂直或倾斜的鳍片用于支持在槽液熔体的表面上形成可靠耐用的冰晶石-氧化铝结壳，其中，所述鳍片的高度为使得它们从槽液中突出5-20cm的高度。
5.如权利要求4所述的阳极，其特征在于，所述结壳的完整性由位于熔体表面上方的鳍片和电流导体支持。
6.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，所述阳极包含纵向和横向阳极元件，所述纵向和横向阳极元件相互交叉并形成具有贯通开口的穿孔阳极结构，所述贯通开口由交叉的阳极元件的侧面界定。
7.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，从槽液中突出的所述鳍片与所述阳极元件一体化。
8.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，所述阳极元件以截面为具有圆角的多边形、椭圆形或圆形形式的直的或弯曲的杆、条或板的形式制成，并且位于同一平面内。
9.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，所述纵向和横向阳极元件以直角交叉。
10.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，所述纵向和横向阳极元件以不同于直角的角度交叉。
11.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，所述阳极具有与所述阳极元件连接的不少于一个电流分配器。
12.如权利要求11所述的阳极，其特征在于，所述阳极具有与所述电流分配器连接的不少于一个电流导体。
13.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，纵向阳极元件之间的距离和横向阳极元件之间的距离相同。
14.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，纵向阳极元件之间的距离和横向阳极元件之间的距离不同。
15.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，所述阳极元件在交叉点处有一定程度的圆角。
16.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，所述阳极通过金属铸造而制造。
17.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，所述阳极通过砂模铸造而制造。
18.一种用于通过电解熔体生产铝的金属惰性阳极，其具有多个电化学活性阳极元件、电流分配器和电流导体，其特征在于，所述阳极以穿孔结构制成，所述穿孔结构由相互交叉的纵向和横向阳极元件形成并由交叉的阳极元件的侧面界定，并且所述阳极包含从槽液中突出并与所述阳极元件或所述电流导体一体化的垂直或倾斜的鳍片，其中，所述阳极设计成水平放置，阳极穿孔度为15-35％，并且开口的面积为10-100cm2。
19.如权利要求18所述的阳极，其中，阳极穿孔度为20％，开口的面积为0.001m2。
20.如权利要求18所述的阳极，其中，阳极穿孔度为20％，开口的面积为50cm2。
21.一种用于通过电解熔体生产铝的电解池，其包含金属惰性阳极，其特征在于，所述金属惰性阳极是权利要求1-20中任一项所述的阳极。
CN201880014963.3A 2017-03-01 2018-02-20 用于通过电解熔体生产铝的金属惰性阳极 Active CN110382744B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017106835 2017-03-01
RU2017106835A RU2698162C2 (ru) 2017-03-01 2017-03-01 Перфорированный металлический инертный анод для получения алюминия электролизом расплава
PCT/RU2018/050020 WO2018160105A1 (ru) 2017-03-01 2018-02-20 Металлический инертный анод для получения алюминия электролизом расплава

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110382744A CN110382744A (zh) 2019-10-25
CN110382744B true CN110382744B (zh) 2022-04-05

Family

ID=63370812

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880014963.3A Active CN110382744B (zh) 2017-03-01 2018-02-20 用于通过电解熔体生产铝的金属惰性阳极

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11746431B2 (zh)
CN (1) CN110382744B (zh)
CA (1) CA3054401C (zh)
NO (1) NO20191044A1 (zh)
RU (1) RU2698162C2 (zh)
WO (1) WO2018160105A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2763059C1 (ru) * 2021-01-26 2021-12-27 Сергей Владимирович Кидаков Производство алюминия с движущимся электролитом в электролизере

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4263107A (en) * 1979-05-03 1981-04-21 Oronzio De Nora Impianti Elettrochimici S.P.A. Electrolytic apparatus and process
WO2000040781A1 (en) * 1999-01-08 2000-07-13 Moltech Invent S.A. Electrolytic cell with improved alumina supply
WO2003006716A2 (en) * 2001-07-13 2003-01-23 Moltech Invent S.A. Alloy-based anode structures for aluminium production
WO2003074766A1 (en) * 2002-03-01 2003-09-12 Northwest Aluminum Technologies Improved anode for use in aluminum producing electrolytic cell
CN1735717A (zh) * 2002-10-18 2006-02-15 分子技术发明股份有限公司 带有金属基阳极的铝电解冶金槽
CN104797743A (zh) * 2012-11-13 2015-07-22 俄罗斯工程技术中心 用于具有惰性阳极的铝电解槽的衬垫

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5015343A (en) * 1987-12-28 1991-05-14 Aluminum Company Of America Electrolytic cell and process for metal reduction
WO1992009724A1 (en) 1990-11-28 1992-06-11 Moltech Invent Sa Electrode assemblies and multimonopolar cells for aluminium electrowinning
ES2165682T3 (es) 1997-07-08 2002-03-16 Moltech Invent Sa Celda para la fabricacion de aluminio por electrolisis.
CA2357717C (en) 1999-01-08 2005-12-06 Moltech Invent S.A. Aluminium electrowinning cells with oxygen-evolving anodes
WO2002006565A2 (en) 2000-07-19 2002-01-24 Alcoa Inc. Insulation assemblies for metal production cells
EP1366215B1 (en) 2001-03-07 2005-01-19 MOLTECH Invent S.A. Thermally insulating structural components resistant to high temperature corrosive media
US7077945B2 (en) 2002-03-01 2006-07-18 Northwest Aluminum Technologies Cu—Ni—Fe anode for use in aluminum producing electrolytic cell
ATE371755T1 (de) 2002-06-04 2007-09-15 Moltech Invent Sa Design einer zelle zur elektrolytischen gewinnung von aluminium mit beweglichen ioslierabdeckungsteilen
WO2004050957A1 (en) 2002-12-04 2004-06-17 Moltech Invent S.A. Electrolytic cell with improved feed device
US20040163967A1 (en) 2003-02-20 2004-08-26 Lacamera Alfred F. Inert anode designs for reduced operating voltage of aluminum production cells
US20110100834A1 (en) 2004-06-03 2011-05-05 Vittorio De Nora High stability flow-through non-carbon anodes for aluminium electrowinning
US20080041729A1 (en) 2004-11-05 2008-02-21 Vittorio De Nora Aluminium Electrowinning With Enhanced Electrolyte Circulation
RU2582421C1 (ru) 2014-12-29 2016-04-27 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Укрытие электролизера для производства алюминия

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4263107A (en) * 1979-05-03 1981-04-21 Oronzio De Nora Impianti Elettrochimici S.P.A. Electrolytic apparatus and process
WO2000040781A1 (en) * 1999-01-08 2000-07-13 Moltech Invent S.A. Electrolytic cell with improved alumina supply
WO2003006716A2 (en) * 2001-07-13 2003-01-23 Moltech Invent S.A. Alloy-based anode structures for aluminium production
WO2003074766A1 (en) * 2002-03-01 2003-09-12 Northwest Aluminum Technologies Improved anode for use in aluminum producing electrolytic cell
CN1735717A (zh) * 2002-10-18 2006-02-15 分子技术发明股份有限公司 带有金属基阳极的铝电解冶金槽
CN104797743A (zh) * 2012-11-13 2015-07-22 俄罗斯工程技术中心 用于具有惰性阳极的铝电解槽的衬垫

Also Published As

Publication number Publication date
RU2017106835A3 (zh) 2018-09-03
US11746431B2 (en) 2023-09-05
WO2018160105A1 (ru) 2018-09-07
US20200115812A1 (en) 2020-04-16
CN110382744A (zh) 2019-10-25
RU2698162C2 (ru) 2019-08-22
CA3054401C (en) 2022-01-11
RU2017106835A (ru) 2018-09-03
NO20191044A1 (en) 2019-08-30
CA3054401A1 (en) 2018-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4514269A (en) Metal production by electrolysis of a molten electrolyte
US3974049A (en) Electrochemical process
FI60039C (fi) Elektrokemisk anordning
US7901549B2 (en) Gas evolving electrolysis system
KR101060208B1 (ko) 전해 장치 및 방법
JP6465816B2 (ja) ＨＣｌを生成する水素ガス拡散陽極の集成装置及び当該集成装置を含む電解セル
JP5125278B2 (ja) エッチング廃液の電解酸化方法
WO2006007863A1 (en) Electrolysis apparatus with solid electrolyte electrodes
CN110382744B (zh) 用于通过电解熔体生产铝的金属惰性阳极
CN111279017B (zh) 电解装置
NO134306B (zh)
FI66210C (fi) Elektrodstruktur och foerfarande foer bildande av elektrolytcirkulation
DK202370308A1 (en) Controlling electrode current density of an electrolytic cell
JPS6011113B2 (ja) 電解槽
CN112752869A (zh) 氟气制造装置
FI112802B (fi) Elektrolyysikenno jonkin metalleista kupari, sinkki, lyijy, nikkeli tai koboltti erottamiseksi elektrokemiallisesti
US20090032405A1 (en) Molten Salt Electrolytic Cell and Process for Producing Metal Using the Same
DK201970039A1 (en) ADVANCED ALUMINUM ELECTROLYSIS CELL
JP4342522B2 (ja) 電解液の濃度均質化方法及び電解槽
US3535223A (en) Electrolysers,particularly for chlorine-gas production
BR112019000340B1 (pt) Célula eletrolítica de alumínio avançada, e método para produção de alumínio metálico por redução eletroquímica da alumina
JP2017110269A (ja) 電解装置用陰極、および該陰極を備えた電解装置
NO158466B (no) Poroes elektrodekonstruksjon for bruk ved horisontale elektrolyseceller.
JP2000073196A (ja) 電気銅の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant