CN117737794A - 一种阴极可更换的铝电解槽 - Google Patents
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Abstract
一种阴极可更换的铝电解槽，在铝电解槽中部竖直固设有绝缘挡板，在绝缘挡板底部开设有铝液通道孔，绝缘挡板两侧区域分别为阳极炭块区域和阴极炭块区域，两个区域底部通过铝液通道孔导通；绝缘挡板为一个或多个；绝缘挡板为一个时，阳极炭块区域和阴极炭块区域均为一个，两个区域对称分布在绝缘挡板两侧；绝缘挡板为多个时，阳极炭块区域和阴极炭块区域交替布设；阴极区域内采用悬挂式结构安装有阴极炭块；阴极炭块通过阴极钢爪悬挂于底部内衬上方，阴极钢爪与阴极母线相连，阴极炭块浸入铝液中。在铝电解槽生产过程中，破损阴极可更换，无需停槽大修底部内衬，保证连续生产作业，降低固废产出，提高铝电解槽使用寿命、阴极炭块利用率及经济利益。
Description
技术领域
本发明属于铝电解槽技术领域，特别是涉及一种阴极可更换的铝电解槽。
背景技术
霍尔-埃鲁特法是现代工业生产原铝的方法，该方法所采取的主要设备为铝电解槽。传统铝电解槽在运行过程中，其底部内衬中的阴极炭块受到碱金属钠和电解质的持续渗透，导致体积膨胀、内应力增加，进而造成电解槽槽内沉渣堆积、槽内升温、电流空耗。渗透严重时会导致底部内衬破损，发生漏铝事故，需要停槽、中断生产，之后进行电解槽大修。
传统电解槽大修一般要持续20天以上，会消耗大量人力和物力，严重影响电解槽的连续生产。在大修过程中，产生的废料除了破损的底部内衬，还会有大量由电解槽槽体组成的额外废料，所有这些废料统称为大修渣。大修渣是一种固态废物，含有可溶性氟化物及氰化物，其中可溶性氟化物具有强烈的腐蚀性，属于有害物质。氰化物为剧毒物质，需要进一步消耗资源对大修渣进行无害化处理。总的来说，大修渣成分复杂且含有大量有害物质，是一种难以处理且对环境危害巨大的固废，难以对其进行资源化利用，并且需要消耗大量的资源进行无害化处理。
相关研究表明，传统电解槽底部阴极炭块中存在的电流会极大加剧钠和电解质的渗透，也会加剧底部内衬的破损，并最终降低电解槽的寿命。而在传统电解槽中，电流必须通过底部阴极炭块，才能进行正常生产，这恰恰是传统电解槽结构设计的矛盾之处。
综上所述，传统电解槽虽然短期内可以正常生产，但长时间运行后，阴极炭块会由于电流的存在被钠和电解质严重渗透和腐蚀，并在投入运行几年后导致底部内衬破损，需要停槽大修。电解槽停槽大修会消耗大量人力物力并产生大量固废，大修期间生产中断，经济利益受损的同时产生的大修渣还会污染环境。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种阴极可更换的铝电解槽，能够在铝电解槽正常生产过程中实现破损阴极的更换，无需停槽大修底部内衬，保证连续生产作业，降低固废产出，提高铝电解槽的使用寿命，提高阴极炭块的利用率，提高经济利益。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种阴极可更换的铝电解槽，在铝电解槽的中部竖直固设有绝缘挡板，在绝缘挡板底部开设有铝液通道孔，绝缘挡板两侧区域分别为阳极炭块区域和阴极炭块区域，阳极炭块区域与阴极炭块区域底部通过铝液通道孔导通。
所述绝缘挡板的数量为一个或多个。
当绝缘挡板的数量为一个时，所述阳极炭块区域和阴极炭块区域的数量均为一个，阳极炭块区域与阴极炭块区域对称分布在绝缘挡板两侧。
当绝缘挡板的数量为多个时，所述阳极炭块区域和阴极炭块区域交替布设。
所述阴极炭块区域内采用悬挂式结构安装有阴极炭块。
所述阴极炭块通过阴极钢爪悬挂于底部内衬上方，阴极钢爪与阴极母线相连，阴极炭块浸入铝液中。
所述阴极炭块区域内的铝液厚度为5cm～100cm，阴极炭块区域内的电解质厚度为1cm～30cm。
所述铝液通道孔的宽度为1cm～80cm，铝液通道孔比阳极炭块区域内的铝液液面低1cm～10cm。
发明的有益效果：
本发明的阴极可更换的铝电解槽，摒弃了阴极炭块置于电解槽底部内衬的传统设计，改进为将阴极炭块悬挂于铝电解槽内，在该结构设计下，阴极炭块周围留有空间，不会由于体积膨胀而导致破损，使阴极炭块具有更长久的寿命，即便阴极炭块损坏，也可以将损坏的阴极炭块吊出，并快速更换上全新的阴极炭块，铝电解槽的连续生产不会中断，有利于铝电解槽的连续作业。
本发明的阴极可更换的铝电解槽，电流传导路径具体为：两侧阳极炭块→两侧阳极炭块区域内的电解质→两侧阳极炭块区域内的铝液→阴极炭块区域内的铝液→阴极炭块，底部内衬的电阻是铝液数百倍以上，因此铝电解槽底部内衬几乎没有电流通过，可以有效减少钠和电解质对底部内衬的渗透，也可有效避免电化学反应导致的底部内衬腐蚀，提高底部内衬的使用寿命，避免了底部内衬破损导致的频繁停槽大修，同时也减少了固废产出。
本发明的阴极可更换的铝电解槽，可直接将阴极炭块吊出后作为阳极炭块继续使用，不仅使废阴极炭块实现了资源化利用，降低了生产成本，而且减少了固废产出，更加环保。
附图说明
图1为本发明的一种阴极可更换的铝电解槽(实施例一)的结构示意图(侧视)；
图2为本发明的一种阴极可更换的铝电解槽(实施例一)的结构示意图(正视)；
图3为本发明的一种阴极可更换的铝电解槽(实施例二)的结构示意图(侧视)；
图4为本发明的一种阴极可更换的铝电解槽(实施例二)的结构示意图(俯视)；
图5为本发明的一种阴极可更换的铝电解槽(实施例三)的结构示意图(侧视)；
图6为本发明的一种阴极可更换的铝电解槽(实施例三)的结构示意图(俯视)；
图中，1—绝缘挡板，2—铝液通道孔，3—阴极炭块，4—阴极钢爪，5—阴极母线，6—铝液，7—电解质，8—覆盖料，9—钢壳，10—耐火与保温材料，11—底部内衬，12—捣固糊，13—侧部内衬，14—下料器，15—阳极炭块，16—阳极钢爪，17—阳极母线，18—槽罩。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～6所示，一种阴极可更换的铝电解槽，在铝电解槽的中部竖直固设有绝缘挡板1，在绝缘挡板1底部开设有铝液通道孔2，绝缘挡板1两侧区域分别为阳极炭块区域和阴极炭块区域，阳极炭块区域与阴极炭块区域底部通过铝液通道孔2导通。
铝电解槽的主体构型沿用传统设计，铝电解槽的最外层为钢壳9，铝电解槽的最底部为耐火与保温材料10，耐火与保温材料10上方为底部内衬11，底部内衬11的材料可采用石墨化炭块、半石墨质炭块或半石墨化炭块、碳化硅结合氮化硅材料或其它耐火材料，底部内衬11不再作为铝电解槽的阴极，因此底部内衬11内部不设导电钢棒；底部内衬11两侧为捣固糊12，捣固糊12与钢壳9之间为侧部内衬13；下料器14设置在阳极炭块区域，阳极炭块区域内的阳极炭块15通过阳极钢爪16也悬挂于底部内衬11上方，阳极钢爪16与阳极母线17相连，阳极炭块15浸入电解质中，铝电解槽的顶部至侧部设置有可移动的槽罩18，槽罩18配套有传动装置，槽罩18底部安装有绝缘传动轮，利用固定卡扣将2～4块盖板连接为一个整体槽罩18；阳极母线17连接在不锈钢材质的支撑框架上，支撑框架向上穿出槽罩18，穿孔处进行密封处理。
绝缘挡板1横向贯穿整个铝电解槽，绝缘挡板1顶部与槽罩18相接触的部分通过螺钉固定，绝缘挡板1底部可适当加厚或改变形状，保证铝液6顺利通过铝液通道孔2的同时，进一步屏蔽铝电解槽中的水平电流，并且防止铝电解槽内的沉淀物堵塞铝液通道孔2，使铝电解槽的运行更加稳定。
阳极炭块区域具体是指位于绝缘挡板1阳极侧的覆盖料8、电解质7和铝液6等所在空间区域，数量可以是一个或多个。阴极炭块区域具体是指位于绝缘挡板1阴极侧的覆盖料8、电解质7和铝液6等所在空间区域，数量可以是一个或多个。阳极炭块区域与阴极炭块区域由绝缘挡板1作为分界。
在阳极炭块区域内，在阳极炭块15底部至顶部方向上，依次由铝液6、电解质7、覆盖料8填充，铝液6厚度为5cm～40cm，电解质7厚度为10cm～40cm。在阴极炭块区域内，在阴极炭块3底部至顶部方向上，依次也由铝液6、电解质7、覆盖料8填充，铝液6厚度为5cm～100cm，电解质7厚度为1cm～30cm。
绝缘挡板1底部的铝液通道孔2的宽度为1cm～80cm，铝液通道孔2比阳极炭块区域内的铝液6液面低1cm～10cm。
阳极炭块15可采用球体、长方体、正方体、梯形体等规则形状或者其他不规则形状中的一种或几种，各个阳极炭块15之间的形状可以相同也可以不同。阳极炭块15与阴极炭块3的材料相同或不同，阳极炭块15与阴极炭块3的形状可以相同也可以不同。
阳极炭块15采用传统工艺制作，由于工艺成熟，其制作成本更加低廉，阴极炭块3允许更加灵活的设计，以获得更平稳的电磁场和铝液6流场。
在阴极炭块区域内，阴极炭块3通过阴极钢爪4悬挂于底部内衬11上方，阴极钢爪4与阴极母线5相连，阴极炭块3浸入铝液6中，阴极母线5也连接在对应的支撑框架上，支撑框架向上穿出槽罩18，穿孔处进行密封处理。
阴极炭块3的材料可采用碳素材料也可采用其它导电材料，阴极炭块3的形状可采用球体、长方体、正方体、梯形体等规则形状或者其他不规则形状中的一种或几种，各个阴极炭块3之间的形状可以相同也可以不同。
当阴极炭块3的材料和形状与阳极炭块15相同时，有利于阴极炭块3在长时间使用破损后直接作为阳极炭块15参与电化学反应，资源化利用废阴极，更加环保。
阴极炭块3和阳极炭块15均可以在铝电解槽生产过程中进行独立更换，铝电解槽中的阴极炭块3和阳极炭块15的数量为一个或多个，阴极炭块3和阳极炭块15的数量可以相同或不同。
阴极反应发生在阳极炭块15下方的电解质7和铝液6之间的界面处，反应生成的钠蒸汽无法通过绝缘挡板1到达阴极炭块3附近，因此阴极炭块3难以受到钠的渗透，即使阴极炭块3受到电解质7或铝液6的渗透，由于阴极炭块3采用悬挂式安装方案，阴极炭块3周围留有空间，因此不会由于阴极炭块3的体积膨胀而导致铝电解槽的主体结构破损，使电解槽具有更长久的寿命。即便阴极炭块3损坏，也可以将损坏的阴极炭块3吊出，并快速更换上全新的阴极炭块3，铝电解槽的连续生产不会中断，有利于铝电解槽的连续作业。对于破损的阴极炭块3来说，可以直接作为阳极炭块15在铝电解槽中继续使用，或者经过处理后作为阳极或阴极的生产原料加以利用。
铝电解槽的电流传导路径可简化为：阳极炭块15→铝液6→阴极炭块3，由于底部内衬11不再作为铝电解槽的阴极使用，且底部内衬11的电阻是铝液6的数百倍以上，因此底部内衬11内没有电流或者只有微弱电流，从而极大的减少了钠对底部内衬11的渗透与腐蚀，同时也极大的减少了电解质的渗透，避免造成底部内衬11出现损坏，从而大幅度延长电解槽寿命。
综上，本发明采用的阴极可更换的铝电解槽，解决了传统铝电解槽由于底部内衬11破损导致的频繁停槽大修的问题，提高了铝电解生产效率，节省了停槽大修过程中耗费的人力和物力成本，同时减少了大修渣的产出，更有利于环境保护。另外，得益于阴极炭块3采用的悬挂式安装方案，使阴极炭块3具备了独立更换的条件，可大幅减少换极作业时间，降低劳动强度，同时不中断铝电解槽的连续生产。
实施例1
如图1、2所示，本实施例中，绝缘挡板1的数量为一个，阳极炭块区域与阴极炭块区域对称分布在绝缘挡板1两侧。
绝缘挡板1的高度为200cm，绝缘挡板1的厚度为7cm，绝缘挡板1采用SiC结合Si4N3绝缘复合材料，绝缘挡板1底部的铝液通道孔2的截面形状为方形，方形铝液通道孔2的高度为5cm，方形铝液通道孔2的宽度为20cm，底部内衬11的材料为石墨化炭块。
在阳极炭块区域内，铝液6的厚度为20cm，电解质7的厚度为30cm，覆盖料8的厚度为15cm，阳极炭块15的数量为10个，10个阳极炭块15在水平方向上等间距分布，相邻阳极炭块15的间距为18cm，阳极炭块15底部与底部内衬11之间的距离为23cm。
在阴极炭块区域内，铝液6的厚度为40cm，电解质7的厚度为8cm，覆盖料8的厚度为15cm，阴极炭块3的数量也为10个，10个阴极炭块3在水平方向上等间距分布，相邻阴极炭块3的间距为18cm，阴极炭块3底部与底部内衬11之间的距离为7cm。
阳极炭块15的材料为传统的碳素材料，阳极炭块15的形状为长方体，阳极炭块15的尺寸为170cm×66cm×55cm(长×宽×高)。
阴极炭块3的材料为石墨化炭块，阴极炭块3的形状为长方体，阴极炭块3与阳极炭块15的尺寸相同，也为170cm×66cm×55cm(长×宽×高)。
铝电解槽运行过程中，电流传导路径具体为：阳极炭块15→阳极炭块区域内的电解质7→阳极炭块区域内的铝液6→阴极炭块区域内的铝液6→阴极炭块3，铝电解槽的主要化学反应为：Al2O3+C＝CO2+Al。具体体现为：电解质7内的氧化铝和阳极炭块15被消耗，并在阳极炭块15表面与电解质7接触处生成二氧化碳，电解质7中的氧化铝失氧后形成纯铝液。
铝电解槽运行过程中，如果阴极炭块3发生损坏，可直接将损坏的阴极炭块3更换，更换阴极炭块3过程中铝电解槽生产可继续进行。
实施例2
如图3、4所示，本实施例中，绝缘挡板1的数量为2个，阴极炭块区域数量为一个且位于2个绝缘挡板1中间，阳极炭块区域数量为两个且对称分布在阴极炭块区域的两侧。
绝缘挡板1的高度为210cm，在绝缘挡板1的底部设有加厚部分，加厚部分的倾角为30°且向两侧倾斜延展，铝液通道孔2位于绝缘挡板1的底部加厚部分，绝缘挡板1的非加厚部分的厚度为8cm，绝缘挡板1的加厚部分高度为10cm，绝缘挡板1的加厚部分宽度为16cm，绝缘挡板1采用SiC结合Si4N3绝缘复合材料，绝缘挡板1底部的铝液通道孔2的截面形状为方形，方形铝液通道孔2的高度为6cm，方形铝液通道孔2的宽度为25cm，底部内衬11的材料为石墨化炭块。
在阳极炭块区域内，铝液6的厚度为20cm，电解质7的厚度为30cm，覆盖料8的厚度为14cm，每个阳极炭块区域内的阳极炭块15的数量均为14个，14个阳极炭块15在水平方向上等间距分布，相邻阳极炭块15的间距为17cm，阳极炭块15底部与底部内衬11之间的距离为24cm。
在阴极炭块区域内，铝液6的厚度为38cm，电解质7的厚度为10cm，覆盖料8的厚度为14cm，阴极炭块3的数量也为14个，14个阴极炭块3在水平方向上等间距分布，相邻阴极炭块3的间距为18cm，阴极炭块3底部与底部内衬11之间的距离为8cm。
阳极炭块15的材料为传统的碳素材料，阳极炭块15的形状为长方体，阳极炭块15的尺寸为170cm×66cm×55cm(长×宽×高)。
阴极炭块3的材料为石墨化炭块，阴极炭块3的形状为长方体，阴极炭块3与阳极炭块15的尺寸相同，也为170cm×66cm×55cm(长×宽×高)。
铝电解槽运行过程中，电流传导路径具体为：两侧阳极炭块15→两侧阳极炭块区域内的电解质7→两侧阳极炭块区域内的铝液6→阴极炭块区域内的铝液6→阴极炭块3，铝电解槽的主要化学反应为：Al2O3+C＝CO2+Al。具体体现为：电解质7内的氧化铝和阳极炭块15被消耗，并在阳极炭块15表面与电解质7接触处生成二氧化碳，电解质7中的氧化铝失氧后形成纯铝液。
铝电解槽运行过程中，如果阴极炭块3发生损坏，可直接将损坏的阴极炭块3更换，更换阴极炭块3过程中铝电解槽生产可继续进行。
由于一个阴极炭块3对应两个阳极炭块15，且两个阳极炭块15对称分布在一个阴极炭块3两侧，该布局可更好的实现电场和磁场的分布，更有利于电解槽的稳定运行，也能拥有更高的空间利用效率。
实施例3
如图5、6所示，本实施例中，绝缘挡板1的数量为2个，阴极炭块区域数量为一个且位于2个绝缘挡板1中间，阳极炭块区域数量为两个且对称分布在阴极炭块区域的两侧。
绝缘挡板1的高度为220cm，在绝缘挡板1的底部设有加厚部分，加厚部分向两侧等厚延展，加厚部分边部倒圆角，铝液通道孔2位于绝缘挡板1的底部加厚部分，绝缘挡板1的非加厚部分的厚度为8cm，绝缘挡板1的加厚部分高度为11cm，绝缘挡板1的加厚部分宽度为20cm，绝缘挡板1采用SiC结合Si4N3绝缘复合材料，绝缘挡板1底部的铝液通道孔2的截面形状为方形，方形铝液通道孔2的高度为7cm，方形铝液通道孔2的宽度为32cm，底部内衬11的材料为石墨化炭块。
在阳极炭块区域内，铝液6的厚度为20cm，电解质7的厚度为30cm，覆盖料8的厚度为14cm，每个阳极炭块区域内的阳极炭块15的数量均为14个，14个阳极炭块15在水平方向上等间距分布，相邻阳极炭块15的间距为17cm，阳极炭块15底部与底部内衬11之间的距离为24cm。
在阴极炭块区域内，铝液6的厚度为38cm，电解质7的厚度为10cm，覆盖料8的厚度为14cm，阴极炭块3的数量也为7个，7个阴极炭块3在水平方向上等间距分布，相邻阴极炭块3的间距为18cm，阴极炭块底部与底部内衬11之间的距离为8cm。
阳极炭块15的材料为传统的碳素材料，阳极炭块15的形状为长方体，阳极炭块15的尺寸为170cm×69cm×53cm(长×宽×高)。
阴极炭块3的材料为半石墨化炭块，阴极炭块3的形状为长方体，阴极炭块3与阳极炭块15的尺寸相同，也为170cm×69cm×54cm(长×宽×高)，且阴极炭块3与阳极炭块15垂直分布，阴极炭块3的一个长×宽表面与两个阳极炭块15的宽×高表面正对。
铝电解槽运行过程中，电流传导路径具体为：两侧阳极炭块15→两侧阳极炭块区域内的电解质7→两侧阳极炭块区域内的铝液6→阴极炭块区域内的铝液6→阴极炭块3，铝电解槽的主要化学反应为：Al2O3+C＝CO2+Al。具体体现为：电解质7内的氧化铝和阳极炭块15被消耗，并在阳极炭块15表面与电解质7接触处生成二氧化碳，电解质7中的氧化铝失氧后形成纯铝液。
铝电解槽运行过程中，如果阴极炭块3发生损坏，可直接将损坏的阴极炭块3更换，更换阴极炭块3过程中铝电解槽生产可继续进行。
由于一个阴极炭块3对应四个阳极炭块15，且阴极炭块3的两侧分别分布两个阳极炭块15，该布局可更好的实现电场和磁场的分布，更有利于电解槽的稳定运行，也能拥有更高的空间利用效率。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
Claims (8)
1.一种阴极可更换的铝电解槽，其特征在于：在铝电解槽的中部竖直固设有绝缘挡板，在绝缘挡板底部开设有铝液通道孔，绝缘挡板两侧区域分别为阳极炭块区域和阴极炭块区域，阳极炭块区域与阴极炭块区域底部通过铝液通道孔导通。
2.根据权利要求1所述的一种阴极可更换的铝电解槽，其特征在于：所述绝缘挡板的数量为一个或多个。
3.根据权利要求1所述的一种阴极可更换的铝电解槽，其特征在于：当绝缘挡板的数量为一个时，所述阳极炭块区域和阴极炭块区域的数量均为一个，阳极炭块区域与阴极炭块区域对称分布在绝缘挡板两侧。
4.根据权利要求2所述的一种阴极可更换的铝电解槽，其特征在于：当绝缘挡板的数量为多个时，所述阳极炭块区域和阴极炭块区域交替布设。
5.根据权利要求2所述的一种阴极可更换的铝电解槽，其特征在于：所述阴极炭块区域内采用悬挂式结构安装有阴极炭块。
6.根据权利要求1所述的一种阴极可更换的铝电解槽，其特征在于：所述阴极炭块通过阴极钢爪悬挂于底部内衬上方，阴极钢爪与阴极母线相连，阴极炭块浸入铝液中。
7.根据权利要求1所述的一种阴极可更换的铝电解槽，其特征在于：所述阴极炭块区域内的铝液厚度为5cm～100cm，阴极炭块区域内的电解质厚度为1cm～30cm。
8.根据权利要求1所述的一种阴极可更换的铝电解槽，其特征在于：所述铝液通道孔的宽度为1cm～80cm，铝液通道孔比阳极炭块区域内的铝液液面低1cm～10cm。
Priority Applications (1)
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| CN202410102860.XA CN117737794A (zh) | 2024-01-25 | 2024-01-25 | 一种阴极可更换的铝电解槽 |
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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-
2024
- 2024-01-25 CN CN202410102860.XA patent/CN117737794A/zh active Pending
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