CN117802537A - 一种楔形惰性阳极及铝电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种楔形惰性阳极及铝电解槽，属于熔盐铝电解的技术领域；惰性阳极形状为垂直角度为10～16度的上厚下薄楔形，惰性阳极可由金属陶瓷或者合金材料制备而成；铝电解槽包括电解槽炉膛、楔形惰性阳极组、下厚上薄的楔形阴极、阴极棒和石墨块，楔形惰性阳极组垂直悬挂于电解槽两排楔形阴极中心空间的上方，阳极和阴极的电解工作面平行，楔形阳极与楔形阴极交替间隔排列直至充满整个电解槽；楔形阴极为二硼化钛基材料，其底部镶嵌于电解槽炉膛底部的石墨块内，石墨块下部镶嵌有铸铁阴极棒；本发明的铝电解槽安装的楔形阴极结构稳固，并可通过调节阳极组高度改变阴阳极的极距，以及延长惰性阳极组更换周期。
Description
技术领域
本发明公开了一种楔形惰性阳极及铝电解槽，属于铝电解冶炼技术领域，特别适用于电解温度为750～900°C的惰性阳极铝电解槽。
背景技术
现行Hall-Héroult铝电解槽采用消耗性碳阳极，每吨铝约消耗450公斤左右的炭素材料，电解过程中碳阳极上析出二氧化碳气体，因此排放大量温室效应气体CO2、SO2和强温室气体碳氟化合物(CF4、C2F6)；预焙碳阳极生产过程中也会排放致癌性的芳香族化合物(PAH)、SO2、粉尘等污染物。而且在现行铝电解过程中，需要每月更换预焙阳极碳块，导致电解生产不稳定，劳动强度大、工人需面对高温熔体的风险和氟化物的无组织排放。
采用惰性阳极电解技术，可以解决上述排放与污染问题，电解过程中惰性阳极上析出氧气，并可提高生产效率，阳极更换频率减少，劳动强度和职业风险大为降低；惰性阳极铝电解技术属于有色金属冶炼行业需攻克的节能降碳关键性技术。
为了提高惰性阳极使用寿命，最好的方法是使用较低的电解温度，也就是采用液相温度低的电解质体系，然而采用低温铝电解要求阴极电流密度较小，否则阴极周围的电解质中钠离子和钾离子浓度升高而使电解质液相线温度升高而致电解质结壳。
现行惰性阳极的电解工作面为水平平面或垂直平面，惰性阳极铝电解槽采用电极水平排布方式或者电极垂直排布方式，两种方式各有优缺点。
惰性阳极铝电解槽采用电极水平排布，惰性阳极位于阴极上方，可通过阳极高度调节极距，采用低电流电解则电解槽投影面积面积需增大，这样电解槽上部散热太大，热能效率低。
美国专利US 5725744、US 2017/0283968 A1和中国发明申请号201911182059.6描述了垂直阴极的安装连接方法的惰性阳极铝电解槽；与传统铝电解槽相比，采用电极垂直排布方式的惰性阳极铝电解槽，其单位投影面积的电极工作面积可成倍增加，电流密度可降低一半以上，然而极距不能调整，无法通过微调极距实现电解槽的热平衡，而且惰性阳极缓慢消耗导致极距缓慢变大，电解槽的电耗会缓慢增加。
美国专利US 5651874提出了人字形惰性阳极和楔形阴极的铝电解槽，人字形惰性阳极位于楔形阴极的正上方，阳极斜面的垂直角度为10～45度，惰性阳极工作和阴极工作面保持平行，专利没有考虑人字形惰性阳极的可制造性问题，也没有考虑电解槽上部保温问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明公开了一种楔形惰性阳极及铝电解槽。
一种铝电解楔形惰性阳极的形状是惰性阳极上部为长方体而下部为上厚下薄的楔形体，楔形斜面为电解工作面，其垂直角度为10～16度；也就是说，楔形惰性阳极的正视图为长方形而侧视图为上部为长方形而下部为上厚下薄的楔形；
楔形惰性阳极为金属陶瓷或者合金材料，可采用粉末冶金技术或铸造技术或锻造技术制备；
楔形惰性阳极上部长方体内有一个空腔用来安装阳极导杆，楔形惰性阳极和阳极导杆组成惰性阳极总成；多个惰性阳极总成加上包含固定阳极导杆的横梁和固定惰性阳极总成的耐火保温材料组成一个楔形惰性阳极组件。
一种惰性阳极铝电解槽包括：电解槽炉膛、热绝缘层、楔形惰性阳极组件、楔形阴极、绝缘压条、阴极棒、石墨块、铝液沟池、铝液和熔盐电解质；
楔形阴极为上薄下厚的楔形，楔形阴极斜面的垂直角度与楔形惰性阳极斜面垂直角度相等，也就是说，楔形阴极的正视图为长方形而侧视图为上薄下厚的楔形；
楔形惰性阳极组垂直悬挂于电解槽炉膛内两排竖直楔形阴极上方的空间内，楔形惰性阳极电解工作面和楔形阴极电解工作面形成平行平面，两平面工作面的距离为18～35mm。
惰性阳极铝电解槽至少有一组楔形惰性阳极组件，楔形惰性阳极组与楔形阴极交替间隔排列直至充满整个电解槽，楔形阴极底部镶嵌于电解槽炉膛底部的石墨块内，石墨块下部镶嵌有铸铁阴极棒。
楔形阴极可以是整体式二硼化钛基材料，或者是二硼化钛基材料板粘贴在楔形石墨块或者楔形刚玉砖或楔形碳化硅或碳化硅氮化硅砖上。二硼化钛基材料为TiB2-C或TiB2基金属陶瓷。
整体式二硼化钛基材料或者二硼化钛基材料板或者楔形石墨块与电解槽炉膛底部石墨块通过机械和粘结方式联接，石墨块周围用石墨材料或者是高氧化铝材料或者是氧化铝陶瓷、SiC陶瓷、Si3N4陶瓷材料固定。
石墨块下部镶嵌有铸铁阴极棒，两者之间可采用铸铁浇铸联接或者采用碳糊粘结。
粘结联接采用含有导电性好的TiB2基材料或石墨材料或石墨烯材料的高温导电无机胶。
电解槽炉膛底部采用绝缘压条压紧整体式二硼化钛基阴极或二硼化钛基材料板，绝缘压条紧贴阴极的端面为斜面，其倾斜角度与楔形阴极的斜面角度相等，绝缘压条材料采用无定形高氧化铝材料浇注，或采用氧化铝陶瓷、SiC陶瓷、Si3N4陶瓷、TiB2基陶瓷中的一种制成。
电解质是温度为750-900℃的NaF-KF-CaF2-MgF2-LiF-AlF3-Al2O3高温熔体。
有益效果
本发明的使用楔形惰性阳极铝电解槽具有下列优势：
1)惰性阳极铝电解槽单位投影面积的电解工作面积可达到传统铝电解槽的1.5以上，故电解电流密度可降低三分之一以上，以降低阴极上结壳的风险；
2)可通过调节阳极组高度改变极距，实现电解槽的热平衡；
3)当惰性阳极缓慢消耗而极距缓慢变大时，可通过降低阳极组高度来降低极距，从而降低电耗和延长惰性阳极更换周期；
4)阴极底部结构稳固，降低了阴极倾倒或断裂的风险。
附图说明
图1：a-楔形惰性阳极总成示意图的主视图，b-楔形惰性阳极总成示意图的侧视图；
图2楔形惰性阳极组件示意图；
图3实施例1电解槽电极结构示意图；
图4实施例2电解槽电极结构示意图；
图5实施例3电解槽电极结构示意图。
附图标记说明：1-楔形惰性阳极组，2-楔形阴极，3-石墨块，4-铸铁阴极棒，5-绝缘压条，6-铝液，7-电解质熔体，8-高温耐火材料，9-热绝缘层，电解槽壳(未示出)，101-楔形惰性阳极，102-阳极导杆，103-横梁，104-阳极固定物，201-阴极工作面，202-楔形阴极基体
实施方式
以下通过说明书附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
进行铝电解工艺设计和确认，首先确定阳极电流密度，阴极电流密度和极距，根据惰性阳极的电解工作面消耗尺寸和更换周期，确定阳极楔形惰性阳极组的可调节升降高度，然后据此确定楔形惰性阳极高、宽及楔形斜面角度等尺寸，最后根据楔形惰性阳极尺寸确定楔形阴极尺寸，电解质水平和铝液水平。
楔形惰性阳极参考尺寸为：高度240～320mm，宽度120～200mm，下部厚度8～12mm，上部厚度60～110mm，楔形惰性阳极底面四个边缘和侧面四个边缘被修成圆角。
电解槽壳，电解槽底部和侧面的施工与传统电解槽无差异，这些都是本领域的专业技术人员熟知的基本知识。
实施例1
图3是实施例1电解槽电极结构示意图，楔形阴极(2)为整体式二硼化钛基材料，整体式二硼化钛基楔形阴极(2)底部沟槽镶在石墨块(3)两侧，整体式二硼化钛基楔形阴极(2)用绝缘压条(5)压紧固定，绝缘压条(5)两端斜面与阴极楔形斜面角度相等，石墨块(3)底部镶嵌有铸铁阴极棒(4), 石墨块(3)周围采用高氧化铝材料或者氧化铝陶瓷、SiC陶瓷、Si3N4陶瓷材料(8)固定。
楔形惰性阳极组(1)安装在两排楔形阴极(2)之间的上方。
调节楔形惰性阳极组(1)高度，可调节阳极和阴极间的极距，惰性阳极消耗时，可下降楔形惰性阳极组(1)高度来缩短极距，楔形惰性阳极组(1)高度下降20mm，极距可缩短５mm。如果惰性阳极每年消耗１0mm厚度，则可每６个月下降楔形惰性阳极组(1)高度20mm，以保证极距为安装时的极距。
实施例2
图4是实施例2电解槽电极结构示意图，楔形阴极(2)为二硼化钛基材料板(201)粘贴在楔形石墨块(202)上。楔形石墨(202) 底部沟槽镶在石墨块(3)两侧，二硼化钛基材料板(201)用绝缘压条(5)压紧固定，绝缘压条(5)两端斜面与阴极楔形斜面角度相等，石墨块(3)底部镶嵌有铸铁阴极棒(4), 石墨块(3)周围采用高氧化铝材料或者氧化铝陶瓷、SiC陶瓷、Si3N4陶瓷材料(8)固定。
楔形惰性阳极组(1)安装在两排楔形阴极(2)之间的上方。
实施例3
图5是实施例3电解槽电极结构示意图，楔形阴极(2)为二硼化钛基材料板(201)粘贴在楔形刚玉砖或楔形碳化硅或碳化硅氮化硅砖(202)上。二硼化钛基材料板(201)插入石墨块(3)中，二硼化钛基材料板(201)用绝缘压条(5)压紧固定，绝缘压条(5)两端斜面与阴极楔形斜面角度相等，石墨块(3)底部镶嵌有铸铁阴极棒(4), 石墨块(3)周围采用高氧化铝材料或者氧化铝陶瓷、SiC陶瓷、Si3N4陶瓷材料(8)固定。
楔形惰性阳极组(1)安装在两排楔形阴极(2)之间的上方。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种楔形惰性阳极，其特征在于，所述楔形惰性阳极上部为长方体，下部为上厚下薄的楔形体，楔形斜面为电解工作面，其垂直角度为10～16度；也就是说，所述楔形惰性阳极的正视图为长方形而侧视图为上部为长方形而下部为上厚下薄的楔形；楔形惰性阳极底面四个边缘和侧面四个边缘被修成圆角。
2.根据权利要求1所述的楔形惰性阳极，其特征在于，所述楔形惰性阳极为金属陶瓷或者合金材料，采用粉末冶金或铸造或锻造技术制备。
3.根据权利要求1所述的楔形惰性阳极，其特征在于，所述楔形惰性阳极上部长方体内有一个空腔用来安装阳极导杆，楔形惰性阳极和阳极导杆组成惰性阳极总成；多个所述惰性阳极总成加上包含固定阳极导杆的横梁以及固定惰性阳极总成的耐火保温材料组成一个楔形惰性阳极组件。
4.一种惰性阳极铝电解槽，其特征在于，所述铝电解槽包括：电解槽炉膛、热绝缘层、权利要求1-3所述的楔形惰性阳极组件、楔形阴极、热绝缘压条、阴极棒、石墨块、铝液沟池、铝液和熔盐电解质；所述铝电解槽至少有两排楔形阴极，所述楔形阴极底部镶嵌于电解槽炉膛底部的石墨块内，所述石墨块下部镶嵌有铸铁阴极棒；所述铝电解槽至少有一个楔形惰性阳极组件，所述楔形惰性阳极组件垂直悬挂于电解槽炉膛内两排竖直楔形阴极中心空间的上方，所述楔形阳极组件与所述楔形阴极交替间隔排列直至充满整个所述铝电解槽；所述楔形阳极和所述楔形阴极电解工作面保持平行，极距为18～35 mm。
5.根据权利要求4所述的惰性阳极铝电解槽，其特征在于，所述楔形阴极为上薄下厚的形状，所述楔形阴极电解工作斜面的垂直角度与所述楔形惰性阳极斜面垂直角度相等，也就是说，楔形阴极的正视图为长方形而侧视图为上薄下厚的楔形。
6.根据权利要求4所述的惰性阳极铝电解槽，其特征在于，所述楔形阴极采用对铝液可润湿的阴极材料，可以是整体式二硼化钛基材料，或者二硼化钛基材料板粘贴在楔形石墨块或者楔形刚玉砖或楔形碳化硅或碳化硅氮化硅砖上；所述二硼化钛基材料为TiB2-C或TiB2基金属陶瓷。
7.根据权利要求4所述的惰性阳极铝电解槽，其特征在于，所述整体式二硼化钛基材料或者所述二硼化钛基材料板或者所述楔形石墨块与电解槽底部石墨块通过粘结方式联接，所述石墨块周围用石墨材料或者是高氧化铝材料或者是氧化铝陶瓷、SiC陶瓷、Si3N4陶瓷材料包围加固。
8.根据权利要求4所述的惰性阳极铝电解槽，其特征在于，所述石墨块下部镶嵌有铸铁阴极棒，两者之间可采用铸铁浇铸联接或者采用碳糊粘结。
9.根据权利要求6和权利要求7所述的惰性阳极铝电解槽，其特征在于，所述粘结联接采用含有导电性好的TiB2基材料或石墨材料或石墨烯材料的高温导电无机胶。
10.根据权利要求4所述的惰性阳极铝电解槽，其特征在于，电解槽炉膛底部采用绝缘压条压紧所述整体式二硼化钛基阴极或所述二硼化钛基材料板，所述绝缘压条紧贴阴极的端面为斜面，其倾斜角度与楔形阴极的斜面角度相等，所述绝缘压条材料采用无定形高氧化铝材料浇注，或采用氧化铝陶瓷、SiC陶瓷、Si3N4陶瓷、TiB2基陶瓷中的一种制成。
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