CN1681970A - 在铝金属生产过程中惰性电极的操作和温度控制 - Google Patents

在铝金属生产过程中惰性电极的操作和温度控制 Download PDF

Info

Publication number
CN1681970A
CN1681970A CNA038223805A CN03822380A CN1681970A CN 1681970 A CN1681970 A CN 1681970A CN A038223805 A CNA038223805 A CN A038223805A CN 03822380 A CN03822380 A CN 03822380A CN 1681970 A CN1681970 A CN 1681970A
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
cathode
cooling
treating
electrolyte
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.)
Pending
Application number
CNA038223805A
Other languages
English (en)
Inventor
O－J·西尔扬
S·朱尔斯鲁德
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.)
Norsk Hydro ASA
Original Assignee
Norsk Hydro ASA
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 Norsk Hydro ASA filed Critical Norsk Hydro ASA
Publication of CN1681970A publication Critical patent/CN1681970A/zh
Pending legal-status Critical Current

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
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • 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

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

本发明涉及在具有竖直或基本上竖直的电极构造的电解槽中，通过电解溶解在熔融盐中的含铝矿石来生产铝期间，对惰性电解的温度进行操作和控制的方法，所述含量矿石优选为铝氧化物，所述熔融盐优选为基于氟化物的电解质。本发明描述了对用于生产铝金属的在竖直和/或倾斜位置的惰性电极进行设计和操作的方法，其中，所述电极的操作温度可以与电解质温度不同，从而控制电极材料的溶解，并防止在电极上形成固体沉积物。本发明还可应用于利用水平构造的惰性电极的铝生产槽，以及用惰性电极改型的传统Hall－Hèroult槽。

Description

在铝金属生产过程中惰性电极的操作和温度控制
发明背景
当前，铝金属是通过溶解在熔融电解质中的含铝化合物的电解而生产的，并且电解沉积过程是在传统Hall-Hèroult设计的熔炼槽中进行的。这些电解槽装备有水平排列的电极，其中，当今槽的导电的阳极和阴极由碳材料制成。电解质以氟化钠和氟化铝的混合物为基础，另外添加碱金属和碱土金属的卤化物。当电流从阳极到阴极流经电解质时，发生电解沉积过程，使铝离子在阴极上放电，产生铝金属，并且在阳极上形成二氧化碳(见Haupin and Kvande，2000)。该过程的总反应可以由下面的等式表示：
    (1)
由于水平的电极构造、优选的电解质成分和自耗碳阳极的使用，当前使用的Hall-Hèroul工艺显示出几个缺点和不足。水平的电极构造致使槽必需是面积密集型设计，并且导致相对于槽覆盖面的低的铝产率。低的产率面积比导致野外原铝厂的高投资成本。
已经做出了大量的尝试来改进当前使用的用于生产铝金属的Hall-Hèroult工艺。这些改进所针对的是槽设计以及电极材料。一个可能的解决方法是引入所谓的惰性电极，即可湿阴极(wettablecathode)(美国专利No.3,400,036、3,930,967和5,667,664)和析氧阳极(oxygen evolving anode)(美国专利No.4,392,925、4,396,481、4,450,061、5,203,971、5,279,715和5,938,914，以及英国专利No.2076021A)。所有这些专利都意于通过实施所谓的铝可湿阴极材料，以及通过应用析氧阳极去除电解产物中的温室气体，来减少在铝金属电解过程中的能耗。
这些“新”电极既可以应用于新型槽设计，也可以应用于现有Hall-Hèroult槽的改型。在美国专利No.4,504,366、4,596,637、4,614,569、4,737,247、5,019,225、5,279,715、5,286,359和5,415,742中，以及英国专利No.2076021A，以及其它专利中，描述了Hall-Hèroult型铝电解沉积槽的改型或提高发展。但是，在这些专利中提出的槽设计的主要问题是需要在槽底上有很大的铝池来提供对阴极的电接触。这会使得槽易受由母线(bus bar)体系产生的磁场的影响，并且，当在较短的极间距离下操作时，可能因此导致电极的短路。
在美国专利No.4,681,671、5,006,209、5,725,744和5,938,914以及其它专利中描述了用于铝电解沉积的新型槽设计。此外，美国专利No.3,666,654、4,179,345、5,015,343、5,660,710和5,953,394描述了轻金属电解槽的可能设计，不过这些专利中的一个或多个针对的是镁的生产。这些槽原理中的大部分都可以应用于多单极和双极电极。
其它出版物：
Haupin，W.和Kvande，H.：“Thermodynamics of electrochemicalreduction of alumina”，Light Metals 2000，pp.379-384，2000。
Lorentsen，O-A.：“Behavior of nickel，iron and copper byapplication of inert cathodes in aluminium production”，Dr.Ing.thesis 2000/104，Norwegian University of Scienceand Techonology，Trondheim，Norway，2000。
Lorentsen，O-A.和Thonstad，J：“Laboratory cell designconsiderations and behavior of inert cathodes incryolite-alumina melts”，11th International AluminiumSymposium，Slovak-Norwegian Symposium on AluminiumElectrowinning，September 19-22，Norway，pp. 145-154，2001。
McMinn，C.，Crottaz，O.，Bello，V.，Nguyen，T.，和deNora，V.：“The development of a metallic anode and wettable cathodecoating and their tests in a20-kA prototype drained cell” ，Light Metals，2002。
Solheim， A.：“Formation of solid deposits at the liquidcathode in Hall-Heroult cell”，International AluminiumSymposium，Slovak-Norwegian Symposium on AluminiumElectrowinning，September19-22，Norway，pp.97-104，2001。
Solheim，A.：“Crystallization of cryolite and/or aluminamay take place at the cathode during normal cell operation”，Light Metals 2002，pp.3 225-230，2002。
操作析氧、惰性阳极：
在铝氧化物的电解沉积中使用惰性阳极时，总反应将是：
    (2)
迄今为止，使用惰性阳极的商业化规模的电解槽还没有在更长的时间上取得成功。已经做过许多尝试来寻找最佳的惰性阳极材料，并将这些材料引入电解槽中。所提出的可用于铝电解惰性阳极的材料包括金属、基于氧化物的陶瓷，以及基于金属和氧化物陶瓷的组合的金属陶瓷。所提出的含氧化物的惰性阳极可以基于一种或多种金属氧化物，其中的氧化物可以具有不同的作用，例如对基于冰晶石熔体的化学“惰性”以及高电导率(如美国专利No.4,620,905和6,019,878)。但是，所提出的氧化物在电解槽的苛刻环境中的有差异的行为是值得怀疑的(见McMinn等(2002)).1。金属陶瓷阳极中的金属相也可以是一种金属或者是几种金属的组合。所提出的阳极材料都具有的主要问题是，它们对由于产生纯氧气(1巴)和基于冰晶石的电解质而引起的高腐蚀环境的化学抵抗力。为了减少阳极向电解质中的溶解问题，已经提出添加阳极材料成分以使电解质中饱和有阳极成分(美国专利No.4,504,369)，还提出了添加基于铯的氧氟化物化合物的自生成/修复混合物(美国专利No.4,614,569、4,680,049和4,683,037)，从而作为用于惰性阳极电化学腐蚀的可能的抑制剂。但是，这些体系中没有一个已经证明是可行的解决方案。
当操作具有惰性阳极的槽时，一个主要的且通常是禁止性的问题是，由于电化学辅助的阳极材料在电解质中的溶解，阳极材料元素会在所产生的铝金属上堆积。有几个专利已经尝试通过减小阴极表面，即所产生的铝金属的表面，来解决这一问题(美国专利No.4,392,925和4,681,671)。暴露于电解池的铝金属表面的减少将减少已溶解阳极材料成分在金属中的吸收，从而增加氧化物-陶瓷(或金属和金属陶瓷)阳极在电解槽中的耐久性。在美国专利No.4,392,925、4,396,481、4,450,061、5,203,971、5,279,715和5,938,914中，以及英国专利No.2 076 021A，以及其它专利中对此也有描述。
在铝金属的电解期间，在过程中会产生热。在传统的Hall-Hèroult槽中，以及在任何新型设计的槽中，由于槽的载流成份的电阻，将会产生热。主要的热产生材料/成分将是阳极和电解质。在阳极产生热取决于阳极材料的电导率，在电解质中产生的热将取决于电解质组成以及槽中阳极与阴极之间的距离，即极间距(ACD)。众所周知，事实上，大部分材料/阳极成分在池温下降时，在基于熔融冰晶石的电解质中的溶解度都将降低。因此，用于抑制金属污染的另一种且更可行的途径将是通过降低阳极温度和/或电解质温度来减少阳极成分在电解质中的溶解。如在专利WO01/31090中提出的，最新的惰性阳极材料可以由NiO和FeO与金属添加物Cu的混合物组成，其中，一些Cu金属可能在烧结和/或电解操作过程中被氧化以形成CuO。如图1所示，基于从Lorentsen(2000)收集的数据，很显然主要的惰性阳极材料成分在温度下降时将显示出减小的溶解度。通过将电极和槽设计设置为使得阳极作为槽内部的最冷部分，就将降低向池中的溶解率。如果将阳极保持在比电解质稍低的温度下，那么将存在一个推动力，使已溶解的阳极材料只沉积在阳极自身上而不会沉积在槽的周围结构单元上，即，阳极材料成分的溶解将得到抑制。
美国专利No.4,737,247提出使用嵌入在阳极电流导体(棒阳极杆)中的热管。在所引用专利中热管的主要目的是通过确保在惰性阳极组件的结构单元(即间隔物)周围形成凝固池(frozen bath)的保护层，来防止这些结果单元中的一些被熔融电解质化学腐蚀。但是，这些热管不是被设计用来使阳极表面比电解质更冷，来减少阳极材料在电解质中的溶解的。
操作铝湿阴极(wetted cathodes)：
通常建议由所谓的难熔硬材料(Refractory Hard Materials，RHM)，如过渡金属的硼化物、氮化物和碳化物，来制造惰性或可湿阴极，并且还提出RHM的硅化物也可用作惰性阴极(美国专利No.4,349,427、4,376,690和2001/0020590)。RHM阴极容易被铝金属润湿，因此在铝电解沉积期间在排放式(drained)阴极构造中在阴极表面上可以保持铝金属的薄膜。阴极的这一润湿对于湿阴极的成功操作是很关键的，尤其是在以竖直或倾斜/斜面设计几何形式使用阴极时更是如此。在这些情况下，所产生的铝金属必需从阴极去除，并且不允许其在极间空间中聚集而使槽或槽的一部分短路。
Solheim(2001)针对在电解期间在阴极处形成固体沉积物的问题。在电解期间在阴极处的固体沉积是由池成分的析出和附着引起的，通常渗入有金属相。当发生铝电解时，在阴极表面处形成铝。由于作为电流载体的钠离子的迁移也是朝向阴极，所以在阴极表面(即阴极电解质)处池的冰晶石比例与整体电解质相比将下降(Solheim，2001)，如在图2中所示。池组成的这一改变的结果是，阴极电解质的液相线温度将不同于整体池的液相线温度，因此，在给定的条件下，可能在阴极处形成冰晶石和/或氧化铝的固体沉积，如在图3中所示的。这已经通过在使用惰性电极的实验室规模的槽中的实验而得到确认，如由Lorentsen(2000)所报道和在图4中示出的。固体沉积物的形成率取决于池组成(冰晶石比例)、池温、过热、氧化铝浓度和阴极电流密度等。
在阴极上形成的固体沉积物一旦形成就可能生长，并过滤在排放式阴极上的连续铝膜，因此引起阴极的电钝化也会促进在阴极表面上较大铝球的生长。由于固体沉积物引起的在阴极表面上铝不再润湿或者润湿的减少，铝球(球体)将在阴极极化下继续生长，并且可能在到达相邻阴极表面时最终导致槽或槽的一部分短路。
发明目的
本发明的目的是提供用于控制和保持所设计电极的温度的方式，通过使用例如可湿阴极和析氧阳极的惰性电极，以便于在优选为基于冰晶石的熔融氟化物电解质中，在680～980℃的温度范围上，通过优选为铝氧化物的含铝矿石的电解沉积来生产铝金属。对于通过使阴极表面没有固体沉积物、以及通过防止阳极材料的过大的溶解速率和因此防止的不期望的金属污染，控制和保持期望的电解温度对于获得的电解槽的最佳性能来说是必需的。通过保持在阴极表面上的液体金属薄膜，而不会由于固体沉积物的形成而导致部分钝化从而形成球体，也将减少暴露于熔融电解质的表面面积，从而减少已溶解阳极成分的金属污染。
本发明适用于所有惰性阳极和阴极，同时适用于竖直、水平以及倾斜电极。因此，本发明的原理既可以应用于新型槽设计，也可应用于使用惰性电极的传统Hall-Hèroult设计(改型)的槽。在使用双极电极设计的更先进的槽中，对于电极温度，可以使用相同的控制设计原理。
所述发明被设计用于克服与在阴极上形成固体沉积物和阳极成分向熔融电解质中的过度溶解相关的问题。控制这些机理将有助于保持在电解期间的固定ACD、稳定电流和电极上的电压分布，并使得所产生金属的污染减少，从而提供了用于所述铝生产的改进了的商业化且经济的可行方法。
附图的简要说明
图1示出了一些重要的惰性阳极成分在熔融冰晶石熔体中的溶解度与温度之间的关系。数据来源于Lorentsen(2000)。
图2示出了在阴极表面附近NaF/AlF3比例改变引起的在电解质中的离子迁移。根据Solheim(2001)。
图3示出了重要电解质组分的浓度分布与离开阴极的距离之间的关系。根据Solheim(2002)。
图4示出了在基于冰晶石的电解质中，在960℃下进行铝电解48小时过程中，在TiB2阴极上形成的阴极沉积物的照片。根据Lorentsen(2001)。
图5示出了本发明的一个实施例，其关于控制和保持用于铝电解的析氧、基本上惰性的阳极上的期望电极温度。
图6示出了本发明的一个实施例，其关于控制和保持用于铝电解的可湿阴极上的期望电极温度。
图7示出了本发明的一个实施例，其关于控制和保持用于铝电解的双极电极上的期望电极温度。
如在图5到图7中所示的，所建议的电极设计和温度控制机制只代表所述发明的一个具体的实施例，其可用于执行根据本发明的电解方法。
发明的详细描述
本发明中的控制原理涉及通过在基于氟化钠-氟化铝的电解质中利用基本上惰性的电极，来设计、控制和保持铝电解期间的期望电极温度。对析氧阳极的材料溶解率的抑制以及对在可湿阴极上形成固体沉积物的阻碍，可以通过使用结构设计单元和设计原理来实现，所述单元和原理中的一些对于本领域的技术人员是已知的。
在下面的描述中，在文中引用的所有标号(#)都与图5到图7中使用的标号相关。
控制阳极温度：
基于氧化物、金属、金属陶瓷或它们的混合物的竖直排列的或竖直倾斜的析氧阳极(1)，见图5，在电解质中将具有某一溶解度。控制阳极温度的原理是通过使用基本上惰性的阳极来进行铝电解的重要方面。这里主要有两个方面，即控制惰性阳极(1)的温度来控制阳极材料在电解质中的溶解，以及控制在阳极材料(1)和电线(3)之间的电连接(2)的温度。电线和电连接几乎可以由任何导电材料制成，不过金属是优选的材料，因为它们有优异的导电性、以及甚至在较高温度下的延展性和合理的强度。在本发明中，对阳极和电连接的温度控制可以通过下面的几种方式获得。
竖直排列的或倾斜的阳极可以在浸没的阳极和电连接之间具有阳极杆，所述阳极杆的横截面与阳极横截面的面积比至少为0.005到0.5。
热管(4)可以用来除去阳极的热。所除去的热可以用于能量回收(5)，例如以蒸汽或热水的形式回收。热管(4)可以被连接到(8a)或者嵌入在惰性电极的(8b)中。为了保持适当的电极温度，所需去除的能量(热)的量将决定热管的尺寸。使用钠金属代表与在热管(4)中使用的热传递介质相关的几种选择中的一种。
为了冷却惰性阳极，还可以使用水冷却(6)，或者使用其它液体冷却剂，例如重质醇类、油、合成油、汞、熔融盐等。同样，所产生的热可以用于能量回收(5)，例如以蒸汽或热水的形式。冷却液体流动通道可以被连接到(8a)或者嵌入在惰性电极的(8b)中。为了保持适当的电极温度所需去除的能量(热)的量将决定体系必要的冷却能力。
使用压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体的气体冷却(7)，是冷却介质的一种选择。如在使用冷却液体的情况一样，所产生的热可以用于能量回收(5)，例如以蒸汽、热水的形式或作为电流回收。可以通过使用蒸汽涡轮或标准的发动机来将所除去的热再生为电流。由于固体和气体之间的低热传递系数，在进行气体冷却时，流动通道(8a，b)和热交换器单元(5)的面积通常将大于使用热管(4)或进行液体冷却(6)时的面积。为了保持适当的电极温度所需去除的能量(热)的量将决定体系必要的冷却能力。
惰性阳极(1)还可以通过简单的机械设计装置来冷却。当使用金属陶瓷或金属惰性阳极时，这些材料具有高的电导率，并因而具有高的热导率。然后，可以使用将惰性阳极连接到阳极母线体系的电线，来除去阳极的热，并将该能量/热“传递”给周围环境。如果电线(3)具有大的横截面，和/或如果阳极杆(1b)具有大的横截面，那么阳极将仅仅通过经由电线和/或阳极杆的热传递而被冷却。通过计算在阳极杆和电线中的热传递，可以对这些元件的尺寸进行设计，来保持阳极的某一温度。该温度期望地稍低于电解质(9)的温度。
对于应用于现有Hall-Hèroult槽的析氧阳极，也可以利用相同的冷却方法和原理。
热管中的冷却介质可以选自如下元素：钠、钾、镉、铯、汞、铷、硫、碘、砹和/或硒。冷却介质还可以选自重金属卤化物的化合物，例如氟化锆、一氯化铊、氟化铊、碘化铊、碘化铅、氯化铅、溴化铅、碘化铁、氯化铟、溴化钙、溴化镉和/或碘化镉。冷却介质还可以是氟化铝(加压的)。
竖直排列的或倾斜的析氧阳极可以通过电连接而连接到电导体体系，所述连接通过热管、液体冷却和/或气体冷却的方式被冷却。
所述冷却方法可以包括适于不同方法的适当冷却剂，例如用于热管的钠金属，用于液体冷却的水、重质醇类、油、合成油、汞和/或熔融盐，和/或用于气体冷却的压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体。所述电连接的冷却可以通过使用具有大横截面面积的高导电金属来获得，所述面积至少为阳极杆横截面面积的1.1至5.0倍。
对于具有水平电极构造的电解槽，可以使用下面的冷却介质：
其中，热管中的冷却介质选自下面的元素：钠、钾、镉、铯、汞、铷、硫、碘、砹和/或硒，
并且其中，液体冷却剂可以是水、重质醇类、油、合成油、汞和/或熔融盐，
并且其中，气体冷却介质是压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体，
并且其中，所包括的冷却方法使用适于不同方法的适当冷却剂，例如用于热管的钠金属，用于液体冷却的水、重质醇类、油、合成油、汞和/或熔融盐，和/或用于气体冷却的压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体。
电连接的冷却可以通过使用具有大横截面面积的高导电金属来获得，所述面积至少为阳极杆横截面面积的1.1至5.0倍。水平排列的或倾斜的阳极可以在浸没的阳极和电连接之间具有阳极杆，所述阳极杆的横截面与阳极的比至少为0.005到0.5。
槽中的电解质可以包括氟化钠和氟化铝的混合物，并且可能添加有根据IUPAC系的周期表中1和2族元素的金属氟化物，以及基于碱金属或碱土金属卤化物的可能成分，氟化物/卤化物的摩尔比可能最高达2.5，并且其中NaF/AlF3的摩尔比在1到4的范围内，优选在1.2到2.8的范围内。
控制阴极温度：
基于RHM硼化物、氮化物或碳化物、或者它们的混合物的、竖直排列的或竖直倾斜的铝可湿阴极(10)，见图6，在电解质中将具有某一溶解度。此外，基本上惰性的阴极将由于其高的导电率而作为非常好的热导体，因此对阴极的冷却有贡献。但是，如果从阴极失去的热没被控制，那么在冷的阴极表面上将会沉积形成冰晶石和/或氧化铝。控制阴极温度的原理是通过使用基本上惰性的阴极来进行铝电解的重要方面。同样，这里主要有两个方面，即控制惰性阴极(10)的温度来控制在阴极上固体沉积物的形成，以及控制在阴极材料(10)和电线(12)之间的电连接(11)的温度。在本发明中，对阴极和电连接的温度控制可以通过下面的几种方式获得。
为了避免在阴极处形成固体沉积物，必需使阴极保持在与周围的电解质(9)相同的温度，或者优选地保持在比电解质(9)稍高的温度。这可以以几种方式获得，包括使用热绝缘体(13)、产热中间电流引导体(14)，限制阴极杆(10b)的横截面，和/或调整阴极的比表面积(10)。通过小心选择在阴极杆(10b)周围的绝缘材料，可以减少从阴极组件失去的横向的热。但是，这种绝缘在某些情况下可能不能充分减少从导热性很好的阴极(10)失去的热，所以可以引入中间电流引导体(14)，来提供额外的局部热，从而抑制阴极的热外流。该中间电流引导体(14)可以由致密的抗氧化石墨材料或金属和/或例如不锈钢、Incoloy、Hastaloy等的金属合金制成。
此外，通过减小阴极杆(10b)的横截面，来自阴极的热流可以被减少到适当的水平，以保持高的阴极表面温度。同样，假如对槽的电流负载不变，则阴极表面面积(10)的减小将增加阴极上的电流密度，从而增加在阴极上产生的热。阴极表面面积(10)可以以下面的方式设计，即用来将浸没的阴极保持在比周围电解质(9)更高的温度，从而防止在阴极上形成固体沉积物。
到可湿阴极(阴极杆，10b)的电连接(11)必需被保持在足够低的温度以防止连接表面的氧化，同时又要保持在足够高的温度以防止阴极表面(10)的过度热损失和冷却。对阴极(10)和电线(12)之间的电连接(11)的期望冷却和温度控制，可以如下实现：通过水冷却(15)的方式，或者使用例如重质醇类、醇类、油、合成油、汞和/或熔融盐等的其它液体冷却剂的液体冷却，使用气体冷却(16)，即使用压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或适于气体冷却的其它气体，或者仅仅通过使用大面积的电连接(11)来实现。但是，所设计的阴极连接(11)的冷却效果必需与浸没阴极(10)的期望温度保持相协调。
竖直排列的或倾斜的可湿阴极可以被保持在至少与电解质相同水平的温度下，优选地稍微高些，其中，所述温度是通过与浸没阳极的面积相比减小浸没阴极的横截面面积而得到的，所述阴极面积是浸没阳极的横截面面积的0.5至1.0倍。竖直排列的或倾斜的阴极可以在浸没的阴极和电连接之间具有阴极杆，所述阴极杆的横截面是浸没阴极的横截面面积的0.005到0.5倍。
电连接的冷却可以通过使用具有大横截面面积的高导电金属来获得，所述面积至少为阴极杆横截面面积的1.1至5.0倍。竖直排列的或倾斜的阴极可以在浸没的阴极和电连接之间具有阴极杆，所述杆的横截面与阴极的比至少为0.005到0.05。
控制双极电极的温度：
竖直排列的或竖直倾斜的双极电极(20)可以视为一个板，其作用类似在一侧的阳极(21)和在相反侧的阴极(22)。如果使用基本上惰性的电极，那么阳极将是析氧的，而阴极将是铝可湿的。阳极(21)可以基于氧化物、金属、金属陶瓷或它们的混合物，阴极(22)可以基于RHM硼化物、氮化物或碳化物、或者它们的混合物。如在前面指出的，所有这些材料在电解质中将具有一定的溶解度，并且对于阴极来说，所感兴趣的仍然是防止固体沉积物的形成。控制电极温度的原理是通过使用竖直或倾斜排列的基本上惰性的电极来进行铝电解的重要方面。在双极电极中，主要的问题是使阳极(21)比阴极(22)冷，并且处于与周围电解质(9)相同或稍高的温度下。此外，对于端电极(阳极+阴极)，可以应用如上所述的相同的温度控制原理和方式。
阳极(21)和阴极(22)以类似板的形状耦合来形成双极电极(20)，这在控制和保持合适电极温度方面引起了困难。电极材料的高电导率致使其几乎不可能在浸没的双极电极上保持大的温度梯度。阳极(21)可以通过热管(23)、液体冷却(24)或气体冷却(25)来冷却，这时冷却管(设备)连接到(26a)或嵌入在(26b)阳极中，优选地位于活性阳极表面的周边。可应用于这些设计的冷却剂在前文中已描述过。从阳极除去的热可以用于能量回收(5)，例如以蒸汽、热水或电流的形式回收。后者可以通过使用标准发动机实现。通过减小活性阴极表面(22)或者通过在阴极材料与阳极材料之间插入导电性差一些的材料层(27)，来将阴极(22)保持在与周围电解质(9)相同或稍高的温度下，从而促使阴极的电阻发热。此外，双极电极可以由将析氧阳极(21)和可湿阴极(22)分开的一个或多个中间层组成。
所述冷却方法可以使用适于不同方法的适当冷却剂，例如用于热管的钠金属，用于液体冷却的水、重质醇类、油、合成油、汞和/或熔融盐，和/或用于气体冷却的压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体。
双极电极的阴极可以通过如下方式被加热，即减小阴极的活性表面面积，使双极电极的阴极与阳极的表面积比至少为0.5至1.0。

Claims (38)

1.一种从含铝氧化物的电解质中电解生产铝金属的方法，该方法在包括至少一个电解室的电解槽中进行电解，所述电解室具有竖直地或竖直倾斜地排列的至少一个基本上惰性的阳极，和竖直地或竖直倾斜地排列的至少一个可湿阴极，和/或包括阳极和阴极两者的至少一个双极电极，其中在电解过程中，所述阳极析出氧气，阴极使铝会向其上放电，所述氧气使电解质向上流动，所产生的铝由于重力向下流动，该方法的特征在于
通过主动或被动的冷却和/或主动和被动的加热，电极的温度被控制，并且被保持在与周围电解质不同的水平下。
2.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的析氧阳极通过使用嵌入在和/或连接到阳极和/或阳极杆的至少一个或多个热管而被主动地冷却。
3.根据权利要求2的方法，
其特征在于
热管中的冷却介质选自如下元素：钠、钾、镉、铯、汞、铷、硫、碘、砹和/或硒，或者选自重金属卤化物的化合物，例如氟化锆、一氯化铊、氟化铊、碘化铊、碘化铅、氯化铅、溴化铅、碘化铁、氯化铟、溴化钙、溴化镉和/或碘化镉或者氟化铝(加压的)。
4.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的析氧阳极通过使用嵌入在和/或连接到阳极和/或阳极杆的至少一个或多个流动通道而被主动地冷却，所述流动通道载有并循环液体冷却剂。
5.根据权利要求4的方法，
其特征在于
所述液体冷却剂是水、重质醇类、油、合成油、汞和/或熔融盐。
6.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的析氧阳极通过使用嵌入在和/或连接到阳极和/或阳极杆的至少一个或多个流动通道而被主动地冷却，所述流动通道载有并循环气体冷却剂。
7.根据权利要求6的方法，
其特征在于
所述气体冷却介质是压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体。
8.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的析氧阳极通过电连接被连接于电导体体系，所述连接通过热管、液体冷却和/或气体冷却的方式被冷却。
9.根据权利要求8的方法，
其特征在于
所述冷却方法使用适于不同方法的适当冷却剂，例如用于热管的钠金属，用于液体冷却的水、重质醇类、油、合成油、汞和/或熔融盐，和/或用于气体冷却的压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体。
10.根据权利要求8的方法，
其特征在于
所述电连接的冷却通过使用具有大横截面面积的高导电金属来获得，所述面积至少为阳极杆横截面面积的1.1至5.0倍。
11.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的阳极在浸没的阳极和电连接之间具有阳极杆，所述杆的横截面与阳极的横截面的面积比至少为0.005到0.5。
12.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的可湿阴极被保持在至少与电解质相同水平的温度，优选地稍高些，所述温度通过使用热绝缘阴极杆来获得。
13.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的可湿阴极被保持在至少与电解质相同水平的温度，优选地稍高些，所述温度通过在电连接与阴极杆之间的中间电流引导体中使用电阻加热来获得。
14.根据权利要求13的方法，
其特征在于
在电连接与阴极杆之间的所述中间电流引导体由致密的抗氧化石墨、金属和/或例如不锈钢、Incoloy和/或Hastaloy的金属合金制成。
15.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的可湿阴极被保持在至少与电解质相同水平的温度，优选地稍高些，所述温度通过与浸没的阳极面积相比减小浸没阴极的面积来获得，所述阴极面积是浸没阳极的横截面面积的0.5至1.0倍。
16.根据权利要求15的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的阴极在浸没的阴极和电连接之间具有阴极杆，所述阴极杆的面积是浸没阴极的横截面面积的0.005到0.5倍。
17.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的可湿阴极通过电连接被连接于电导体体系，所述连接通过液体冷却和/或气体冷却的方式被冷却。
18.根据权利要求17的方法，
其特征在于
所述冷却方法使用适于不同方法的适当冷却剂，例如用于液体冷却的水、重质醇类、油、合成油、汞和/或熔融盐，和/或用于气体冷却的压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体。
19.根据权利要求17的方法，
其特征在于
所述电连接的冷却通过使用具有大横截面面积的高导电金属来获得，所述面积至少为阴极杆横截面面积的1.1至5.0倍。
20.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的阴极在浸没的阴极和电连接之间具有阴极杆，所述杆与阴极的横截面的比至少为0.005到0.05。
21.根据权利要求1的方法，
其特征在于
竖直排列的或倾斜的双极电极的阳极表面被保持比电解质的温度稍低的温度，阴极表面温度被保持在至少与电解质相同水平的温度，优选地稍高些，所述温度通过适当的冷却和加热方式获得。
22.根据权利要求21的方法，
其特征在于
双极电极的阳极通过连接到和/或嵌入在阳极中的热管或液体和/或气体冷却的流动通道的方式被冷却。
23.根据权利要求22的方法，
其特征在于
所述冷却方法使用适于不同方法的适当冷却剂，例如用于热管的钠金属，用于液体冷却的水、重质醇类、油、合成油、汞和/或熔融盐，和/或用于气体冷却的压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体。
24.根据权利要求22的方法，
其特征在于
所述热管和/或液体和/或气体冷却的流动通道被连接到和/或嵌入到阳极中，优选地在阳极周边。
25.根据权利要求21的方法，
其特征在于
双极电极的阴极通过在双极电极的阴极和相邻阳极之间插入比阴极材料具有更高电阻率的材料层而被加热。
26.根据权利要求15的方法，
其特征在于
双极电极的阴极通过减小阴极的有效表面积，使双极电极的阴极与阳极的表面积比至少为0.5至1.0的方式而被加热。
27.一种从含铝氧化物的电解质中电解生产铝金属的方法，该方法在具有水平电极构造的电解槽中进行电解，所述电解槽包括水平地或水平上稍微倾斜地排列的至少一个基本上惰性的阳极，其中在电解过程中，阳极析出氧气，铝会向阴极上放电，所述氧气使电解质平行于阳极表面流动，所产生的所述铝聚集在阴极表面上的铝池中，
其特征在于
通过主动或被动的冷却，阳极的温度被控制并且被保持在与周围电解质不同的水平下。
28.根据权利要求27的方法，
其特征在于
水平排列的或倾斜的析氧阳极通过使用嵌入在和/或连接到阳极和/或阳极杆的至少一个或多个热管而被主动地冷却。
29.根据权利要求28的方法，
其特征在于
热管中的冷却介质选自如下元素：钠、钾、镉、铯、汞、铷、硫、碘、砹和/或硒。
30.根据权利要求27的方法，
其特征在于
水平排列的或倾斜的析氧阳极通过使用嵌入在和/或连接到阳极和/或阳极杆的至少一个或多个流动通道而被主动地冷却，所述流动通道载有并循环液体冷却剂。
31.根据权利要求30的方法，
其特征在于
所述液体冷却剂是水、重质醇类、油、合成油、汞和/或熔融盐。
32.根据权利要求27的方法，
其特征在于
水平排列的或倾斜的析氧阳极通过使用嵌入在和/或连接到阳极和/或阳极杆的至少一个或多个流动通道而被主动地冷却，所述流动通道载有并循环气体冷却剂。
33.根据权利要求32的方法，
其特征在于
所述气体冷却介质是压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体。
34.根据权利要求27的方法，
其特征在于
水平排列的或倾斜的析氧阳极通过电连接被连接于电导体体系，所述连接通过热管、液体冷却和/或气体冷却的方式被冷却。
35.根据权利要求34的方法，
其特征在于
所述冷却方法使用适于不同方法的适当冷却剂，例如用于热管的钠金属，用于液体冷却的水、重质醇类、油、合成油、水汞和/或熔融盐，和/或用于气体冷却的压缩空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氨气和/或其它合适气体。
36.根据权利要求34的方法，
其特征在于
所述电连接的冷却通过使用具有大横截面面积的高导电金属来获得，所述面积至少为阳极杆横截面面积的1.1至5.0倍。
37.根据权利要求1的方法，
其特征在于
水平排列的或倾斜的阳极在浸没的阳极和电连接之间具有阳极杆，所述杆与阳极的横截面的面积比至少为0.005到0.5。
38.根据权利要求1和27的电解沉积槽，
其特征在于
电解质包括氟化钠和氟化铝的混合物，并且可能添加有根据IUPAC系的周期表中1族和2族元素的金属氟化物，以及基于碱金属或碱土金属卤化物的可能成分，氟化物/卤化物的摩尔比最高达2.5，并且其中NaF/AlF3的摩尔比在1到4的范围内，优选在1.2到2.8的范围内。
CNA038223805A 2002-08-23 2003-08-15 在铝金属生产过程中惰性电极的操作和温度控制 Pending CN1681970A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20024047 2002-08-23
NO20024047A NO318164B1 (no) 2002-08-23 2002-08-23 Metode for elektrolytisk produksjon av aluminiummetall fra en elektrolytt samt anvendelse av samme.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1681970A true CN1681970A (zh) 2005-10-12

Family

ID=19913930

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA038223805A Pending CN1681970A (zh) 2002-08-23 2003-08-15 在铝金属生产过程中惰性电极的操作和温度控制

Country Status (11)

Country Link
US (1) US9217204B2 (zh)
JP (1) JP2005536638A (zh)
CN (1) CN1681970A (zh)
AR (1) AR041042A1 (zh)
AU (1) AU2003261035A1 (zh)
BR (1) BR0313713A (zh)
CA (1) CA2496535A1 (zh)
EA (1) EA200500397A1 (zh)
IS (1) IS7759A (zh)
NO (1) NO318164B1 (zh)
WO (1) WO2004018737A1 (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102203325A (zh) * 2008-10-31 2011-09-28 诺尔斯海德公司 从铝电解槽提取热的方法和装置
CN102206833A (zh) * 2010-03-31 2011-10-05 株式会社微酸性电解水研究所 一种电解方法及电解装置
CN103820817A (zh) * 2014-01-17 2014-05-28 饶云福 一种电解铝用内冷式惰性阳极
CN104047031A (zh) * 2014-07-03 2014-09-17 四川华索自动化信息工程有限公司 一种铝电解用水冷盘管式整体铸铝阳极
CN104562086A (zh) * 2015-02-03 2015-04-29 奉新赣锋锂业有限公司 一种可调温式金属锂电解槽
CN104611732A (zh) * 2015-02-15 2015-05-13 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 气冷阴极、熔盐电解装置及电解方法
CN110777395A (zh) * 2019-11-27 2020-02-11 镇江慧诚新材料科技有限公司 一种氧铝联产电解槽上部结构
CN115244267A (zh) * 2020-03-11 2022-10-25 诺尔斯海德公司 用于铝土矿开采尾矿的长期管理的方法和系统

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1785509A4 (en) * 2004-06-30 2008-06-25 Toho Titanium Co Ltd PROCESS AND APPARATUS FOR PRODUCING METAL BY MELT SALT ELECTROLYSIS
NO345057B1 (no) * 2005-02-16 2020-09-07 Norsk Hydro As Framgangsmåte og anordning for varmeutvinning
NO20050844D0 (no) * 2005-02-16 2005-02-16 Norsk Hydro As Fremgangsmate og anordning for varmebalanse
JP2008147026A (ja) * 2006-12-11 2008-06-26 Hitachi Ltd 固体酸化物形燃料電池
CN101748434B (zh) * 2008-12-11 2012-07-04 中国铝业股份有限公司 电解槽的扎槽方法及电解槽扎槽用加热装置
DE102009028413A1 (de) * 2009-08-10 2011-02-17 Bruker Hts Gmbh HTSL-Stromzuleitung zur Verbindung eines supraleitenden Verbrauchersystems mit einem Stromeinspeisepunkt
US8636892B2 (en) 2010-12-23 2014-01-28 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Anode-cathode power distribution systems and methods of using the same for electrochemical reduction
US8771482B2 (en) 2010-12-23 2014-07-08 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Anode shroud for off-gas capture and removal from electrolytic oxide reduction system
US8900439B2 (en) 2010-12-23 2014-12-02 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Modular cathode assemblies and methods of using the same for electrochemical reduction
US8956524B2 (en) 2010-12-23 2015-02-17 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Modular anode assemblies and methods of using the same for electrochemical reduction
US9017527B2 (en) 2010-12-23 2015-04-28 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Electrolytic oxide reduction system
US20130032487A1 (en) * 2011-08-05 2013-02-07 Olivo Sivilotti Multipolar Magnesium Cell
US8945354B2 (en) 2011-12-22 2015-02-03 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Cathode scraper system and method of using the same for removing uranium
US8882973B2 (en) * 2011-12-22 2014-11-11 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Cathode power distribution system and method of using the same for power distribution
US8598473B2 (en) 2011-12-22 2013-12-03 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Bus bar electrical feedthrough for electrorefiner system
US9150975B2 (en) 2011-12-22 2015-10-06 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Electrorefiner system for recovering purified metal from impure nuclear feed material
US8746440B2 (en) 2011-12-22 2014-06-10 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Continuous recovery system for electrorefiner system
US8968547B2 (en) 2012-04-23 2015-03-03 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Method for corium and used nuclear fuel stabilization processing
US11148153B2 (en) * 2018-04-20 2021-10-19 University Of Massachusetts Active cooling of cold-spray nozzles

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1521002A (en) * 1919-11-13 1924-12-30 Westinghouse Electric & Mfg Co Temperature control for electrolytic cells
NO158511C (no) * 1985-07-09 1988-09-21 Invendt A S H Anordning ved ovn l, saerliga luminium-elektrolyse.
US4737247A (en) * 1986-07-21 1988-04-12 Aluminum Company Of America Inert anode stable cathode assembly
US4678548A (en) 1986-07-21 1987-07-07 Aluminum Company Of America Corrosion-resistant support apparatus and method of use for inert electrodes
US6344131B1 (en) * 1994-08-30 2002-02-05 Fuji Photo Film Co., Ltd. Method of producing aluminum support for planographic printing plate
US20050000823A1 (en) * 2001-08-06 2005-01-06 Nguyen Thinh T. Aluminium production cells with iron-based metal alloy anodes

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102203325A (zh) * 2008-10-31 2011-09-28 诺尔斯海德公司 从铝电解槽提取热的方法和装置
CN102203325B (zh) * 2008-10-31 2015-04-08 诺尔斯海德公司 从铝电解槽提取热的方法和装置
CN102206833A (zh) * 2010-03-31 2011-10-05 株式会社微酸性电解水研究所 一种电解方法及电解装置
CN103820817A (zh) * 2014-01-17 2014-05-28 饶云福 一种电解铝用内冷式惰性阳极
CN104047031A (zh) * 2014-07-03 2014-09-17 四川华索自动化信息工程有限公司 一种铝电解用水冷盘管式整体铸铝阳极
CN104562086A (zh) * 2015-02-03 2015-04-29 奉新赣锋锂业有限公司 一种可调温式金属锂电解槽
CN104611732A (zh) * 2015-02-15 2015-05-13 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 气冷阴极、熔盐电解装置及电解方法
CN110777395A (zh) * 2019-11-27 2020-02-11 镇江慧诚新材料科技有限公司 一种氧铝联产电解槽上部结构
CN115244267A (zh) * 2020-03-11 2022-10-25 诺尔斯海德公司 用于铝土矿开采尾矿的长期管理的方法和系统

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004018737A1 (en) 2004-03-04
US20070000787A1 (en) 2007-01-04
JP2005536638A (ja) 2005-12-02
NO318164B1 (no) 2005-02-07
EA200500397A1 (ru) 2005-08-25
CA2496535A1 (en) 2004-03-04
AR041042A1 (es) 2005-04-27
NO20024047D0 (no) 2002-08-23
AU2003261035A1 (en) 2004-03-11
BR0313713A (pt) 2005-06-28
US9217204B2 (en) 2015-12-22
IS7759A (is) 2005-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1681970A (zh) 在铝金属生产过程中惰性电极的操作和温度控制
US5279715A (en) Process and apparatus for low temperature electrolysis of oxides
US5006209A (en) Electrolytic reduction of alumina
EP1364077B1 (en) A method and an electrowinning cell for production of metal
RU2680039C1 (ru) Системы и способы для очистки алюминия
CA1281304C (en) Method and apparatus for electrolytic reduction of alumina
AU2002236366A1 (en) A method and an electrowinning cell for production of metal
CN104047034B (zh) 保护电解槽的系统和方法
CN1327488A (zh) 带隔件的阴极导电棒
US7470354B2 (en) Utilisation of oxygen evolving anode for Hall-Hèroult cells and design thereof
CN105177631A (zh) 电解精炼制备高纯铝的方法及电解槽
Øye et al. Cathode Bottom Wear During Aluminum Electrolysis
Senanu et al. Role of Pitting in the Formation of Potholes in Carbon Cathodes-A
NO315713B1 (no) Elektrolytt og fremgangsmåte for elektrolytisk reduksjon av alumina til aluminium

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication