CN1986898A

CN1986898A - 一种惰性电极铝电解槽

Info

Publication number: CN1986898A
Application number: CN 200610051288
Authority: CN
Inventors: 吴贤熙; 刘卫; 张立成; 徐利华
Original assignee: Guizhou University
Current assignee: Guizhou University
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2007-06-27

Abstract

本发明公开了一种惰性电极铝电解槽，它是将板状金属陶瓷惰性阳极以并联方式与可润湿阴极连接，并以垂直平行方式配置的惰性电极电解槽。所用金属陶瓷惰性阳极是用Fe₂O₃、NiO或Ni₂O₃及金属Al、或Ni、或Cu和添加剂为原料，通过烘干、过筛、混合均匀、冷压成型、烧结制得的；所用惰性阴极是以TiB₂为原料，通过粉碎、过筛，添加树脂与TiB₂粉体混合，加热搅拌成糊状，涂抹到碳砖上，烧结制成的。惰性阳极通过绝缘体置于电解槽上，不锈钢板连接导线做阳极导杆；电解槽铁壳连接阴极导线，TiB₂阴极嵌入电解槽内固定；阳极与阴极竖直平行放置。本发明的惰性电极铝电解槽解决了惰性电极大型化的技术难题，有益于降低成本、减少能量的消耗，还有利于保护环境。

Description

一种惰性电极铝电解槽

技术领域

本发明涉及熔盐电解法生产金属，进一步而言涉及铝电解槽。

背景技术

电解槽是熔盐电解法生产铝的核心设备。自1886年Hall-Herout发明铝电解法以来，100多年里，铝冶金在技术、工艺和设备等各方面都取得了很大进展。铝冶金的核心设备电解槽，初期曾采用4000-8000A小型电解槽，经过多年发展，目前大型电解槽的电流强度已达到28-30万A。使用的电极一般为非惰性的碳素电极，在电解过程中电极本身会被氧化，因此存在诸多问题如：消耗大量碳素材料、能量损耗大、环境污染等。使用惰性电极可在一定程度上解决上述问题。虽然已有中国专利申请件89210028.1号“一种惰性电极的铝电解槽结构”、03136924.3号“熔盐电解用盒属陶瓷惰性阳极及其制备方法”、03126598.1号“铝电解用梯度功能金属陶瓷材料”公布了一些涉及惰性电极铝电解槽的方法，而到目前为止，对惰性电极材料的使用，理论上是可行的，但仅仅在实验装置上使用，其关键问题是电极材料难以大型化。

发明内容

本发明的目的在于提供能够实现工业化生产的一种惰性电极铝电解槽，以克服非惰性的碳素电极铝电解槽在生产过程中存在的缺点。

发明人提供的惰性电极铝电解槽，是将板状金属陶瓷惰性阳极采用并联的方式与可润湿阴极连接，以垂直平行方式配置的惰性电极电解槽。

上述金属陶瓷惰性阳极是用Fe₂O₃、NiO或Ni₂O₃及金属Al、或Ni、或Cu和添加剂为原料，通过烘干、过筛、混合均匀、冷压成型、烧结制导的金属陶瓷惰性阳极。

上述可润湿阴极是以TiB₂为原料，通过粉碎、过筛，添加树脂与TiB₂粉体混合，加热搅拌成糊状，涂抹到碳砖上，烧结制成的惰性阴极。

金属陶瓷惰性阳极的具体制法是：

(1)取Fe₂O₃、NiO或Ni₂O₃及金属Al、或Ni、或Cu和添加剂分别烘干，过筛，按比例混合均匀；

(2)将所得到的混合料在250t压力机下用1MPa/cm²压力冷压成型，制备金属陶瓷惰性阳极压坯；

(3)将压坯在硅碳棒炉内常压升温至1250℃并保温2～5h进行烧结；

(4)冷却至室温，得到金属陶瓷惰性阳极产品。

上述第一步所用的添加剂是液体石蜡、甘油、凡士林、硬脂酸中的一种；所用的添加剂与金属氧化物、金属材料的质量比例为：添加剂/(NiO或Ni₂O₃+Fe₂O₃+Cu)＝5％～10％；其中NiO或Ni₂O₃、Fe₂O₃、Cu的质量配比是NiO 51％～53％，Fe₂O₃ 30％～32％，Cu 16％～18％，或是Ni₂O₃ 50％～54％，Fe₂O₃30％～33％，Cu 15％～17％；添加剂液体石蜡占物料总量的7％。

惰性阴极的具体制法是：

(1)以TiB₂为原料，粉碎后过200目筛；

(2)添加树脂，因树脂在常温下呈胶状，不易与TiB₂粉体混合，故作法是先将树脂加热液化，按比例倒入TiB₂粉，以能湿润TiB₂粉并调成糊状为准，混合均匀；

(3)选择2cm厚的碳砖作基体，将上述混合料边加热边搅拌充分混合成糊状，涂抹到碳砖上，厚度为1cm左右；

(4)进行烧结，烧结升温曲线在差热分析基础上确定，制成惰性电极；

(5)在烧结好的TiB₂惰性阴极上挂上铝液薄膜备用。

发明人指出选用TiB₂作铝电解惰性阴极材料，是因为TiB₂与铝液有良好的润湿性、导电性及优越的抗钠渗透性，在铝电解槽中可以降低电极电压，提高电流效率延长铝电解槽寿命。

通常，添加树脂的质量比例为树脂/TiB₂粉料＝4％～9％，以8％最好。

发明人还指出，金属陶瓷惰性阳极虽有较好的抗腐蚀性、抗氧化性能，但机械强度较差，无法制备大规格的惰性阳极，需要将小尺寸的金属陶瓷惰性阳极组装起来才能用在较大规模的铝电解槽中。其组装方法是将阳极板表面打磨、抛光，并在其上方挖一半圆状凹槽；钻孔并打磨光滑；然后并排排列，用2块不锈钢板夹住，再用不锈钢螺栓连接，并以螺母夹紧，得到金属陶瓷惰性阳极。

惰性金属陶瓷阳极通过绝缘体置于电解槽上，不锈钢板一端连接导线做阳极导杆；电解槽铁壳上焊有一铁棒连接阴极导线，TiB₂阴极嵌入电解槽内固定，即与阴极导线连通。阳极与阴极垂直平行放置。以多组上述板状惰性阳极采用并联的方式与可润湿阴极连接，组成铝电解槽，通过的电流强度就可以满足惰性阳极铝电解工业电解槽生产的需要。

由于惰性阳极与可湿润阴极同时使用并垂直配置，电解过程中熔融铝能很好地湿润阴极，只要在阴极挂上半3～5mm厚的铝液薄膜即形成平整稳定的阴极，电解时产出的铝液立即流入电解槽下的汇铝槽，而不象目前阳阴极上下平行配置的铝电解槽，需要在阴极上方保存25cm左右的熔融铝层，由此消除了磁场对电解产生的巨大干扰，可大大减少两极间距离，从而大幅节约电能。

本发明所提供的的惰性电极铝电解槽与现有技术的铝电解槽相比，将意味着Hall-Héroult法铝电解技术的一次革命，运用惰性电极将有益于降低成本、减少能量的消耗；并且对于环境而言，从电解槽中释放出污染环境的CO₂、CF₄等气体可以彻底消除，有利于保护环境。本发明方法还解决了惰性电极大型化的技术难题。

附图说明

以下附图可以更清楚地说明本发明：

图1为惰性电极铝电解槽装置示意图，图2为惰性阳极采用并联的方式与惰性阴极组合的俯视图，图3为惰性阳极采用并联的方式与惰性阴极组合的侧视图，图4为板状惰性阳极组装连接示意图。

上述图中，1为阴极导杆，2为螺栓，3为绝缘体，4为石墨槽，5为铁壳，6为TiB₂涂层惰性阴极，7为铝液，8为阳极导杆，9为夹具钢板，10为电解质，11为板状金属陶瓷惰性阳极，12为不锈钢螺栓，13为不锈钢板。

具体实施方式

实施例一台3000A惰性阳极电解槽，如图1所示，它是将板状金属陶瓷惰性阳极11采用并联的方式与TiB₂涂层惰性阴极6组合，以平行方式配置的高纯石墨电解槽。所用的金属陶瓷采用的阳极11是用Fe₂O₃、NiO及金属Cu和液体石蜡为原料，液体石蜡/(NiO+Fe₂O₃+Cu)＝8％，其中NiO、Fe₂O₃、Cu的质量配比是NiO 52％，Fe₂O₃ 31％，Cu 17％。通过常规方法用热风烘干、过60目筛、混合均匀、冷压成型、烧结制得的金属陶瓷惰性阳极，其单块板材尺寸为100×160×15mm。如图4用3块经表面打磨、抛光、挖半圆状凹槽、钻孔等加工，并排排列，用2块不锈钢板13夹住，再用不锈钢螺栓12连接，并以螺母夹紧，扩大成300×160×15mm。所用的TiB₂涂层惰性阴极6是选择2cm厚的碳砖作基体，将TiB₂粉过200目筛，将树脂加热液化，按树脂/TiB₂粉料＝8％的比例倒入TiB₂粉，添加树脂，边加热边搅拌充分混合成糊状，涂抹到碳砖上，厚度为1cm左右，然后进行烧结，在烧结好的TiB₂阴极上挂上铝液薄膜制成的。

惰性金属陶瓷阳极11和TiB₂涂层惰性阴极6如图1，惰性阳极11通过绝缘体3置于电解槽上，夹具不锈钢板13一端连结导线和阳极导杆8；电解槽铁壳5上焊一铁棒连接阴极导线1，TiB₂阴极6嵌入电解槽内固定；惰性阳极11与阴极6垂直平行放置。

以6组上述板状惰性阳极采用并联的方式与可润湿阴极连接，组成如图2和图3的铝电解槽见图11，通过的电流强度可达3000A，可以满足惰性阳极铝电解工业小型电解槽生产及实验的需要。随着惰性阳极与阴极配置的组数增加，电解槽容量(电流强度)还可加大。

Claims

1一种惰性电极铝电解槽，它的惰性阳极采用金属陶瓷惰性阳极，其特征在于该电解槽是将板状金属陶瓷惰性阳极采用并联的方式与可润湿阴极连接，以垂直平行方式配置的惰性电极电解槽。

2如权利要求1所述的惰性电极铝电解槽，其特征在于所述金属陶瓷惰性阳极是用Fe₂O₃、NiO或Ni₂O₃及金属Al、或Ni、或Cu和添加剂为原料，通过烘干、过筛、混合均匀、冷压成型、烧结制得的惰性阳极。

3如权利要求2所述的惰性电极铝电解槽，其特征在于金属陶瓷惰性阳极的具体制法是：

(1)按比例取Fe₂O₃、NiO或Ni₂O₃及金属Al、或Ni、或Cu和添加剂分别烘干，过筛，混合均匀；

(4)冷却至室温，得到金属陶瓷惰性阳极产品。

4如权利要求2所述的惰性电极铝电解槽，其特征在于上述第一步所用的添加剂是液体石蜡、甘油、凡士林、硬脂酸中的一种；所用的添加剂与金属氧化物、金属材料和添加剂的质量比例为：添加剂/(NiO或Ni₂O₃+Fe₂O₃+Cu)＝5％～10％；其中NiO或Ni₂O₃、Fe₂O₃、Cu的质量配比是NiO 51％～53％，Fe₂O₃30％～32％，Cu 16％～18％，或是Ni₂O₃ 50％～54％，Fe₂O₃ 30％～33％，Cu15％～17％；添加剂液体石蜡占物料量总的7％。

5如权利要求2和3所述的惰性电极铝电解槽，其特征在于组装方法是将所述阳极板表面打磨、抛光，并在其上方挖两个半圆状凹槽；钻孔并打磨光滑；然后并排排列，用2块不锈钢板夹住，再用不锈钢螺栓连接，并以螺母夹紧，得到金属陶瓷惰性阳极。

6如权利要求1所述的惰性电极铝电解槽，其特征在于所述可润湿阴极是以TiB₂为原料，通过粉碎、过筛，添加树脂与TiB₂粉体混合，加热搅拌成糊状，涂抹到碳砖上，烧结制成的惰性阴极。

7如权利要求6所述的惰性电极铝电解槽，其特征在于所述惰性阴极的具体制法是：

(1)以TiB₂为原料，粉碎后过200目筛；

(2)添加树脂，因树脂在常温下呈胶状，不易与TiB₂粉体混合，故作法是先将树脂加热液化，按比例倒入TiB₂粉，调成糊状混合均匀；选择2cm厚的碳砖作基体，将上述混合料边加热边搅拌充分混合成糊状，涂抹到碳砖上，厚度为1cm左右；

(3)进行烧结，烧结升温曲线在差热分析基础上确定，制成惰性电极；

(4)在烧结好的TiB₂惰性阴极上挂上铝液薄膜。

8如权利要求6和7所述的惰性电极铝电解槽，其特征在于添加树脂的质量比例为树脂/TiB₂粉料＝4％～9％。

9如权利要求1所述的惰性电极铝电解槽，其特征在于所述惰性金属陶瓷阳极通过绝缘体置于电解槽上，不锈钢板一端连结导线做阳极导杆；电解槽铁壳上焊有一铁棒连接阴极导线，TiB₂阴极嵌入电解槽内固定即与阴极导线连接；阳极与阴极竖直平行放置。