CN207608635U - 一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电解行业技术装备领域，公开了一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构，以解决电解槽内衬结构的阴极抗钠侵蚀性差、防渗性差等问题，该结构包括陶瓷纤维板，陶瓷纤维板从下而上依次设有硬硅钙石复合绝热砖、隔热耐火砖、钢板及蛭石防渗砖，蛭石防渗砖的上面设有全石墨化阴极炭块及高导电防渗碳阴极钢棒，高导电防渗碳阴极钢棒的内侧端头之间设有高导电钢棒糊，高导电防渗碳阴极钢棒内侧端头与高导电钢棒糊之间设有陶瓷纤维毯，全石墨化阴极炭块的外侧设有阴极糊及侧部防渗保温层。本实用新型可保持良好的热平衡及电平衡，内部等温线分布合理，既保证了电解槽的稳定生产，又很好的保护了侧部内衬，延长了电解槽的寿命。

Description

一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构

技术领域

本实用新型涉及电解行业技术装备领域，具体涉及一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构。

背景技术

传统500kA铝电解槽采用50%左右的石墨质阴极炭块、普通阴极钢棒、干式防渗料、防渗浇注料与阴极炭块接触等内衬结构，内衬结构的设计存在阴极抗钠侵蚀性差、防渗浇注料制约阴极炭块应力释放以及干式防渗料防渗性差等问题，从而造成电解槽炉底电压降较高以及内衬寿命降低等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决在现有技术中电解槽内衬结构的阴极抗钠侵蚀性差、防渗性差等造成电解槽炉底电压降较高以及内衬寿命降低的问题，提供了一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构，包括设置在电解槽壳体内底部的陶瓷纤维板，陶瓷纤维板的上面设有硬硅钙石复合绝热砖，硬硅钙石复合绝热砖从下而上依次设有隔热耐火砖、钢板及蛭石防渗砖，蛭石防渗砖的上面设有多个全石墨化阴极炭块，每个全石墨化阴极炭块内下部设有两组高导电防渗碳阴极钢棒，每组高导电防渗碳阴极钢棒为设置在同一直线上的两根高导电防渗碳阴极钢棒，且高导电防渗碳阴极钢棒位于蛭石防渗砖的上面，高导电防渗碳阴极钢棒与全石墨化阴极炭块之间以及两根高导电防渗碳阴极钢棒的内侧端头之间设有高导电钢棒糊，高导电防渗碳阴极钢棒的内侧端头与高导电钢棒糊之间设有陶瓷纤维毯，全石墨化阴极炭块的外侧设有阴极糊，阴极糊的外侧设有侧部防渗保温层。

进一步地，侧部防渗保温层包括设置在阴极糊上部外侧的侧部复合块之炭块，侧部复合块之炭块的外侧设有侧部复合块之氮化硅结合碳化硅砖，侧部复合块之氮化硅结合碳化硅砖的底部设有第一蛭石保温砖，第一蛭石保温砖的底部设有陶瓷纤维板，陶瓷纤维板的内侧设有硬硅钙石复合绝热砖，硬硅钙石复合绝热砖的内侧设有第二蛭石保温砖，且第二蛭石保温砖、第一蛭石保温砖、高导电防渗碳阴极钢棒以及阴极糊之间形成折形空间，折形空间内填充有防渗浇注料。

进一步地，全石墨化阴极炭块的下部与高导电防渗碳阴极钢棒之间设有三角区域，三角区域内填充有阴极钢棒捣打料。

进一步地，全石墨化阴极炭块的两端下部设有倒角，倒角内填充有阴极糊。

进一步地，高导电防渗碳阴极钢棒两端露出全石墨化阴极炭块外120mm范围内的两侧面及顶面刷有3mm厚的耐火泥浆与水玻璃混合物。

进一步地，全石墨化阴极炭块与蛭石防渗砖之间以及高导电防渗碳阴极钢棒与蛭石防渗砖之间之间设有氧化铝层。

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：本实用新型的铝电解槽全石墨化阴极内衬结构将两根高导电防渗碳阴极钢棒的内侧端头用陶瓷纤维毯将高导电钢棒糊与高导电防渗碳阴极钢棒隔开，吸收了高导电防渗碳阴极钢棒的膨胀应力，减少了对全石墨化阴极炭块的影响。在隔热耐火砖与蛭石防渗砖之间设有钢板，钢板的作用在于防止从上部渗透下来的氟化物继续向下渗透，本实用新型可保持良好的热平衡及电平衡，内部等温线分布合理，既保证了电解槽的稳定生产，又很好的保护了侧部内衬，延长了电解槽槽的寿命。

本实用新型采用采用物理性能更佳的优质弹丸焦生产的高密度、高强度的全石墨化阴极炭块，具有以下优点：

（1）电阻率更小

100%的全石墨化阴极炭块电阻率（1000℃）≤10Ω.mm²/m，较50%石墨质阴极炭块电阻率（≤17Ω.mm²/m）降低7Ω.mm²/m以上，降幅41.18%以上，有利于降低炉底电压降，节约吨铝电耗。

（2）钠膨胀率更低

100%的全石墨化阴极炭块钠膨胀率≤0.3%，较50%石墨质阴极炭块的钠膨胀率（≤0.65%）降低0.35%以上，降幅53.85%以上，有利于延长电解槽寿命；

（3）导热率更高

100%的全石墨化阴极炭块导热率（1000℃）≥50W/m.K，较50%石墨质阴极炭块导热率（≤20±2.0W/m.K）升高28W/m.K以上，升幅127.27%以上，能使阴极边部较热而有助于减少沉淀，也有助于避免形成合理炉帮厚度时发生伸腿过长问题。

（4）杨氏模量更低

100%的全石墨化阴极炭块杨氏模量≤5GPa，较50%石墨质阴极炭块杨氏模量（≤7GPa）降低28.57%以上，相应地，平均热膨胀率（20～950℃）（4.5±0.5）×10^-6/℃较50%石墨质阴极炭块平均热膨胀率（20～950℃）（3.5±0.5）×10^-6/℃升高28.57%以上，对弥补阴极炭块周边扎固到与阴极炭块底面平齐的阴极糊以及阴极炭块之间的阴极糊收缩缝具有更为积极的作用。

（5）强度更大

100%的全石墨化阴极炭块真密度≥2.18 g/cm3，较50%石墨质阴极炭块真密度（≥1.98 g/cm3）增大0.2 g/cm3以上，增幅10.1%以上，虽然经过高温石墨化处理，灰分减少83.33%，气孔率增大25%，体积密度仍然增加6.33%，抗折强度保持不变，耐压强度略降低3.85%，使全石墨化阴极炭块强度足以满足实际需要。

全石墨化阴极炭块的钠膨胀率远小于50%石墨质阴极炭块，这是由于全石墨化阴极炭块体积更致密，灰分小，钠吸收率小，炭块钠膨胀小，并在受内衬和槽壳约束时，炭块向上隆起小；在电解生产过程中，钠通过全石墨化阴极炭块进入炭-钢接触面，并与冰晶石反应形成铝和氟化钠，增加了铁炭接触电阻，由于全石墨化阴极炭块体积致密，钠吸收和扩散远小于50%石墨质阴极炭块，因此，全石墨化阴极炭块的炉底压降较小，而且随生产时间的增长变化也更平缓；全石墨化阴极炭块具有的良好导电性和良好导热性，还可以承受较高的电流，对局部较高电流也具有较强的适应稳定性。

本实用新型采用高导电防渗碳阴极钢棒，高导电防渗碳阴极钢棒材质为C≤0.01%、Mn≤0.15%、Si≤0.07%、P≤0.02%、S≤0.012%、钢，高导电防渗碳阴极钢棒的纯度提高，电阻率降低有利于降低其电压降。并且高导电防渗碳阴极钢棒表面进行了防渗碳处理，可长期保持其高导电性。

本实用新型使用高导电钢棒糊，高导电钢棒糊电阻率≤40μΩ·m，较普通钢棒糊电阻率（≤75μΩ·m）降低35μΩ·m以上，降幅46.67%以上，有利于降低钢棒糊电压降。

本实用新型的侧部防渗保温层具有良好的保温性能，可在阴极电压大幅度降低的情况下保证区域及整体的热平衡，同时在不过多额外损失能耗的情况下解决了电解槽适应四季气温变化的问题。侧部防渗保温层采用防渗浇注料直接找平，减少了散热通道；防渗浇注料不与全石墨化阴极炭块接触，避免对全石墨化阴极炭块形成剪切力而造成全石墨化阴极炭块破损。

本实用新型的全石墨化阴极炭块的下部与高导电防渗碳阴极钢棒之间设有三角区域，三角区域内填充有阴极钢棒捣打料（耐火泥浆），可以进一步改善石墨化阴极炭块组内的电流路径，减少水平电流分量。

本实用新型的全石墨化阴极炭块的两端下部设有倒角，倒角内填充有阴极糊，可以减少散热，对生产过程中形成适当长的伸腿有益。

本实用新型高导电防渗碳阴极钢棒两端露出全石墨化阴极炭块外120mm的范围内的两侧面及顶面刷有3mm厚的耐火泥浆与水玻璃混合物，将全石墨化阴极炭块以外的高导电防渗碳阴极钢棒与阴极糊隔开而不导通电流，使靠外侧高导电防渗碳阴极钢棒的三个面与防渗浇注料直接接触。

附图说明

图1为本实用新型的剖视图。

图2为图1的A-A向剖视图。

附图标记含义如下：1. 陶瓷纤维板；2. 硬硅钙石复合绝热砖；3. 隔热耐火砖；4.钢板；5. 蛭石防渗砖；6. 高导电防渗碳阴极钢棒；7. 第二蛭石保温砖；8. 防渗浇注料；9.全石墨化阴极炭块；10. 阴极糊；11. 侧部复合块之氮化硅结合碳化硅砖；12. 陶瓷纤维毯；13. 高导电钢棒糊；14. 侧部复合块之炭块；15. 第一蛭石保温砖；16. 倒角；17. 氧化铝层；18. 三角区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1-2所示，一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构，包括设置在电解槽壳体内底部10mm厚的陶瓷纤维板1，陶瓷纤维板1上面设有60mm厚的硬硅钙石复合绝热砖2，硬硅钙石复合绝热砖2从下而上依次设有2层65mm厚的隔热耐火砖3、1层2mm厚的钢板4及2层65mm厚的蛭石防渗砖5，钢板4材质为Q235B，钢板4尺寸可以按照不变形为原则进行确定，施工时可以拼接。蛭石防渗砖5的上面设有多个全石墨化阴极炭块9，全石墨化阴极炭块9与蛭石防渗砖之间5以及高导电防渗碳阴极钢棒6与蛭石防渗砖5之间设有约9mm厚的氧化铝层17。每个全石墨化阴极炭块9内下部设有两组高导电防渗碳阴极钢棒6，每组高导电防渗碳阴极钢棒6为设置在同一直线上的两根高导电防渗碳阴极钢棒6，且高导电防渗碳阴极钢棒6位于蛭石防渗砖5的上面，全石墨化阴极炭块9的两侧端部的下部与高导电防渗碳阴极钢棒6之间设有210mm高×150mm深×20mm厚的三角区域18，三角区域18内填充有阴极钢棒捣打料（耐火泥浆）。全石墨化阴极炭块9的两端下部设有210mm高×150mm深×740mm宽的倒角16，倒角16内填充有阴极糊。两根高导电防渗碳阴极钢棒6的内侧端头之间设有高导电钢棒糊13，高导电防渗碳阴极钢棒6的内侧端头与高导电钢棒糊13之间设有陶瓷纤维毯12，高导电防渗碳阴极钢棒6的与全石墨化阴极炭块9之间设有高导电钢棒糊13，高导电防渗碳阴极钢棒6两端露出全石墨化阴极炭块9外120mm的范围内的两侧面及顶面刷有3mm厚的耐火泥浆与水玻璃混合物。全石墨化阴极炭块9的外侧设有阴极糊10，阴极糊10的外侧设有侧部防渗保温层。侧部防渗保温层包括设置在阴极糊10上部外侧的侧部复合块之炭块14，侧部复合块之炭块14的外侧设有侧部复合块之氮化硅结合碳化硅砖11，侧部复合块之氮化硅结合碳化硅砖11的底部设有第一蛭石保温砖15，第一蛭石保温砖15的底部设有20mm厚的陶瓷纤维板1，陶瓷纤维板1的内侧设有60mm厚的硬硅钙石复合绝热砖2，硬硅钙石复合绝热砖2的内侧设有65mm厚的第二蛭石保温砖7，且第二蛭石保温砖7、第一蛭石保温砖15/高导电防渗碳阴极钢棒6以及阴极糊10之间形成折形空间，折形空间内填充有75mm厚的防渗浇注料8，防渗浇注料设计的耐压强度为8～20MPa，不能超标而过强，防止对内衬结构产生过大的剪切应力。内衬结构的侧上部大面与小面之间的连接角块采用氮化硅结合碳化硅（在其中加一层10mm厚陶瓷纤维板），不仅使角部结构更加结实，还易于形成合理的炉帮厚度与伸腿长度。

正常生产过程中，100%全石墨化阴极电解槽的炉底电压降控制≤250mV，设定电压保持3.85-3.87V，较50%石墨质阴极电解槽的设定电压3.92-3.95V降低75mV±10mV；100%全石墨化阴极电解槽的铝水平保持在21-23cm，保温料厚度保持18-20cm， 电解质水平17-19cm，电解质温度940-955℃，过热度5℃-10℃，分子比2.4-2.7。分子比是氟化钠与氟化铝的摩尔比，随着电解质中氟化锂等碱金属氟化物含量升高而相应升高（氟化锂等碱金属氟化物含量过高时，分子比可以超过2.7），而且氟化锂含量要求不超过3.5%，以稳定保持适当高的初晶温度、适当低的过热度和适当高的电解温度。

Claims (6)

1.一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构，其特征是：包括设置在电解槽壳体内底部的陶瓷纤维板（1），陶瓷纤维板（1）的上面设有硬硅钙石复合绝热砖（2），硬硅钙石复合绝热砖（2）从下而上依次设有隔热耐火砖（3）、钢板（4）及蛭石防渗砖（5），蛭石防渗砖（5）的上面设有多个全石墨化阴极炭块（9），每个全石墨化阴极炭块（9）内下部设有两组高导电防渗碳阴极钢棒（6），每组高导电防渗碳阴极钢棒（6）为设置在同一直线上的两根高导电防渗碳阴极钢棒（6），且高导电防渗碳阴极钢棒（6）位于蛭石防渗砖（5）的上面，高导电防渗碳阴极钢棒（6）与全石墨化阴极炭块（9）之间以及两根高导电防渗碳阴极钢棒（6）的内侧端头之间设有高导电钢棒糊（13），高导电防渗碳阴极钢棒（6）的内侧端头与高导电钢棒糊（13）之间设有陶瓷纤维毯（12），全石墨化阴极炭块（9）的外侧设有阴极糊（10），阴极糊（10）的外侧设有侧部防渗保温层。

2.根据权利要求1所述的一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构，其特征是：所述侧部防渗保温层包括设置在阴极糊（10）上部外侧的侧部复合块之炭块（14），侧部复合块之炭块（14）的外侧设有侧部复合块之氮化硅结合碳化硅砖（11），侧部复合块之氮化硅结合碳化硅砖（11）的底部设有第一蛭石保温砖（15），第一蛭石保温砖（15）的底部设有陶瓷纤维板（1），陶瓷纤维板（1）的内侧设有硬硅钙石复合绝热砖（2），硬硅钙石复合绝热砖（2）的内侧设有第二蛭石保温砖（7），且第二蛭石保温砖（7）、第一蛭石保温砖（15）、高导电防渗碳阴极钢棒（6）以及阴极糊（10）之间形成折形空间，折形空间内填充有防渗浇注料（8）。

3.根据权利要求1所述的一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构，其特征是：所述全石墨化阴极炭块（9）的下部与高导电防渗碳阴极钢棒（6）之间设有三角区域（18），三角区域（18）内填充有阴极钢棒捣打料。

4.根据权利要求1所述的一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构，其特征是：所述全石墨化阴极炭块（9）的两端下部设有倒角（16），倒角（16）内填充有阴极糊（10）。

5.根据权利要求1所述的一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构，其特征是：所述高导电防渗碳阴极钢棒（6）两端露出全石墨化阴极炭块（9）外120mm范围内的两侧面及顶面刷有3mm厚的耐火泥浆与水玻璃混合物。

6.根据权利要求1所述的一种铝电解槽全石墨化阴极内衬结构，其特征是：所述全石墨化阴极炭块（9）与蛭石防渗砖（5）之间以及高导电防渗碳阴极钢棒（6）与蛭石防渗砖（5）之间设有氧化铝层（17）。