專利名稱：一種節(jié)能型熔鹽鋁電解槽及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種節(jié)能型熔鹽鋁電解槽及其方法，屬有色輕金屬冶金技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前的鋁電解一直均采用霍爾-埃魯特(Hall-Heroult)技術(shù)，這種方法的特點(diǎn) 是陰陽極均是板狀水平安放，陰陽極的極間距為4 6cm，陰陽極均為炭素材料。這種方法 的優(yōu)點(diǎn)是陰陽極材料的導(dǎo)電性優(yōu)良，抗腐蝕性好，同時(shí)陰陽極的形狀簡單，容易加工制作。 但該裝置和方法也存在一些缺點(diǎn)例如，在電解過程中，在陽極上放電而形成的新生態(tài)氧原 子，把陽極炭氧化，放出CO2和C0，造成環(huán)境的污染；其次，在水平式板狀陰陽極電解中，電 解出的陰極鋁是布滿于陰極表面，隨著鋁電解過程的延續(xù)鋁液層厚度增加，實(shí)際的極間距 相應(yīng)減少，鋁液層逐步向陽極靠近，加之因電解槽內(nèi)存在電磁作用引鋁液面起的擾動(dòng)，這勢(shì) 必導(dǎo)致陰極鋁被二次氧化增加，其反應(yīng)式為AL(g)+C02(g) —A1A+C0。由于二次氧化的限 制，致使水平陰陽極鋁電解的極間距只能在4 6cm之間，而極間距是單位產(chǎn)鋁量電耗的主 要決定性因素。已有資料表明[1~2]，電解質(zhì)所產(chǎn)生的電壓降(Ε β)約占槽電壓總數(shù)的38 39%，在槽電壓各組元中，(Eilt)所占的比例最大，其次是分解電壓(Ε#)，它占槽電壓的 26%左右。但(Ei)是不可降低的一項(xiàng)指標(biāo)，降低將會(huì)導(dǎo)致Al2O3不能被電解，因此 降低槽電壓的主要手段只能是減少電解質(zhì)的電壓降(Em)。(Ε電解)可由下式計(jì)算[1] :Ε電解=P DL……(1)式中ρ為電解質(zhì)的比電阻，D為平均電流密度，L為極間距(cm)。從(1)式可 見，若能使鋁電解的極間距L下降50%，電解槽的槽電壓將能降低19 19.5%，相應(yīng)的鋁 電解的能耗也能產(chǎn)生同比例下降；再其次是電流效率(CE)，它是鋁電解的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指 標(biāo)。減少鋁電解過程中的電流損失，就會(huì)導(dǎo)致電流效率的提高，而電流損失的主要原因是陰 極上生成的鋁和鈉的二次氧化而引起。因此減少陰極上鋁和鈉的二次氧化，也是提高電流 效率的重要手段之一，而電流效率的提高也會(huì)促成單位產(chǎn)鋁量電能耗的下降。隨著鋁電解 技術(shù)的進(jìn)步和裝備水平的提高，電流效率也從早期的85%提高到93 95% [1]。在水平陰 陽極電解技術(shù)條件下，該數(shù)值已接近于極限，要進(jìn)一步的提高電流效率也需設(shè)法減少鋁和 鈉的二次氧化。綜上所述，高能耗、高污染和鋁的二次氧化是水平陰陽極電解的主要缺點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[1]劉業(yè)翔、李吉等“現(xiàn)代鋁電解”(M)，冶金工業(yè)出版社(2008年8月)[2]邱竹賢“鋁電解的原理”(M)，中國礦業(yè)大學(xué)出版社。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有鋁電解技術(shù)的不足，而提供一種能耗大幅度減少，電 流效率也進(jìn)一步顯著提高的節(jié)能型熔鹽鋁電解槽及其方法。本發(fā)明的節(jié)能型熔鹽鋁電解槽，其陰陽極結(jié)構(gòu)和陰極鋁液的分布方式與現(xiàn)行的鋁電解槽完全不同，其具體不同點(diǎn)如下a.陰極⑵和陽極(1)的導(dǎo)電面為傾鈄式，并互為仿形，陰極(2)和陽極(1)的 材料均為炭素導(dǎo)電材料；陰極(2)似一個(gè)臥式三棱柱體結(jié)構(gòu)，三棱柱體的導(dǎo)電面為炭素材 料上有TiB2涂層，或?yàn)橹苯犹克鼗模蝗庵w下部為方形陰極水平基座(4)，陰極水平基 座(4)周邊有鋁液收集槽(3)；位于陰極(2)三棱柱體上方的陽極(1)分成左右兩翼，陽極 (1)的兩翼由炭質(zhì)材料連接頭(17)硬性連接；b.互為仿形的陰極(2)和陽極(1)的炭素導(dǎo)電材料包括石墨和目前電解鋁所用 的水平陰陽極人工合成炭素陰陽極材料及半石墨化材料，以及其他以元素碳為主的導(dǎo)電材 料；c.陰極⑵和陽極⑴的導(dǎo)電面與鉛垂面的夾角為θ，θ的數(shù)值范圍是15° 75° ；d.傾鈄式陰極(2)的導(dǎo)電面的水平方向，設(shè)有不連續(xù)阻流臺(tái)階，其作用是防止加 入電解質(zhì)中的Al2O3粉，未溶解完畢就落入鋁液收集槽(3)中，阻流臺(tái)階的高和寬a = 2 5mm，兩相鄰兩阻流臺(tái)階的間距b = 2 8cm ；e.環(huán)繞在陰極水平底部(4)周邊的鋁液收集槽(3)的上部與陽極(2)相距IOcm 以上、其底部距陽極(2)20 30cm ；f.傾鈄陽極⑵的兩翼導(dǎo)電板上開有1 3排氣孔(16)、陽極兩翼之間的連接頭 長度為陽極翼總長的15% 25%。本發(fā)明的節(jié)能型熔鹽鋁電解槽操作方法，其操作工藝參數(shù)和方法與目前的霍 爾-埃魯特鋁電解有兩個(gè)顯著不同點(diǎn)第一是陰陽極的極間距從常規(guī)鋁電解的4 6cm下 降到2cm及其以下。這樣大幅下降極間距也會(huì)導(dǎo)致槽電壓和單位產(chǎn)鋁電耗的大幅度下降。 能大幅下降極間距的理由是陰陽極導(dǎo)電面是傾鈄的和互仿形的。如前所述，傾鈄和仿形結(jié) 構(gòu)將使陰陽極之間只有電解質(zhì)和陰極面上向下滾動(dòng)的電解鋁液滴，陰極表面上形不成一定 厚度的鋁液層，因此也就不存在兩極間的鋁液層擾動(dòng)。第二是改變了 Al2O3粉下料點(diǎn)的點(diǎn) 數(shù)，從目前的多個(gè)陽極配一個(gè)下料孔變?yōu)槊繉?duì)陽極上方安排一個(gè)下料孔，下料孔的位置安 排在陽極導(dǎo)電兩翼上方的排氣通道位置，即在陽極兩翼間連接頭的前或后10 20cm處。這 樣所加入的Al2O3粉，90 100%的會(huì)立即進(jìn)入陰陽極導(dǎo)電面間，能讓Al2O3快速進(jìn)入貧Al2O3 區(qū)，從而快速溶解，加快還原，加快了電解進(jìn)程，提高了電解槽的單位生產(chǎn)力，對(duì)提高電流效 率和減少單位鋁產(chǎn)能耗也有促進(jìn)作用。本發(fā)明與現(xiàn)有鋁電解技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能耗大幅度減少，電流效 率顯著提高的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明電解槽主視剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中陽極1兩翼的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖1中的A-A面剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖1中陰極2的部分縱向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為圖4中阻流臺(tái)階的放大結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的節(jié)能型熔鹽鋁電解槽，由槽外殼9，置于槽外殼9內(nèi)壁上的巖棉板層，置 于巖棉板層8上的硅酸鋁蓋板層7，置于硅酸鋁蓋板層7上的輕質(zhì)保溫磚6，置于輕質(zhì)保溫 磚6上的干式防滲漏層5，置于干式防滲漏層5上的炭化硅側(cè)樣板10，置于干式防滲漏層5 底部的陰極水平底部4，設(shè)置于陰極水平底部4上集鋁槽3，其上設(shè)置有導(dǎo)電鋼棒10的陰極 2，在陰極2上方有由吊掛螺母14固定的陽極1，置于陰極水平底部4與炭化硅側(cè)樣板13之 間的扎糊填料層11和高強(qiáng)澆注料層12，置于槽外殼9上方的爐口高鋁磚層組成。本發(fā)明所用的異形陰陽極，其制造方法與目前鋁電解陰陽極的成形方法相似，物 料的組成和配料方法以及成形方法均是相同的。不同的僅是采用振動(dòng)法或擠壓成形時(shí)，需 把現(xiàn)有制取水平陰陽極的模具更換為傾斜異形陰陽極成形模具。成形后陽極或陰極的焙燒 固化工藝與目前水平陽極，陰極的焙燒固化工藝相同。電解鋁時(shí)，除本發(fā)明的專用較小極間 距和Al2O3加料布點(diǎn)不同外，電解質(zhì)成分和其余電解操作工藝與目前的霍爾-埃魯特電解工 藝完全相同。實(shí)施例1 在3kg電解質(zhì)的小試規(guī)模下，為簡化制作工藝，采用方形石墨坩鍋?zhàn)麟娊獠?，放?坩鍋爐中，外加熱式工作，近似臥式三棱柱體的陰極2以及兩翼展開的陽極1均由石墨做 成，陰陽極對(duì)水平面傾鈄角(90° _ θ )取15°，由于陰極2臥式三棱柱體的長度等于坩鍋 長度，因此陰極2兩端無集鋁槽3，只有三棱柱體的兩側(cè)面有集鋁槽3。陰極2導(dǎo)電面上的 阻流臺(tái)階高寬為2mm，臺(tái)階距離為2cm，采用分子比CR = 2. 3的常規(guī)冰晶石電解質(zhì)3kg，熔 化后，放入仿形雙翼陽極1，在950°C的溫度下進(jìn)行鋁電解試驗(yàn)，陰陽極極間距2cm，電解時(shí) 槽電壓波動(dòng)于2. 8到3. 1伏間，電解電流波動(dòng)于105 120A之間，電解48小時(shí)后共收集 到電流鋁766. 78克。據(jù)此算出小試電解電流效率為42. 5%，單位產(chǎn)鋁電能耗為24. 57kwh/ kg · Al。而在同等條件和同等時(shí)間下用霍爾一埃魯特水平陰陽極進(jìn)行鋁電解對(duì)照試試驗(yàn) 時(shí)，只產(chǎn)出電解鋁691克，由此算出常規(guī)法電解鋁的小試電流效率為38. 3%，而單位產(chǎn)鋁能 耗為43. 8kwh/kg · Al。實(shí)施例2 中試電解槽，陽極1單翼尺寸為50X 50X 20cm，陰極2三棱柱體長寬高尺寸為50
X64. 28X48. 8X^cm。電解槽內(nèi)裝電解質(zhì)230kg，電解質(zhì)成分同例1，陰陽極材料為目前國
內(nèi)鋁電解常用陰陽極炭素材料。陰極2導(dǎo)電面對(duì)鉛垂面的傾角θ =42°，陰極2導(dǎo)電面上 阻流臺(tái)階高度a = 3mm,阻流臺(tái)階間距b = 5cm,陰極2導(dǎo)電面為TiB2涂層炭基復(fù)材。電解 溫度950°C，實(shí)行自熱電解，電解電流設(shè)計(jì)值為4000A，實(shí)際工作電流波動(dòng)于3960 4154A 之間，陰陽極的極間距仍為2cm士2mm，電解槽電壓波動(dòng)于2. 85 3. 17之間，經(jīng)過240小時(shí) 的連續(xù)電解。采集到的電解鋁258. 4kg。電解過程中的平均槽電壓為3. 05伏，平均電解電 流為4026A，據(jù)此算出中試電解電流效率為79. 68%，單位產(chǎn)鋁電能耗為11. 40kwh/kg · Al。 但在同等大小的水平陰陽極電解槽上電解168小時(shí)后，產(chǎn)出電解鋁157. 2kg，平均槽電壓為 4. 25伏，平均電解電流以為4039A，據(jù)此可算出水平陰陽極的電流效率為69. 04%，單位鋁 產(chǎn)電能耗為18. 34kwh/kg · Al。實(shí)施例3
中試電解槽，陽極1兩翼尺格為50X50X20cm，陰極2三棱柱體尺寸為 50 X 25. 9 X 48. 3X0.5 (cm)，電解槽內(nèi)裝入同實(shí)施例2的電解質(zhì)300kg，陰極2導(dǎo)電面對(duì)鉛垂 面的傾角θ =15°，陰陽極材料為目前國內(nèi)鋁電解常用陰陽極炭素材料，陰極2導(dǎo)電面上 阻流臺(tái)階高a = 5mm，兩相鄰阻流臺(tái)階的間距b = 8cm.陰極導(dǎo)電面上涂有0. 3mm厚的TiB2 涂層，其他條件同實(shí)施例2，實(shí)行自熱式電解，設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度為4000A，實(shí)際工作電流波動(dòng)于 3915 4162A。陰陽極的極間距為2cm士2mm。經(jīng)過240小時(shí)連續(xù)自熱式鋁電解，收集到電 解鋁261. 2kg，使用示蹤原子法，在最后一次出鋁前48小時(shí)加入示蹤原子銅，由此算出殘留 于電解槽的電解鋁共40. 34kg，以上兩項(xiàng)合計(jì)產(chǎn)鋁301. 32kg。電解的平均電流為4023A，平 均槽電壓為3. 15伏。據(jù)此算出中試電解的電流效率為93. 05%，中試電解的單位鋁產(chǎn)能耗 為10. 84kwh/kg · Al。
權(quán)利要求
1.一種節(jié)能型熔鹽鋁電解槽，其特征在于其陰極(2)和陽極(1)的導(dǎo)電面為傾鈄式，并 互為仿形，陰極(2)和陽極(1)的材料均為炭素導(dǎo)電材料；陰極(2)似一個(gè)臥式三棱柱體結(jié) 構(gòu)，三棱柱體的導(dǎo)電面為炭素材料上有TiB2涂層，或?yàn)橹苯犹克鼗?；三棱柱體下部為方形 陰極水平基座(4)，陰極水平基座(4)周邊有鋁液收集槽(3)；位于陰極(2)三棱柱體上方 的陽極(1)分成左右兩翼，陽極(1)的兩翼由炭質(zhì)材料連接頭(17)硬性連接。
2.權(quán)利要求1所述的節(jié)能型熔鹽鋁電解槽，其特征在于互為仿形的陰極(2)和陽極(1)的炭素導(dǎo)電材料包括石墨和目前電解鋁所用的人工合成的水平陰陽極炭素陰陽極導(dǎo) 電材料及半石墨化材料，以及其他以元素碳為主的導(dǎo)電材料。
3.權(quán)利要求1所述的節(jié)能型熔鹽鋁電解槽，其特征在于陰極(2)和陽極⑴的導(dǎo)電面 與鉛垂面的夾角為θ，θ的數(shù)值范圍是15° 75°。
4.權(quán)利要求1所述的節(jié)能型熔鹽鋁電解槽，其特征在于傾鈄式陰極(2)的導(dǎo)電面水平 方向上設(shè)有不連續(xù)阻流臺(tái)階，其作用是防止加入到電解質(zhì)中的Al2O3粉，未溶解完畢就落入 鋁液收集槽(3)中，阻流臺(tái)階的高和寬a = 2 5mm，兩相鄰阻流臺(tái)階的間距b = 2 8cm。
5.權(quán)利要求1所述的節(jié)能型熔鹽鋁電解槽，其特征在于環(huán)繞在陰極水平底部(4)周 邊的鋁液收集槽(3)上部與陽極(2)相距IOcm以上、據(jù)電解槽規(guī)模的不同，其底部距陽極(2)20 30cm。
6.權(quán)利要求1所述的節(jié)能型熔鹽鋁電解槽，其特征在于傾鈄陽極(2)的兩翼導(dǎo)電板上 開有1 3行排氣孔(16)、陽極兩翼之間連接頭的長度為陽極翼總長的15% 25%。
7.權(quán)利要求1所述節(jié)能型熔鹽鋁電解槽的電解方法，其特征在于陰極(2)和陽極⑴ 的極間距為2cm及其以下；為加速Al2O3的溶解和電沉積速度，及促進(jìn)Al2O3濃度的均勻化， 每一對(duì)陽極(1)配置一個(gè)Al2O3粉的下料孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種節(jié)能型熔鹽鋁電解槽及其方法，屬有色輕金屬冶金技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明與現(xiàn)有鋁電解槽相比有許多不同；其主要不同部分為陰極(2)和陽極(1)的導(dǎo)電面為傾鈄式，并互為仿形，陰極(2)和陽極(1)的材料均為炭素導(dǎo)電材料；陰極(2)似一個(gè)臥式三棱柱體結(jié)構(gòu)，三棱柱體的導(dǎo)電面為炭素材料上有TiB2涂層，或?yàn)橹苯犹克鼗?；三棱柱體下部為方形陰極水平基座(4)，陰極水平基座(4)周邊有鋁液收集槽(3)；位于陰極(2)三棱柱體上方的陽極(1)分成左右兩翼，陽極(1)的兩翼由炭質(zhì)材料連接頭(17)硬性連接。操作方法在現(xiàn)有鋁電解法基礎(chǔ)上有重要改進(jìn)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能耗大幅度減少，電流效率顯著提高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C25C3/12GK102002731SQ20101050645
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月14日
發(fā)明者張自華, 李兢, 王宇棟, 王飚, 肖歐, 龍江 申請(qǐng)人:王飚