專利名稱：滲流式鋁電解槽及穩(wěn)定鋁電解槽中鋁液的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種滲流式鋁電解槽及穩(wěn)定鋁電解槽中鋁液的方法，屬于鋁電解技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)Hall-H6roUlt鋁電解工藝一直是工業(yè)煉鋁的唯一方法，其高能耗是 Hall-Heroult工藝存在的主要缺點(diǎn)之一。因現(xiàn)行炭素陰極與鋁液間潤(rùn)濕性差，鋁液難以穩(wěn)定平鋪在炭素陰極表面上，為了避免電解質(zhì)與陰極的接觸及陰極電流分布不均，電解過(guò)程中陰極表面上必須保留一定高度的鋁液，使得鋁液在自身重力作用下覆蓋在炭素陰極表面上。然而，在電磁力的干擾下，陰極表面上的鋁液出現(xiàn)波動(dòng)，為了減少鋁液二次反應(yīng)的發(fā)生， 必須保持較高的極距和槽電壓，很大一部分能量被消耗在極距間的歐姆電壓降上，從而導(dǎo)致鋁電解能耗上升。針對(duì)現(xiàn)行鋁電解存在的高能耗問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外申報(bào)了大量的有關(guān)導(dǎo)流型鋁電解槽和新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽的專利，以實(shí)現(xiàn)鋁電解的節(jié)能降耗。對(duì)于導(dǎo)流型鋁電解槽，如 U. S. 005028301和U. S. 005043047專利中，提到采用一定傾斜度的斜坡陰極，即陰極朝槽中間或槽兩邊傾斜，槽中間或槽周邊帶有聚鋁溝結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成所謂“導(dǎo)流型”鋁電解槽，旨在通過(guò)減小極距，以實(shí)現(xiàn)鋁電解節(jié)能的目的。該類導(dǎo)流型鋁電解槽基于可潤(rùn)濕性陰極，在電解過(guò)程中產(chǎn)生的鋁液直接流入中間或邊部聚鋁溝中，陰極表面上只保留薄薄的一層鋁液，且整個(gè)電解槽中儲(chǔ)存的鋁液量較少，極距可望減小到1 2cm，從而實(shí)現(xiàn)鋁電解的節(jié)能降耗。 但是，這種導(dǎo)流型鋁電解槽在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在一定的局限性，其一，這種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)鋁電解槽必須建立在一種與鋁液完全潤(rùn)濕的陰極材料基礎(chǔ)上，以保證鋁液順利地從陰極表面流入聚鋁溝中。當(dāng)陰極表面或局部表面與鋁液間潤(rùn)濕性變差，鋁液在陰極表面短暫停滯或成團(tuán)，從而導(dǎo)致陰極電流分布不均甚至短路，且陰極潤(rùn)濕性差的部位容易與電解質(zhì)直接接觸，加劇陰極的腐蝕滲透，降低電解槽壽命；其二，這種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)鋁電解槽，其可潤(rùn)濕性陰極與碳素陰極基體的結(jié)合難度大，容易使得可潤(rùn)濕性陰極與碳素陰極基體界面脫落分離。對(duì)于異型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽，從各鋁廠應(yīng)用統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)不好或異型陰極破損與變形較嚴(yán)重的異型陰極槽，槽內(nèi)形成大量的小紊流，導(dǎo)致電流效率下降嚴(yán)重；當(dāng)陰極“異型”程度較大時(shí)，對(duì)鋁液水平流速的降低和流動(dòng)形態(tài)的破壞較大，不利于物料在全槽的快速與均勻分布， 容易導(dǎo)致陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)增大，特別是對(duì)于現(xiàn)代300kA以上容量的大型槽，上述負(fù)面作用更加嚴(yán)重。一些鋁廠發(fā)現(xiàn)異型陰極的“凸臺(tái)”容易脫落，對(duì)槽壽命的影響還缺乏長(zhǎng)期實(shí)踐證明， 且異型陰極對(duì)電解槽的焙燒啟動(dòng)與運(yùn)行管理要求較高，操作與控制不好時(shí)容易出現(xiàn)病槽。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決技術(shù)問(wèn)題是提供一種滲流式鋁電解槽及穩(wěn)定鋁電解槽滲流陰極塊上層鋁液的方法，該滲流式鋁電解槽及穩(wěn)定鋁電解槽中鋁液的方法能有效減緩鋁液波動(dòng)， 減少鋁的二次反應(yīng)，有利于提高電流效率與降低極距。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種滲流式鋁電解槽，包括多個(gè)陰極炭塊，陰極炭塊底部設(shè)有陰極鋼棒；在陰極碳?jí)K上部沿平行于陰極鋼棒方向開設(shè)一條或多條橫向?qū)Я鳒?，滲流陰極覆蓋在部分或全部導(dǎo)流溝上，滲流陰極由一個(gè)或多個(gè)滲流陰極塊組合而成；橫向?qū)Я鳒吓c外部的鋁液之間具有滲流通道。滲流通道為滲流陰極塊間縫隙或或滲流孔或滲流塊與導(dǎo)流溝間的縫隙。滲流陰極塊上設(shè)有滲流孔，所述的滲流通道為滲流陰極塊間縫隙、滲流塊與導(dǎo)流溝間的縫隙或滲流孔。在鋁電解槽中縫對(duì)應(yīng)的陰極碳?jí)K區(qū)域開設(shè)一條或多條縱向?qū)Я鳒?。縱向?qū)Я鳒虾蜋M向?qū)Я鳒现苯訉?dǎo)通，或者，縱向?qū)Я鳒虾蜋M向?qū)Я鳒现g設(shè)有隔
掉丄回ο所有或部分滲流陰極的上表面處于同一平面。滲流陰極塊由TiB2, ZrB2, SiC、TiC、TiN、ZrC, SiO2, Si3N4、A1203、MgO, MgAl2O4, C 中的至少一種材料制成。滲流陰極塊采用平面左右凹合、Z字形上下凹合、粘接和直接拼接中的一種或多種方式進(jìn)行組合。滲流陰極塊的外形結(jié)構(gòu)為正方形、長(zhǎng)方形、三角形、梯形中的任一種，或由其中至少兩種形狀組合而成。一種穩(wěn)定鋁電解槽中鋁液的方法，采用前述的滲流式鋁電解槽，使得鋁液通過(guò)導(dǎo)流溝與外部的鋁液之間的滲流通道滲流到橫向?qū)Я鳒现?，從而穩(wěn)定鋁電解槽滲流陰極塊上層的鋁液。有益效果本發(fā)明的滲流式鋁電解槽及穩(wěn)定鋁電解槽中鋁液的方法，由于采用滲流式結(jié)構(gòu)， 鋁液可經(jīng)滲流陰極塊的滲流孔、或滲流陰極塊間縫隙、或滲流塊與導(dǎo)流溝間的縫隙滲流到導(dǎo)流溝中，因而可以有效減緩鋁液波動(dòng)，減少鋁的二次反應(yīng)，有利于提高電流效率與降低極距，可實(shí)現(xiàn)低電壓高效節(jié)能工藝技術(shù)；同時(shí)，對(duì)陰極的與鋁液完全潤(rùn)濕性和導(dǎo)電性要求大大降低，且整個(gè)陰極表面仍為水平面，便于鋁電解槽生產(chǎn)管理。本發(fā)明技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下1)滲流式鋁電解槽避免了當(dāng)前各種異型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽陰極表面凸起，且容易脫落，導(dǎo)致生產(chǎn)與管理難度增大的缺陷。2)滲流式陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽不僅陰極表面上儲(chǔ)有鋁液，而且在陰極導(dǎo)流溝內(nèi)也儲(chǔ)有鋁液，在適當(dāng)降低電解槽陰極表面上鋁液高度的同時(shí)，仍保證了電解槽內(nèi)一定的鋁液量， 便于低電壓高效節(jié)能工藝技術(shù)參數(shù)的調(diào)整。3)該結(jié)構(gòu)鋁電解槽充分利用在產(chǎn)槽內(nèi)鋁液良好的流動(dòng)性和導(dǎo)電性，對(duì)滲流陰極塊材料與鋁液完全潤(rùn)濕性和導(dǎo)電性的要求大大降低，在陰極真正導(dǎo)電的是鋁液，滲流式鋁電解槽克服了導(dǎo)流槽對(duì)陰極材料具有完全潤(rùn)濕和良好導(dǎo)電等性能的要求。4)滲流式鋁電解槽中的滲流塊盡管看似是將鋁液分隔成上下兩層，但是上下兩層鋁液仍是通過(guò)滲流塊邊縫或滲流孔或縱向?qū)Я鳒系人B通，上下兩層鋁液仍為一體，而且下層鋁液(即滲流塊以下的鋁液)非常穩(wěn)定，這樣對(duì)上層鋁液穩(wěn)定性的提高有顯著促進(jìn)作用，有利于對(duì)鋁電解槽中整個(gè)鋁液穩(wěn)定性的提高，有效減緩鋁液的波動(dòng)，減小鋁的二次反應(yīng)，有利于提高電流效率與降低極距，可實(shí)現(xiàn)鋁電解槽低電壓高效穩(wěn)定運(yùn)行，大幅度節(jié)能降耗，而且滲流槽陰極仍為平面，避免了異型陰極鋁電解槽陰極凸起所帶來(lái)的負(fù)面影響。


圖1為本發(fā)明的滲流式鋁電解槽結(jié)構(gòu)示意圖；1為側(cè)部塊、2為人造伸腿、3為滲流陰極塊、4為橫向?qū)Я鳒稀?為橫向?qū)Я鳒仙涎亍?為陰極碳?jí)K、7為炭間糊、8為陰極鋼棒、9 為防滲料層、10為保溫層、11為澆注料。圖2為單塊陰極俯視結(jié)構(gòu)示意圖；其中滲流陰極塊之間采用Z字形上下凹合，中縫對(duì)應(yīng)處碳?jí)K有200mm寬的縱向?qū)Я鳒?。圖3為單塊陰極俯視結(jié)構(gòu)示意圖；其中滲流陰極塊之間采用直接拼接而成，中縫對(duì)應(yīng)處沒(méi)有開溝。圖4為單塊陰極俯視結(jié)構(gòu)示意圖；其中滲流陰極塊之間為平面左右凹合圖5為圖2和圖3中A-A剖面圖。圖6為炭塊中間帶縱向?qū)Я鳒系目v向剖面圖(a)以及局部放大圖(圖b、c和d分別為圖a中的局部B、C和D的放大圖)。圖7為炭塊中間不帶縱向?qū)Я鳒系目v向剖面圖(a)以及局部放大圖(圖b、c和d 分別為圖a中的局部B、C和D的放大圖)；局部B、C和D的滲流塊之間采用Z字形機(jī)械凹合而成。圖8為圖2中的實(shí)心滲流陰極塊示意圖，且滲流塊四周帶有Z字形邊，在導(dǎo)流溝上滲流陰極塊之間可以采用機(jī)械凹合、或直接拼接、或粘接方式進(jìn)行組合。圖a為側(cè)視圖，圖 b為俯視圖。圖9為圖2中的含滲流孔的滲流陰極塊示意圖，且滲流塊四周帶有Z字形邊，在導(dǎo)流溝上滲流陰極塊之間可以采用機(jī)械凹合、或直接拼接、或粘接方式進(jìn)行組合。圖a為側(cè)視圖，圖b為俯視圖。圖10為圖3中的實(shí)心滲流陰極塊示意圖，且滲流塊為規(guī)整的六面體，在導(dǎo)流溝上滲流陰極塊之間可以采用直接拼接或粘接方式進(jìn)行組合。圖a為側(cè)視圖，圖b為俯視圖。圖11為圖3中的含滲流孔的滲流陰極塊示意圖，且滲流塊為規(guī)整的六面體，在導(dǎo)流溝上滲流陰極塊之間可以采用直接拼接或粘接方式進(jìn)行組合。圖a為側(cè)視圖，圖b為俯視圖。圖12為圖4中的實(shí)心滲流陰極塊示意圖，在導(dǎo)流溝上滲流陰極塊之間可以采用機(jī)械凹合、或直接拼接、或粘接方式進(jìn)行組合。圖a為側(cè)視圖，圖b為俯視圖。圖13為圖4中的含滲流孔的滲流陰極塊示意圖，在導(dǎo)流溝上滲流陰極塊之間可以采用機(jī)械凹合、或直接拼接、或粘接方式進(jìn)行組合。圖a為側(cè)視圖，圖b為俯視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1 如圖1-13所示，滲流式鋁電解槽陰極主要由滲流塊3和開有導(dǎo)流溝的陰極碳?jí)K6構(gòu)成，槽四周和底部主要由側(cè)部塊1、人工神腿2、澆注料11、防滲料層9以及保溫層10等構(gòu)成。滲流塊可以由 TiB2, ZrB2, SiC、TiC、TiN、ZrC, SiO2, Si3N4、A1203、MgO, MgAl2O4、C 中的一種或多種組成，滲流塊長(zhǎng)度為400 1800mm，寬度為360 410mm，高度為20 60mm，其外形結(jié)構(gòu)可以是正方形(圖8、圖9、圖10和圖11)、或長(zhǎng)方形、或三角形、或梯形中的一種或多種形狀組合而成(圖12)。且滲流塊可以不含滲流孔(圖8)或含有滲流孔(圖9)，滲流孔主要便于鋁液流入導(dǎo)流溝中，其直徑大小為4 10mm。滲流塊的邊部結(jié)構(gòu)可以是Z字形(圖7)，用于滲流塊之間的凹合(圖7)，滲流塊四周結(jié)構(gòu)也可以是規(guī)整的六面體頂面和底面為正方形的長(zhǎng)方體(圖10)，其滲流陰極塊之間可采用直接拼接或粘接方式組合而成 (圖6)，或者滲流陰極塊間采用平面左右凹合方式進(jìn)行連接(圖4)，且滲流陰極塊結(jié)構(gòu)如圖12 (實(shí)心)或圖13 (含滲流孔)所示。采用Z字形邊部結(jié)構(gòu)和左右凹合方式可顯著提高了滲流塊與滲流塊之間機(jī)械凹合后的穩(wěn)定性，但對(duì)加工要求相對(duì)較高，而采用規(guī)整的六面體結(jié)構(gòu)在加工方面相對(duì)容易，有利于粘接方式的實(shí)現(xiàn)。陰極炭塊寬度和高度分別為600 660mm和550 570mm，橫向?qū)Я鳒蠈挾群蜕疃确謩e為360 400mm和100 120mm，其中導(dǎo)流溝內(nèi)側(cè)上沿設(shè)有一個(gè)小階梯(圖5)，以便較好地放置和固定滲流塊。中縫對(duì)應(yīng)處陰極炭塊可以開設(shè)縱向?qū)Я鳒希v向?qū)Я鳒峡蓛?chǔ)存一定的鋁液量，有利于工藝技術(shù)參數(shù)的調(diào)整以及便于出鋁操作，(圖2)，其導(dǎo)流溝寬度和深度分別為200 300mm和100 120mm，且橫向?qū)Я鳒吓c縱向?qū)Я鳒现g可無(wú)隔墻或設(shè)置隔墻，隔墻寬度為250 400mm(圖2)，中縫對(duì)應(yīng)區(qū)陰極炭塊也可不設(shè)導(dǎo)流溝(圖3和圖4)。 滲流式鋁電解槽中的滲流塊盡管看似是將鋁液分隔成上下兩層，但是上下兩層鋁液仍是通過(guò)滲流塊邊縫或滲流孔或縱向?qū)Я鳒系人B通，上下兩層鋁液仍為一體，而且下層鋁液(即滲流塊以下的鋁液)非常穩(wěn)定，這樣對(duì)上層鋁液穩(wěn)定性的提高有顯著促進(jìn)作用， 有利于對(duì)鋁電解槽中整個(gè)鋁液穩(wěn)定性的提高，減緩了鋁液波動(dòng)，從而減小鋁的二次反應(yīng)，有利于提高電流效率與降低極距，可實(shí)現(xiàn)鋁電解槽低電壓高效穩(wěn)定運(yùn)行，大幅度節(jié)能降耗。同時(shí)，該滲流結(jié)構(gòu)鋁電解槽陰極表面仍為平面，給生產(chǎn)操作帶來(lái)便利，克服了異型陰極槽在換極和生產(chǎn)過(guò)程中沉淀與結(jié)塊在異型陰極溝內(nèi)匯集而導(dǎo)致異型陰極槽后期不穩(wěn)定、電流效率低、能耗高等問(wèn)題。
權(quán)利要求
1.一種滲流式鋁電解槽，包括多個(gè)陰極炭塊，陰極炭塊底部設(shè)有陰極鋼棒；其特征在于，在陰極碳?jí)K上部沿平行于陰極鋼棒方向開設(shè)一條或多條橫向?qū)Я鳒?，滲流陰極覆蓋在部分或全部導(dǎo)流溝上，滲流陰極由一個(gè)或多個(gè)滲流陰極塊組合而成；橫向?qū)Я鳒吓c外部的鋁液之間具有滲流通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲流式鋁電解槽，其特征在于，滲流通道為滲流陰極塊間縫隙或或滲流孔或滲流塊與導(dǎo)流溝間的縫隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲流式鋁電解槽，其特征在于，滲流陰極塊上設(shè)有滲流孔，所述的滲流通道為滲流陰極塊間縫隙、滲流塊與導(dǎo)流溝間的縫隙或滲流孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲流式鋁電解槽，其特征在于，在鋁電解槽中縫對(duì)應(yīng)的陰極碳?jí)K區(qū)域開設(shè)一條或多條縱向?qū)Я鳒稀?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的滲流式鋁電解槽，其特征在于，縱向?qū)Я鳒虾蜋M向?qū)Я鳒现苯訉?dǎo)通，或者，縱向?qū)Я鳒虾蜋M向?qū)Я鳒现g設(shè)有隔墻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲流式鋁電解槽，其特征在于，所有或部分滲流陰極的上表面處于同一平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲流式鋁電解槽，其特征在于，滲流陰極塊由TiB2、&B2、SiC、 TiC、TiN、ZrC, SiO2, Si3N4, A1203、MgO, MgAl2O4, C 中的至少一種材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的滲流式鋁電解槽，其特征在于，滲流陰極塊采用平面左右凹合、Z字形上下凹合、粘接和直接拼接中的一種或多種方式進(jìn)行組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的滲流式鋁電解槽，其特征在于，滲流陰極塊的外形結(jié)構(gòu)為正方形、長(zhǎng)方形、三角形、梯形中的任一種，或由其中至少兩種形狀組合而成。
10.一種穩(wěn)定鋁電解槽中鋁液的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的滲流式鋁電解槽，使得鋁液通過(guò)導(dǎo)流溝與外部的鋁液之間的滲流通道滲流到橫向?qū)Я鳒现校?從而穩(wěn)定鋁電解槽滲流陰極塊上層的鋁液。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種滲流式鋁電解槽及穩(wěn)定鋁電解槽中鋁液的方法，滲流式鋁電解槽，包括多個(gè)陰極炭塊，陰極炭塊底部設(shè)有陰極鋼棒；在陰極碳?jí)K上部沿平行于陰極鋼棒方向開設(shè)一條或多條橫向?qū)Я鳒?，滲流陰極覆蓋在部分或全部導(dǎo)流溝上，滲流陰極由一個(gè)或多個(gè)滲流陰極塊組合而成；橫向?qū)Я鳒吓c外部的鋁液之間具有滲流通道。鋁液可經(jīng)滲流陰極塊的滲流孔、或滲流陰極塊間縫隙、或滲流塊與導(dǎo)流溝間的縫隙滲流到導(dǎo)流溝中。本發(fā)明的滲流式鋁電解槽可以有效減緩鋁液波動(dòng)，減少鋁的二次反應(yīng)，有利于提高電流效率與降低極距，可實(shí)現(xiàn)低電壓高效節(jié)能工藝技術(shù)；同時(shí)，對(duì)陰極的與鋁液完全潤(rùn)濕性和導(dǎo)電性要求大大降低。
文檔編號(hào)C25C3/08GK102560544SQ20121001160
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者呂曉軍, 張紅亮, 李劼, 田忠良, 賴延清 申請(qǐng)人:中南大學(xué)