一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽的制作方法
【專利摘要】一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，涉及以冰晶石一氧化鋁熔體為電解質、熔鹽法生產鋁電解槽的改進。其結構包括：預焙陽極、下料裝置、粉塵凈化裝置；其特征在于其陰極系統(tǒng)的結構包括：電解槽體；設置在電鋁解槽體的兩端頭槽幫內的陰極隔墻，陰極隔墻底部與電鋁解槽體的下底間設有底通道；陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內壁形側通道；陰極母線，該陰極母線由陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內壁形側通道進入電解槽體。本實用新型的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，以無陰極炭塊?無鋼棒?無硼化鈦涂層的鋁液作為陰極，代替鋼棒?炭塊組陰極，消除了傳統(tǒng)鋁電解槽存在的陰極炭塊上的氧化鋁沉淀和蜂窩狀微電池缺陷，在電解生產過程中，不存在爐底沉淀生成的氧化鋁、碳化鋁對電解鋁液污染的問題。
【專利說明】
一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽
技術領域
[0001]—種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，涉及以冰晶石一氧化鋁熔體為電解質、熔鹽法生產鋁電解槽的改進。
【背景技術】
[0002]目前，常規(guī)電解鋁生產是以冰晶石一氧化鋁熔體為電解質，以碳為陽極，以液體鋁、陰極炭塊、陰極鋼棒組成的陰極體系為陰極，通直流電流，在陽極析出0)2氣體，在陰極析出液體鋁。按照目前的技術，生產11金屬鋁約須消耗15000kw.h電，在鋁電解940-960 V的工藝條件下，鋁電解的能量利用效率不足36%。在傳統(tǒng)鋁電解槽電流由陽極流經電解液、鋁液，從陰極流出。陽極壓降、極間電阻壓降(包括電解液、鋁液)、陰極壓降高是造成鋁電解能量利用效率低的重要原因。
[0003]在鋁電解槽電阻壓降中，陰極壓降約占電阻壓降的20%，鋁電解槽的陰極由槽內鋁液層和陰極炭塊組組成，陰極壓降由槽內鋁液層壓降、鋁碳接觸壓降、炭塊壓降、碳鋼接觸壓降、鋼棒壓降等部分組成。在電解槽投入使用的初期(投產一年左右)，陰極壓降隨電解槽使用時間的延長，有逐漸降低的趨勢(隨陰極炭塊石墨化程度提高而降低)。投產2-3年的電解槽，陰極壓降保持相對穩(wěn)定。以后，隨著電解槽使用時間的延長，陰極壓降有逐漸升高的趨勢。
[0004]傳統(tǒng)鋁電解槽的陰極炭塊組的炭塊與導電鋼棒之間產生碳-鋼接觸壓降，炭塊電壓降、碳-鋼接觸壓降隨槽齡增加而先降后升。電解鋁液與炭塊之間的接觸界面電壓降受爐底結殼狀態(tài)影響有較大的波動。以某型鋁電解槽為例，在爐底無結殼的情況下，電解鋁液與炭塊之間的接觸界面電壓降在20-28mv之間，炭塊電壓降為102mv，新槽期間的碳-鋼接觸壓降為69mv，鋼棒壓降為186mv。新槽期間的鋼棒電壓降約占爐底電壓降的48.8%。特別是，陰極炭塊組中的碳-鋼接觸壓降隨著槽齡的增加而增大，究其原因是由于:電解槽在使用過程中，槽內電解液通過陰極炭塊向底部滲透，滲透出的電解液在碳-鋼接觸部位冷卻，形成不導電的固體電解質層，使碳-鋼接觸壓降急劇上升。在傳統(tǒng)電解槽陰極炭塊上，易于形成氧化鋁沉淀，傳統(tǒng)鋁電解槽炭塊陰極上形成的蜂窩狀沉淀，陰極炭塊上形成的氧化鋁沉淀，受電解槽冷熱狀態(tài)影響而發(fā)生變化，沉淀可以是糊狀、板殼狀或者蜂窩狀，糊狀、板殼狀沉淀可以使槽電壓升高400mv-900mv，蜂窩狀沉淀不僅使陰極爐底壓降增加，還能形成以鋁為陽極、以陰極炭塊為陰極的微電池，在微電池的陽極上生成氧化鋁、在陰極上生成碳化鋁，炭塊陰極上生成的氧化鋁沉淀，增大電解鋁電耗、降低鋁電解電流效率，所生成的氧化鋁、碳化鋁造成電解鋁液污染。傳統(tǒng)鋁電解槽示意圖見圖1，傳統(tǒng)鋁電解槽陰極炭塊組見圖2，傳統(tǒng)鋁電解槽陰極鋼棒與炭塊之間的固體絕緣電解質層示意圖見圖3，傳統(tǒng)鋁電解槽炭陰極上形成的蜂窩狀沉淀示意圖見圖4。
[0005]綜上所述，由鋁液和陰極炭塊組組成陰極的傳統(tǒng)結構的鋁電解槽，陰極鋼棒電壓降約占爐底壓降的49%，極大地增加了鋁電解的電耗;在電解槽使用過程中，滲透出的電解液在碳-鋼接觸部位形成不導電的固體電解質層，使碳-鋼接觸壓降急劇上升，增大鋁電解電耗;在陰極炭塊上形成的氧化鋁沉淀，不僅使陰極爐底壓降增加，還能形成以鋁為陽極、以陰極炭塊為陰極的微電池，生成的氧化鋁、碳化鋁，增大電解鋁電耗、降低鋁電解電流效率，同時造成電解鋁液污染。

【發(fā)明內容】

[0006]本實用新型的目的就是針對上述已有技術存在的不足，提供一種能有效消除鋁-碳接觸壓降、炭塊電阻壓降、碳-鋼接觸壓降、鋼棒電阻壓降，降低鋁電解電耗，提高鋁電解電流效率的以鋁作為陰極的鋁電解槽。
[0007]本實用新型的目的通過以下技術方案實現(xiàn)的。
[0008]—種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，其結構包括:預焙陽極、下料裝置、粉塵凈化裝置；其特征在于其陰極系統(tǒng)的結構包括:
[0009]電解槽體，該電解槽體為由耐火-保溫材料構成的凹形槽體;在電解槽體上部邊緣設有槽幫；
[0010]陰極隔墻，該隔墻為各設置在電鋁解槽體的兩端頭槽幫內、與電解槽體側槽幫內壁固接的兩個隔墻，隔墻底部與電鋁解槽體的下底間設有底通道；陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內壁形側通道；
[0011]陰極母線，該陰極母線由陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內壁形側通道進入電解槽體。
[0012]本實用新型的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，其特征在于其陰極隔墻由電解槽體由里向外方向，依次由炭塊和耐火-保溫材料構成，其炭塊下部砌有氧化鋁陶瓷磚。
[0013]本實用新型的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，其特征在于設有陰極隔墻的兩端頭的電鋁解槽體的槽幫為向外的、斷面為“L”的槽幫。
[0014]本實用新型的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，是“一種以鋁作為陰極的鋁電解方法”的專利申請的專用電解槽。鋁電解生產時，鋁電解槽可采用常規(guī)陽極系統(tǒng)、下料系統(tǒng)、粉塵凈化系統(tǒng)，由于以無陰極炭塊-無鋼棒-無硼化鈦涂層的鋁液作為陰極，代替鋼棒-炭塊組陰極，消除了傳統(tǒng)鋁電解槽存在的陰極炭塊上的氧化鋁沉淀和蜂窩狀微電池缺陷，在電解生產過程中，不存在爐底沉淀生成的氧化鋁、碳化鋁對電解鋁液污染的問題。
【附圖說明】
[0015]圖1為已有技術的傳統(tǒng)鋁電解槽示意圖，其圖中，I為傳統(tǒng)電解槽。
[0016]圖2為已有技術的傳統(tǒng)鋁電解槽陰極炭塊組示意圖，其圖中，2為陰極炭塊組。
[0017]圖3為已有技術的傳統(tǒng)鋁電解槽陰極鋼棒與炭塊之間的固體絕緣電解質層示意圖；其圖中，2g為鋼棒與炭塊之間的固體絕緣電解質層。
[0018]圖4為已有技術的傳統(tǒng)鋁電解槽炭陰極上形成的蜂窩狀沉淀示意圖；其圖中，2h為陰極炭塊上形成的蜂窩狀微電池。
[0019]圖5為本實用新型的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽的結構示意圖；其圖中，3為陽極，4為下料裝置，5為粉塵凈化裝置，6為純鋁陰極系統(tǒng)，6a為電解槽體，6c為陰極隔墻，7為陰極母線，11為聯(lián)通通道。
[0020]圖6為本實用新型的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽的陰極結構A-A刨面示意圖；其圖中，6b為人造爐幫，7為陰極母線，8為炭塊，9為側部耐火-保溫層，10為氧化鋁陶瓷磚，11為聯(lián)通通道。
[0021 ]
【具體實施方式】
[0022]—種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，其結構包括:預焙陽極3、下料裝置4、粉塵凈化裝置5(見圖5);其陰極系統(tǒng)6的結構(見圖5、圖6)包括:
[0023]電解槽體6a(見圖5)，該電解槽體為由耐火-保溫材料構成的凹形槽體;在電解槽體上部邊緣設有槽幫6b(見圖6);
[0024]陰極隔墻6c，該隔墻為各設置在電鋁解槽體的兩端頭槽幫內、與電解槽體側槽幫內壁固接的兩個隔墻，隔墻底部與電鋁解槽體的下底間設有底通道；陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內壁形側通道；
[0025]陰極母線7，該陰極母線由陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內壁形側通道進入電解槽體。
[0026]本實用新型的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，其陰極隔墻6c由電解槽體由里向外方向，依次由炭塊8和耐火-保溫材料9構成，其炭塊下部砌有氧化鋁陶瓷磚10，見圖6。
[0027]本實用新型的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，其設有陰極隔墻的兩端頭的電鋁解槽體的槽幫為向外的、斷面為“L”的槽幫。
[0028]使用時，采用電解槽底部的鋁液作為陰極進行鋁電解;其電解槽底部的鋁液與陰極母線接觸形成鋁電解的陰極。
[0029]在電鋁解槽的兩端頭內側設有與電解槽側壁固接有隔墻，隔墻底伸入鋁液、與電解槽底形成鋁液下部通道，隔墻與電鋁解槽的兩端頭內壁形鋁液側通道，陰極母線在鋁液側通道中與鋁液接觸;其隔墻炭塊下部砌有氧化鋁陶瓷磚的作用是阻斷側部炭塊與純鋁陰極之間的水平電流，增加鋁液的安靜性能，提高電流效率。
[0030]本實用新型的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，針對傳統(tǒng)電解槽存在的陰極鋼棒壓降高、鋼棒和炭塊之間易于形成固體電解質絕緣層、陰極炭塊上易于形成氧化鋁沉淀和蜂窩狀微電池，生成的氧化鋁、碳化鋁，增大電解鋁電耗、降低鋁電解電流效率等不足，以純鋁鋁液陰極代替鋼棒-炭塊組組成的陰極；以純鋁鋁液陰極代替鋼棒-炭塊陰極的好處是:降低新槽期間的爐底壓降95%以上。以某型電解槽為例，降低鋁-碳接觸壓降24mv(20-28mv)、爐底鋼棒壓降186mv、炭塊壓降102mv、碳-鋼接觸壓降69mv為例計算，噸招降低電耗1234kw.h;消除了碳-鋼界面形成固體電解質絕緣層，使電解槽在整個壽命期內，爐底壓降始終維持在極低的水平，極大地降低鋁電解電耗。
[0031]本實用新型的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，可發(fā)以純鋁陰極代替鋼棒-炭塊組陰極，消除了傳統(tǒng)鋁電解槽存在的陰極炭塊上的氧化鋁沉淀和蜂窩狀微電池缺陷，在電解生產過程中，不存在爐底沉淀生成的氧化鋁、碳化鋁對電解鋁液污染的問題。
[0032]陰極出電母線安放在隔墻與電鋁解槽的兩端頭內壁形鋁液側通道內，母線槽與下層鋁液之間通過聯(lián)通通道聯(lián)為一體。母線槽和聯(lián)通通道中的鋁液為固態(tài)，當電解槽的熱平衡發(fā)生變化時，聯(lián)通通道11中的鋁液在固態(tài)、半固態(tài)、液態(tài)之間轉化，此時，純鋁陰極通過溢流和補縮確保從純鋁陰極—聯(lián)通通道—陰極出電母線7之間的出電回路暢通，保證電解過程連續(xù)進行。
[0033]與傳統(tǒng)鋁電解槽相比，以鋁液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的炭塊-鋼棒復合陰極，消除了鋁-碳接觸壓降、炭塊電阻壓降、碳-鋼接觸壓降、鋼棒電阻壓降，以某型傳統(tǒng)鋁電解槽為例，降低爐底壓降381mv，相當于降低噸鋁電耗1234kw.h，相當于鋁電解產業(yè)全年降低電耗384億度；消除了因電解液滲透形成的固體電解質絕緣層，使電解槽在整個壽命期內，爐底壓降始終維持在極低的水平，極大地降低鋁電解電耗;消除了因爐底沉淀引起的氧化鋁、碳化鋁對電解鋁液的污染，降低電解鋁電耗、提高了鋁電解電流效率，具有很高的經濟價值和社會效益。
【主權項】
1.一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，其結構包括:預焙陽極、下料裝置、粉塵凈化裝置;其特征在于其陰極系統(tǒng)的結構包括: 電解槽體，該電解槽體為由耐火-保溫材料構成的凹形槽體;在電解槽體上部邊緣設有槽幫； 陰極隔墻，該隔墻為各設置在電鋁解槽體的兩端頭槽幫內、與電解槽體側槽幫內壁固接的兩個隔墻，隔墻底部與電鋁解槽體的下底間設有底通道；陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內壁形側通道； 陰極母線，該陰極母線由陰極隔墻與電鋁解槽體端頭槽幫內壁形側通道進入電解槽體。2.根據權利要求1所述的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，其特征在于其陰極隔墻由電解槽體由里向外方向，依次由炭塊和耐火-保溫材料構成，其炭塊下部砌有氧化鋁陶瓷磚。3.根據權利要求1所述的一種純鋁陰極低能耗鋁電解槽，其特征在于設有陰極隔墻的兩端頭的電鋁解槽體的槽幫為向外的、斷面為“L”的槽幫。
【文檔編號】C25C3/08GK205616961SQ201620363659
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】賀永東, 曾慧楠, 孫郅程, 刑詩雨, 張程武, 趙風君
【申請人】新疆大學