CN102560544B - 渗流式铝电解槽及稳定铝电解槽中铝液的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渗流式铝电解槽及稳定铝电解槽中铝液的方法，渗流式铝电解槽，包括多个阴极炭块，阴极炭块底部设有阴极钢棒；在阴极碳块上部沿平行于阴极钢棒方向开设一条或多条横向导流沟，渗流阴极覆盖在部分或全部导流沟上，渗流阴极由一个或多个渗流阴极块组合而成；横向导流沟与外部的铝液之间具有渗流通道。铝液可经渗流阴极块的渗流孔、或渗流阴极块间缝隙、或渗流块与导流沟间的缝隙渗流到导流沟中。本发明的渗流式铝电解槽可以有效减缓铝液波动，减少铝的二次反应，有利于提高电流效率与降低极距，可实现低电压高效节能工艺技术；同时，对阴极的与铝液完全润湿性和导电性要求大大降低。

Description

渗流式铝电解槽及稳定铝电解槽中铝液的方法

技术领域

本发明涉及一种渗流式铝电解槽及稳定铝电解槽中铝液的方法，属于铝电解技术领域。

背景技术

传统Hall-Héroult铝电解工艺一直是工业炼铝的唯一方法，其高能耗是Hall-Héroult工艺存在的主要缺点之一。因现行炭素阴极与铝液间润湿性差，铝液难以稳定平铺在炭素阴极表面上，为了避免电解质与阴极的接触及阴极电流分布不均，电解过程中阴极表面上必须保留一定高度的铝液，使得铝液在自身重力作用下覆盖在炭素阴极表面上。然而，在电磁力的干扰下，阴极表面上的铝液出现波动，为了减少铝液二次反应的发生，必须保持较高的极距和槽电压，很大一部分能量被消耗在极距间的欧姆电压降上，从而导致铝电解能耗上升。

针对现行铝电解存在的高能耗问题，国内外申报了大量的有关导流型铝电解槽和新型阴极结构铝电解槽的专利，以实现铝电解的节能降耗。对于导流型铝电解槽，如U.S.005028301和U.S.005043047专利中，提到采用一定倾斜度的斜坡阴极，即阴极朝槽中间或槽两边倾斜，槽中间或槽周边带有聚铝沟结构，从而构成所谓“导流型”铝电解槽，旨在通过减小极距，以实现铝电解节能的目的。该类导流型铝电解槽基于可润湿性阴极，在电解过程中产生的铝液直接流入中间或边部聚铝沟中，阴极表面上只保留薄薄的一层铝液，且整个电解槽中储存的铝液量较少，极距可望减小到1～2cm，从而实现铝电解的节能降耗。但是，这种导流型铝电解槽在结构设计上存在一定的局限性，其一，这种导流结构铝电解槽必须建立在一种与铝液完全润湿的阴极材料基础上，以保证铝液顺利地从阴极表面流入聚铝沟中。当阴极表面或局部表面与铝液间润湿性变差，铝液在阴极表面短暂停滞或成团，从而导致阴极电流分布不均甚至短路，且阴极润湿性差的部位容易与电解质直接接触，加剧阴极的腐蚀渗透，降低电解槽寿命；其二，这种导流结构铝电解槽，其可润湿性阴极与碳素阴极基体的结合难度大，容易使得可润湿性阴极与碳素阴极基体界面脱落分离。对于异型阴极结构铝电解槽，从各铝厂应用统计结果来看，设计不好或异型阴极破损与变形较严重的异型阴极槽，槽内形成大量的小紊流，导致电流效率下降严重；当阴极“异型”程度较大时，对铝液水平流速的降低和流动形态的破坏较大，不利于物料在全槽的快速与均匀分布，容易导致阳极效应系数增大，特别是对于现代300kA以上容量的大型槽，上述负面作用更加严重。一些铝厂发现异型阴极的“凸台”容易脱落，对槽寿命的影响还缺乏长期实践证明，且异型阴极对电解槽的焙烧启动与运行管理要求较高，操作与控制不好时容易出现病槽。

发明内容

本发明要解决技术问题是提供一种渗流式铝电解槽及稳定铝电解槽渗流阴极块上层铝液的方法，该渗流式铝电解槽及稳定铝电解槽中铝液的方法能有效减缓铝液波动，减少铝的二次反应，有利于提高电流效率与降低极距。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种渗流式铝电解槽，包括多个阴极炭块，阴极炭块底部设有阴极钢棒；在阴极碳块上部沿平行于阴极钢棒方向开设一条或多条横向导流沟，渗流阴极覆盖在部分或全部导流沟上，渗流阴极由一个或多个渗流阴极块组合而成；横向导流沟与外部的铝液之间具有渗流通道。

渗流通道为渗流阴极块间缝隙或或渗流孔或渗流块与导流沟间的缝隙。

渗流阴极块上设有渗流孔，所述的渗流通道为渗流阴极块间缝隙、渗流块与导流沟间的缝隙或渗流孔。

在铝电解槽中缝对应的阴极碳块区域开设一条或多条纵向导流沟。

纵向导流沟和横向导流沟直接导通，或者，纵向导流沟和横向导流沟之间设有隔墙。

所有或部分渗流阴极的上表面处于同一平面。

渗流阴极块由TiB₂、ZrB₂、SiC、TiC、TiN、ZrC、SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、MgO、MgAl₂O₄、C中的至少一种材料制成。

渗流阴极块采用平面左右凹合、Z字形上下凹合、粘接和直接拼接中的一种或多种方式进行组合。

渗流阴极块的外形结构为正方形、长方形、三角形、梯形中的任一种，或由其中至少两种形状组合而成。

一种稳定铝电解槽中铝液的方法，采用前述的渗流式铝电解槽，使得铝液通过导流沟与外部的铝液之间的渗流通道渗流到横向导流沟中，从而稳定铝电解槽渗流阴极块上层的铝液。

有益效果

本发明的渗流式铝电解槽及稳定铝电解槽中铝液的方法，由于采用渗流式结构，铝液可经渗流阴极块的渗流孔、或渗流阴极块间缝隙、或渗流块与导流沟间的缝隙渗流到导流沟中，因而可以有效减缓铝液波动，减少铝的二次反应，有利于提高电流效率与降低极距，可实现低电压高效节能工艺技术；同时，对阴极的与铝液完全润湿性和导电性要求大大降低，且整个阴极表面仍为水平面，便于铝电解槽生产管理。

本发明技术的优点如下：

1)渗流式铝电解槽避免了当前各种异型阴极结构铝电解槽阴极表面凸起，且容易脱落，导致生产与管理难度增大的缺陷。

2)渗流式阴极结构铝电解槽不仅阴极表面上储有铝液，而且在阴极导流沟内也储有铝液，在适当降低电解槽阴极表面上铝液高度的同时，仍保证了电解槽内一定的铝液量，便于低电压高效节能工艺技术参数的调整。

3)该结构铝电解槽充分利用在产槽内铝液良好的流动性和导电性，对渗流阴极块材料与铝液完全润湿性和导电性的要求大大降低，在阴极真正导电的是铝液，渗流式铝电解槽克服了导流槽对阴极材料具有完全润湿和良好导电等性能的要求。

4)渗流式铝电解槽中的渗流块尽管看似是将铝液分隔成上下两层，但是上下两层铝液仍是通过渗流块边缝或渗流孔或纵向导流沟等所连通，上下两层铝液仍为一体，而且下层铝液(即渗流块以下的铝液)非常稳定，这样对上层铝液稳定性的提高有显著促进作用，有利于对铝电解槽中整个铝液稳定性的提高，有效减缓铝液的波动，减小铝的二次反应，有利于提高电流效率与降低极距，可实现铝电解槽低电压高效稳定运行，大幅度节能降耗，而且渗流槽阴极仍为平面，避免了异型阴极铝电解槽阴极凸起所带来的负面影响。

附图说明

图1为本发明的渗流式铝电解槽结构示意图；1为侧部块、2为人造伸腿、3为渗流阴极块、4为横向导流沟、5为横向导流沟上沿、6为阴极碳块、7为炭间糊、8为阴极钢棒、9为防渗料层、10为保温层、11为浇注料。

图2为单块阴极俯视结构示意图；其中：渗流阴极块之间采用Z字形上下凹合，中缝对应处碳块有200mm宽的纵向导流沟。

图3为单块阴极俯视结构示意图；其中：渗流阴极块之间采用直接拼接而成，中缝对应处没有开沟。

图4为单块阴极俯视结构示意图；其中：渗流阴极块之间为平面左右凹合

图5为图2和图3中A-A剖面图。

图6为炭块中间带纵向导流沟的纵向剖面图(a)以及局部放大图(图b、c和d分别为图a中的局部B、C和D的放大图)。

图7为炭块中间不带纵向导流沟的纵向剖面图(a)以及局部放大图(图b、c和d分别为图a中的局部B、C和D的放大图)；局部B、C和D的渗流块之间采用Z字形机械凹合而成。

图8为图2中的实心渗流阴极块示意图，且渗流块四周带有Z字形边，在导流沟上渗流阴极块之间可以采用机械凹合、或直接拼接、或粘接方式进行组合。图a为侧视图，图b为俯视图。

图9为图2中的含渗流孔的渗流阴极块示意图，且渗流块四周带有Z字形边，在导流沟上渗流阴极块之间可以采用机械凹合、或直接拼接、或粘接方式进行组合。图a为侧视图，图b为俯视图。

图10为图3中的实心渗流阴极块示意图，且渗流块为规整的六面体，在导流沟上渗流阴极块之间可以采用直接拼接或粘接方式进行组合。图a为侧视图，图b为俯视图。

图11为图3中的含渗流孔的渗流阴极块示意图，且渗流块为规整的六面体，在导流沟上渗流阴极块之间可以采用直接拼接或粘接方式进行组合。图a为侧视图，图b为俯视图。

图12为图4中的实心渗流阴极块示意图，在导流沟上渗流阴极块之间可以采用机械凹合、或直接拼接、或粘接方式进行组合。图a为侧视图，图b为俯视图。

图13为图4中的含渗流孔的渗流阴极块示意图，在导流沟上渗流阴极块之间可以采用机械凹合、或直接拼接、或粘接方式进行组合。图a为侧视图，图b为俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1-13所示，渗流式铝电解槽阴极主要由渗流块3和开有导流沟的阴极碳块6构成，槽四周和底部主要由侧部块1、人工神腿2、浇注料11、防渗料层9以及保温层10等构成。渗流块可以由TiB₂、ZrB₂、SiC、TiC、TiN、ZrC、SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、MgO、MgAl₂O₄、C中的一种或多种组成，渗流块长度为400～1800mm，宽度为360～410mm，高度为20～60mm，其外形结构可以是正方形(图8、图9、图10和图11)、或长方形、或三角形、或梯形中的一种或多种形状组合而成(图12)。且渗流块可以不含渗流孔(图8)或含有渗流孔(图9)，渗流孔主要便于铝液流入导流沟中，其直径大小为4～10mm。渗流块的边部结构可以是Z字形(图7)，用于渗流块之间的凹合(图7)，渗流块四周结构也可以是规整的六面体【顶面和底面为正方形的长方体】(图10)，其渗流阴极块之间可采用直接拼接或粘接方式组合而成(图6)，或者渗流阴极块间采用平面左右凹合方式进行连接(图4)，且渗流阴极块结构如图12(实心)或图13(含渗流孔)所示。采用Z字形边部结构和左右凹合方式可显著提高了渗流块与渗流块之间机械凹合后的稳定性，但对加工要求相对较高，而采用规整的六面体结构在加工方面相对容易，有利于粘接方式的实现。阴极炭块宽度和高度分别为600～660mm和550～570mm，横向导流沟宽度和深度分别为360～400mm和100～120mm，其中导流沟内侧上沿设有一个小阶梯(图5)，以便较好地放置和固定渗流块。中缝对应处阴极炭块可以开设纵向导流沟，纵向导流沟可储存一定的铝液量，有利于工艺技术参数的调整以及便于出铝操作，(图2)，其导流沟宽度和深度分别为200～300mm和100～120mm，且横向导流沟与纵向导流沟之间可无隔墙或设置隔墙，隔墙宽度为250～400mm(图2)，中缝对应区阴极炭块也可不设导流沟(图3和图4)。

渗流式铝电解槽中的渗流块尽管看似是将铝液分隔成上下两层，但是上下两层铝液仍是通过渗流块边缝或渗流孔或纵向导流沟等所连通，上下两层铝液仍为一体，而且下层铝液(即渗流块以下的铝液)非常稳定，这样对上层铝液稳定性的提高有显著促进作用，有利于对铝电解槽中整个铝液稳定性的提高，减缓了铝液波动，从而减小铝的二次反应，有利于提高电流效率与降低极距，可实现铝电解槽低电压高效稳定运行，大幅度节能降耗。同时，该渗流结构铝电解槽阴极表面仍为平面，给生产操作带来便利，克服了异型阴极槽在换极和生产过程中沉淀与结块在异型阴极沟内汇集而导致异型阴极槽后期不稳定、电流效率低、能耗高等问题。

Claims (10)

1.一种渗流式铝电解槽，包括多个阴极炭块，阴极炭块底部设有阴极钢棒；其特征在于，在阴极碳块上部沿平行于阴极钢棒方向开设一条或多条横向导流沟，渗流阴极覆盖在部分或全部横向导流沟上，渗流阴极由一个或多个渗流阴极块组合而成；横向导流沟与外部的铝液之间具有渗流通道。

2.根据权利要求1所述的渗流式铝电解槽，其特征在于，渗流通道为渗流阴极块间缝隙或渗流孔或渗流阴极块与横向导流沟间的缝隙。

3.根据权利要求1所述的渗流式铝电解槽，其特征在于，渗流阴极块上设有渗流孔，所述的渗流通道为渗流阴极块间缝隙、渗流阴极块与导流沟间的缝隙或渗流孔。

4.根据权利要求1所述的渗流式铝电解槽，其特征在于，在铝电解槽中缝对应的阴极碳块区域开设一条或多条纵向导流沟。

5.根据权利要求4所述的渗流式铝电解槽，其特征在于，纵向导流沟和横向导流沟直接导通，或者，纵向导流沟和横向导流沟之间设有隔墙。

6.根据权利要求1所述的渗流式铝电解槽，其特征在于，所有或部分渗流阴极的上表面处于同一平面。

7.根据权利要求1所述的渗流式铝电解槽，其特征在于，渗流阴极块由TiB₂、ZrB₂、SiC、TiC、TiN、ZrC、SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、MgO、MgAl₂O₄、C中的至少一种材料制成。

8.根据权利要求1-7任一项所述的渗流式铝电解槽，其特征在于，渗流阴极块采用平面左右凹合、Z字形上下凹合、粘接和直接拼接中的一种或多种方式进行组合。

9.根据权利要求8所述的渗流式铝电解槽，其特征在于，渗流阴极块的外形结构为正方形、长方形、三角形、梯形中的任一种，或由其中至少两种形状组合而成。

10.一种稳定铝电解槽中铝液的方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的渗流式铝电解槽，使得铝液通过横向导流沟与外部铝液之间的渗流通道渗流到横向导流沟中，从而稳定铝电解槽渗流阴极块上层的铝液。