專利名稱：一種板式陰極集流方式鋁電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁電解槽，特別是涉及一種用熔鹽電解法制取金屬鋁的鋁電解槽。
背景技術(shù)：
目前，工業(yè)上原鋁是通過冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法生產(chǎn)的，主體設(shè)備為鋁電解槽。在生產(chǎn)過程中，電流經(jīng)母線傳導(dǎo)通過陽極進(jìn)入電解槽內(nèi)熔體(上層的電解質(zhì)和下層的鋁液)，再經(jīng)陰極匯集至鋼棒，由鋼棒導(dǎo)出至母線，再進(jìn)入下一槽，槽內(nèi)熔體具有一定的阻抗，電流產(chǎn)生相應(yīng)熱量維持電解質(zhì)和鋁液處于高溫熔融狀態(tài)，同時高強(qiáng)度的電流產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，磁場與電場相互作用形成電磁力場驅(qū)動熔體快速運(yùn)動，而在陽極表面由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣泡，氣泡受浮力作用上升進(jìn)一步攪動電解質(zhì)。通常在工業(yè)鋁電解槽中，極距維持在4 5cm，鋁水平維持在20cm左右。由于電解質(zhì)的導(dǎo)電性較差，極間壓降占到了槽電壓的1/3左右，每減小Icm極距，約可使槽電壓降低 300 350mv，由此可見，減小極距是在現(xiàn)行生產(chǎn)方法下降低鋁電解能耗的最重要的途徑。 然而，在減小極距的情況下，槽內(nèi)易出現(xiàn)磁流體不穩(wěn)定現(xiàn)象，即鋁液垂直波動加劇，使得生產(chǎn)無法穩(wěn)定進(jìn)行，同時，減小極距使得電解槽的熱收入降低，在槽保溫結(jié)構(gòu)已定的情況下， 需要相應(yīng)減小鋁水平以維持熱平衡，而減小鋁水平同樣可導(dǎo)致磁流體不穩(wěn)定現(xiàn)象?；诖耍?提高磁流體穩(wěn)定性，消除鋁液波動，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的核心問題。鋁電解槽內(nèi)鋁液中存在一定大小的水平電流，而當(dāng)鋁液-電解質(zhì)界面波動造成電流擾動或在換極等特殊工況下造成槽內(nèi)電流分布不均時，鋁液中的水平電流會加劇。鋁電解領(lǐng)域相關(guān)研究表明，鋁液中水平電流的存在是導(dǎo)致鋁液波動的重要因素，減小鋁液中水平電流可有效減弱鋁液波動。另一方面，傳統(tǒng)鋁電解槽陰極碳塊水平方向存在較大溫度梯度，則易出現(xiàn)局部熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，可導(dǎo)致陰極破損，影響槽壽命，因此減小陰極碳塊水平溫度梯度可提高槽壽命。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能減小鋁液中水平電流，減小碳塊中水平溫度梯度的板式陰極集流方式鋁電解槽。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的板式陰極集流方式鋁電解槽，包括底部耐火保溫結(jié)構(gòu)和陰極碳塊，所述的陰極碳塊無燕尾槽，在所述的底部耐火保溫結(jié)構(gòu)上設(shè)有銅或銅合金板，所述的陰極碳塊的底部與所述的銅或銅合金板相粘結(jié)，在所述的銅或銅合金板的側(cè)部或底部焊接有軟母線。所述的陰極碳塊的底部與所述的銅或銅合金板通過碳素糊相粘結(jié)。所述的銅或銅合金板在所述的陰極碳塊以下連續(xù)分布，所述的銅或銅合金板的厚度為5 40mmo采用上述技術(shù)方案的板式陰極集流方式鋁電解槽，陰極碳塊的底部和位于底部耐火保溫結(jié)構(gòu)上方的銅或銅合金板層通過碳素糊相粘結(jié)。陰極碳塊無燕尾槽，其材料同傳統(tǒng)的電解槽的陰極碳塊一樣，它可以是由無煙煤制成的陰極碳塊，也可以是由人造石墨碎或無煙煤和人造石墨碎混合料做成的陰極碳塊，還可以是石墨化或半石墨化的陰極碳塊。本發(fā)明板式陰極集流方式鋁電解槽中，銅或銅合金板在全槽陰極底部均勻連續(xù)分布，銅或銅合金板的厚度為5 40mm，陰極碳塊高度為240 350mm。采用側(cè)部出電方式的方案，軟母線與銅或銅合金板側(cè)面相焊接，再連至陰極母線；采用底部出電方式的方案，在銅或銅合金板底部焊接若干條垂直鋼棒，鋼棒另一端與軟母線相連。采用本發(fā)明提供的板式陰極集流方式鋁電解槽生產(chǎn)金屬鋁的方法與傳統(tǒng)的鋁電解生產(chǎn)金屬鋁的方法基本上是一樣的。其鋁水平為5 22cm，電解質(zhì)水平為12 22cm， 極距為2. 5 4. 5cm,電解溫度為915 960°C，電解質(zhì)分子比為2. 0 2. 8，氧化鋁濃度為 2 5%。造成鋁液中存在較大水平電流的主要原因是鋁液的電導(dǎo)率顯著優(yōu)于電解質(zhì)和陰極碳塊，也優(yōu)于高溫下的陰極鋼棒。針對現(xiàn)行鋁電解槽在結(jié)構(gòu)上的這一缺陷，本發(fā)明提供的以銅或銅合金板取代鋼棒的陰極集流方式鋁電解槽，由于銅或銅合金導(dǎo)電性優(yōu)于鋁液，故可將水平電流由鋁液層轉(zhuǎn)移至陰極碳塊底部的銅或銅合金板，另外，銅板和鋁液導(dǎo)熱性良好，使得陰極碳塊頂面和底面近似為等溫面，從而減小碳塊中水平溫度梯度。銅或銅合金熔點(diǎn)高于鋁電解工作溫度，機(jī)械性能和焊接性能良好，可滿足鋁電解槽選材要求。本發(fā)明提供的板式陰極集流方式鋁電解槽，可大幅減小鋁液中的水平電流，減小正常工況和特殊工況下鋁液的波動，使得鋁電解槽能在低極距、低鋁水平下穩(wěn)定運(yùn)行，同時可減小陰極碳塊中水平溫度梯度，有利于消除陰極碳塊中的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。本發(fā)明的新型陰極集流方式鋁電解槽可降低鋁電解生產(chǎn)能耗，提高電解槽壽命。
圖1為側(cè)部出電的陰極集流方式鋁電解槽結(jié)構(gòu)示意主視圖。圖2為側(cè)部出電的陰極集流方式鋁電解槽結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖。圖3為底部出電的陰極集流方式鋁電解槽結(jié)構(gòu)示意主視圖。圖4為底部出電的陰極集流方式鋁電解槽結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的板式陰極集流方式鋁電解槽為無蓋的長方形箱體結(jié)構(gòu)。該電解槽的外面是一個鋼制槽殼1 ；鋼制槽殼1內(nèi)襯有硅酸鈣板2 ；在底部硅酸鈣板2 之上鋪設(shè)耐火材料和保溫材料3 ；在耐火材料和保溫材料3之上設(shè)有銅或銅合金板4，其厚度為5 40mm ；銅或銅合金板4之上設(shè)有用碳素糊6與其相粘結(jié)的陰極碳塊5，陰極碳塊5 是由無煙煤，或人造石墨碎，或二者的混合物制成，也可以是用半石墨化或石墨化的碳塊制成，陰極碳塊5的高度為240 300mm，陰極碳塊5間用碳素糊6搗固；電解槽內(nèi)的側(cè)部內(nèi)襯為碳塊7，也是用無煙煤，或人造石墨碎，或二者的混合物制成，也可以是石墨化或半石墨化的碳塊，碳塊7也可以是用碳化硅或氮化硅材料制成；側(cè)部內(nèi)襯的碳塊7以下，底部的耐火材料和保溫材料3之上用耐火混凝土 8搗固，在碳塊7與底部的陰極碳塊5之間用碳素糊6進(jìn)行搗固。由圖1和圖2可以看出，此板式陰極集流方式鋁電解槽，其槽體、外殼、內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)、陰極碳塊以及碳塊之間的碳素糊結(jié)構(gòu)同現(xiàn)行工業(yè)鋁電解槽是一樣的。所不同的是在電解槽底部的陰極碳塊5無燕尾槽和陰極鋼棒，陰極碳塊5下方存在與陰極碳塊5底面相粘結(jié)的銅或銅合金板4，本發(fā)明電解槽由銅或銅合金板4匯集陰極電流，如果采用電解槽側(cè)部出電方案，則將軟母線與銅或銅合金板4側(cè)部焊接。如圖3和圖4所示，本發(fā)明電解槽由銅或銅合金板4匯集陰極電流，如果采用電解槽底部出電方案，則在銅或銅合金板4底部焊接若干條垂直鋼棒9，垂直鋼棒9由槽底部伸出，另一端與軟母線相連接。采用本發(fā)明提供的板式陰極集流方式鋁電解槽生產(chǎn)金屬鋁的方法如下1、按本發(fā)明提供的板式陰極集流方式鋁電解槽建造和構(gòu)筑電解槽。2、按與現(xiàn)行的電解槽一樣的焙燒方法和啟動方法，實(shí)施對本發(fā)明的陰極集流方式鋁電解槽的焙燒和啟動。3、在電解槽啟動后的正常生產(chǎn)技術(shù)管理中，電解槽中的鋁液水平為5 22cm，極距為2. 5 4. 5cm,電解溫度為915 960，電解質(zhì)分子比為2. 0 2. 8，氧化鋁濃度為2 5%，槽電壓為3. 3V 4. 2V。在上述工藝技術(shù)條件下，在陰極表面所發(fā)生的主反應(yīng)為Al3+(絡(luò)合離子)+!3e = Al。
權(quán)利要求
1.一種板式陰極集流方式鋁電解槽，包括底部耐火保溫結(jié)構(gòu)和陰極碳塊(5)，其特征是所述的陰極碳塊( 無燕尾槽，在所述的底部耐火保溫結(jié)構(gòu)上設(shè)有銅或銅合金板G)， 所述的陰極碳塊( 的底部與所述的銅或銅合金板(4)相粘結(jié)，在所述的銅或銅合金板(4) 的側(cè)部或底部焊接有軟母線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板式陰極集流方式鋁電解槽，其特征在于所述的陰極碳塊 (5)的底部與所述的銅或銅合金板(4)通過碳素糊相粘結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的板式陰極集流方式鋁電解槽，其特征在于所述的銅或銅合金板(4)在所述的陰極碳塊( 以下連續(xù)分布，所述的銅或銅合金板(4)的厚度為5 40mm ο
全文摘要
本發(fā)明公開了一種板式陰極集流方式鋁電解槽，包括底部耐火保溫結(jié)構(gòu)和陰極碳塊(5)，所述的陰極碳塊(5)無燕尾槽，在所述的底部耐火保溫結(jié)構(gòu)上設(shè)有銅或銅合金板(4)，所述的陰極碳塊(5)的底部與所述的銅或銅合金板(4)相粘結(jié)，在所述的銅或銅合金板(4)的側(cè)部或底部焊接有軟母線。由銅或銅合金板匯集陰極電流，本發(fā)明可大幅減小鋁液中的水平電流，減小鋁液的波動，使得鋁電解槽能在低極距、低鋁水平下穩(wěn)定運(yùn)行，同時可減小陰極碳塊中水平溫度梯度，提高槽壽命。
文檔編號C25C3/08GK102268695SQ20111023756
公開日2011年12月7日 申請日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者丁鳳其, 張紅亮, 徐宇杰, 李劼, 賴延清 申請人:中南大學(xué)