一种单点加料W形铝电解槽及其填充块

1.一种单点加料W形阳极铝电解槽，其特征在于倾斜阳极和两侧的填充块组成W形阳极组；阳极导电面和阴极导电面等距设置；
填充块设置在阳极和侧部碳块之间，可以是导电材料或非导电材料；电解槽启动和槽内铝液较少时，填充块放下，占有大部分导流沟空间；发生结壳或者导流沟内有大量沉淀物时，填充块可以接通电源或不连接电源；槽内铝液较多时，填充块升起，腾出大量导流沟空间，让铝液流入沟内；
定位块镶嵌在填充块或者阳极上，即可以是小块也可以是大板状，用于精确控制阳极与侧部碳块之间的距离。
2.根据权利要求1所述的单点加料W形阳极铝电解槽，其特征在于：单点加料孔设置在两块倾斜阳极之间，加料孔由倾斜阳极上的两个半圆组成或者直接利用阳极的间隙作为加料孔，是添加氧化铝的主要通道。
3.根据权利要求1所述的单点加料W形阳极铝电解槽，其特征在于：底部倾斜阴极和侧部碳块组成“山”字形阴极组，倾斜阴极两端设有方形或半V形导流沟；倾斜阴极的导电面和铅垂线夹角θ为：0°＜θ＜15°或者75°＜θ≤90°。
4.根据权利要求1所述的单点加料W形阳极铝电解槽，其特征在于：填充块单独悬挂，自由升降，可以连接电源或不连接电源。
5.根据权利要求1所述的单点加料W形阳极铝电解槽，其特征在于：导电材料或非导电材料采用多种材料复合制作。

一种单点加料W形铝电解槽及其填充块\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种单点加料W形铝电解槽及其填充块，属有色轻金属冶金技术领域。\n背景技术\n[0002] 现行的霍尔-埃鲁特（Hall-Heroult）铝电解技术一直采用板式水平放置的阴阳极， 极间距为4～6㎝，阴阳极均为石墨质炭块。这种方法的优点是阴阳极材料的导电性优良、抗高温腐蚀性好、形状简单、易于加工制作；但板式水平电极也存在一些缺陷：电解过程中，在阳极上新生的氧原子会氧化炭阳极，放出CO2和CO，造成环境污染；板式水平阴阳极电解过程中，电解出的阴极铝布满阴极表面，而且铝液层厚度不断增加，实际的极间距也相应减小，铝液层逐步向阳极靠近，加上电解槽内存在电磁作用引起铝液面的波动，也增加了阴极铝的二次氧化，反应式为：AL（l）+CO2(g)→Al203+CO。由于二次氧化的影响，水平阴阳极的极间距要大于4㎝，根据己有资料表明［1、2］，若能使铝电解的极间距L下降50％，电解槽的槽电压将能降低19～ 19.5％，相应的铝电解的能耗也将等比例下降；其次是电流效率（CE），减少铝电解过程中的电流损失，可以提高电流效率。电流损失的主要原因是新生成的铝被二次氧化，因此减少阴极上铝的二次氧化，也是提高电流效率的重要手段之一，而提高电流效率也可以节约吨铝电耗。随着铝电解技术的进步和装备水平的提高，电流效率也从早期的85％提高到93～95％［1］。在水平阴阳极电解技术条件下，该数值己接近于极限；\n[0003] 中国专利（2010105064567）描述的节能型熔盐铝电解槽容易造成阴极底部的铝液收集槽结壳，而且无法用简易的焦粒焙烧技术启动，需要采用成本较高的全电解质火焰-铝液焙烧启动技术[3]；\n[0004] 参考文献\n[0005] [1]刘业翔、李吉等“现代铝电解”（M），冶金工业出版社（2008年8月）；\n[0006] [2]邱竹贤，“铝电解的原理”（M），中国矿业大学出版社；\n[0007] [3]王飚，一种节能型熔盐铝电解槽及其方法，2010105064567（P），2010-10-14。\n发明内容\n[0008] 本发明的目标在于克服现有铝电解技术的不足，在不改变现有单点加料的工艺模式下，完善倾斜导流式铝电解槽技术，采用填充块克服阴极结壳，采用定位块控制电极之间的距离，在不降低生产率前提下，提供了一种大幅度节约能耗、显著减小铝电解槽尺寸的新型装置和操作方法。本发明的节能型单点加料倾斜式熔盐铝电解槽，其阴阳极结构和阴极铝液的分布方式与现行的铝电解槽完全不同，属于一种倾斜阴阳极导流电解槽，并且增加了填充块和定位块。具体不同点如下：\n[0009] 1.本发明描述一种单点加料W形铝电解槽及其填充块，其特征在于倾斜阳极（1、\n21）由2块导电碳块组成，独立悬挂，倾斜阳极和两侧的填充块（4、24）组成W形阳极组，阳极导电面与阴极导电面等距设置；\n[0010] 2.单点加料孔设置在两块倾斜阳极之间，加料孔（3）由倾斜阳极（1、21）上的两个半圆组成或者直接利用阳极的间隙作为加料孔；\n[0011] 3.底部倾斜阴极（2、22）和侧部碳块（7）组成 “山”字形阴极组，倾斜阴极（2、22）两端设有方形（6）或半V形导流沟（26），倾斜阴极（2、22）的导电面与铅垂线的夹角θ为：0°＜θ＜15°或者75°＜θ≤90°；\n[0012] 4.填充块（4、24）设置在阳极（1、21）和侧部碳块（7）之间，可以是导电材料或非导电材料，也可以采用多种材料复合制作；\n[0013] 5.填充块（4、24）上装有定位块（5、25），定位块即可以是小块也可以是大板状；定位块（35）也可以直接装在阴极（2）上；\n[0014] 6.填充块（4、24）通过吊挂（13）单独悬挂，自由升降，可以连接电源或不连接电源；\n[0015] 本发明的节能型熔盐铝电解槽,其操作工艺参数和方法与目前的霍尔-埃鲁特铝电解以及其它导流电解技术有三个显著不同点：第一，采用定位块（5、25、35）精确控制阳极（1、21）和侧部碳块（7）之间的间距，避免阳极和碳块之间因距离过短产生电弧，也不必留出过大间隙，阳极和侧部碳块之间的间距可以减小到5～10㎝，电解槽尺寸大幅减小，散热面积也相应减小，最终吨铝电耗显著下降；第二是采用多块填充块（4、24）来调节导流沟内的铝液高度：槽内新生的铝液较少和电解槽启动时，填充块放下，占用大部分导流沟（6、26）空间，阻碍液态电解质和铝液流入导流沟内，防止电解质因温度下降而形成结壳，同时电解质中晶种铝也保持理想浓度；当槽内产出的铝液较多时，填充块升起，腾空导流沟，铝液流入沟内；第三是填充块还可以做成填充电极，通电后用于调节槽内热量、氧化铝浓度、清理结壳。本发明与现有铝电解技术相比，具有槽体尺寸小、成本低、能耗大幅度减少、电流效率显著提高的优点。\n[0016] 附图说明：\n[0017] 图1. 单点加料W形铝电解槽结构总图1;\n[0018] 图2. 单点加料W形阳电解槽结构总图2;\n[0019] 图3. 图1中的阳极俯视图;\n[0020] 图4. 图1中的填充块C向视图；\n[0021] 图5. 图2中的填充块C向视图。\n[0022] 具体实施方式：\n[0023] 本发明的节能型熔盐铝电解槽，由槽外壳（12）、保温及防渗漏层（11）、侧部碳块（7）、底部阴极碳块（8）、阴极导电钢棒（10）和阴极槽（2、22）组成“山”形槽体下半部分；由倒V形阳极（1、21）、阳极吊挂（9）、填充块（4）、填充块吊挂（13）组成W型的槽体上半部分。本发明所用的异形阴阳极，其制造方法与目前铝电解阴阳极的成形方法相似，材料、配料以及添加方法完全相同，同样采用阳极上方单点加料。不同点在于采用“山”和W形阴阳极代替水平阴阳极，增加了填充块。成形后阴阳极的焙烧固化工艺与目前水平阴阳极的工艺相同。电解铝时，除极间距较小和采用填充块外，其余操作工艺与目前的霍尔-埃鲁特电解工艺完全相同。\n[0024] 实施例1：\n[0025] 在3kg电解质的小试规模下，采用高纯石墨块制成的方形电解槽，放于坩埚炉中，外加热式工作，“山”形阴极和与之平行的阳极均采用高纯石墨块制作，阴阳极与铅垂线夹角=76°，导流沟宽20mm、深30mm。由于外加热容易调节温度，填充块不需要通电，使用15mm厚的刚玉板加工而成。电解质采用分子比CR=2.3的常规冰晶石3kg，熔化后，放入阳极并调整至平行于阴极导电面，保持950℃进行铝电解，阴阳极极间距20mm，电解时槽电压在2.8～\n3.0V之间波动，电解电流在110～120A之间波动，电解48小时后共收集到电解铝813克。据此算出小试电解电流效率为44.0％，吨铝电耗为21210kWh/T·Al。同等条件的水平阴阳极铝电解试验只产出电解铝691克，由此算出常规电解铝的小试电流效率为38.3％，吨铝电耗为\n43800kWh/T·Al。\n[0026] 实施例2：\n[0027] 如图1，中试电解槽采用两块独立阳极（1），倒V形悬挂，根据电解槽空间需要设计成平行四边形棱柱，长宽厚为50×50×20㎝；“山”形阴极（2）的长宽高尺寸为65×106×\n43cm，导流沟（6）采用方形设计，长宽深分别为65×14×10cm；填充块（4）同样设计成长方体，长高厚分别为60×50×12cm，侧面采用定位块（5）控制自身与侧部碳块的间距，顶部独立悬挂，连接电源，阴阳极和填充块（5）都采石墨块加工而成。电解槽内装电解质230kg，电解质成分同例1。阴极（2）导电面与铅垂线的夹角=14。。电解温度950℃，实行自热电解，电解电流设计值为4000A，实际工作电流在3990～4100A之间波动，阴阳极的极间距仍为2㎝2㎜，电解槽电压在2.9～3.0V之间波动。经过240小时连续自热式铝电解，收集到电解铝210kg，使用示踪原子法，在最后一次出铝前48小时加入示踪原子铜，由此算出残留于电解槽的电解铝共22kg，以上两项合计产铝232kg。电解的平均电流为4119A,平均槽电压为2.98V。据此算出中试电解的电流效率为89.05％，中试电解的吨铝电耗为：12700kwh/T·Al。\n[0028] 实施例3：\n[0029] 如图2，中试电解槽采用两块阳极（21）刚性连接，倒V形悬挂，每块阳极根据电解槽空间需要设计成多边形棱柱，长宽厚为50×50×20㎝；“山”形阴极槽（22）的长宽高尺寸为\n80×106×41cm，导流沟（26）采用半V形设计，长宽深分别为80×20×20cm；填充块（24）相应设计成半箭头形，长高厚分别为80×50×10cm，顶部独立悬挂，不连接电源，阴阳极和填充块都采用半石墨质炭块加工而成。其它条件同实施例2，实行自热式电解，设计电流强度为\n4000A，实际工作电流波动于4000～4160A。阴阳极的极间距为2㎝2㎜。经过240小时的连续电解，采集到电解铝209.9kg。电解过程中的平均槽电压为3.05V，平均电解电流为4013A，据此算出中试电解电流效率为80.13％，吨铝电耗为14000kWh/T·Al。对比同等条件下的水平阴阳极电解槽，电解168小时后，产出电解铝157.2kg，平均槽电压为4.25V，平均电解电流为\n4039A，据此可算出水平阴阳极的电流效率为69.04％，单位铝产电能耗为18340kWh/T·Al。