专利名称：一种异形阴极碳块结构铝电解槽的制作方法
技术领域：
本发明属于铝电解技术领域，特别涉及一种用熔盐电解法制取金属铝的铝电解槽。
背景技术：
目前，工业上的纯铝主要是用冰晶石-氧化铝熔盐电解的方法生产的。其专用设备为内衬有炭质材料的电解槽。此电解槽的钢制外壳与炭质内衬之间为耐火材料和保温砖。电解槽的炭质内衬一般由具有较好的抗钠和电解质腐蚀性能的无烟煤或石墨质材料或两者的混合物所制的炭砖(或块)砌筑而成。在它们之间的连接处用上述炭素材料制成的炭糊进行捣固。在电解槽底部炭块的底部安置有钢棒，并伸出电解槽的槽壳之外，此钢棒常称为电解槽的阴极钢棒。在电解槽的上方悬挂有用石油焦制成的炭质阳极，电解槽的阳极之上安置有金属制成的阳极导杆，通过此阳极导杆可以将电流导入，在炭质阴极和电解槽的炭质阳极之间为温度在940～970℃的冰晶石-氧化铝电解质熔体和熔融的金属铝液。此金属铝液和电解质熔体是互不相溶的，且铝的密度大于电解质熔体的密度，因此铝在电解质熔体的下面与炭阴极接触。当直流电流从电解槽的炭质阳极导入，从炭质阴极导出时，由于电解质熔体是离子导电体，便使溶解有氧化铝的冰晶石熔体在两极发生电化学反应。此反应的结果是含氧离子在阳极上放电所生成的氧与炭阳极上的炭反应，其电解产物以CO2的形式从阳极表面逸出。含铝的离子在阴极上放电，从阴极上获得3个电子，生成金属铝。此阴极反应是在电解槽中的金属铝液表面进行的。电解槽阴极表面与炭阳极底面之间的距离称为电解槽的极距。通常在工业铝电解槽中，电解槽的极距为4～5cm。极距在通常的工业铝电解生产中是一个非常重要的工艺和技术参数，太高或太低的极距都对铝电解生产影响，这是因为太低的极距会增加从阴极表面溶解到电解质熔体中的金属铝与阳极气体的二次反应，使电流效率降低；太高的极距会增加电解槽的槽电压，使铝电解生产的直流电耗增加。
作为铝电解生产来说，希望电解槽有最高的电流效率和最低的电能消耗，铝电解生产中，其直流电耗可以用如下公式来表示W(度电/吨铝)＝2980×V平/CE式中V平为电解槽的平均槽电压(伏)，CE为电解槽的电流效率(％)从上式可以看出，为了降低铝电解生产的电能消耗，可以通过提高电解槽的电流效率和降低电解槽的平均槽电压来实现。
电解槽的极距是决定槽电压大小的重要工艺和技术参数，就目前的工业电解槽而言，其极距每降低1mm，约使槽电压降低35mV左右，从(1)式可以看出，在不降低电解槽电流效率的情况下，它可以使铝电解生产的直流电耗每吨铝降低100多度电。由此可见，在不影响电流效率的情况下，降低极距，对铝电解生产的电能消耗意义重大。通常工业铝电解槽的极距在4.0～5.0cm，其大小是用一个带勾的15mm左右的冷钢纤竖直伸入电解槽的电解质熔体中并垂直地勾在阳极底掌面上约一分钟左右后，从电解槽中提出，利用铝与电解质的分界面，观测出铝液面与阳极底掌面之间的距离，因此用这种方法测出的极距并非是电解槽的真正极距，这是因为电解槽内的金属铝液面受电解槽内电磁场力和阳极气体从阳极逸出时，对金属铝液面作用产生波动。有文献报导，电解槽阴极铝液面波峰高度约在2.0cm左右。假如电解槽没有铝液波动，那么电解槽可在2.0～3.0cm的极距下进行电解生产。这样，可使槽电压降低0.7～1.0伏，从而达到使电解槽节电2000～3000度电/吨铝的目标。基于这种理论，若干种阴极没有铝液波动的泄流式TiB2/C阴极电解槽的发明专利相继诞生，并投入工业规模试验，最高的泄流式TiB2/C阴极电解槽的电流强度达到了70KA，其技术指标达到了阴极电流密度0.99A.cm-2，电耗为12800度电/吨铝，但电解槽试验运行了仅仅70天。这是1998年，澳大利亚第六届国际铝电解技术研讨会给出的信息。自此以后已经过去8年多时间了，就再也没有与此有关的继续试验和应用的报导。根据我们在国家自然科学基金资助下于2002～2003年进行的具有自热性能的1350～2000A泄流式TiB2/C阴极电解槽的试验结果中发现；这种电解槽出现了一个我们以前末曾预见到的现象。这就是泄流式TiB2/C阴极电解槽的阴极过电压和阴极电压降都很高，比正常的电解槽阴极压降高0.5伏以上，分析其原因可能是由于阴极极化作用，在阴极表面形成高分子比冰晶石，以及这种高分子比冰晶石扩散和传质缓慢，熔点高，在阴极表面形成坚硬的固态冰晶石使阴极表面电阻大大增加所致。目前这种情况尚无解决。如果这种情况不能解决，可能会使泄流式TiB2/C阴极电解槽的开发和应用研究遇到困难。泄流式TiB2/C的另一最大缺点，是阴极内没有足够量的铝液，而使电解槽的热稳定性很差，特别是在阳极效应时电解槽内瞬时产生的大量热不能通过具有良好的导热性能的铝液散发出去，或被铝液储存起来。
除此之外，现行的铝电解槽寿命不长，其最长的阴极寿命只有2500～3000天，在众多的破损电解槽中，大部分为早期破损，即是在早期电解槽生产过程中，槽内的阴极铝液从槽底内衬阴极碳块和侧部碳块与炭素糊之间的粘结处在焙烧和生产过程中所形成的裂缝，或碳块本身在焙烧过程中产生的裂纹中漏到槽底，将阴极钢棒熔化腐蚀造成的。
发明内容
针对目前泄流式TiB2/C阴极电解槽不足之处，和目前的工业铝电解槽阴极铝液面波动大，极距受到限制和槽电压不能进一步降低以及电解槽寿命低所存在的问题，本发明提供一种阴极碳块为异形结构的铝电解槽，使该电解槽在阴极表面上形成很多凸起的墙体。
实现本发明目的具体技术方案如下本发明的铝电解槽包括槽壳、设置在底部的耐火保温材料、侧部内衬碳块，安装有阴极钢棒的阴极碳块组以及它们之间的炭素捣固糊。
其阴极构成是在电解槽中使用若干表面带有凸起的异形结构阴极碳块，并连成一体，异形阴极碳块结构的材料同传统的电解槽的阴极碳块一样，它可以是由无烟煤作成的异形阴极碳块，也可以是由人造石墨碎或无烟煤和人造石墨碎的混和料作成的异形阴极碳块，还可以是石墨化或半石墨化的异形阴极碳块。
以这种异形阴极碳块砌成的电解槽其槽膛底部形成了许多具有与系列电流方向相平行的竖直垂立于槽底表面的凸起，这种凸起是电解槽阴极碳块的组成部分，每个阴极碳块上有1～8个这样的凸起，如果每个阴极底块上有2个这种的凸起，则每一个凸起的长度与其上的垂直于电解槽纵方向阳极的长度一致，其宽度小于底部的基体阴极碳块体的宽度，如阴极碳块基体的宽度为40cm，则此凸起的宽度为25～30cm，凸起的高度为8～15cm。
如果每个阴极碳块上有一个这样的凸起，则凸起的长度与底块阴极体的长度一致，如果阴极底块上有3个以上的凸起，则此凸起的长度为30～200cm。
采用本发明提供的异形阴极结构铝电解槽生产金属铝的方法与传统的铝电解槽生产金属铝的方法基本上是一样的。
其铝水平从槽底凸起墙体的上表面算起为5～20cm，槽电压3.0～4.5伏，铝水之上为熔融的电解质，电解质水平为15～25cm，极距为2.5～5.0cm，电解温度为935～975℃，电解质分子比为2.0～2.8，氧化铝浓度为2～5％。在正常生产过程中，其阴极表面的电极反应为Al3+(络合的)+3e＝Al本发明的阴极结构铝电解槽可以减缓电解槽内阴极铝液的流动速度和降低铝液的波动高度，从而达到提高铝电解槽的金属铝液面的稳定性，减少铝的溶解损失，提高电流效率和减少极距，降低铝电解生产电能消耗，以及在阴极底部凸起的墙体之间能形成粘稠冰晶石熔体氧化铝的混合物或沉淀物，阻止阴极铝液通过槽底裂纹和缝隙流入槽底，熔化钢棒，达到延长电解槽寿命的目的。
图1、图2为本发明的每个阴极碳块的上表面有2个凸起的的铝电解槽结构示意图，此时与阴极碳块的纵向相垂直的横断面，凸起部分的形状为矩形，其中图2为图1的侧视图；图3、图4为本发明的每个阴极碳块的上表面有1个凸起的铝电解槽结构示意图，此时与阴极碳块的纵向相垂直的横断面，凸起部分的形状为矩形，其中图4为图3的侧视图；图5、图6为本发明的每个阴极碳块上有6个凸起的铝电解槽结构示意图，此时与阴极碳块的纵向相垂直的横断面，凸起部分的形状为矩形，其中图6为图5的侧视图；图7、图8为本发明的每个阴极碳块的上表面有2个凸起的的铝电解槽结构示意图，此时与阴极碳块的纵向相垂直的横断面，凸起部分的形状为凸形，其中图8为图7的侧视图。
图中，1为电解槽外部钢制槽壳；2为电解槽内衬的石棉板；3为电解槽内的底部耐火材料和保温材料；4为上表面具有异形结构的底部阴极碳块；5为槽的侧部内衬碳块；6为侧部碳块与具有异形结构的底部阴极碳块之间以及表面具有异形结构的底部阴极碳块之间的捣固炭糊；7为边部碳块之下的耐火混凝土；8为阴极钢棒。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的异型阴极碳块结构电解槽为无盖的长方形箱体结构。该电解槽的外面是一个钢制槽壳1；钢制槽壳1内衬有石棉板2；在槽壳1内衬的底部石棉板2之上铺设耐火材料和保温材料3；在耐火材料和保温材料3之上为上表面具有凸起的槽底阴极碳块4，上表面有凸起的异形结构阴极碳块4是由无烟煤，或人造石墨碎，或二者的混合物制成，此上表面有凸起的异形结构阴极碳块4，也可以是用半石墨化或石墨化的碳块制成。异形结构阴极碳块4凸起部分的长度与垂于电解槽纵向方向的电解槽阳极的长度一致。其宽度为20～35cm，其高度为5～15cm。电解槽内的侧部内衬为碳块5，也是用无烟煤，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块，碳块5也可以是用炭化硅材料制作，电解槽内的槽底阴极内衬由若干个底部安装有阴极钢棒8的上表面具有凸起的异形碳块4构成，每个上表面凸起的异形结构阴极碳块4横放在电解槽中，即异形结构阴极碳块4的长度方向与电解槽的纵向方向垂直，在异形阴极碳块4与相邻异形阴极碳块4的非凸起部分之间留有20～40mm的缝隙，其间用炭素糊6捣固。侧部内衬碳块5之下，底部耐火砖3之上用耐火混凝土7捣固，在侧部碳块5与底部异形阴极碳块4非凸起部分之间用炭素糊6进行捣固。在上表面有凸起的底部异形阴极碳块4的下面有槽，用于安装阴极钢棒8，此阴极钢棒8的两端伸出电解槽的槽壳1之外，用作电解槽的阴极。由附图可以看出，此异形阴极结构的铝电解槽，其槽体、外壳、内耐火材料和内衬保温结构、侧部内衬碳块结构和阴极钢棒结构以及碳块与碳块之间的炭糊结构同现行工业铝电解槽是一样的。所不同的是在电解槽底部阴极碳块的形状与结构上与现行电解槽截然不同。
由于本发明的电解槽在其槽底内衬上采用了其表面具有凸起的异形结构的阴极碳块4，此异形结构的阴极碳块4下部非凸起部分的宽度大于上面凸起部分的宽度，且捣固糊6只捣固在异形结构的阴极碳块4的非凸起部分之间，因此在电解槽的底部出现了由异形结构阴极碳块4的凸起部分所形成的一排排凸起“墙体”，这些“墙体”是电解槽阴极碳块的组成部分，每个阴极碳块上表面可以有1～8个这样凸起的“墙体”，如果每个阴极底块上有2个这种凸起的“墙体”，则每一个凸起的“墙体”的长度与其上的垂直于电解槽纵方向阳极的长度一致，其宽度小于底部的基体阴极碳块体的宽度。
如果每个阴极底块上表面有一个这种凸起的“墙体”，则凸起的“墙体”的长度与底块阴极体的长度一致，如果阴极底块上表面有2个以上的凸起，则此凸起的“墙体”的长度小于阴极碳块的长度。
阴极碳块凸起部分的横断面即与阴极碳块的纵向方向相垂直的横断面可是矩形，也可以是凸形，如果是矩形则阴极碳块上表面凸起部分的高度为50～200mm，宽度为200～350mm，若横断面的形状为凸形，则凸形下部的高度为30～100mm，宽度为200～350mm，凸面上部的高度为30～150mm，宽度为180～300mm。
采用本发明提供的异形阴极碳块结构的铝电解槽生产金属铝的方法如下1、按本发明提供的异形阴极碳块结构的铝电解槽建造和构筑电解槽。
2、按与现行的电解槽一样的焙烧方法和启动方法，实施对本发明的异形阴极碳块结构的铝电解槽的焙烧和启动。但当使用焦粒焙烧时，需在焙烧前对凸起于槽底之上的所有墙体之间的间隙用炭粉充填。但无论采用何种焙烧方法，都允许在槽底上部凸起的“墙体”之间填上一层由30％以上氧化铝和粉状冰晶石组成的混和料。
3、在电解槽启动后的正常生产技术管理中，电解槽中的铝液水平从凸起于槽底表面的“墙体”的上表面算起，其高度在出铝后为50～200mm。正常的生产中电解槽的极距为25～50mm，槽电压为3.0～4.5伏。
4、在本发明所提供的异形阴极碳块结构铝电解槽的底表面上所凸起的“墙体”之间填充部分由30％以上的粉状氧化铝和粉状冰晶石制成的球团料或粉状料，这些球团料或粉状料在电解温度下，当其中的冰晶石熔化后会使其变成类似于槽底沉淀的物质而封闭槽底糊中的裂纹和裂缝，防止铝液从这些裂纹和裂缝中进入槽底，熔化阴极钢棒，导致电解槽破损。除上述所指出的两点外，在正常生产中，本发明提供的异形碳块阴极结构的铝电解槽所有的其它工艺和技术条件与现行的阴极结构的铝电解槽均相同，这些技术条件是电解质水平15～25cm，电解质分子比2.0～2.8，氧化铝浓度2～5％，电解质温度935～975℃。
在上述的工艺技术条件下，在电解槽阴极上所发生的电解反应为Al3+(络合的)+3e＝Al。
权利要求
1.一种异形阴极碳块结构铝电解槽，包括槽壳、设置在底部的耐火保温材料、阳极和阴极，其特征在于所述阴极碳块为异形结构，即在阴极碳块的上表面形成一个或两个以上的凸起。
2.按权利要求1所述的异形阴极碳块结构铝电解槽，其特征在于所述阴极碳块表面形成的凸起垂直于槽底平面且与阴极碳块为一体，即阴极由上表面带有凸起的阴极碳块构建而成。
3.按权利要求1所述的异形阴极碳块结构铝电解槽，其特征在于所述异形阴极碳块由以下材料制成(1)无烟煤；(2)人造石墨碎；(3)人造石墨碎和无烟煤的混和料；(4)石墨化或半石墨化的碳质材料。
4.按权利要求2所述的异形阴极碳块结构铝电解槽，其特征在于所述异形阴极碳块底部有槽并装有阴极钢棒，阴极钢棒两端伸出电解槽槽壳之外。
5.按权利要求2所述的异形阴极碳块结构铝电解槽，其特征在于所述上表面有凸起的异形阴极碳块的下部即阴极碳块的非凸起部分与相邻阴极碳块之间留有20～40mm的缝隙，其间采用炭素糊捣固。
6.按权利要求1所述的异形阴极碳块结构铝电解槽，其特征在于所述槽壳侧部设有内衬碳块，在侧部碳块和异形阴极碳块非凸起部分之间用炭素糊捣固连接，在侧部碳块和底部耐火材料之间用耐火混凝土捣固连接。
7.按权利要求1所述的异形阴极碳块结构铝电解槽，其特征在于所述阴极碳块上表面的凸起部分位于阴极碳块上表面与碳块的纵向长度方向相一致的中间或一侧，或两侧，凸起部分为连续或间断。
8.按权利要求7所述的异形阴极碳块结构铝电解槽，其特征在于所述阴极碳块凸起部分的横断面即与阴极碳块的纵向方向相垂直的横断面，为矩形或凸形，若横断面为矩形，其高度为50～200mm，宽度为200～350mm；若横断面为凸形，则其下部的高度为30～100mm，宽度为200～350mm；上部的高度为30～150mm，宽度为180～300mm。
全文摘要
一种异形阴极碳块结构铝电解槽，包括槽壳、设置在底部的耐火保温材料、阳极和阴极，阴极碳块为异形结构，即在阴极碳块的表面形成若干凸起，本发明的阴极结构铝电解槽可以减缓电解槽内阴极铝液的流动速度和降低铝液的波动高度，从而达到提高铝电解槽的金属铝液面的稳定性，减少铝的溶解损失，提高电流效率和减少极距，降低铝电解生产电能消耗，以及在阴极底部凸起的墙体之间能形成粘稠冰晶石熔体氧化铝的混合物或沉淀物，阻止阴极铝液通过槽底裂纹和缝隙流入槽底，熔化钢棒，达到延长电解槽寿命的目的。
文档编号C25C3/08GK101054691SQ20071001052
公开日2007年10月17日 申请日期2007年3月2日 优先权日2007年3月2日
发明者冯乃祥 申请人:冯乃祥