专利名称：一种板式阴极集流方式铝电解槽的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铝电解槽，特别是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，工业上原铝是通过冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产的，主体设备为铝电解槽。在生产过程中，电流经母线传导通过阳极进入电解槽内熔体(上层的电解质和下层的铝液)，再经阴极汇集至钢棒，由钢棒导出至母线，再进入下一槽，槽内熔体具有一定的阻抗，电流产生相应热量维持电解质和铝液处于高温熔融状态，同时高强度的电流产生相应的磁场，磁场与电场相互作用形成电磁力场驱动熔体快速运动，而在阳极表面由电化学反应产生大量气泡，气泡受浮力作用上升进一步搅动电解质。通常在工业铝电解槽中，极距维持在4 5cm，铝水平维持在20cm左右。由于电解质的导电性较差，极间压降占到了槽电压的1/3左右，每减小Icm极距，约可使槽电压降低 300 350mv，由此可见，减小极距是在现行生产方法下降低铝电解能耗的最重要的途径。 然而，在减小极距的情况下，槽内易出现磁流体不稳定现象，即铝液垂直波动加剧，使得生产无法稳定进行，同时，减小极距使得电解槽的热收入降低，在槽保温结构已定的情况下， 需要相应减小铝水平以维持热平衡，而减小铝水平同样可导致磁流体不稳定现象。基于此， 提高磁流体稳定性，消除铝液波动，是实现节能的核心问题。铝电解槽内铝液中存在一定大小的水平电流，而当铝液-电解质界面波动造成电流扰动或在换极等特殊工况下造成槽内电流分布不均时，铝液中的水平电流会加剧。铝电解领域相关研究表明，铝液中水平电流的存在是导致铝液波动的重要因素，减小铝液中水平电流可有效减弱铝液波动。另一方面，传统铝电解槽阴极碳块水平方向存在较大温度梯度，则易出现局部热应力集中现象，可导致阴极破损，影响槽寿命，因此减小阴极碳块水平温度梯度可提高槽寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能减小铝液中水平电流，减小碳块中水平温度梯度的板式阴极集流方式铝电解槽。为了解决上述技术问题，本发明提供的板式阴极集流方式铝电解槽，包括底部耐火保温结构和阴极碳块，所述的阴极碳块无燕尾槽，在所述的底部耐火保温结构上设有铜或铜合金板，所述的阴极碳块的底部与所述的铜或铜合金板相粘结，在所述的铜或铜合金板的侧部或底部焊接有软母线。所述的阴极碳块的底部与所述的铜或铜合金板通过碳素糊相粘结。所述的铜或铜合金板在所述的阴极碳块以下连续分布，所述的铜或铜合金板的厚度为5 40mmo采用上述技术方案的板式阴极集流方式铝电解槽，阴极碳块的底部和位于底部耐火保温结构上方的铜或铜合金板层通过碳素糊相粘结。阴极碳块无燕尾槽，其材料同传统的电解槽的阴极碳块一样，它可以是由无烟煤制成的阴极碳块，也可以是由人造石墨碎或无烟煤和人造石墨碎混合料做成的阴极碳块，还可以是石墨化或半石墨化的阴极碳块。本发明板式阴极集流方式铝电解槽中，铜或铜合金板在全槽阴极底部均勻连续分布，铜或铜合金板的厚度为5 40mm，阴极碳块高度为240 350mm。采用侧部出电方式的方案，软母线与铜或铜合金板侧面相焊接，再连至阴极母线；采用底部出电方式的方案，在铜或铜合金板底部焊接若干条垂直钢棒，钢棒另一端与软母线相连。采用本发明提供的板式阴极集流方式铝电解槽生产金属铝的方法与传统的铝电解生产金属铝的方法基本上是一样的。其铝水平为5 22cm，电解质水平为12 22cm， 极距为2. 5 4. 5cm,电解温度为915 960°C，电解质分子比为2. 0 2. 8，氧化铝浓度为 2 5%。造成铝液中存在较大水平电流的主要原因是铝液的电导率显著优于电解质和阴极碳块，也优于高温下的阴极钢棒。针对现行铝电解槽在结构上的这一缺陷，本发明提供的以铜或铜合金板取代钢棒的阴极集流方式铝电解槽，由于铜或铜合金导电性优于铝液，故可将水平电流由铝液层转移至阴极碳块底部的铜或铜合金板，另外，铜板和铝液导热性良好，使得阴极碳块顶面和底面近似为等温面，从而减小碳块中水平温度梯度。铜或铜合金熔点高于铝电解工作温度，机械性能和焊接性能良好，可满足铝电解槽选材要求。本发明提供的板式阴极集流方式铝电解槽，可大幅减小铝液中的水平电流，减小正常工况和特殊工况下铝液的波动，使得铝电解槽能在低极距、低铝水平下稳定运行，同时可减小阴极碳块中水平温度梯度，有利于消除阴极碳块中的热应力集中现象。本发明的新型阴极集流方式铝电解槽可降低铝电解生产能耗，提高电解槽寿命。
图1为侧部出电的阴极集流方式铝电解槽结构示意主视图。图2为侧部出电的阴极集流方式铝电解槽结构示意侧视图。图3为底部出电的阴极集流方式铝电解槽结构示意主视图。图4为底部出电的阴极集流方式铝电解槽结构示意侧视图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对发明作进一步说明。如图1和图2所示，本发明的板式阴极集流方式铝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内衬有硅酸钙板2 ；在底部硅酸钙板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之上设有铜或铜合金板4，其厚度为5 40mm ；铜或铜合金板4之上设有用碳素糊6与其相粘结的阴极碳块5，阴极碳块5 是由无烟煤，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块制成，阴极碳块5的高度为240 300mm，阴极碳块5间用碳素糊6捣固；电解槽内的侧部内衬为碳块7，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7也可以是用碳化硅或氮化硅材料制成；侧部内衬的碳块7以下，底部的耐火材料和保温材料3之上用耐火混凝土 8捣固，在碳块7与底部的阴极碳块5之间用碳素糊6进行捣固。由图1和图2可以看出，此板式阴极集流方式铝电解槽，其槽体、外壳、内衬保温结构、阴极碳块以及碳块之间的碳素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的阴极碳块5无燕尾槽和阴极钢棒，阴极碳块5下方存在与阴极碳块5底面相粘结的铜或铜合金板4，本发明电解槽由铜或铜合金板4汇集阴极电流，如果采用电解槽侧部出电方案，则将软母线与铜或铜合金板4侧部焊接。如图3和图4所示，本发明电解槽由铜或铜合金板4汇集阴极电流，如果采用电解槽底部出电方案，则在铜或铜合金板4底部焊接若干条垂直钢棒9，垂直钢棒9由槽底部伸出，另一端与软母线相连接。采用本发明提供的板式阴极集流方式铝电解槽生产金属铝的方法如下1、按本发明提供的板式阴极集流方式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，实施对本发明的阴极集流方式铝电解槽的焙烧和启动。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为5 22cm，极距为2. 5 4. 5cm,电解温度为915 960，电解质分子比为2. 0 2. 8，氧化铝浓度为2 5%，槽电压为3. 3V 4. 2V。在上述工艺技术条件下，在阴极表面所发生的主反应为Al3+(络合离子)+!3e = Al。
权利要求
1.一种板式阴极集流方式铝电解槽，包括底部耐火保温结构和阴极碳块(5)，其特征是所述的阴极碳块( 无燕尾槽，在所述的底部耐火保温结构上设有铜或铜合金板G)， 所述的阴极碳块( 的底部与所述的铜或铜合金板(4)相粘结，在所述的铜或铜合金板(4) 的侧部或底部焊接有软母线。
2.根据权利要求1所述的板式阴极集流方式铝电解槽，其特征在于所述的阴极碳块 (5)的底部与所述的铜或铜合金板(4)通过碳素糊相粘结。
3.根据权利要求1或2所述的板式阴极集流方式铝电解槽，其特征在于所述的铜或铜合金板(4)在所述的阴极碳块( 以下连续分布，所述的铜或铜合金板(4)的厚度为5 40mm ο
全文摘要
本发明公开了一种板式阴极集流方式铝电解槽，包括底部耐火保温结构和阴极碳块(5)，所述的阴极碳块(5)无燕尾槽，在所述的底部耐火保温结构上设有铜或铜合金板(4)，所述的阴极碳块(5)的底部与所述的铜或铜合金板(4)相粘结，在所述的铜或铜合金板(4)的侧部或底部焊接有软母线。由铜或铜合金板汇集阴极电流，本发明可大幅减小铝液中的水平电流，减小铝液的波动，使得铝电解槽能在低极距、低铝水平下稳定运行，同时可减小阴极碳块中水平温度梯度，提高槽寿命。
文档编号C25C3/08GK102268695SQ20111023756
公开日2011年12月7日 申请日期2011年8月18日 优先权日2011年8月18日
发明者丁凤其, 张红亮, 徐宇杰, 李劼, 赖延清 申请人:中南大学