一种安全环保高龄型铝电解装置的制作方法

本实用新型涉及铝电解冶炼领域，更具体地说，涉及一种安全环保高龄型铝电解装置。

背景技术：

铝作为日常生活中必不可少的金属之一，一般采用电解法来进行金属铝的制备。

如图1所示，一种大型预焙电解设备，包括有矩形的电解槽1和沿电解槽1长度方向铺设的若干阴极碳块2，电解槽1内的若干阴极碳块2通过若干阴极钢棒3连接有阴极母线4，其中相邻的阴极碳块2之间形成有中缝、阴极碳块2与电解槽1侧壁之间形成有侧缝，在铺设阴极碳块2时用碳间糊（碳粉与沥青的混合物）把中缝填充，在侧缝处使用碳间糊作为材料向上延伸形成有围边22，围边22与若干阴极碳块2形成了能够容纳电解质8和铝液9的阴极部分，在电解槽1阴极部分上方设置有阳极部分5，阳极部分5包括有铝导杆51和设置在铝导杆51端部的阳极碳块52，铝导杆51远离阳极碳块52的一端连接有阳极母线6，阳极母线6起到串联所有铝导杆51的作用，直流电从阳极母线6经过阳极部分5后进入电解槽1内发生铝电解反应。结合图2、图3所示，在阴极碳块2底部设置有用于插接配合阴极钢棒3的钢棒槽21，在电解槽1外设置有槽壳7，槽壳7将电解槽1包裹起来并且起到保温作用，筑完炉后阴极钢棒3全部隐蔽在阴极碳块2底部，仅有一小部分端头伸出槽壳7外与阴极母线4连接。

在实际生产中，完成还原后的铝液9沉淀在阴极部分内，由于电解铝的反应温度为950℃，阴极部分在长时间使用下，阴极碳块2内部和阴极碳块2之间容易出现裂缝导致铝液9渗入阴极部分内部，当阴极部分内部的裂缝延伸至阴极钢棒3处，铝液9与阴极钢棒3直接接触后会出现直流电从阳极母线6-阳极部分5-铝液9-阴极钢棒3-阴极母线4，铝液与铁在高温通电的状况下会发生反应生产铁铝化合物，从而阴极钢棒3内的Fe离子析出进入电解质8和铝液9内，出现阴极钢棒3融化的现象，阴极部分内的铝液9和电解质8从阴极钢棒3位置向槽壳7漏出，造成漏槽事故。电解槽1内铝液9达950度左右，施救难度大，同时流出的铝液9直接面对解电解槽1外的阴极母线4，时间稍长就会冲断阴极母线4。

目前检测阴极钢棒3是否熔化主要有两种方法：其一、通过电解再产铝铁含量上升来判断，阴极钢棒3熔化后铁离子会溶入再生铝，当再生铝表现出铁含量连续上升，则可能阴极钢棒3出现熔化，再去人工检查阴极碳块2下的阴极钢棒3，这种方法相对容量较小的电解槽1非常有效，但随着现代电解槽1的容量越来越大，再产铝容量也越来越大（一般达30吨以上，且每天出铝量近3吨），一根阴极钢棒3每天熔化量在再产铝中的铁含量变化不明显，在常规化验中反映不出来，以至于出现有些电解槽1铝含量还在99.70%以上情况下就出现漏槽。其二、通过阴极钢棒3棒头温度变化来判断阴极钢棒3是否熔化，当铝液9穿过碳缝与阴极钢棒3接触后形成直导电体，使该阴极钢棒3电流增大，造成该阴极钢棒3较其它阴极钢棒温度较高，该方法只能发现一部分电解槽1阴极钢棒3的熔化现象，但也出现了一些阴极钢棒3棒头温度变化不明显出现漏槽的情况，其原因是电解槽1本身就是高温体，棒头温度受位置、环境、技术参数等诸多因素影响。

随着现代电解铝技术的发展电解槽1容量的不断扩大，铝电解槽1的寿命问题就更加突出，电解槽1阴极破损（即漏槽）直接影响到电解槽1的使用寿命。影响电解槽1的槽龄因素很多，到最后基本都归结到阴极钢棒3融化。目前为了保证正常生产，预防漏槽，有的厂采取计划修槽，即电解槽1运行一定时间后，强制停产大修，造成一些不必要浪费；有的对高龄电解槽1实行专人重点监护，费时费工，一般电解槽1阴极碳块2其中出现一根阴极钢棒3熔化后，就会存在漏槽的风险，因此最先熔化的阴极钢棒3决定了电解槽1寿命，现有技术存在改进之处。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种安全环保高龄型铝电解装置，该铝电解装置通过设置插接部，将阴极钢棒延伸至电解槽外侧，能够降低漏槽风险，延长电解槽的使用寿命。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种安全环保高龄型铝电解装置，包括电解槽以及位于电解槽内用于容纳电解质和铝液的阴极部分，所述阴极部分包括有若干阴极碳块以及与阴极碳块相连接的阴极钢棒，阴极钢棒连接阴极母线，若干所述阴极碳块向电解槽外侧延伸形成有插接部，所述阴极钢棒位于电解槽外侧且与插接部相连接。

通过采用上述技术方案，铝液在阴极碳块内的裂缝中渗漏时，由于阴极钢棒位于电解槽外侧，铝液仅能在阴极碳块内部渗漏，即使电解槽内的阴极碳块出现裂纹、破损，铝液渗到阴极碳块底部，也不会出现铝液直接接触阴极钢棒进而导致阴极钢棒熔化的现象；裂缝内的铝液温度降低后会将裂缝填充，即便是发生铝液渗漏电解槽也可正常运行，有效的解决有由于阴极钢棒融化出现漏槽现象；改进后的铝电解槽一方面大大延长电解槽的运行寿命（即槽龄），另一方面电解槽不会出现突然漏槽，大大提高生产过程的安全性。

本实用新型进一步设置为：所述插接部内开设有插接槽，所述阴极钢棒嵌设于插接槽内，阴极钢棒表面与插接槽内壁相抵接。

通过采用上述技术方案，插接配合的连接方式较为简单，易于安装连接，将阴极钢棒表面与插接槽内壁相抵接，有利于增大电流通过的有效面积，进而使得铝电解反应的顺畅进行。

本实用新型进一步设置为：所述阴极碳块沿电解槽宽度方向左右两侧均延伸形成有插接部，所述阴极钢棒与插接部呈一一对应设置。

通过采用上述技术方案，增加插接部的整体数量，提高了阴极钢棒与插接部之间相抵接的有效电流通过面积，降低整体的电阻值，进而降低了阴极钢棒与阴极炭块之间的压降，有利于提高铝电解反应的效率。

本实用新型进一步设置为：所述插接部呈水平柱状结构。

通过采用上述技术方案，柱状结构的插接部能够较好的和阴极钢棒的形状相适配，便于安装连接。

本实用新型进一步设置为：所述插接部与阴极碳块一体成型设置。

通过采用上述技术方案，阴极碳块在生产制造时，将生产阴极碳块的模具增加插接部的空腔，起到便于加工的目的，减少因不同材料造成的电流波动，减少改进后阴极碳块的生产制造成本；另一方面还可以提高铝液在阴极部分内的稳定性。

本实用新型进一步设置为：所述插接部表面设置有若干环形沟槽，环形沟槽槽侧壁呈竖直设置，所述环形沟槽位于电解槽内。

通过采用上述技术方案，一方面，沟槽的设置能够延长铝液在插接部表面沿水平方向的外渗透路径，另一方面，呈竖直设置的沟槽槽侧壁能够对水平向外延伸的裂缝起到一定的阻挡作用，从一定程度上减缓插接部表面开裂的情况，进而减缓铝液向槽壳外渗漏。

本实用新型进一步设置为：所述插接槽与阴极钢棒之间填充有生铁层。

通过采用上述技术方案，生铁层将阴极钢棒与插接槽内壁之间的缝隙填充以提高两者间的有效接触面积，铁具有较好的导电率，在电流不变的基础上，增强材料的导电率，能够有效降低电解槽的发热量，进而有利于电解反应的稳定运行。

本实用新型进一步设置为：所述插接部背对阴极碳块一端设置有两相对分布的钢板，两所述钢板通过紧固件压接固定在阴极碳块表面。

通过采用上述技术方案，一方面，利用钢板和紧固件向阴极钢棒方向进行挤压，增强阴极钢棒与插接部的连接稳定性，另一方面，钢板可以直接连接阴极母线，从而增加连接点，达到增大总接触面积的目的，在电流不变的基础上，增大电流的有效导通面积，能够有效降低电解槽的发热量，进而有利于电解反应的稳定运行。

本实用新型进一步设置为：所述电解槽槽底设置有耐火保温层和防渗层。

通过采用上述技术方案，耐火保温层以及防渗层可阻止铝液穿过阴极碳块后继续向下渗漏，有利于保护电解槽底壁，进而延长电解装置的使用寿命。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

其一、改进后的铝电解装置排除生产中重大隐患，确保人身安全和生产安全，使以前很难判断的槽破损造成阴极钢棒熔化突然漏槽得以减少；

其二、改进后的铝电解装置避免了铝液与阴极钢棒的连接现象，大大延长铝电解槽寿命，降低生产成本；

其三、通过减少铝电解槽的检修次数来减少电解质中有害物质的排放，从而降低对环境破坏，有利于环境保护。

附图说明

图1为现有技术中的结构示意图；

图2为现有技术中阴极碳块底部结构示意图；

图3为现有技术中内部结构示意图；

图4为实施例铝电解装置的结构示意图；

图5为实施例铝电解装置的内部结构示意图；

图6为实施例阴极碳块处的结构示意图。

图中：1、电解槽；2、阴极碳块；21、钢棒槽；22、围边；3、阴极钢棒；4、阴极母线；5、阳极部分；51、铝导杆；52、阳极碳块；6、阳极母线；7、槽壳；8、电解质；9、铝液；10、插接部;101、沟槽；102、插接槽；11、钢板；12、耐火保温层；13、防渗层。

具体实施方式

以下结合附图4至6对本实用新型作进一步详细说明。

如图4、图5所示，一种安全环保高龄型铝电解装置，包括铝电解槽1，在铝电解槽1中设置有与阴极母线4相连的阴极部分，阴极部分起到容纳电解质8和铝液9的作用，三氧化二铝粉末溶解在电解质8中，三氧化二铝的还原反应均在阴极部分上进行，阴极部分设置在电解槽1内，在阴极部分下还铺设有耐火保温层12以及防渗层13，耐火保温层12以及防渗层13的设置可阻止铝液9穿过阴极碳块2后继续向下渗漏，耐火保温层12由氮化硅结合碳化硅砖铺设而成，防渗层13有耐火泥浆和干式防渗料混合而成；电解槽1外侧设置有槽壳7，在槽壳7上插装有阳极部分5，阳极部分5包括有铝导杆51和设置在铝导杆51端部的阳极碳块52，铝导杆51远离阳极碳块52一侧与电解槽1外的阳极母线6相联，阳极碳块52设置在电解质8内，直流电的输入为：阳极母线6-铝导杆51-阳极碳块52-电解质8-铝液9，直流电流的输出为：铝液9-阴极碳块2-阴极钢棒3-阴极母线4，使电解槽1内发生2Al₂O₃+3C=（通电）4Al+3CO₂↑的电化学反应。

如图4、图5所示，阴极碳块2上设置有沿电解槽1宽度方向延伸至槽壳7外的若干插接部10，插接部10呈水平设置，插接部10与阴极碳块2一体成型且采用相同材料制成，插接部10整体呈长条型柱状结构，插接部10穿设槽壳7以及电解槽1，在插接部10上设置有沿自身长度方向的插接槽102，阴极钢棒3通过插接槽102插接配合在插接部10上，阴极钢棒3与插接部10的连接段设置在槽壳7外部，阴极钢棒3远离插接部10一端与阴极母线4相连，从而使阴极碳块2与阴极母线4连通。

如图4、图5所示，插接部10从槽壳7侧壁穿设而出，阴极部分的铝液9会从穿设处的插接部10裂缝渗漏至槽壳7外部，为了防止铝液9渗漏造成的铝液9浪费和烫伤现场操作者，在插接部10上开设有若干环形沟槽101，沟槽101开设在插接部10靠近阴极碳块2一侧，若干沟槽101位于电解槽1内部且沿插接部10长度方向均匀分布，沟槽101的设置一方面能够延长铝液在插接部10表面沿水平方向的外渗透路径，减缓渗透速度，另一方面，当裂缝开裂至沟槽101处时，呈竖直设置的沟槽101槽壁能够对水平向外延伸的裂缝起到一定的阻挡作用，能够从一定程度上减缓插接部10表面开裂的情况，进而避免铝液9向槽壳7外渗漏。

如图4所示，由于本方案中将阴极钢棒3通过插接部10插接的方式设置在阴极碳块2的侧部，与现有技术相比，阴极钢棒3与阴极碳块2的实际导通面积减小，在电流保持不变的基础上，单位面积的减小导致其发热量增大，进而容易导致电解槽1温度上升，影响电解反应。

如图6所示，为了解决电解槽1温度上升的情况，首先，可以通过增加阴极钢棒3的侧表面积来增加电流的有效导通面积，提高现有技术中的阴极钢棒横截面的整体宽度，在电流不变的基础上，增大电流的有效导通面积，能够有效降低发热量；

如图6所示，其次，现有技术中阴极钢棒3与钢棒槽21通过碳间糊固定连接在一起，本方案中将碳间糊固定改为生铁水浇铸固定形成生铁层，通过生铁水将阴极钢棒3与插接槽102内壁之间的缝隙填充以提高两者间的有效接触面积，同时由于铁的导电率优于碳粉与沥青混合物的导电率，在电流不变的基础上，增强相互材料之间的导电率，能够有效降低发热量；

如图6所示，具体实施时还可以在阴极钢棒3与插接部10的连接段上设置两相对的钢板11，钢板11通过紧固件压接固定在阴极碳块2表面，在实际实施过程中，阴极母线4不仅仅可以连接在阴极钢棒3上，还可以连接在钢板11上，增大了有效连接面积，在电流不变的基础上，增大电流的有效导通面积，能够有效降低发热量。

具体实施过程：

在铝电解的生产中，阴极碳块2上为电解质8以及电解后的铝液9，电解质8中包括有三氧化二铝，阳极碳块52通过铝导杆51与槽外的阳极母线6相联，电流通过阳极部分5输入电解槽1，直流电流经铝液9、阴极碳块2和阴极钢棒3导出槽外，使电解槽1内可以发生2Al₂O₃+3C=4Al+3CO₂↑的电化学反应。

在阳极部分5端发生2O²ˉ+C-4eˉ=CO₂↑，在阴极部分上发生Al³⁺+3eˉ=Al，电解出来的铝液9下沉至阴极碳块2上。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。