CN101864580B - 一种阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽 - Google Patents
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Abstract
一种阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽，其中阴极碳块由阴极碳块基体及其上表面的柱形凸起构成，柱形凸起镶嵌在阴极碳块基体的上表面。本发明通过在阴极碳块基体上镶嵌柱形凸起，达到对阴极碳块基体材质和制作方法具有多种选择的效果；阴极碳块具有加工量小，成本低的优点，该电解槽能够具有更加明显降低铝液流速和波动，使槽电压在较低情况下正常工作。
Description
技术领域
本发明属于铝电解技术领域，特别涉及一种阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽。
背景技术
目前，工业上的纯铝是用冰晶石-氧化铝融盐电解的方法制取的，所用的电解槽的阳极是由煅后石油焦制取的阳极碳块组合而成的。电解槽的阴极也是碳块组装而成的，电解槽的各阴极碳块底部安装有钢棒，钢棒的两端伸出于电解槽的两个侧面，并与阴极母线连接，阴极碳块与阴极碳块之间用炭素糊进行粘结。
目前工业上所用的铝电解槽阴极碳块多为高温煅烧后的无烟煤制成的，为了增加阴极碳块的导电性和抗钠和电解质的腐蚀功能，也在广泛地使用的电煅无烟煤碳块的配料中添加人造石墨。人造石墨的含量一般约占整个阴极碳块骨料的配料的30～50％，称之为半石墨质的阴极碳块；也有用全石墨质碳块的，所谓全石墨质阴极碳块就是制作阴极碳块的骨粒料配料(包括粉粒料)为100％的人造石墨。此外，为了使阴极碳块具有更小的电阻和更好的抗钠和电解质腐蚀的功能以能使电解槽的阴极具有更小的阴极电压降和更高的槽寿命，许多较大容量的电解槽也开始使用完全由石油焦制成的石墨化阴极碳块或半石墨化阴极碳块。但是铝电解槽的阴极碳块使用半石墨质、石墨质和石墨化的阴极碳块后，随着阴极碳块中人造石墨组分含量的增加，其强度和抗电解槽中铝液冲刷和磨蚀能力也越来越差。
2007年，东北大学冯乃祥发明了一种异形阴极结构铝电解槽，这种阴极结构铝电解槽的特点是阴极碳块表面带有凸起结构。该凸起结构具有大大降低铝液流速和减少铝液波动，增加电解槽铝液稳定的功能，从而使得电解槽的槽电压大大降低，电流效率也有了进一步的提高，取得了大大降低铝电解槽电能消耗的效果。
异形阴极结构铝电解槽，对其阴极的一个重要技术要求是电解槽的阴极碳块上的凸起必须要有比较好的抗阴极铝液冲刷的能力，传统的煅后无烟煤为主要材料的阴极碳块具有较强的抗阴极铝液冲刷的能力，异形阴极结构电解槽系列生产的实践表明，阴极表面具有凸起结构的含30％人造石墨的无烟煤碳块，其阴极表面上凸起的消耗可以降低到10mm/年，而阴极凸起的高度有110mm，因此以无烟煤为主要骨料材料制作的其阴极碳块表面具有的凸起结构能够满足铝电解槽对其阴极碳块凸起的寿命的要求。
然而对于以人造石墨为主要骨料材料的石墨质阴极碳块，或石墨化阴极碳块来说，其抗铝液冲刷的能力要远不如以无烟煤为主要骨料材料的阴极碳块，其抗铝液冲刷的能力，后者是前者的几倍。因此，以石墨质或石墨化为材料的其表面具有凸起结构的阴极碳块不能很好地满足异形阴极结构电解槽对其阴极表面凸起寿命的要求。此外，其表面具有与电解槽阴极碳块的纵向方向相垂直的横向凸起结构的铝电解槽阴极碳块，不仅加工量大，而其材料的消耗量大，故使材料费和成本加工费增加，生产成本较高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽，通过在无烟煤碳块的表面，或者在全石墨质、半石墨化或全石墨化的阴极碳块基体的上表面镶嵌凸起结构，使阴极碳块具有较强的抗铝液冲刷能力。
本发明的阴极碳块上表面镶嵌有柱形炭素凸起的铝电解槽包括槽壳、槽内衬耐火保温材料、侧部碳砖、阴极碳块和阴极钢棒，各阴极碳块之间填充有炭素糊，各阴极碳块与侧部碳砖之间用炭素糊捣固；其中阴极碳块由阴极碳块基体及其上表面的柱形凸起构成，柱形凸起镶嵌在阴极碳块基体的上表面。
上述的柱形凸起和阴极碳块基体之间填充有石墨糊，所述的石墨糊是将热固性树脂和石墨粉混合制成的糊状物。
上述的阴极碳块基体为长方体，其上表面设有凹槽，柱形凸起通过凹槽镶嵌在阴极碳块基体的上表面。
上述的柱形凸起为长方体或圆柱体。
上述的柱形凸起由煅后无烟煤，或煅后无烟煤与人造石墨的混合物料，或人造石墨碎为骨料与沥青混捏成型后经焙烧加工而成，或者是由人造石墨电极和石墨块加工制成；当柱形凸起为圆柱体时，***到阴极碳块基体的部分侧面加工有外螺纹。
上述的电解槽中，当柱形凸起为长方体时，柱形凸起的长度方向与阴极碳块基体的长度方向垂直，在阴极碳块基体的宽度为50～70cm的条件下，柱形凸起的长度为21～35cm，宽度为17～30cm，柱形凸起与阴极碳块基体上表面的高度差为9～15cm，当阴极碳块基体的宽度增加时，柱形凸起的长度按阴极碳块基体宽度增加的比例增加。
上述的电解槽中，当柱形凸起为圆柱体时，在阴极碳块基体的宽度为50～70cm时，柱形凸起的直径为17～35cm，柱形凸起与阴极碳块基体上表面的高度差为9～15cm，当阴极碳块的宽度增加时，柱形凸起的直径按阴极碳块基体宽度增加的比例增加。
上述电解槽中，柱形凸起沿阴极碳块基体上表面长度方向按两排或三排排列，相邻两排的柱形凸起交错排列；在阴极碳块基体的宽度为50～70cm的条件下，同一排柱形凸起中相邻两个柱形凸起之间的间距为17～35cm，同一阴极碳块上不同排的相邻柱形凸起的间距为5～20cm，同时与出铝口相邻的两个柱形凸起之间的间距为30～70cm。
上述的柱形凸起在阴极碳块基体内的深度为5～10cm。
本发明的铝电解槽的阴极碳块的制备方法按以下步骤进行：
1、制备阴极碳块基体的方法分为两种：
①采用挤压方法生产阴极碳块基体，其基体的断面为规则的矩形面时，生产出阴极碳块基体的生坯，经过1100～1300℃焙烧后制成无烟煤或石墨质的阴极碳块基体，或者先经过1100～1300℃焙烧再进行2300～2500℃高温热处理后制成半石墨化的阴极碳块基体，然后在阴极碳块基体上表面需要镶嵌柱型凸起的位置上机加工成深度为5-10cm的圆形坑槽，并在坑槽侧壁加工出内螺纹，该内螺纹与圆柱体的柱形凸起的外螺纹相配合；
②阴极碳块基体生坯用振动成型或模压成型方法进行制作时，所用的振动成型模内物料上面的重物的底表面改传统的平面成具有凸起结构，或模压成型时模内物料上的压模的底表面改传统的平面为其表面上具有凸起结构；这样在阴极碳块基体振动成型或模压成型后，振动成型或模压成型出来的阴极碳块基体生坯的上表面就具有了用于安置柱型凸起的坑槽；其中模内物料的重物底表面或模内物料压模底表面上的凸起结构的位置分布与阴极碳块基体上表面所要镶嵌柱形凸起的位置对应；凸起结构的形状与所要振动成型或模压成型生产出的其上表面所要镶嵌柱型凸起的坑槽的形状相一致；坑槽的深度为5-10cm；当阴极碳块基体为无烟煤阴极碳块基体、石墨质阴极碳块基体或半石墨质阴极碳块基体时，将上述阴极碳块基体生坯在1100～1300℃焙烧，制成带有坑槽的阴极碳块基体；当阴极碳块基体为石墨化或半石墨化的阴极碳块基体时，焙烧方法和制成坑槽的方法与方法①培烧方法及制成坑槽的方法相同，焙烧后在石墨化炉中在2300～3000℃条件下进行高温处理，制成半石墨化或全石墨化阴极碳块基体；阴极碳块基体上表面的的坑槽分为圆形坑槽和方形坑槽；当坑槽为圆形时，坑槽的内壁加工有内螺纹，该内螺纹与圆柱体的柱形凸起的外螺纹相配合；当坑槽为方形坑槽时，其内壁有至少4个直径不小于5mm，深度不小于10mm的圆坑；
2、以热固性树脂与石墨粉混合制成石墨糊，配比要求能够混合制成糊状物；将石墨糊填入坑槽中；然后将柱形凸起装入坑槽中，其中当柱形凸起为长方体时，坑槽亦为方形坑槽，坑槽的长宽尺寸大于柱形凸起的长宽尺寸1～10mm，长方体柱形凸起垂直压入坑槽中；当柱形凸起为圆柱形时，坑槽为圆形，侧壁加工有内螺纹；柱形凸起上的外螺纹与坑槽中的内螺纹相配合，柱形凸起拧入坑槽中，内螺纹和外螺纹缝隙间亦有石墨糊填充；当柱形凸起进入坑槽后，坑槽内将有一部分石墨糊从凸起与坑槽之间的缝隙中被挤压出来，堆积在阴极碳块基体上表面与柱形凸起相接合的地方。
在铝电解槽焙烧过程中，石墨糊中的热固性树脂排出挥发份进行碳化，使柱形凸起与阴极碳块基体连接的更为紧密。
本发明阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽在进行铝电解时的工作条件是：阴极碳块的柱形凸起都要浸没于铝液中，铝液上面为电解质熔体，铝液面的高度要高出凸起的上表面，在出铝后为1～10cm，电解槽的工作电压在3.5～3.9V之间。
本发明通过在阴极碳块基体上镶嵌柱形凸起，使整个阴极碳块在具备减少滤液波动能力的同时，能够自由选择阴极碳块基体的材质，达到对阴极碳块工作能力的增强并提高阴极碳块寿命的效果；同时采用在阴极碳块基体上镶嵌柱形凸起的方式，与原有的在阴极碳块上直接制备凸起的方法相比，还具有加工量小，成本低的优点。本发明的表面镶嵌有柱形凸起的阴极碳块铝电解槽经试验表明工作性能稳定，能够更加有效地降低铝液流速和波动，使槽电压在更低情况下正常工作。
附图说明
图1为本发明实施例1的铝电解槽俯视剖面示意图。
图2为图1的B-B剖面图。
图3为本发明实施例2的铝电解槽俯视剖面示意图。
图4为图3的B-B剖面图。
图5为本发明实施例3的铝电解槽俯视剖面示意图。
图6为图5的B-B剖面图。
图7为本发明实施例4的铝电解槽俯视剖面示意图。
图8为图7的B-B剖面图。
图9为本发明实施例5的铝电解槽俯视剖面示意图。
图10为图9的B-B剖面图
图中1、槽壳，2、侧部碳砖，3、阴极碳块基体，4、柱形凸起，5、侧部炭素糊，6、阴极钢棒，7、槽底耐火保温材料，8、槽侧部耐火保温材料，9、石墨糊，10、阴极碳块之间炭素捣固糊。
具体实施方式
本发明实施例中阴极碳块基体的宽度在50～70cm。
本发明实施例中的石墨糊以热固性树脂与石墨粉混合制成，配比要求能够混合制成糊状物。
本发明实施例中阴极碳块的制备方法为：
1、制备阴极碳块基体的方法分为两种：
①采用挤压方法生产阴极碳块基体，其基体的断面为规则的矩形面时，生产出阴极碳块基体的生坯，经过1100～1300℃焙烧后制成无烟煤或石墨质的阴极碳块基体，或者先经过1100～1300℃焙烧再进行2300～2500℃高温热处理后制成半石墨化的阴极碳块基体，然后在阴极碳块基体上表面需要镶嵌柱型凸起的位置上机加工成深度为5-10cm的圆形坑槽，并在坑槽侧壁加工出内螺纹，该内螺纹与圆柱体的柱形凸起的外螺纹相配合；
②阴极碳块基体生坯用振动成型或模压成型方法进行制作时，所用的振动成型模内物料上面的重物的底表面改传统的平面成具有凸起结构，或模压成型时模内物料上的压模的底表面改传统的平面为其表面上具有凸起结构；这样在阴极碳块基体振动成型或模压成型后，振动成型或模压成型出来的阴极碳块基体生坯的上表面就具有了用于安置柱型凸起的坑槽；其中模内物料的重物底表面或模内物料压模底表面上的凸起结构的位置分布与阴极碳块基体上表面所要镶嵌柱形凸起的位置对应；凸起结构的形状与所要振动成型或模压成型生产出的其上表面所要镶嵌柱型凸起的坑槽的形状相一致；坑槽的深度为5-10cm；当阴极碳块基体为无烟煤阴极碳块基体、石墨质阴极碳块基体或半石墨质阴极碳块基体时，将上述阴极碳块基体生坯在1100～1300℃焙烧，制成带有坑槽的阴极碳块基体；当阴极碳块基体为石墨化或半石墨化的阴极碳块基体时，焙烧方法和制成坑槽的方法与方法①培烧方法及制成坑槽的方法相同，焙烧后在石墨化炉中在2300～3000℃条件下进行高温处理，制成半石墨化或全石墨化阴极碳块基体；阴极碳块基体上表面的的坑槽分为圆形坑槽和方形坑槽；当坑槽为圆形时，坑槽的内壁加工有内螺纹，该内螺纹与圆柱体的柱形凸起的外螺纹相配合；当坑槽为方形坑槽时，其内壁有至少4个直径不小于5mm，深度不小于10mm的圆坑；
2、以热固性树脂与石墨粉混合制成石墨糊，配比要求能够混合制成糊状物；将石墨糊填入坑槽中；然后将柱形凸起装入坑槽中，其中当柱形凸起为长方体时，坑槽亦为方形坑槽，坑槽的长宽尺寸大于柱形凸起的长宽尺寸1～10mm，长方体柱形凸起垂直压入坑槽中；当柱形凸起为圆柱形时，坑槽为圆形，侧壁加工有内螺纹；柱形凸起上的外螺纹与坑槽中的内螺纹相配合，柱形凸起拧入坑槽中，内螺纹和外螺纹缝隙间亦有石墨糊填充；当柱形凸起进入坑槽后，坑槽内将有一部分石墨糊从凸起与坑槽之间的缝隙中被挤压出来，堆积在阴极碳块基体上表面与柱形凸起相接合的地方。
实施例1
阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽如图1所示，B-B面剖图如图2所示，该电解槽包括槽壳1、槽内衬耐火保温材料、侧部碳砖2、阴极碳块和阴极钢棒6，各阴极碳块之间填充有阴极碳块之间间炭素捣固糊10，各阴极碳块与侧部碳砖之间用侧部炭素5糊捣固；其中阴极碳块由阴极碳块基体3及其上表面的柱形凸起4构成，柱形凸起4镶嵌在阴极碳块基体1的上表面。槽内衬耐火保温材料包括槽底耐火保温材料7和槽侧部耐火保温材料8，侧部碳砖2内部设有侧部炭素糊5。
阴极碳块基体3为长方体，其上表面设有凹槽，柱形凸起4通过凹槽镶嵌在阴极碳块基体3的上表面；柱形凸起4为长方体，柱形凸起4和阴极碳块基体3之间填充有石墨糊9。
柱形凸起的长度方向与阴极碳块基体的长度方向垂直，柱形凸起的长度为30cm，宽度为20cm，柱形凸起与阴极碳块基体上表面的高度差为9cm。
柱形凸起沿阴极碳块基体上表面长度方向按两排排列，各柱形凸起均匀分布在阴极碳块基体上表面，相邻两排的柱形凸起交错排列；同一排柱形凸起中相邻两个柱形凸起之间的间距为17～35cm，同一阴极碳块上不同排的相邻柱形凸起的间距为20cm，同时与出铝口相邻的两个柱形凸起之间的间距为60cm。
上述的柱形凸起由煅后无烟煤成型后经焙烧加工而成。
阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽在电解生产金属铝时的工作条件是：阴极碳块的柱形都要浸没于铝液中，铝液上面为电解质熔体，铝液面的高度要高出凸起的上表面，在出铝后为1～10cm，电解槽的工作电压在3.5～3.9V之间。
实施例2
阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽如图3所示，B-B面剖图如图4所示，电解槽结构同实施例1，不同点在于：
柱形凸起沿阴极碳块基体上表面长度方向按三排排列，柱形凸起的长度为21cm，宽度为19cm，柱形凸起与阴极碳块基体上表面的高度差为10cm；同一排柱形凸起中相邻两个柱形凸起之间的间距为25cm，同一阴极碳块上不同排的相邻柱形凸起的间距为5cm，同时与出铝口相邻的两个柱形凸起之间的间距为50cm。
柱形凸起由煅后无烟煤与人造石墨的混合物料制成。
阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽在电解生产金属铝时的工作条件是：阴极碳块的柱形都要浸没于铝液中，铝液上面为电解质熔体，铝液面的高度要高出凸起的上表面，在出铝后为1～10cm，电解槽的工作电压在3.5～3.9V之间。
实施例3
阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽如图5所示，B-B面剖图如图6所示，电解槽结构同实施例1，不同点在于：
柱形凸起为圆柱体，在阴极碳块基体的宽度为50～70cm的条件下，柱形凸起的直径为25cm，柱形凸起与阴极碳块基体上表面的高度差为11cm，同一排柱形凸起中相邻两个柱形凸起之间的间距为30cm，同一阴极碳块上不同排的相邻柱形凸起的间距为20cm，同时与出铝口相邻的两个柱形凸起之间的间距为40cm。
柱形凸起由人造石墨材料成型后经焙烧加工而成。
阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽在电解生产金属铝时的工作条件是：阴极碳块的柱形都要浸没于铝液中，铝液上面为电解质熔体，铝液面的高度要高出凸起的上表面，在出铝后为1～10cm，电解槽的工作电压在3.5～3.9V之间。
实施例4
阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽如图7所示，B-B面剖图如图8所示，电解槽结构同实施例3，不同点在于：
柱形凸起沿阴极碳块基体上表面长度方向按三排排列，柱形凸起的直径为17cm，柱形凸起与阴极碳块基体上表面的高度差为11cm，同一排柱形凸起中相邻两个柱形凸起之间的间距为19cm，同一阴极碳块上不同排的相邻柱形凸起的间距为5cm，同时与出铝口相邻的两个柱形凸起之间的间距为30cm。
柱形凸起由人造石墨电极和石墨块加工制成。
阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽在电解生产金属铝时的工作条件是：阴极碳块的柱形都要浸没于铝液中，铝液上面为电解质熔体，铝液面的高度要高出凸起的上表面，在出铝后为1～10cm，电解槽的工作电压在3.5～3.9V之间。
实施例5
阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽如图9所示，B-B面剖图如图10所示，电解槽结构同实施例1，不同点在于：
在阴极碳块基体的宽度为66cm的条件下，柱形凸起的长度为30cm，宽度为23cm，柱形凸起与阴极碳块基体上表面的高度差为11cm。同一排柱形凸起中相邻两个柱形凸起之间的间距为35cm，同一阴极碳块上不同排的相邻柱形凸起的间距为10cm，同时与出铝口相邻的两个柱形凸起之间的间距为70cm。
阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽在电解生产金属铝时的工作条件是：阴极碳块的柱形都要浸没于铝液中，铝液上面为电解质熔体，铝液面的高度要高出凸起的上表面，在出铝后为1～10cm，电解槽的工作电压在3.5～3.9V之间。
Claims (2)
1.一种阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽，包括阴极碳块，其特征在于所述的阴极碳块由阴极碳块基体及多个柱形凸起构成，柱形凸起和阴极碳块基体之间填充有石墨糊，阴极碳块基体为长方体，其上表面设有凹槽，柱形凸起通过凹槽镶嵌在阴极碳块基体的上表面，柱形凸起为长方体或圆柱体，沿阴极炭块上表面长度方向按两排或三排排列，相邻两排的柱形凸起交错排列，阴极碳块的柱形凸起在铝电解时都要浸没于铝液中，铝液面的高度高出柱形凸起的上表面。
2.权利要求1所述阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起铝电解槽的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)制备阴极碳块基体，采用两种方法：
①挤压法：采用挤压方法生产阴极碳块基体，其基体的断面为规则的矩形面时，生产出阴极碳块基体的生坯，经过1100～1300℃焙烧后制成无烟煤或石墨质的阴极碳块基体，或者先经过1100～1300℃焙烧再进行2300～2500℃高温热处理后制成半石墨化的阴极碳块基体，然后在阴极碳块基体上表面需要镶嵌柱型凸起的位置上机加工成深度为5-10cm的圆形坑槽，并在坑槽侧壁加工出内螺纹，该内螺纹与圆柱体的柱形凸起的外螺纹相配合；
②振动成型或模压成型：阴极碳块基体生坯用振动成型或模压成型方法进行制作时，所用的振动成型模内物料上面的重物的底表面改传统的平面成具有凸起结构，或模压成型时模内物料上的压模的底表面改传统的平面为其表面上具有凸起结构；这样在阴极碳块基体振动成型或模压成型后，振动成型或模压成型出来的阴极碳块基体生坯的上表面就具有了用于安置柱型凸起的坑槽；其中模内物料的重物底表面或模内物料压模底表面上的凸起结构的位置分布与阴极碳块基体上表面所要镶嵌柱形凸起的位置对应；凸起结构的形状与所要振动成型或模压成型生产出的其上表面所要镶嵌柱型凸起的坑槽的形状相一致；坑槽的深度为5-10cm；当阴极碳块基体为无烟煤阴极碳块基体、石墨质阴极碳块基体或半石墨质阴极碳块基体时，将上述阴极碳块基体生坯在1100～1300℃焙烧，制成带有坑槽的阴极碳块基体；当阴极碳块基体为石墨化或半石墨化的阴极碳块基体时，焙烧方法和制成坑槽的方法与方法①培烧方法及制成坑槽的方法相同，焙烧后在石墨化炉中在2300～3000℃条件下进行高温处理，制成半石墨化或全石墨化阴极碳块基体；阴极碳块基体上表面的的坑槽分为圆形坑槽和方形坑槽；当坑槽为圆形时，坑槽的内壁加工有内螺纹，该内螺纹与圆柱体的柱形凸起的外螺纹相配合；当坑槽为方形坑槽时，其内壁有至少4个直径不小于5mm，深度不小于10mm的圆坑；
(2)镶嵌柱形凸起，以热固性树脂与石墨粉混合制成石墨糊，配比要求能够混合制成糊状物；将石墨糊填入坑槽中；然后将柱形凸起装入坑槽中，其中当柱形凸起为长方体时，坑槽亦为方形坑槽，坑槽的长宽尺寸大于柱形凸起的长宽尺寸1～10mm，长方体柱形凸起垂直压入坑槽中；当柱形凸起为圆柱形时，坑槽为圆形，侧壁加工有内螺纹；柱形凸起上的外螺纹与坑槽中的内螺纹相配合，柱形凸起拧入坑槽中，内螺纹和外螺纹缝隙间亦有石墨糊填充；当柱形凸起进入坑槽后，坑槽内将有一部分石墨糊从凸起与坑槽之间的缝隙中被挤压出来，堆积在阴极碳块基体上表面与柱形凸起相接合的地方。
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