CN101935852A

CN101935852A - 一种惰性电极低温铝电解槽

Info

Publication number: CN101935852A
Application number: CN 201010298639
Authority: CN
Inventors: 李劼; 李旺兴; 张红亮; 刘风琴; 赖延清; 杨建红; 张翮辉; 邱仕麟; 崔喜风; 赵清杰; 吕晓军; 史志荣; 徐宇杰; 田忠良
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2011-01-05

Abstract

一种惰性电极低温铝电解槽，包括槽体、金属陶瓷惰性阳极、可湿润性阴极、低温电解质；所述可湿润性阴极设置在所述槽体底部；所述低温电解质设置在槽体中；所述金属陶瓷惰性阳极设置在所述槽体上部，其端部延伸至所述低温电解质中；所述金属陶瓷惰性阳极由至少2组金属陶瓷惰性阳极组构成，所述每一个金属陶瓷惰性阳极组由至少2个金属陶瓷惰性阳极单体组成；所述金属陶瓷惰性阳极组之间以及同一金属陶瓷惰性阳极组中的金属陶瓷惰性阳极单体之间均为电并联结构。本发明结构合理，操作简便，工作平稳，工作时排放氧气、铝液波动小、槽电压低、工作温度低、能耗小。适于工业化应用。

Description

一种惰性电极低温铝电解槽

技术领域

本发明公开了一种铝电解槽，特别是指一种综合采用惰性阳极、可湿润性阴极和低温电解质的惰性电极低温铝电解槽；属于铝电解技术领域。

背景技术

传统霍尔-埃鲁特法(Hall-Héroult)铝电解工艺一直是工业炼铝的唯一方法，但采用炭素阳极将会在电解过程中产生温室气体二氧化碳以及有毒的氟化物气体，对环境不利。且炭素阳极不断消耗，要经常性更换新的阳极，不但对电解槽的正常运行产生波动还导致工人劳动强度大，此外，还需要专门的炭素生产车间进行阳极的生产。传统铝电解槽所采用的普通炭块、半石墨质或石墨化炭块作为阴极，这些材料对铝液的湿润性不好，易受电解质熔体尤其钠的侵蚀，促使炭阴极体积膨胀和裂缝，造成电解槽的破损降低槽寿命，因此，以改善阴极对铝液的润湿性，减缓电解质熔体和钠的渗透，延长槽寿命为目的，近年来可润湿性阴极技术成为电解铝研究领域一项重大的技术进展。目前，低温电解被认为是最具潜力的铝电解工业的节能降耗途径，它可以减少电解槽的热损失，提高电流效率，从而降低原铝的生产成本。国内的部分研究人员通过添加锂盐降低电解质初晶温度并通过加强电解槽侧部保温来共同实现低温电解，但该电解质会对炭素电极造成腐蚀，导致电解槽的早期破损，所以真正的低温电解必须有惰性阳极、惰性阴极和低温电解质的配合使用才能实现。

发明内容

本发明的目的在于针对现行铝电解槽所采用的消耗性炭阳极、与铝液湿润性差的传统炭质阴极和现行的电解质体系造成的污染环境和高能耗的缺点，提供一种综合采用惰性阳极、可湿润性阴极和低温电解质的惰性电极低温铝电解槽。

为解决上述问题，本发明一种惰性电极低温铝电解槽是采用下述方案实现的：

一种惰性电极低温铝电解槽，包括槽体、金属陶瓷惰性阳极、可湿润性阴极、低温电解质；所述可湿润性阴极设置在所述槽体底部；所述低温电解质设置在槽体中；所述金属陶瓷惰性阳极设置在所述槽体上部，其端部延伸至所述低温电解质中；

所述金属陶瓷惰性阳极由至少2组金属陶瓷惰性阳极组构成，所述每一个金属陶瓷惰性阳极组由至少2个金属陶瓷惰性阳极单体组成；所述金属陶瓷惰性阳极组之间以及同一金属陶瓷惰性阳极组中的金属陶瓷惰性阳极单体之间均为电并联结构；

所述可湿润性阴极由多块粒度级配功能梯度TiB₂/C复合阴极构成；

所述低温电解质由Na₃AlF₆、K₃AlF₆、Al₂O₃、AlF₃、LiF组成，初晶温度为840℃～900℃。

本发明中，所述金属陶瓷惰性阳极单体为深杯状金属陶瓷惰性阳极，由SnO₂-AB₂O₄陶瓷相；Ni-Cu金属相；氧化物M_xO_y以及分散剂、粘接剂组成；

所述AB₂O₄为具有尖晶石结构的复合氧化物，其中：

A取自Ni、Mg、Co、Zn、Cu、Li、Fe中的至少一种；

B取自Fe、Al、Co、Mn、Cr、Ge中的至少一种；

所述氧化物M_xO_y中的M取自Cu、Ag、Pd、Pt、Au、Rh、Ru、Ir、Co、Ni、Fe、Al、Sn、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Sb、V、Mb、Hf和稀土元素中的至少一种。

本发明中，所述每一个金属陶瓷惰性阳极组包括金属陶瓷惰性阳极单体、金属陶瓷惰性阳极单体导杆、金属陶瓷惰性阳极单体绝缘保护套、支撑钢板、金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆、金属陶瓷惰性阳极组绝缘保护套、金属陶瓷惰性阳极单体软母线，所述支撑钢板上均布有与所述金属陶瓷惰性阳极单体数量相同的第一通孔，所述每一个金属陶瓷惰性阳极单体通过所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆插装在一个所述第一通孔中通过螺母固定而将所述金属陶瓷惰性阳极单体安装在所述支撑钢板上；在所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆与所述第一通孔之间套装有一个所述金属陶瓷惰性阳极单体绝缘保护套；在所述钢板上设有至少一个第二通孔，所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆插装在所述第二通孔中通过螺母固定而将所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆安装在所述支撑钢板上；在所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆与所述第二通孔之间套装有一个所述金属陶瓷惰性阳极组绝缘保护套；所述每一个金属陶瓷惰性阳极单体通过所述金属陶瓷惰性阳极单体软母线与所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆电连接，所述每一个金属陶瓷惰性阳极单体之间为电并联。

本发明中，所述支撑钢板厚度为5mm-20mm。

本发明中，所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆一端设有连接所述金属陶瓷惰性阳极单体软母线的孔，另一端预埋在所述金属陶瓷惰性阳极单体内，所述预埋在金属陶瓷惰性阳极单体内的所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆的端面距所述金属陶瓷惰性阳极单体底面距离为所述金属陶瓷惰性阳极单体高度的1/5至1/4。

本发明中，所述金属陶瓷惰性阳极单体绝缘保护套及金属陶瓷惰性阳极组绝缘保护套均由陶瓷或耐高温、耐磨损电绝缘材料制成。

本发明中，所述粒度级配功能梯度TiB₂/C复合阴极由：炭质骨料、TiB₂骨料、粘结剂组成。

本发明由于采用上述结构，利用发明人已经取得的中国专利ZL03136924.3所发明的深杯状金属陶瓷惰性阳极，与可湿润性阴极及低温电解质组成低温铝电解槽。其中：阳极部分由两个或两个以上金属陶瓷惰性阳极组构成，每个惰性阳极组由两个或两个以上的金属陶瓷惰性阳极固定在一块支撑钢板上构成；可湿润性阴极部分由多块粒度级配功能梯度TiB₂/C复合阴极组成；电解槽使用含钾系低温电解质，电解氧化铝得到金属铝。由于电解质中含有K₃AlF₆，使电解质初晶温度仅为840℃～900℃，初晶温度低，且随成分的变化相对缓慢，电解质对惰性阳极的腐蚀较小，可以提供惰性阳极较长的工作寿命和稳定的工作性能，并有利于解决电解槽底电流不均匀、槽电压不稳等问题，同时可以有效解决氧化铝在槽底沉淀的现象。该电解槽生产过程排放氧气，对环境友好无害，能耗低，操作简便，稳定性好。

本发明的优点简述于下：

1.本发明所提供的铝电解槽，由若干惰性阳极组成了阳极部分，惰性阳极由金属氧化物陶瓷制备而成。电解时阳极与电解质接触的界面使电解质中的配位阴离子中的氧离子放电析出氧气，而阳极本身并不消耗，解决了现行铝电解槽大量消耗炭阳极并大量产生温室气体二氧化碳的问题；产生的氧气气泡体积很小易于释放，气泡导致的气膜电阻很小，对电解质的搅动也较小，能够使槽电压和极间距保持在一个较低的水平。由于几乎不用更换阳极，故本发明所提供的电解槽操作更为简便，工作更为平稳。

2.本发明所提供的铝电解槽，由多块粒度级配功能梯度TiB₂/C复合阴极构成阴极部分，这种复合材料对铝液的润湿性好，可有效减缓电解质熔体和钠的渗透，能够采用较低的铝液水平进行电解生产，从而可以采用较低的极间距，有效较低槽电压，降低能耗。

3.本发明所提供的铝电解槽，采用含钾系低温电解质，这种电解质能够在电解温度840℃-900℃下保持较低的粘度和较高的氧化铝溶解度，因而流动性较好，氧化铝下料后能够在这种电解质中较快地溶解分散，解决了现行铝电解槽需要运行在电解质温度为930℃以上的问题，因此维持槽温所需的能量更少，耗电量也就更低。且这种含钾系低温电解质中，所采用的惰性阳极具有较好的耐腐蚀性，解决了在现行电解质体系中惰性阳极不耐腐蚀的缺陷。

综上所述，本发明结构合理，操作简便，工作平稳，工作时排放氧气、铝液波动小、槽电压低、工作温度低、能耗小。适于工业化应用。

附图说明

附图1为本发明结构示意图。

附图2为附图1中金属陶瓷惰性阳极组结构示意图。

附图3为附图2的俯视图。

附图4为本发明中支撑钢板俯视图。

图中：1-槽体，2-金属陶瓷惰性阳极，3-可湿润性阴极，4-低温电解质。

下面结合附图及实施例对本发明所提供的低温铝电解槽进行详细说明。

实施例1

参见附图1、2、3，一种低温铝电解槽，包括槽体1、金属陶瓷惰性阳极2、可湿润性阴极3、低温电解质4；所述可湿润性阴极3设置在所述槽体1底部；所述低温电解质4设置在槽体1中；所述金属陶瓷惰性阳极2设置在所述槽体1上部，其端部延伸至所述低温电解质4中；

所述金属陶瓷惰性阳极2由2组金属陶瓷惰性阳极组9构成，所述每一个金属陶瓷惰性阳极组9由8个金属陶瓷惰性阳极单体17组成；所述金属陶瓷惰性阳极组9之间以及同一金属陶瓷惰性阳极组9中的金属陶瓷惰性阳极单体17之间均为电并联结构；

所述可湿润性阴极3由多块粒度级配功能梯度TiB₂/C复合阴极构成；

所述低温电解质由Na₃AlF₆、K₃AlF₆、Al₂O₃、AlF₃、LiF组成，初晶温度为840℃～900℃；

所述金属陶瓷惰性阳极组9包括金属陶瓷惰性阳极单体17、金属陶瓷惰性阳极单体导杆15、金属陶瓷惰性阳极单体绝缘保护套14、支撑钢板13、金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆10、金属陶瓷惰性阳极组绝缘保护套8、金属陶瓷惰性阳极单体软母线11，所述支撑钢板13上均布有8个第一通孔5，所述金属陶瓷惰性阳极单体17通过所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆15插装在一个所述第一通孔5中通过螺母12固定而将所述金属陶瓷惰性阳极单体17安装在所述支撑钢板13上；在所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆15与所述第一通孔5之间套装有一个所述金属陶瓷惰性阳极单体绝缘保护套14；在所述支撑钢板13上设有一个第二通孔6，所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆10插装在所述第二通孔6中通过螺母7固定而将所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆10安装在所述支撑钢板13上；在所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆10与所述第二通孔6之间套装有一个所述金属陶瓷惰性阳极组绝缘保护套8；所述金属陶瓷惰性阳极单体17通过所述金属陶瓷惰性阳极单体软母线11与所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆10电连接，所述金属陶瓷惰性阳极单体17之间为电并联；

所述支撑钢板13厚度为5mm-20mm；

所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆15一端设有连接所述金属陶瓷惰性阳极单体软母线11的孔，另一端预埋在所述金属陶瓷惰性阳极单体17内，所述预埋在金属陶瓷惰性阳极单体17内的所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆15的端面距所述金属陶瓷惰性阳极单体17底面距离为所述金属陶瓷惰性阳极单体17高度的1/5至1/4；

所述金属陶瓷惰性阳极单体绝缘保护套14及金属陶瓷惰性阳极组绝缘保护套8均由陶瓷制成；

所述粒度级配功能梯度TiB₂/C复合阴极由：炭质骨料、TiB₂骨料、粘结剂组成。

本实施例中，所述金属陶瓷惰性阳极单体17为深杯状，具体组分为：CaO-Cu-NiO-NiFe₂O₄金属陶瓷惰性阳极。

本实施例在实际使用过程中，其槽电压为3.8V以下，电解温度低于900℃，电耗小于13500kWh/t-Al、CF_n化合物排放量降低70％，其整体环境价值和经济价值和现行槽具有相当的竞争力。

实施例2

本实施例的电解槽结构与实施例1相同，仅仅是金属陶瓷惰性阳极单体17具体组分为：CaO-Ni-NiFe₂O₄金属陶瓷惰性阳极。

本实施例在实际使用过程中，其槽电压可控制在3.8V～3.9V，电解温度为890～920℃，电耗小于13500kWh/t-Al、CF_n化合物排放量降低70％，对于环境友好型铝电解行业的发展具有较大推动力。

实施例3

本实施例的电解槽结构与实施例1相同，仅仅是金属陶瓷惰性阳极单体17具体组分为：CaO-BaO-Ni-NiO-NiFe₂O₄金属陶瓷惰性阳极。

Claims

1.一种惰性电极低温铝电解槽，包括槽体、金属陶瓷惰性阳极、可湿润性阴极、低温电解质；其特征在于：所述可湿润性阴极设置在所述槽体底部；所述低温电解质设置在槽体中；所述金属陶瓷惰性阳极设置在所述槽体上部，其端部延伸至所述低温电解质中；

2.根据权利要求1所述的低温铝电解槽，其特征在于：所述金属陶瓷惰性阳极单体为深杯状金属陶瓷惰性阳极，由SnO₂-AB₂O₄陶瓷相；Ni-Cu金属相；氧化物M_xO_y以及分散剂、粘接剂组成；

所述AB₂O₄为具有尖晶石结构的复合氧化物，其中：

A取自Ni、Mg、Co、Zn、Cu、Li、Fe中的至少一种；

B取自Fe、Al、Co、Mn、Cr、Ge中的至少一种；

3.根据权利要求2所述的惰性电极低温铝电解槽，其特征在于：所述每一个金属陶瓷惰性阳极组包括金属陶瓷惰性阳极单体、金属陶瓷惰性阳极单体导杆、金属陶瓷惰性阳极单体绝缘保护套、支撑钢板、金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆、金属陶瓷惰性阳极组绝缘保护套、金属陶瓷惰性阳极单体软母线，所述支撑钢板上均布有与所述金属陶瓷惰性阳极单体数量相同的第一通孔，所述每一个金属陶瓷惰性阳极单体通过所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆插装在一个所述第一通孔中通过螺母固定而将所述金属陶瓷惰性阳极单体安装在所述支撑钢板上；在所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆与所述第一通孔之间套装有一个所述金属陶瓷惰性阳极单体绝缘保护套；在所述钢板上设有至少一个第二通孔，所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆插装在所述第二通孔中通过螺母固定而将所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆安装在所述支撑钢板上；在所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆与所述第二通孔之间套装有一个所述金属陶瓷惰性阳极组绝缘保护套；所述每一个金属陶瓷惰性阳极单体通过所述金属陶瓷惰性阳极单体软母线与所述金属陶瓷惰性阳极组支撑导杆电连接，所述每一个金属陶瓷惰性阳极单体之间为电并联。

4.根据权利要求3所述的惰性电极低温铝电解槽，其特征在于：所述支撑钢板厚度为5mm-20mm。

5.根据权利要求4所述的惰性电极低温铝电解槽，其特征在于：所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆一端设有连接所述金属陶瓷惰性阳极单体软母线的孔，另一端预埋在所述金属陶瓷惰性阳极单体内，所述预埋在金属陶瓷惰性阳极单体内的所述金属陶瓷惰性阳极单体导杆的端面距所述金属陶瓷惰性阳极单体底面距离为所述金属陶瓷惰性阳极单体高度的1/5至1/4。

6.根据权利要求5所述的惰性电极低温铝电解槽，其特征在于：其特征在于：所述粒度级配功能梯度TiB₂/C复合阴极由：炭质骨料、TiB₂骨料、粘结剂组成。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的惰性电极低温铝电解槽，所述金属陶瓷惰性阳极单体绝缘保护套及金属陶瓷惰性阳极组绝缘保护套均由陶瓷或耐高温、耐磨损电绝缘材料制成。