CN106661747B - 用于电解池的侧向绝缘衬里 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电解池(100)，该电解池包括一个具有侧壁(3)的槽壳(200)和一个覆盖所述侧壁(3)的侧向绝缘衬里，所述侧向绝缘衬里包括：可压缩材料制成的热绝缘元件(1)；具有至少一个侧面的、由耐火材料制成的楔入元件(2)，所述热绝缘元件(1)和所述楔入元件(2)抵靠所述槽壳(200)的至少一个侧壁(3)交替地固定；以及面向内的块(5)，所述面向内的块被布置成使得每个面向内的块(5)支承抵靠至少两个楔入元件(2)的侧面。该侧向绝缘衬里还可以包括由耐火材料制成的保护元件(4)和面向外的板(6)。
Description
本发明涉及用于通过电解生产铝的电解池(cuve d’électrolyse)。
按照惯例，使用霍尔-赫鲁特(Hall-Héroult)方法通过电解在铝厂中生产铝。为此，提供电解池(cuve d’électrolyse)，该电解池包括槽壳(caisson)和耐火材料的内衬里。电解池还包括阴极块，阴极块被布置在槽壳的底部，由被设计成收集电解电流从而将电解电流引导到下一个电解池的导电棒穿过。电解池还包括悬吊于阳极框架(诸如，柱和横向构件)的至少一个阳极块，所述阳极块部分地浸入电解浴中，处在阴极块之上。随着反应进行，在电解浴下面形成一个覆盖阴极块的液体铝层。电流经由阳极块、电解浴和金属层从阳极框架流到阴极，氧化铝在温度为大约970℃的电解浴中被溶解。为了限制由于电解浴的化学组分以及其温度对槽壳的壁造成的的腐蚀，已知的是使用由悬吊于槽壳的内衬里上的由碳质材料制成的面向内的块。然而，尽管存在这些面向内的块和内衬里，通过容器壁的热量损耗仍是非常大的，这有害于总能量效率、池的寿命以及电解过程的恰当运行。
本发明的一个目的旨在克服此缺点。为此，本发明提供了一种电解池，该电解池被设计成包含一个电解浴，该电解池包括一个具有侧壁的槽壳和覆盖所述侧壁的侧向绝缘衬里，所述侧向绝缘衬里包括：
由可压缩材料制成的热绝缘元件，
具有至少一个侧面的、由耐火材料制成的楔入元件，所述热绝缘元件和所述楔入元件抵靠所述槽壳的至少一个侧壁交替地固定，以及
面向内的块，所述面向内的块被布置成保护该电解浴的所述槽壳、所述热绝缘元件和所述楔入元件，两个相邻的楔入元件之间的距离被适配以使得每个面向内的块支承抵靠至少两个楔入元件的侧面。
在此配置中，该槽壳的壁用可以由可压缩材料制成的热绝缘元件部分地覆盖，所述热绝缘元件大大限制了热量损耗并且保护槽壳壁免受由电解浴和液体铝生成的大量热量影响。此外，***在由可压缩材料制成的热绝缘元件之间的耐火楔入元件被用来在建造和操作该池时限制或防止对所述热绝缘元件的压缩，而不会形成将有害于槽壳壁的热传导桥。所述热绝缘元件不经受所述槽壳的侧壁和面向内的块之间的有害压缩，因此它们不被压碎并且保持它们的热绝缘能力。因此，由可压缩材料制成的热绝缘元件的使用能够以此方式限制原材料和装置的成本并且实现改善的和易调整的热平衡。
可压缩材料制成的热绝缘元件意指，在不存在楔入元件的情况下，在池的制造或操作期间，将由面向内的块压碎且因此退化的任何元件。可压缩材料制成的热绝缘元件可以是充气结构，尤其是基于纤维的。
有利地，每个楔入元件具有的厚度等于或大于所述热绝缘元件的厚度。
有利地，所述侧向绝缘衬里还包括由耐火材料制成的布置在热绝缘元件和面向内的块之间的保护元件。这些保护元件保护布置在后面的热绝缘元件免受电解浴穿过面向内的块的可能的浸透(imprégnation)，以使得对热绝缘的保护随着时间被加强。
根据一个布置，两个相邻的楔入元件之间的空间容纳保护元件。在此配置中，所述保护元件不覆盖所述楔入元件而是仅覆盖所述热绝缘元件。
优选地，每个楔入元件具有与一个热绝缘元件和一个保护元件的组合厚度大体上相同的厚度，使得所述热绝缘元件免于压缩。此布置因此能够在槽的整个寿命内维持由可压缩材料制成的热绝缘元件的强度和热绝缘能力。
所述热绝缘元件具有的热绝缘系数大于所述楔入元件的热绝缘系数和所述保护元件的热绝缘系数。以此方式，能够使用薄的热绝缘元件。它们的存在对槽壳内部的剩余体积具有非常小的影响，以实现有效的热绝缘。这些元件因此能够减少槽壳的侧壁处的热量损耗，而不需要减小存在于槽壳内的阴极块的尺寸且因此减小电解过程的效率。
有利地，沿着槽壳的相应的壁的纵向轴线测量的每个热绝缘元件的长度大于每个楔入元件的长度。此布置优化了槽壳的热绝缘且限制了热桥。
典型地，沿着槽壳的相应的壁的纵向轴线测量的每个热绝缘元件的长度比每个楔入元件的长度大至少四倍。
优选地，所述侧向绝缘衬里还包括面向外的板，有利地所述面向外的板由碳化硅(SiC)制成，所述面向外的板抵靠所述槽壳的至少一个侧壁延伸并且被布置成在所述楔入元件、所述热绝缘元件以及在适当的情况下所述保护元件上方对齐。这些板因此从上面保护所述热绝缘元件且保护槽壳免受腐蚀影响。它们还有助于在选择的表面处局部地且受控地移除热量。
有利地，每个面向外的板具有与每个楔入元件的厚度大体上相同的厚度。所述热绝缘元件的侧边缘且在适当的情况下所述保护元件的侧边缘因此被覆盖并且被垂直地保护免受电解池的腐蚀环境的影响。
有利地，所述面向外的板与所述面向内的块整体成型。
根据一种可能性，所述热绝缘元件的可压缩材料由纤维材料制成，所述纤维材料诸如是玻璃纤维材料、碳化纤维材料、岩石纤维材料或***纤维材料。它还可以是高度绝缘多微孔类型的或基于珍珠岩、硅藻土或硅酸钙的。
有利地，所述热绝缘元件的可压缩材料具有小于0.5W/m.K的热传导率(在室温下使用ASTM C201方法测量的)。
有利地，由可压缩材料制成的热绝缘元件由一个抵抗由电解液烟气造成的腐蚀的材料层围绕。高度腐蚀电解烟气可以在抵靠槽壳的侧壁的电解池的整个寿命内渗透和蔓延，从而使所述热绝缘元件的可压缩材料退化。将可压缩材料封闭在一个抵抗来自电解液烟气(或蒸汽屏障)的腐蚀的材料层内有助于保护可以被用来制造所述热绝缘元件的材料和扩展可以被用来制造所述热绝缘元件的材料的范围。
抵抗来自电解液烟气的腐蚀的该材料层有利地由一个铝膜形成。
有利地，所述楔入元件表现出大于10MPa的压缩抵抗力。
有利地，所述楔入元件具有的热传导率低于所述面向内的块的热传导率且在适当的情况下低于所述面向外的板的热传导率。
所述楔入元件因此不形成有害于所述热绝缘元件之间的槽壳壁的热传导桥。
根据一种可能，所述楔入元件具有小于2W/m.K的热传导率(在室温下使用ASTMC201测量的)。
有利地，所述楔入元件由耐火砖例如硅酸盐或云母板制成，它们具有良好的压缩强度和低热传导率。
典型地，所述保护元件与所述楔入元件的材料或类型相同。
有利地，所述面向内的块由碳基材料制成，所述材料尤其基于SiC，其确保槽壳将是耐用的，尽管是高度腐蚀的电解条件。
本发明的其他方面、目的和优点将在阅读对作为非限制性实施例并且参考附图给出的本发明的实施方案的以下描述时更清楚地显现。为了提高可读性，对于示出的所有元件，附图未必按比例绘制。在以下描述中，为了简单，与多个实施方案相同的、类似的或等同的元件具有相同的参考数字。
图1例示根据本发明的一个实施方案的电解池的内部的局部示意性视图。
图2例示根据本发明的一个实施方案的电解池的内部的另一个局部示意性视图。
图3例示根据本发明的一个实施方案的电解池的内部的又一个局部示意性视图。
图4是根据图3中例示的本发明的实施方案的电解池的内部的局部截面视图。
如图1中例示的，电解池100包括槽壳200和侧向绝缘衬里，该侧向绝缘衬里包括交替地固定抵靠在槽壳200的侧壁3上的热绝缘元件1和楔入元件2。这些热绝缘元件1用保护元件4覆盖(图2)，所述保护元件进而覆盖支承抵靠所述楔入元件2的面向内的块5(图3)。面向外的板6也抵靠槽壳200的侧壁3延伸并且在热绝缘元件1的楔入元件2和保护元件4上方对齐。(图3)。
热绝缘元件1因楔入元件2的布置而免受槽壳200的侧壁和面向内的块5之间的压缩影响，所以它们可以由可压缩的热绝缘材料制成。所述可压缩的热绝缘材料可以是，例如，纤维材料，诸如，玻璃纤维材料、碳化纤维材料、岩石纤维材料或***纤维材料。所述可压缩的热绝缘材料还可以是例如高度绝缘多微孔类型的或基于珍珠岩、硅藻土或硅酸钙的材料。
由可压缩材料制成的热绝缘元件1具有高热绝缘系数，使得小厚度的此可压缩材料足以确保它们覆盖的槽壳的壁的良好热绝缘。
楔入元件2包括耐火材料，诸如，耐火砖硅酸盐或云母板。所述楔入元件必须保护所述热绝缘元件免于被压碎并且有利地促进热绝缘。这些楔入元件2以及保护元件4通常表现出的热绝缘特性劣于热绝缘元件1的热绝缘特性，即使它们是良好的绝缘体。它们的热传导率小于2W/m.K。沿着槽壳200的壁3的纵向轴线(x轴线，图1)测量的每个热绝缘元件1的长度被选择成大于每个楔入元件2的长度。通常，应用一比四且优选地一比五的长度比，以获得槽壳200的壁3上的最佳热量损耗减少。
此外，每个楔入元件2的厚度等于或大于热绝缘元件1的厚度。此外，两个相邻的楔入元件2之间的计划距离小于一个面向内的块5的沿着槽壳200的壁3的纵向轴线x的长度，以使得面向内的块5可以支承抵靠至少两个楔入元件2。以此方式，每个面向内的块5抵靠至少两个楔入元件2安置。所述楔入元件具有大于10MPa的抗压缩强度，以使得它们是足够刚性的且不可压缩的，以防止面向内的块5压缩由可压缩材料制成的热绝缘元件1，否则其会出现减弱的热绝缘特性。
面向内的块5是碳基材料。它的作用是帮助保护槽壳200的壁3和热绝缘元件1免于在非常高的温度下由于液体铝和/或电解浴造成的腐蚀影响。它意在覆盖所有热绝缘元件1、楔入元件2以及面向外的元件6的至少一部分。
如图2中例示的，保护元件4可以***在热绝缘元件1和面向内的块5之间，处在两个相邻的楔入元件2之间的空间内。每个楔入元件2具有与一个保护元件4和一个热绝缘元件1的总厚度大体上相同的厚度。这些由耐火材料制成的保护元件4可以随着时间过去保护绝缘并且完成通过热绝缘元件1提供的热绝缘。保护元件4可以由与楔入元件2的组分相同的组分制成。
如图3中例示的，面向外的板6由碳化硅(SiC)基材料制成，具有与楔入元件2的厚度大体上相同的厚度，覆盖槽壳200的内壁3与面向内的块5之间的热绝缘元件1、楔入元件2以及保护元件4的上侧边缘。此布置有助于保护不同的元件免受腐蚀并且以在适当的位置处提供电解浴、槽壳壁与外部大气之间的合适的热量交换以创建一组保护面向内的块5的冰晶石。
根据一种未例示的可能性，槽壳的所有侧壁3都被热绝缘元件1、楔入元件2、保护元件4、面向内的块5和面向外的板6覆盖。以此方式，槽壳200具有最佳的热分布。
图4是电解池的局部截面视图，例示了槽壳200、直接抵靠槽壳200的壁3固定且与保护元件4相邻、由面向内的块5和面向外的板6保护的热绝缘元件1。
以此方式，本发明提供了一种具有侧向绝缘衬里的电解池以通过占据很少空间的最佳的绝缘来有效地减少热量损耗。
不言而喻，本发明不限制于上文以实施例的方式描述的实施方案，而是包括所描述的手段的所有技术等同物或变体以及它们的组合。
Claims (22)
1.电解池(100)，其被设计成包含一个电解浴，该电解浴包括一个具有侧壁(3)的槽壳(200)和一个覆盖所述侧壁(3)的侧向绝缘衬里，其特征在于，所述侧向绝缘衬里包括：
由可压缩材料制成的热绝缘元件(1)，
具有至少一个侧面的、由耐火材料制成的楔入元件(2)，所述热绝缘元件(1)和所述楔入元件(2)抵靠所述槽壳(200)的至少一个侧壁(3)交替地固定，以及
面向内的块(5)，所述面向内的块被布置成保护该电解浴的所述槽壳(200)、所述热绝缘元件(1)和所述楔入元件(2)，两个相邻的楔入元件(2)之间的距离被适配以使得每个面向内的块(5)支承抵靠至少两个楔入元件(2)的侧面。
2.根据权利要求1所述的电解池(100)，其中每个楔入元件(2)具有的厚度等于或大于所述热绝缘元件(1)的厚度。
3.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中所述侧向绝缘衬里还包括由耐火材料制成的布置在热绝缘元件(1)和面向内的块(5)之间的保护元件(4)。
4.根据权利要求3所述的电解池(100)，其中两个相邻的楔入元件(2)之间的空间容纳所述保护元件(4)。
5.根据权利要求3所述的电解池(100)，其中每个楔入元件(2)具有与一个热绝缘元件(1)和一个保护元件(4)的组合厚度大体上相同的厚度，以使得所述热绝缘元件(1)免于压缩。
6.根据权利要求3所述的电解池(100)，其中所述热绝缘元件(1)具有的热绝缘系数大于所述楔入元件(2)的热绝缘系数和所述保护元件(4)的热绝缘系数。
7.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中沿着槽壳(200)的相应的侧壁(3)的纵向轴线测量的每个热绝缘元件(1)的长度大于每个楔入元件(2)的长度。
8.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中沿着槽壳(200)的相应的侧壁(3)的纵向轴线测量的每个热绝缘元件(1)的长度比每个楔入元件(2)的长度大至少四倍。
9.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中所述侧向绝缘衬里还包括面向外的板(6)，所述面向外的板抵靠所述槽壳(200)的至少一个侧壁(3)延伸并且被布置成在所述楔入元件(2)和所述热绝缘元件(1)上方对齐。
10.根据权利要求9所述的电解池(100)，其中所述面向外的板(6)由碳化硅制成。
11.根据权利要求9所述的电解池(100)，其中每个面向外的板(6)具有与每个楔入元件(2)的厚度大体上相同的厚度。
12.根据权利要求9所述的电解池(100)，其中所述面向外的板(6)与所述面向内的块(5)整体成型。
13.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中所述热绝缘元件(1)的可压缩材料由纤维材料制成。
14.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中所述楔入元件(2)显示大于10MPa的压缩抵抗力。
15.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中所述楔入元件(2)具有的热传导率低于面向内的块(5)的热传导率。
16.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中所述楔入元件(2)显示小于2W/m.K的热传导率。
17.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中所述楔入元件(2)由硅酸盐耐火砖或云母板构成。
18.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中所述热绝缘元件(1)的可压缩材料具有小于0.5W/m.K的热传导率。
19.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中所述热绝缘元件(1)的可压缩材料被一个抵抗由电解液烟气造成的腐蚀的材料层围绕。
20.根据权利要求1到2中的一项所述的电解池(100)，其中所述面向内的块(5)是碳基的。
21.根据权利要求13所述的电解池(100)，其中所述纤维材料是高度绝缘多微孔类型的或基于珍珠岩、硅藻土或硅酸钙的玻璃纤维材料、碳化纤维材料、岩石纤维材料或***纤维材料。
22.根据权利要求9所述的电解池(100)，其中所述楔入元件(2)具有的热传导率低于面向外的板(6)的热传导率。
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