專利名稱：一種惰性電極低溫鋁電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種鋁電解槽，特別是指一種綜合采用惰性陽極、可濕潤性陰極和 低溫電解質(zhì)的惰性電極低溫鋁電解槽；屬于鋁電解技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)霍爾-埃魯特法(Hall-H6roUlt)鋁電解工藝一直是工業(yè)煉鋁的唯一方法，但 采用炭素陽極將會在電解過程中產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳以及有毒的氟化物氣體，對環(huán)境不 利。且炭素陽極不斷消耗，要經(jīng)常性更換新的陽極，不但對電解槽的正常運行產(chǎn)生波動還導(dǎo) 致工人勞動強度大，此外，還需要專門的炭素生產(chǎn)車間進行陽極的生產(chǎn)。傳統(tǒng)鋁電解槽所采 用的普通炭塊、半石墨質(zhì)或石墨化炭塊作為陰極，這些材料對鋁液的濕潤性不好，易受電解 質(zhì)熔體尤其鈉的侵蝕，促使炭陰極體積膨脹和裂縫，造成電解槽的破損降低槽壽命，因此， 以改善陰極對鋁液的潤濕性，減緩電解質(zhì)熔體和鈉的滲透，延長槽壽命為目的，近年來可潤 濕性陰極技術(shù)成為電解鋁研究領(lǐng)域一項重大的技術(shù)進展。目前，低溫電解被認為是最具潛 力的鋁電解工業(yè)的節(jié)能降耗途徑，它可以減少電解槽的熱損失，提高電流效率，從而降低原 鋁的生產(chǎn)成本。國內(nèi)的部分研究人員通過添加鋰鹽降低電解質(zhì)初晶溫度并通過加強電解槽 側(cè)部保溫來共同實現(xiàn)低溫電解，但該電解質(zhì)會對炭素電極造成腐蝕，導(dǎo)致電解槽的早期破 損，所以真正的低溫電解必須有惰性陽極、惰性陰極和低溫電解質(zhì)的配合使用才能實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)行鋁電解槽所采用的消耗性炭陽極、與鋁液濕潤性差的 傳統(tǒng)炭質(zhì)陰極和現(xiàn)行的電解質(zhì)體系造成的污染環(huán)境和高能耗的缺點，提供一種綜合采用惰 性陽極、可濕潤性陰極和低溫電解質(zhì)的惰性電極低溫鋁電解槽。為解決上述問題，本發(fā)明一種惰性電極低溫鋁電解槽是采用下述方案實現(xiàn)的一種惰性電極低溫鋁電解槽，包括槽體、金屬陶瓷惰性陽極、可濕潤性陰極、低溫 電解質(zhì)；所述可濕潤性陰極設(shè)置在所述槽體底部；所述低溫電解質(zhì)設(shè)置在槽體中；所述金 屬陶瓷惰性陽極設(shè)置在所述槽體上部，其端部延伸至所述低溫電解質(zhì)中；所述金屬陶瓷惰性陽極由至少2組金屬陶瓷惰性陽極組構(gòu)成，所述每一個金屬陶 瓷惰性陽極組由至少2個金屬陶瓷惰性陽極單體組成；所述金屬陶瓷惰性陽極組之間以及 同一金屬陶瓷惰性陽極組中的金屬陶瓷惰性陽極單體之間均為電并聯(lián)結(jié)構(gòu)；所述可濕潤性陰極由多塊粒度級配功能梯度TiB2/C復(fù)合陰極構(gòu)成；所述低溫電解質(zhì)由Na3AlF6、K3AlF6, A1203、A1F3、LiF組成，初晶溫度為840°C 900 "C。本發(fā)明中，所述金屬陶瓷惰性陽極單體為深杯狀金屬陶瓷惰性陽極，由SnO2-AB2O4 陶瓷相；Ni-Cu金屬相；氧化物MxOy以及分散劑、粘接劑組成；所述AB2O4為具有尖晶石結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物，其中A取自 Ni、Mg、Co、Zn、Cu、Li、Fe 中的至少一種；
B 取自 Fe、Al、Co、Mn、Cr、Ge 中的至少一種；所述氧化物MxOy 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種。本發(fā)明中，所述每一個金屬陶瓷惰性陽極組包括金屬陶瓷惰性陽極單體、金屬陶 瓷惰性陽極單體導(dǎo)桿、金屬陶瓷惰性陽極單體絕緣保護套、支撐鋼板、金屬陶瓷惰性陽極組 支撐導(dǎo)桿、金屬陶瓷惰性陽極組絕緣保護套、金屬陶瓷惰性陽極單體軟母線，所述支撐鋼板 上均布有與所述金屬陶瓷惰性陽極單體數(shù)量相同的第一通孔，所述每一個金屬陶瓷惰性陽 極單體通過所述金屬陶瓷惰性陽極單體導(dǎo)桿插裝在一個所述第一通孔中通過螺母固定而 將所述金屬陶瓷惰性陽極單體安裝在所述支撐鋼板上；在所述金屬陶瓷惰性陽極單體導(dǎo)桿 與所述第一通孔之間套裝有一個所述金屬陶瓷惰性陽極單體絕緣保護套；在所述鋼板上設(shè) 有至少一個第二通孔，所述金屬陶瓷惰性陽極組支撐導(dǎo)桿插裝在所述第二通孔中通過螺母 固定而將所述金屬陶瓷惰性陽極組支撐導(dǎo)桿安裝在所述支撐鋼板上；在所述金屬陶瓷惰性 陽極組支撐導(dǎo)桿與所述第二通孔之間套裝有一個所述金屬陶瓷惰性陽極組絕緣保護套；所 述每一個金屬陶瓷惰性陽極單體通過所述金屬陶瓷惰性陽極單體軟母線與所述金屬陶瓷 惰性陽極組支撐導(dǎo)桿電連接，所述每一個金屬陶瓷惰性陽極單體之間為電并聯(lián)。本發(fā)明中，所述支撐鋼板厚度為5mm-20mm。本發(fā)明中，所述金屬陶瓷惰性陽極單體導(dǎo)桿一端設(shè)有連接所述金屬陶瓷惰性陽極 單體軟母線的孔，另一端預(yù)埋在所述金屬陶瓷惰性陽極單體內(nèi)，所述預(yù)埋在金屬陶瓷惰性 陽極單體內(nèi)的所述金屬陶瓷惰性陽極單體導(dǎo)桿的端面距所述金屬陶瓷惰性陽極單體底面 距離為所述金屬陶瓷惰性陽極單體高度的1/5至1/4。本發(fā)明中，所述金屬陶瓷惰性陽極單體絕緣保護套及金屬陶瓷惰性陽極組絕緣保 護套均由陶瓷或耐高溫、耐磨損電絕緣材料制成。本發(fā)明中，所述粒度級配功能梯度TiB2/C復(fù)合陰極由炭質(zhì)骨料、TiB2骨料、粘結(jié) 劑組成。本發(fā)明由于采用上述結(jié)構(gòu)，利用發(fā)明人已經(jīng)取得的中國專利ZL03136924.3所發(fā) 明的深杯狀金屬陶瓷惰性陽極，與可濕潤性陰極及低溫電解質(zhì)組成低溫鋁電解槽。其中陽 極部分由兩個或兩個以上金屬陶瓷惰性陽極組構(gòu)成，每個惰性陽極組由兩個或兩個以上的 金屬陶瓷惰性陽極固定在一塊支撐鋼板上構(gòu)成；可濕潤性陰極部分由多塊粒度級配功能梯 度TiB2/C復(fù)合陰極組成；電解槽使用含鉀系低溫電解質(zhì)，電解氧化鋁得到金屬鋁。由于電 解質(zhì)中含有K3AlF6,使電解質(zhì)初晶溫度僅為840°C 900°C，初晶溫度低，且隨成分的變化相 對緩慢，電解質(zhì)對惰性陽極的腐蝕較小，可以提供惰性陽極較長的工作壽命和穩(wěn)定的工作 性能，并有利于解決電解槽底電流不均勻、槽電壓不穩(wěn)等問題，同時可以有效解決氧化鋁在 槽底沉淀的現(xiàn)象。該電解槽生產(chǎn)過程排放氧氣，對環(huán)境友好無害，能耗低，操作簡便，穩(wěn)定性 好。本發(fā)明的優(yōu)點簡述于下1.本發(fā)明所提供的鋁電解槽，由若干惰性陽極組成了陽極部分，惰性陽極由金屬 氧化物陶瓷制備而成。電解時陽極與電解質(zhì)接觸的界面使電解質(zhì)中的配位陰離子中的氧離 子放電析出氧氣，而陽極本身并不消耗，解決了現(xiàn)行鋁電解槽大量消耗炭陽極并大量產(chǎn)生 溫室氣體二氧化碳的問題；產(chǎn)生的氧氣氣泡體積很小易于釋放，氣泡導(dǎo)致的氣膜電阻很小，對電解質(zhì)的攪動也較小，能夠使槽電壓和極間距保持在一個較低的水平。由于幾乎不用更 換陽極，故本發(fā)明所提供的電解槽操作更為簡便，工作更為平穩(wěn)。2.本發(fā)明所提供的鋁電解槽，由多塊粒度級配功能梯度TiB2/C復(fù)合陰極構(gòu)成陰極 部分，這種復(fù)合材料對鋁液的潤濕性好，可有效減緩電解質(zhì)熔體和鈉的滲透，能夠采用較低 的鋁液水平進行電解生產(chǎn)，從而可以采用較低的極間距，有效較低槽電壓，降低能耗。3.本發(fā)明所提供的鋁電解槽，采用含鉀系低溫電解質(zhì)，這種電解質(zhì)能夠在電解溫 度840°C -900°C下保持較低的粘度和較高的氧化鋁溶解度，因而流動性較好，氧化鋁下料 后能夠在這種電解質(zhì)中較快地溶解分散，解決了現(xiàn)行鋁電解槽需要運行在電解質(zhì)溫度為 930°C以上的問題，因此維持槽溫所需的能量更少，耗電量也就更低。且這種含鉀系低溫電 解質(zhì)中，所采用的惰性陽極具有較好的耐腐蝕性，解決了在現(xiàn)行電解質(zhì)體系中惰性陽極不 耐腐蝕的缺陷。綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，操作簡便，工作平穩(wěn)，工作時排放氧氣、鋁液波動小、 槽電壓低、工作溫度低、能耗小。適于工業(yè)化應(yīng)用。


附圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2為附圖1中金屬陶瓷惰性陽極組結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3為附圖2的俯視圖。附圖4為本發(fā)明中支撐鋼板俯視圖。圖中1-槽體，2-金屬陶瓷惰性陽極，3-可濕潤性陰極，4-低溫電解質(zhì)。下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明所提供的低溫鋁電解槽進行詳細說明。實施例1參見附圖1、2、3，一種低溫鋁電解槽，包括槽體1、金屬陶瓷惰性陽極2、可濕潤性 陰極3、低溫電解質(zhì)4 ；所述可濕潤性陰極3設(shè)置在所述槽體1底部；所述低溫電解質(zhì)4設(shè)置 在槽體1中；所述金屬陶瓷惰性陽極2設(shè)置在所述槽體1上部，其端部延伸至所述低溫電解 質(zhì)4中；所述金屬陶瓷惰性陽極2由2組金屬陶瓷惰性陽極組9構(gòu)成，所述每一個金屬陶 瓷惰性陽極組9由8個金屬陶瓷惰性陽極單體17組成；所述金屬陶瓷惰性陽極組9之間以 及同一金屬陶瓷惰性陽極組9中的金屬陶瓷惰性陽極單體17之間均為電并聯(lián)結(jié)構(gòu)；所述可濕潤性陰極3由多塊粒度級配功能梯度TiB2/C復(fù)合陰極構(gòu)成；所述低溫電解質(zhì)由Na3AlF6、K3AlF6, A1203、A1F3、LiF組成，初晶溫度為840°C 900 "C ；所述金屬陶瓷惰性陽極組9包括金屬陶瓷惰性陽極單體17、金屬陶瓷惰性陽極單 體導(dǎo)桿15、金屬陶瓷惰性陽極單體絕緣保護套14、支撐鋼板13、金屬陶瓷惰性陽極組支撐 導(dǎo)桿10、金屬陶瓷惰性陽極組絕緣保護套8、金屬陶瓷惰性陽極單體軟母線11，所述支撐鋼 板13上均布有8個第一通孔5，所述金屬陶瓷惰性陽極單體17通過所述金屬陶瓷惰性陽極 單體導(dǎo)桿15插裝在一個所述第一通孔5中通過螺母12固定而將所述金屬陶瓷惰性陽極單 體17安裝在所述支撐鋼板13上；在所述金屬陶瓷惰性陽極單體導(dǎo)桿15與所述第一通孔5 之間套裝有一個所述金屬陶瓷惰性陽極單體絕緣保護套14 ；在所述支撐鋼板13上設(shè)有一個第二通孔6，所述金屬陶瓷惰性陽極組支撐導(dǎo)桿10插裝在所述第二通孔6中通過螺母7 固定而將所述金屬陶瓷惰性陽極組支撐導(dǎo)桿10安裝在所述支撐鋼板13上；在所述金屬陶 瓷惰性陽極組支撐導(dǎo)桿10與所述第二通孔6之間套裝有一個所述金屬陶瓷惰性陽極組絕 緣保護套8 ；所述金屬陶瓷惰性陽極單體17通過所述金屬陶瓷惰性陽極單體軟母線11與 所述金屬陶瓷惰性陽極組支撐導(dǎo)桿10電連接，所述金屬陶瓷惰性陽極單體17之間為電并 聯(lián)；所述支撐鋼板13厚度為5mm-20mm ；所述金屬陶瓷惰性陽極單體導(dǎo)桿15 —端設(shè)有連接所述金屬陶瓷惰性陽極單體軟 母線11的孔，另一端預(yù)埋在所述金屬陶瓷惰性陽極單體17內(nèi)，所述預(yù)埋在金屬陶瓷惰性陽 極單體17內(nèi)的所述金屬陶瓷惰性陽極單體導(dǎo)桿15的端面距所述金屬陶瓷惰性陽極單體17 底面距離為所述金屬陶瓷惰性陽極單體17高度的1/5至1/4 ；所述金屬陶瓷惰性陽極單體絕緣保護套14及金屬陶瓷惰性陽極組絕緣保護套8 均由陶瓷制成；所述粒度級配功能梯度TiB2/C復(fù)合陰極由炭質(zhì)骨料、TiB2骨料、粘結(jié)劑組成。本實施例中，所述金屬陶瓷惰性陽極單體17為深杯狀，具體組分為 CaO-Cu-NiO-NiFe2O4金屬陶瓷惰性陽極。本實施例在實際使用過程中，其槽電壓為3. 8V以下，電解溫度低于900°C，電耗小 于13500kWh/t-Al、CFn化合物排放量降低70%，其整體環(huán)境價值和經(jīng)濟價值和現(xiàn)行槽具有 相當(dāng)?shù)母偁幜Α嵤├?本實施例的電解槽結(jié)構(gòu)與實施例1相同，僅僅是金屬陶瓷惰性陽極單體17具體組 分為=CaO-Ni-NiFe2O4金屬陶瓷惰性陽極。本實施例在實際使用過程中，其槽電壓可控制在3. 8V 3. 9V，電解溫度為890 920°C，電耗小于13500kWh/t-Al、CFn化合物排放量降低70%，對于環(huán)境友好型鋁電解行業(yè) 的發(fā)展具有較大推動力。實施例3本實施例的電解槽結(jié)構(gòu)與實施例1相同，僅僅是金屬陶瓷惰性陽極單體17具體組 分為=CaO-BaO-Ni-NiO-NiFe2O4金屬陶瓷惰性陽極。本實施例在實際使用過程中，其槽電壓可控制在3. 8V 3. 9V，電解溫度為890 920°C，電耗小于13500kWh/t-Al、CFn化合物排放量降低70%，對于環(huán)境友好型鋁電解行業(yè) 的發(fā)展具有較大推動力。
權(quán)利要求
一種惰性電極低溫鋁電解槽，包括槽體、金屬陶瓷惰性陽極、可濕潤性陰極、低溫電解質(zhì)；其特征在于所述可濕潤性陰極設(shè)置在所述槽體底部；所述低溫電解質(zhì)設(shè)置在槽體中；所述金屬陶瓷惰性陽極設(shè)置在所述槽體上部，其端部延伸至所述低溫電解質(zhì)中；所述金屬陶瓷惰性陽極由至少2組金屬陶瓷惰性陽極組構(gòu)成，所述每一個金屬陶瓷惰性陽極組由至少2個金屬陶瓷惰性陽極單體組成；所述金屬陶瓷惰性陽極組之間以及同一金屬陶瓷惰性陽極組中的金屬陶瓷惰性陽極單體之間均為電并聯(lián)結(jié)構(gòu)；所述可濕潤性陰極由多塊粒度級配功能梯度TiB2/C復(fù)合陰極構(gòu)成；所述低溫電解質(zhì)由Na3AlF6、K3AlF6、Al2O3、AlF3、LiF組成，初晶溫度為840℃～900℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫鋁電解槽，其特征在于所述金屬陶瓷惰性陽極單體為 深杯狀金屬陶瓷惰性陽極，由SnO2-AB2O4陶瓷相；Ni-Cu金屬相；氧化物MxOy以及分散劑、粘 接劑組成；所述AB2O4為具有尖晶石結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物，其中A 取自 Ni、Mg、Co、Zn、Cu、Li、Fe 中的至少一種；B取自Fe、Al、Co、Mn、Cr、Ge中的至少一種；所述氧化物 MxOy 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種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的惰性電極低溫鋁電解槽，其特征在于所述每一個金屬陶瓷 惰性陽極組包括金屬陶瓷惰性陽極單體、金屬陶瓷惰性陽極單體導(dǎo)桿、金屬陶瓷惰性陽極 單體絕緣保護套、支撐鋼板、金屬陶瓷惰性陽極組支撐導(dǎo)桿、金屬陶瓷惰性陽極組絕緣保護 套、金屬陶瓷惰性陽極單體軟母線，所述支撐鋼板上均布有與所述金屬陶瓷惰性陽極單體 數(shù)量相同的第一通孔，所述每一個金屬陶瓷惰性陽極單體通過所述金屬陶瓷惰性陽極單體 導(dǎo)桿插裝在一個所述第一通孔中通過螺母固定而將所述金屬陶瓷惰性陽極單體安裝在所 述支撐鋼板上；在所述金屬陶瓷惰性陽極單體導(dǎo)桿與所述第一通孔之間套裝有一個所述金 屬陶瓷惰性陽極單體絕緣保護套；在所述鋼板上設(shè)有至少一個第二通孔，所述金屬陶瓷惰 性陽極組支撐導(dǎo)桿插裝在所述第二通孔中通過螺母固定而將所述金屬陶瓷惰性陽極組支 撐導(dǎo)桿安裝在所述支撐鋼板上；在所述金屬陶瓷惰性陽極組支撐導(dǎo)桿與所述第二通孔之間 套裝有一個所述金屬陶瓷惰性陽極組絕緣保護套；所述每一個金屬陶瓷惰性陽極單體通過 所述金屬陶瓷惰性陽極單體軟母線與所述金屬陶瓷惰性陽極組支撐導(dǎo)桿電連接，所述每一 個金屬陶瓷惰性陽極單體之間為電并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的惰性電極低溫鋁電解槽，其特征在于所述支撐鋼板厚度為 5mm-20mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的惰性電極低溫鋁電解槽，其特征在于所述金屬陶瓷惰性陽 極單體導(dǎo)桿一端設(shè)有連接所述金屬陶瓷惰性陽極單體軟母線的孔，另一端預(yù)埋在所述金屬 陶瓷惰性陽極單體內(nèi)，所述預(yù)埋在金屬陶瓷惰性陽極單體內(nèi)的所述金屬陶瓷惰性陽極單體 導(dǎo)桿的端面距所述金屬陶瓷惰性陽極單體底面距離為所述金屬陶瓷惰性陽極單體高度的 1/5 至 1/4。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的惰性電極低溫鋁電解槽，其特征在于其特征在于所述粒度 級配功能梯度TiB2/C復(fù)合陰極由炭質(zhì)骨料、TiB2骨料、粘結(jié)劑組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6任意一項所述的惰性電極低溫鋁電解槽，所述金屬陶瓷惰性陽極單體絕緣保護套及金屬陶瓷惰性陽極組絕緣保護套均由陶瓷或耐高溫、耐磨損電絕緣材料制成。
全文摘要
一種惰性電極低溫鋁電解槽，包括槽體、金屬陶瓷惰性陽極、可濕潤性陰極、低溫電解質(zhì)；所述可濕潤性陰極設(shè)置在所述槽體底部；所述低溫電解質(zhì)設(shè)置在槽體中；所述金屬陶瓷惰性陽極設(shè)置在所述槽體上部，其端部延伸至所述低溫電解質(zhì)中；所述金屬陶瓷惰性陽極由至少2組金屬陶瓷惰性陽極組構(gòu)成，所述每一個金屬陶瓷惰性陽極組由至少2個金屬陶瓷惰性陽極單體組成；所述金屬陶瓷惰性陽極組之間以及同一金屬陶瓷惰性陽極組中的金屬陶瓷惰性陽極單體之間均為電并聯(lián)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，操作簡便，工作平穩(wěn)，工作時排放氧氣、鋁液波動小、槽電壓低、工作溫度低、能耗小。適于工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號C25C3/12GK101935852SQ201010298639
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者劉風(fēng)琴, 史志榮, 呂曉軍, 崔喜風(fēng), 張紅亮, 張翮輝, 徐宇杰, 李劼, 李旺興, 楊建紅, 田忠良, 賴延清, 趙清杰, 邱仕麟 申請人:中南大學(xué)