《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》是馮乃祥於2007年3月2日申請的發明專利，該專利的申請號為2007100105234，公布號為CN101054691，專利公布日為2007年10月17日，發明人是馮乃祥。該發明特別涉及一種用熔鹽電解法製取金屬鋁的鋁電解槽。
《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》包括槽殼、設定在底部的耐火保溫材料、陽極和陰極，陰極碳塊為異形結構，即在陰極碳塊的表面形成若干凸起，該發明的陰極結構鋁電解槽可以減緩電解槽內陰極鋁液的流動速度和降低鋁液的波動高度，從而達到提高鋁電解槽的金屬鋁液面的穩定性，減少鋁的溶解損失，提高電流效率和減少極距，降低鋁電解生產電能消耗，以及在陰極底部凸起的牆體之間能形成粘稠冰晶石熔體氧化鋁的混合物或沉澱物，阻止陰極鋁液通過槽底裂紋和縫隙流入槽底，熔化鋼棒，達到延長電解槽壽命的目的。
2014年3月，《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》獲得第十二屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽
- 公布日：2007年10月17日
- 公布號：CN101054691
- 申請日：2007年3月2日
- 申請號：2007100105234
- 申請人：馮乃祥
- 發明人：馮乃祥
- 代理人：梁焱
- 代理機構：瀋陽東大專利代理有限公司
- 地址：遼寧省瀋陽市和平區南湖望湖北路七巷2號11-3
- Int.Cl.：C25C3/08(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2007年3月2日以前，工業上的純鋁主要是用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解的方法生產的。其專用設備為內襯有炭質材料的電解槽。此電解槽的鋼製外殼與炭質內襯之間為耐火材料和保溫磚。電解槽的炭質內襯一般由具有較好的抗鈉和電解質腐蝕性能的無煙煤或石墨質材料或兩者的混合物所制的炭磚（或塊）砌築而成。在它們之間的連線處用上述炭素材料製成的炭糊進行搗固。在電解槽底部炭塊的底部安置有鋼棒，並伸出電解槽的槽殼之外，此鋼棒常稱為電解槽的陰極鋼棒。在電解槽的上方懸掛有用石油焦製成的炭質陽極，電解槽的陽極之上安置有金屬製成的陽極導桿，通過此陽極導桿可以將電流導入，在炭質陰極和電解槽的炭質陽極之間為溫度在940～970℃的冰晶石-氧化鋁電解質熔體和熔融的金屬鋁液。此金屬鋁液和電解質熔體是互不相溶的，且鋁的密度大於電解質熔體的密度，因此鋁在電解質熔體的下面與炭陰極接觸。當直流電流從電解槽的炭質陽極導入，從炭質陰極導出時，由於電解質熔體是離子導電體，便使溶解有氧化鋁的冰晶石熔體在兩極發生電化學反應。此反應的結果是含氧離子在陽極上放電所生成的氧與炭陽極上的炭反應，其電解產物以CO2的形式從陽極表面逸出。含鋁的離子在陰極上放電，從陰極上獲得3個電子，生成金屬鋁。此陰極反應是在電解槽中的金屬鋁液表面進行的。電解槽陰極表面與炭陽極底面之間的距離稱為電解槽的極距。通常在工業鋁電解槽中，電解槽的極距為4～5厘米。極距在通常的工業鋁電解生產中是一個非常重要的工藝和技術參數，太高或太低的極距都對鋁電解生產影響，這是因為：
太低的極距會增加從陰極表面溶解到電解質熔體中的金屬鋁與陽極氣體的二次反應，使電流效率降低；太高的極距會增加電解槽的槽電壓，使鋁電解生產的直流電耗增加。
作為鋁電解生產來說，希望電解槽有最高的電流效率和最低的電能消耗，鋁電解生產中，其直流電耗可以用如下公式來表示：
W（度電/噸鋁）＝2980×V平/CE
式中：V平為電解槽的平均槽電壓（伏），CE為電解槽的電流效率（％）
從上式可以看出，為了降低鋁電解生產的電能消耗，可以通過提高電解槽的電流效率和降低電解槽的平均槽電壓來實現。
電解槽的極距是決定槽電壓大小的重要工藝和技術參數，就目前的工業電解槽而言，其極距每降低1毫米，約使槽電壓降低35毫伏左右，從（1）式可以看出，在不降低電解槽電流效率的情況下，它可以使鋁電解生產的直流電耗每噸鋁降低100多度電。由此可見，在不影響電流效率的情況下，降低極距，對鋁電解生產的電能消耗意義重大。通常工業鋁電解槽的極距在4.0～5.0厘米，其大小是用一個帶勾的15毫米左右的冷鋼纖豎直伸入電解槽的電解質熔體中並垂直地勾在陽極底掌面上約一分鐘左右後，從電解槽中提出，利用鋁與電解質的分界面，觀測出鋁液面與陽極底掌面之間的距離，因此用這種方法測出的極距並非是電解槽的真正極距，這是因為電解槽內的金屬鋁液面受電解槽內電磁場力和陽極氣體從陽極逸出時，對金屬鋁液面作用產生波動。有文獻報導，電解槽陰極鋁液面波峰高度約在2.0厘米左右。假如電解槽沒有鋁液波動，那么電解槽可在2.0～3.0厘米的極距下進行電解生產。這樣，可使槽電壓降低0.7～1.0伏，從而達到使電解槽節電2000～3000度電/噸鋁的目標。基於這種理論，若干種陰極沒有鋁液波動的泄流式TiB2/C陰極電解槽的發明專利相繼誕生，並投入工業規模試驗，最高的泄流式TiB2/C陰極電解槽的電流強度達到了70K安，其技術指標達到了陰極電流密度0.99安.厘米，電耗為12800度電/噸鋁，但電解槽試驗運行了僅僅70天。這是1998年，澳大利亞第六屆國際鋁電解技術研討會給出的信息。自此以後已經過去8年多時間了，就再也沒有與此有關的繼續試驗和套用的報導。根據我們在國家自然科學基金資助下於2002～2003年進行的具有自熱性能的1350～2000安泄流式TiB2/C陰極電解槽的試驗結果中發現；這種電解槽出現了一個我們以前末曾預見到的現象。這就是泄流式TiB2/C陰極電解槽的陰極過電壓和陰極電壓降都很高，比正常的電解槽陰極壓降高0.5伏以上，分析其原因可能是由於陰極極化作用，在陰極表面形成高分子比冰晶石，以及這種高分子比冰晶石擴散和傳質緩慢，熔點高，在陰極表面形成堅硬的固態冰晶石使陰極表面電阻大大增加所致。目前這種情況尚無解決。如果這種情況不能解決，可能會使泄流式TiB2/C陰極電解槽的開發和套用研究遇到困難。泄流式TiB2/C的另一最大缺點，是陰極內沒有足夠量的鋁液，而使電解槽的熱穩定性很差，特別是在陽極效應時電解槽內瞬時產生的大量熱不能通過具有良好的導熱性能的鋁液散發出去，或被鋁液儲存起來。
除此之外，現行的鋁電解槽壽命不長，其最長的陰極壽命只有2500～3000天，在眾多的破損電解槽中，大部分為早期破損，即是在早期電解槽生產過程中，槽內的陰極鋁液從槽底內襯陰極碳塊和側部碳塊與炭素糊之間的粘結處在焙燒和生產過程中所形成的裂縫，或碳塊本身在焙燒過程中產生的裂紋中漏到槽底，將陰極鋼棒熔化腐蝕造成的。
發明內容
專利目的
針對2007年3月以前泄流式TiB2/C陰極電解槽不足之處，和目前的工業鋁電解槽陰極鋁液面波動大，極距受到限制和槽電壓不能進一步降低以及電解槽壽命低所存在的問題，《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》提供一種陰極碳塊為異形結構的鋁電解槽，使該電解槽在陰極表面上形成很多凸起的牆體。
技術方案
《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》的鋁電解槽包括槽殼、設定在底部的耐火保溫材料、側部內襯碳塊，安裝有陰極鋼棒的陰極碳塊組以及它們之間的炭素搗固糊。
其陰極構成是：在電解槽中使用若干表面帶有凸起的異形結構陰極碳塊，並連成一體，異形陰極碳塊結構的材料同傳統的電解槽的陰極碳塊一樣，它可以是由無煙煤作成的異形陰極碳塊，也可以是由人造石墨碎或無煙煤和人造石墨碎的混和料作成的異形陰極碳塊，還可以是石墨化或半石墨化的異形陰極碳塊。
以這種異形陰極碳塊砌成的電解槽其槽膛底部形成了許多具有與系列電流方向相平行的豎直垂立於槽底表面的凸起，這種凸起是電解槽陰極碳塊的組成部分，每個陰極碳塊上有1～8個這樣的凸起，如果每個陰極底塊上有2個這種的凸起，則每一個凸起的長度與其上的垂直於電解槽縱方向陽極的長度一致，其寬度小於底部的基體陰極碳塊體的寬度，如陰極碳塊基體的寬度為40厘米，則此凸起的寬度為25～30厘米，凸起的高度為8～15厘米。
如果每個陰極碳塊上有一個這樣的凸起，則凸起的長度與底塊陰極體的長度一致，如果陰極底塊上有3個以上的凸起，則此凸起的長度為30～200厘米。
採用該發明提供的異形陰極結構鋁電解槽生產金屬鋁的方法與傳統的鋁電解槽生產金屬鋁的方法基本上是一樣的。
其鋁水平從槽底凸起牆體的上表面算起為5～20厘米，槽電壓3.0～4.5伏，鋁水之上為熔融的電解質，電解質水平為15～25厘米，極距為2.5～5.0厘米，電解溫度為935～975℃，電解質分子比為2.0～2.8，氧化鋁濃度為2～5％。在正常生產過程中，其陰極表面的電極反應為：
Al（絡合的）+3e＝Al。
改善效果
《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》的陰極結構鋁電解槽可以減緩電解槽內陰極鋁液的流動速度和降低鋁液的波動高度，從而達到提高鋁電解槽的金屬鋁液面的穩定性，減少鋁的溶解損失，提高電流效率和減少極距，降低鋁電解生產電能消耗，以及在陰極底部凸起的牆體之間能形成粘稠冰晶石熔體氧化鋁的混合物或沉澱物，阻止陰極鋁液通過槽底裂紋和縫隙流入槽底，熔化鋼棒，達到延長電解槽壽命的目的。
附圖說明
圖1、圖2為《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》的每個陰極碳塊的上表面有2個凸起的的鋁電解槽結構示意圖，此時與陰極碳塊的縱向相垂直的橫斷面，凸起部分的形狀為矩形，其中圖2為圖1的側視圖；
圖3、圖4為該發明的每個陰極碳塊的上表面有1個凸起的鋁電解槽結構示意圖，此時與陰極碳塊的縱向相垂直的橫斷面，凸起部分的形狀為矩形，其中圖4為圖3的側視圖；
圖5、圖6為該發明的每個陰極碳塊上有6個凸起的鋁電解槽結構示意圖，此時與陰極碳塊的縱向相垂直的橫斷面，凸起部分的形狀為矩形，其中圖6為圖5的側視圖；
圖7、圖8為該發明的每個陰極碳塊的上表面有2個凸起的的鋁電解槽結構示意圖，此時與陰極碳塊的縱向相垂直的橫斷面，凸起部分的形狀為凸形，其中圖8為圖7的側視圖。
圖中，1為電解槽外部鋼製槽殼；2為電解槽內襯的石棉板；3為電解槽內的底部耐火材料和保溫材料；4為上表面具有異形結構的底部陰極碳塊；5為槽的側部內襯碳塊；6為側部碳塊與具有異形結構的底部陰極碳塊之間以及表面具有異形結構的底部陰極碳塊之間的搗固炭糊；7為邊部碳塊之下的耐火混凝土；8為陰極鋼棒。
權利要求
1、《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》包括槽殼、設定在底部的耐火保溫材料、陽極和陰極，其特徵在於所述陰極碳塊為異形結構，即在陰極碳塊的上表面形成一個或兩個以上的凸起。
2、按權利要求1所述的異形陰極碳塊結構鋁電解槽，其特徵在於所述陰極碳塊表面形成的凸起垂直於槽底平面且與陰極碳塊為一體，即陰極由上表面帶有凸起的陰極碳塊構建而成。
3、按權利要求1所述的異形陰極碳塊結構鋁電解槽，其特徵在於所述異形陰極碳塊由以下材料製成：
（1）無煙煤；
（2）人造石墨碎；
（3）人造石墨碎和無煙煤的混和料；
（4）石墨化或半石墨化的碳質材料。
4、按權利要求2所述的異形陰極碳塊結構鋁電解槽，其特徵在於所述異形陰極碳塊底部有槽並裝有陰極鋼棒，陰極鋼棒兩端伸出電解槽槽殼之外。
5、按權利要求2所述的異形陰極碳塊結構鋁電解槽，其特徵在於所述上表面有凸起的異形陰極碳塊的下部即陰極碳塊的非凸起部分與相鄰陰極碳塊之間留有20～40毫米的縫隙，其間採用炭素糊搗固。
6、按權利要求1所述的異形陰極碳塊結構鋁電解槽，其特徵在於所述槽殼側部設有內襯碳塊，在側部碳塊和異形陰極碳塊非凸起部分之間用炭素糊搗固連線，在側部碳塊和底部耐火材料之間用耐火混凝土搗固連線。
7、按權利要求1所述的異形陰極碳塊結構鋁電解槽，其特徵在於所述陰極碳塊上表面的凸起部分位於陰極碳塊上表面與碳塊的縱向長度方向相一致的中間或一側，或兩側，凸起部分為連續或間斷。
8、按權利要求7所述的異形陰極碳塊結構鋁電解槽，其特徵在於所述陰極碳塊凸起部分的橫斷面即與陰極碳塊的縱向方向相垂直的橫斷面，為矩形或凸形，若橫斷面為矩形，其高度為50～200毫米，寬度為200～350毫米；若橫斷面為凸形，則其下部的高度為30～100毫米，寬度為200～350毫米；上部的高度為30～150毫米，寬度為180～300毫米。
實施方式
如圖1所示，《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》的異型陰極碳塊結構電解槽為無蓋的長方形箱體結構。該電解槽的外面是一個鋼製槽殼1；鋼製槽殼1內襯有石棉板2；在槽殼1內襯的底部石棉板2之上鋪設耐火材料和保溫材料3；在耐火材料和保溫材料3之上為上表面具有凸起的槽底陰極碳塊4，上表面有凸起的異形結構陰極碳塊4是由無煙煤，或人造石墨碎，或二者的混合物製成，此上表面有凸起的異形結構陰極碳塊4，也可以是用半石墨化或石墨化的碳塊製成。異形結構陰極碳塊4凸起部分的長度與垂於電解槽縱向方向的電解槽陽極的長度一致。其寬度為20～35厘米，其高度為5～15厘米。電解槽內的側部內襯為碳塊5，也是用無煙煤，或人造石墨碎，或二者的混合物製成，也可以是石墨化或半石墨化的碳塊，碳塊5也可以是用炭化矽材料製作，電解槽內的槽底陰極內襯由若干個底部安裝有陰極鋼棒8的上表面具有凸起的異形碳塊4構成，每個上表面凸起的異形結構陰極碳塊4橫放在電解槽中，即異形結構陰極碳塊4的長度方向與電解槽的縱向方向垂直，在異形陰極碳塊4與相鄰異形陰極碳塊4的非凸起部分之間留有20～40毫米的縫隙，其間用炭素糊6搗固。側部內襯碳塊5之下，底部耐火磚3之上用耐火混凝土7搗固，在側部碳塊5與底部異形陰極碳塊4非凸起部分之間用炭素糊6進行搗固。在上表面有凸起的底部異形陰極碳塊4的下面有槽，用於安裝陰極鋼棒8，此陰極鋼棒8的兩端伸出電解槽的槽殼1之外，用作電解槽的陰極。由附圖可以看出，此異形陰極結構的鋁電解槽，其槽體、外殼、內耐火材料和內襯保溫結構、側部內襯碳塊結構和陰極鋼棒結構以及碳塊與碳塊之間的炭糊結構同現行工業鋁電解槽是一樣的。所不同的是在電解槽底部陰極碳塊的形狀與結構上與現行電解槽截然不同。
由於該發明的電解槽在其槽底內襯上採用了其表面具有凸起的異形結構的陰極碳塊4，此異形結構的陰極碳塊4下部非凸起部分的寬度大於上面凸起部分的寬度，且搗固糊6隻搗固在異形結構的陰極碳塊4的非凸起部分之間，因此在電解槽的底部出現了由異形結構陰極碳塊4的凸起部分所形成的一排排凸起“牆體”，這些“牆體”是電解槽陰極碳塊的組成部分，每個陰極碳塊上表面可以有1～8個這樣凸起的“牆體”，如果每個陰極底塊上有2個這種凸起的“牆體”，則每一個凸起的“牆體”的長度與其上的垂直於電解槽縱方向陽極的長度一致，其寬度小於底部的基體陰極碳塊體的寬度。
如果每個陰極底塊上表面有一個這種凸起的“牆體”，則凸起的“牆體”的長度與底塊陰極體的長度一致，如果陰極底塊上表面有2個以上的凸起，則此凸起的“牆體”的長度小於陰極碳塊的長度。
陰極碳塊凸起部分的橫斷面即與陰極碳塊的縱向方向相垂直的橫斷面可是矩形，也可以是凸形，如果是矩形則陰極碳塊上表面凸起部分的高度為50～200毫米，寬度為200～350毫米，若橫斷面的形狀為凸形，則凸形下部的高度為30～100毫米，寬度為200～350毫米，凸面上部的高度為30～150毫米，寬度為180～300毫米。
採用該發明提供的異形陰極碳塊結構的鋁電解槽生產金屬鋁的方法如下：
1、按該發明提供的異形陰極碳塊結構的鋁電解槽建造和構築電解槽。
2、按與現行的電解槽一樣的焙燒方法和啟動方法，實施對該發明的異形陰極碳塊結構的鋁電解槽的焙燒和啟動。但當使用焦粒焙燒時，需在焙燒前對凸起於槽底之上的所有牆體之間的間隙用炭粉充填。但無論採用何種焙燒方法，都允許在槽底上部凸起的“牆體”之間填上一層由30％以上氧化鋁和粉狀冰晶石組成的混和料。
3、在電解槽啟動後的正常生產技術管理中，電解槽中的鋁液水平從凸起於槽底表面的“牆體”的上表面算起，其高度在出鋁後為50～200毫米。正常的生產中電解槽的極距為25～50毫米，槽電壓為3.0～4.5伏。
4、在該發明所提供的異形陰極碳塊結構鋁電解槽的底表面上所凸起的“牆體”之間填充部分由30％以上的粉狀氧化鋁和粉狀冰晶石製成的球團料或粉狀料，這些球團料或粉狀料在電解溫度下，當其中的冰晶石熔化後會使其變成類似於槽底沉澱的物質而封閉槽底糊中的裂紋和裂縫，防止鋁液從這些裂紋和裂縫中進入槽底，熔化陰極鋼棒，導致電解槽破損。除上述所指出的兩點外，在正常生產中，該發明提供的異形碳塊陰極結構的鋁電解槽所有的其它工藝和技術條件與現行的陰極結構的鋁電解槽均相同，這些技術條件是：電解質水平15～25厘米，電解質分子比2.0～2.8，氧化鋁濃度2～5％，電解質溫度935～975℃。
在上述的工藝技術條件下，在電解槽陰極上所發生的電解反應為：
Al（絡合的）+3e＝Al。
榮譽表彰
2014年3月，《一種異形陰極碳塊結構鋁電解槽》獲得第十二屆專利獎優秀獎。
