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用于获得铝的电解槽
申请号	CN200780015918.1	申请日	2007-04-25	公开(公告)号	CN101437982B	公开(公告)日	2011-12-28
申请人	萨瓦碳公司;			发明人	J-M·德赖弗斯;
摘要	本发明涉及一种用于获得铝的电解槽 (1)，包括：一个槽壳(2)；至少一个至少部分地置于槽壳(2)中的阴极块体(6)；至少一个悬在槽的上方并浸入电解槽的上部的阳极 (11)；-一个绝缘体(3)，其至少部分覆盖槽壳(2)的内表面并位于阴极块体(6)和槽壳(2)之间，槽壳及其包含的元件界定了一个用于容纳与阴极块体(6) 接触的电解液的熔炉(10)；其特征在于，所述绝缘体(3)至少部分地由热导率低于1W/m/K的基于碳的块体(14)制成。
权利要求	1.用于获得铝的电解槽(1)，包括： -一个槽壳(2)， -至少一个至少部分地置于槽壳(2)中的阴极块体(6)， -至少一个悬在槽的上方并浸入电解槽的上部的阳极(11)， -一个绝缘体(3)，其至少部分覆盖槽壳(2)的内表面并位于阴极块体(6)和槽壳(2)之间， -槽壳及其包含的元件，界定了一个用于容纳与阴极块体(6)接触的电解液的熔炉(10)，其特征在于，所述绝缘体(3)至少部分地由热导率低于0.3W/(m·K)的基于碳的块体(14)制成。 2.根据权利要求1所述的用于获得铝的电解槽，其特征在于所述基于碳的块体(14)的 3 密度介于0.03和0.8g/cm 之间。 3.根据权利要求2所述的用于获得铝的电解槽，其特征在于所述基于碳的块体(14)的 3 密度介于0.1和0.6g/cm 之间。 4.根据权利要求1所述的用于获得铝的电解槽，其特征在于所述基于碳的块体(14)被制成板块的形式，其尺寸为120×440×880mm。 5.根据权利要求4所述的用于获得铝的电解槽，其特征在于板块之间的连结由含碳的粘合剂或含碳的水泥生成。 6.根据权利要求1所述的用于获得铝的电解槽，其特征在于所述块体(14)基于含碳泡沫塑料。
说明书全文	用于获得铝的电解槽 [0001] 本发明涉及一种用于获得铝的电解槽。 [0002] 图1描述了一个通常用于电解铝的电解槽1。该电解槽包括： [0003] -一个钢制外壳，被称为槽壳2， [0004] -一个绝缘体3，被置于槽壳2的内部，由一层保温砖4和一层耐火砖5组成，该绝缘体保护底部并成为槽壳2侧面的一部分，更具体的如图2所示， [0005] -一个由多个由碳或石墨制成的阴极块体形成的阴极6，被排列在槽壳2的底部并安装有集电器条7， [0006] -基于碳或碳化硅的侧板8，被置于槽壳2的侧上部，位于电解液(electrolytic bath)的高度，目的是用于分散热能， [0007] -衬料9，在绝缘体3和/或侧板8与阴极6之间形成密封， [0008] -由槽壳2中含有的元件限定的熔炉，以容纳电解液10， [0009] -由至少一个含碳块体组成的阳极11，其悬在槽壳2的上方并用于在电解槽1的操作位置与电解液接触。 [0010] 更具体地，保温砖层4通常由一个或多个保温砖亚层组成，每个亚层的厚度为65mm。类似地，耐火砖层5通常由一个或多个耐火砖亚层组成，每个亚层的厚度约为65mm。 [0011] 电解液主要由熔化的冰晶石(Na3AlF6或3NaF-AlF3)或氟化铝钠组成。根据生产需要，加入氟化钠(NaF)或氟化铝(AlF3)以改变电解液的组成。也可使用其它添加剂(CaF2、LiF......)。 [0012] 电解中，液体铝12在与电解液接触的阴极6的表面形成。电流连续地经过阳极11、电解液、铝12和阴极6，并通过集电器条7离开电解槽。 [0013] 为制备铝，向电解液中加入氧化铝(Al2O3)，以获得液态铝12。它在重力的作用下沉积到阴极6上。 [0014] 这样制备的液态铝12被定期地从槽1中移出，并向电解液中定期供应氧化铝。 [0015] 因为电解液的温度靠电流流过带来的焦耳作用而被维持在约950℃至975℃，因此有必要使用保温砖4和耐火砖5将装置绝热，所述的保温砖靠在槽壳的内表面，所述耐火砖5位于保温砖4和阴极块体6之间。 [0016] 这种绝缘体3同时提供了电解槽1工作所需的热绝缘性和电绝缘性。 [0017] 这种绝缘体可通过两个过程被降解。 [0018] 第一个过程在加热和使用一个新的槽时发生。熔炉的不良密封与可能出现在阴极6和/或衬料9处的开口和裂缝有关。这些通道使得电解质和液态铝能够穿过阴极块体6的下方，达到槽1底部的绝缘体3，然后快速地使该绝缘体3降解。 [0019] 该第一种降解机制在槽第一次运行后很快出现。这种现象可通过下列方式避免，即通过仔细地在阴极6周围用衬料9进行密封，调节预热过程以考虑到衬料的烘干，以及启动时保护熔炉的密封。 [0020] 第二个降解过程在槽的正常运行期间，当电解液的成分、尤其是氟和钠穿透阴极块体6进入绝缘体3时发生。 [0021] 这种机制是一种长期老化的现象，并且是上文所述的电解槽技术中固有的。 [0022] 下文中详细描述电解液渗透进入阴极6的现象。 [0023] 《Cathodes in aluminium electrolysis(铝电解中的阴极)》，Aluminium-Verlag ISBN3-87017-230-4，1994p.127，M.Sorlie andH.A.Oye一书中有这样的教导，即碳不会被液态铝浸润，并且也很难被熔化的氟化物浸润。因此，即使具有高孔隙率或渗透性，电解液渗透进入阴极仍是困难的，因为阴极由碳或石墨制成。 [0024] 电解液的这种渗透只有在钠(Na)扩散进入阴极后才可能发生。然而，这种钠的扩散由下述反应引起： [0025] 6NaF+Al→3Na+Na3AlF6 [0026] 钠的扩散——即反应向右进行——是由电解过程所需的强电极化促成的。 [0027] 因此，通过嵌入阴极中的含碳基体、即嵌入其构架和/或孔中引起钠的扩散。 [0028] 这种由嵌入引起的扩散引起了阴极块体的膨胀，并通过浸润和毛细管作用引起电解液渗透进入含碳基体。 [0029] 通过冷却使电解液固化可产生能够在阴极块体中产生裂缝的机械压缩应力。为避免这种现象发生，电解液的固化等温线——对于这类电解液而言约为888℃——被特意置于阴极块体等温线下方以确保渗透进阴极的全部电解液保持液态。 [0030] 液态电解液穿透阴极，并与槽底部的直接位于阴极6下方的绝缘体3接触。 [0031] 由于某些在此不予详述的反应，渗透进阴极的电解液的组成中富含氟化钠。 [0032] 然后，电解液与用于形成绝缘层的材料反应。电解液中的钠和氟同时侵蚀形成绝缘体3的保温砖4和耐火砖5中的二氧化硅和氧化铝。此外，液态铝与这些砖中的二氧化硅反应。最终，电解液中的一些其它成分，例如氟化锂或氟化钙与绝缘体3反应，并与金属槽壳2反应，导致它们被破坏。 [0033] 绝缘层的降解降低了热绝缘性能并引起压缩应力，这是由于电解液与绝缘体的反应产物比初始用于形成绝缘体的材料具有更大的体积。 [0034] 这些应力引起对阴极块体垂直向上的推力，并压缩绝缘材料。 [0035] 对阴极块体向上的推力使它们弯曲，有断裂的风险。 [0036] 绝缘材料的压缩使其导热性增加，因此导致热绝缘性降低。这种热绝缘性能的降低使控制电解液的温度变得更加困难，并使得阴极冷却，因此使得固体残渣出现在其与电解液接触的表面上。 [0037] 所有这些现象都引起槽的效率降低及槽的劣化。 [0038] 此外，绝缘体中存在的来自电解液的氟化物会在拆分无用电解槽时带来环境问题，因为拆分的产物会被进行垃圾填埋。实际上，初始存在于电解液中的氟化物、如氟化钠(NaF)是水溶性的，可由流动水带走。 [0039] 因此，需要通过昂贵的处理方法使这些废弃物钝化，以能够安全地将其抛弃。 [0040] 为解决这个问题，已使用多种材料形成防渗透的屏障13，用来阻止、减少或延缓钠、铝和电解液向绝缘层的迁移。 [0041] 防渗透屏障13通常被设置在阴极块体6和耐火砖层5之间，在槽1的底部形成绝缘层3的一部分，如图2中更具体地示出。 [0042] 文献“Penetrat ion barriers in the cathode of Hall-Héroultcells”，Aluminum，68，n1，Jahrgang1992，p.64，K.Grjotheimand H.Kvande具体地示出了所使用的多种技术的优点和缺点。 [0043] 因此，已知的防渗透屏障使用下列物质制备： [0044] -钢板， [0045] -石墨板， [0046] -耐火砖和耐火瓷砖(tile)， [0047] -含有氧化铝或不含氧化铝的粉末， [0048] -玻璃， [0049] -耐火混凝土。 [0050] 使用钢板可提供良好的针对钠的保护，但这种板会被电解液中的其它组分侵蚀。 [0051] 石墨板可提供针对冰晶石、其分解产物和电解液组分的迁移的出色的保护，但对钠是不起作用的。这就是石墨板通常与钢板结合使用的原因。 [0052] 然而，这种结合不可能在阴极块体的下方确保热和电的绝缘。因此需要在如此形成的防渗透屏障的下面使用绝缘体，通常是小尺寸的砖。 [0053] 使用耐火砖和耐火瓷砖仍是最常用的技术。然而，尽管这种屏障阻止液体产物的渗透，但它并不能提供保护以防止固体氟化物扩散。因此，这些固体氟化物会污染脱衬料(delining)产物，即除去无用电解槽壁涂层获得的产物。 [0054] 此外，使用小尺寸的砖或瓷砖通常需要放置数千个元件以形成一个槽的绝缘体。 [0055] 常规的电解槽通常需要放置10,000块大小为65×110×220mm、密度在最大的情3 况下基本上等于2g/cm 的砖，形成一个约20吨的绝缘层。 [0056] 除了重量高以外，放置砖并将它们连结所需的操作时间也相当长。 [0057] 至于使用粉末，由于这些粉状的产物在被放置时释放细微的颗粒，所以是危险的。此外，它也是复杂的，因为粉末层必须在槽内进行至少一个振动步骤，以增加层的致密性。 [0058] 此外，不佳的初始致密性导致阴极的下方存在孔，这是由于槽在其运行期间的振动，并且这些孔最终都会由高温下熔化的电解液填充。 [0059] 然而，即使经过振动的粉末层的传导性可接受，但它在与电解液反应后会显著劣化。 [0060] 至于使用玻璃，它会与熔化的电解液形成极其粘稠从而不可渗透的混合物。然而，可形成非粘性的产物、如氟氧化物硅酸盐，并改变处理的效率。 [0061] 最后，在槽中使用耐火混凝土需要一步使用特定混合器的混合步骤、一步将材料在槽中振动的步骤以及一步为进行干燥的热处理步骤。因此，使用这种绝缘体仍相对复杂。 [0062] 因此，上文中提及的多种技术可以一种不完善或复杂的方式对抗绝缘层的降解和氟化物的迁移。 [0063] 仍然需要将多个不同的材料层结合以满足对绝缘层进行保护和槽的绝热性的双重需求。 [0064] 因此，本发明的目的在于提出一种不被电解液降解、能够阻止或减少氟化物的迁移、满足所需的绝热条件和制备方面不复杂的绝缘体。 [0065] 为此目的，本发明涉及一种用于获得铝的电解槽，包括： [0066] -一个槽壳， [0067] -至少一个至少部分地置于槽壳中的阴极块体， [0068] -至少一个悬在槽的上方并浸入电解槽的上部的阳极， [0069] -一个绝缘体，其至少部分地覆盖槽壳(2)的内表面并位于阴极块体和槽壳之间，[0070] -槽壳及其包含的元件，界定了一个用于容纳与阴极块体接触的电解液的熔炉，[0071] 其特征在于，所述绝缘体至少部分地由热导率低于1W/m/K的基于碳的块体制成。 [0072] 由于存在集电器条，因此，没有电流经过位于阴极块体下方的区域。因此与位于槽的底部的绝缘体接触的该区域不会进行电极化。 [0073] 如上所述，缺少电极化阻止了钠在所形成的碳绝缘体中的扩散。还阻止了在阴极下方固体铝的形成，所述固体铝只能通过阴极还原形成。 [0074] 然而，如上所述以及如前述的化学反应式中提及的，铝的存在和电极化是钠在含碳基体中扩散的两个必须要素。由于钠的扩散是电解液渗透至形成绝缘体的碳基块体中所必须的，因此后者对于电解液来说是无法渗透的。 [0075] 因此，在无电流通过的阴极块体下方，由于电势是恒定的，绝缘层不能被降解。 [0076] 此外，放置这种绝缘体相对简单，因为不需要进行振动步骤或槽内的预处理。 [0077] 最后，绝缘块体的热导率使提供槽的温度稳定性和控制电解步骤成为可能。 [0078] 根据本发明的一个特征，基于碳的绝缘块体的密度为0.03至0.8g/cm3之间，优选3 为0.1至0.6g/cm 之间。 [0079] 块体的低体积密度确保绝缘层的低重量，与通常为20吨的由砖制成的绝缘层相比，其重量会降至4吨。这种低体积密度还使其能够获得良好的耐热性。 [0080] 所述基于碳的块体的热导率优选低于0.3W/m/K。 [0081] 有利的是，基于碳的块体以板块的形式制成，尺寸约为120×440×880mm。 [0082] 这种尺寸使其能够在处理多个块体时的方便程度和绝缘体的放置之间获得良好的平衡。 [0083] 使用这种块体还可显著地减少形成绝缘层的元件的数量，因为只需310个块体，而不是形成普通绝缘层的10,000块砖。 [0084] 由绝缘层的最小耐热性决定的厚度相对较小，这使得增加电解液的体积或阴极块体的厚度成为可能。 [0085] 根据本发明的一个特征，板块之间的连接使用含碳的粘合剂或含碳的水泥形成。 [0086] 由此形成的密封——类似于基于碳的块体——能够抵抗电解液中多种组分的侵蚀。 [0087] 所述的块体优选基于含碳泡沫塑料。 [0088] 泡沫塑料的使用使得能够在制备具有所需特性——耐热性方面和热性能方面——的块体时简化生产过程。 [0089] 任何情况下，可通过以下描述并参照所附的示意图更好地理解本发明，所述示意图以非限制性实例的方式示出了该电解槽的多种实施方案。 [0090] 图1是现有技术中的一种电解槽的横截面图。 [0091] 图2是所述槽的绝缘部分的放大图。 [0092] 图3是与图1对应的本发明电解槽的视图。 [0093] 图3中标号1至12所示的元件在说明书的其它部分与图1和2中相同的标号指代的元件相同。 [0094] 图3示出本发明的电解槽。该槽与前文所示的现有技术中的槽在本质上不同，在于绝缘体3不再是由一组保温砖4和耐火砖5以及一层抗渗透屏障13形成，而是由具有低热导率的基于碳的块体14制成。 [0095] 这些块体14基于例如这样的含碳泡沫塑料，所述泡沫塑料热导率低于1W/m/K，优3 3 选低于0.3W/m/K，密度低于0.8g/cm，优选低于0.6g/cm。 [0096] 例如，所述的块体的厚度约为120mm，宽为440mm，长度为880mm。 [0097] 由基于碳的粘合剂或水泥形成的密封可在块体之间形成密封连接，该密封不与电解液中含有的产物反应。 [0098] 这种水泥是本领域技术人员已知的，并与用于在多个侧板之间形成密封的水泥相同。 [0099] 形成绝缘体3的块体14还可通过一层氧化铝或其它粉状产物或通过一层衬料与阴极块体6绝缘。该层可有助于阴极块体的放置和它们在槽中的排列。 [0100] 根据本发明的另一个可能的实施方式，绝缘体3由两层保温砖形成，每层保温砖的厚度为65mm，由一层厚度为130mm的块体覆盖。 [0101] 如果保温砖和块体的热导率分别等于0.15W/m/K和0.30W/m/K，则绝缘体的耐热性基本上等于1300(任意单位——a.u.)。 [0102] 为用于比较，由覆以两层常规耐火砖的两层常规保温砖组成的常规绝缘体的耐热性约为985a.u.，其中四个层中的每一层的厚度为65mm。 [0103] 如前述结果所示，用一层具有相同厚度的块体代替两层耐火砖使得将绝缘体的耐热性增加约30％成为可能。 [0104] 根据另一个实施方案，可通过使用由一层厚度大约等于36mm的块体覆盖的如上所述的两层保温砖获得985a.u的常规耐热性，如上，所述块体的热导率为0.30W/m/K。 [0105] 应注意，该例中可由166mm而非260mm的绝缘体来获得相同的耐热性。 [0106] 绝缘体3的这种厚度减少可增加阴极块体6的厚度或增加电解液的体积。 [0107] 使用一层厚度基本上等于197mm、热导率等于0.2W/m/K的基于碳的块体14能够获得等于常规绝缘体的耐热性，即，基本上等于985a.u.。 [0108] 这种耐热性也可由一层厚度基本上等于148mm、热导率等于0.15W/m/K的块体14获得。 [0109] 强的耐热性能够便利地确保槽1的绝缘性能。 [0110] 由上文中引用的数值可清楚看出，这种块体的热导率等于保温砖的热导率而小于耐火砖的热导率。 [0111] 此外，基于碳的块体对于铝和电解液应惰性至这样一个程度，即如上所述，基于碳的块体不会流经电流。 [0112] 事实上，因为块体相对于阴极6的位置及它们的高电阻率，块体不会流经电流，所述高电阻率与低热导率相关。 [0113] 此外，使用如此大小的块体使得可使用约310个块体形成绝缘体，而上述现有技术中的槽的绝缘体由约10,000块砖组成。很容易理解，由于块体14的质量和尺寸小，槽1的组装明显更便利。 [0114] 此外，待脱污染的绝缘体层的减轻和被氟化物污染的程度低使得能够减少脱污染以及在对无用的槽进行脱衬料时垃圾填埋的成本。 [0115] 当然，本发明不限于上文中以实施例的方式描述的该系统的单个实施方案，而是包括所有改变。因此，具体而言，基于碳的块体不是必须基于泡沫塑料形成，而是可以由一种具有类似的热力学性能的基于碳的材料制成。

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