电解槽、特别是用于生产铝的电解槽制造技术

本发明专利技术涉及电解槽、特别是用于生产铝的电解槽，其包含阴极、布置在所述阴极的上侧的液态铝层、在其上的熔体层和在所述熔体层之上的阳极，其中所述阴极由至少两个阴极块构成，其中所述至少两个阴极块中的至少一个与一个或多个其它阴极块中的至少一个在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面不同。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电解槽、特别是用于生产铝的电解槽
本专利技术涉及一种电解槽和特别地涉及一种用于生产铝的电解槽。
技术介绍
电解槽例如被用于电解生产铝，其在常规上是根据Hall-Heroult法以工业规模进行的。在Hall-Heroult法中，将由冰晶石和溶解在冰晶石中的氧化铝构成的混合物或熔体电解。冰晶石NaJAlF6]用于将氧化铝的液相线温度，即氧化铝熔化或被溶解时所处的温度，从纯氧化铝的熔点2，045°C降至冰晶石、氧化铝和氟化钙的混合物的熔点950°C。 这种方法中使用的电解槽包含由彼此相邻布置并形成阴极的多个阴极块构成的阴极底部。为了能够承受在电解过程期间存在的热和化学条件，阴极通常由含碳材料构成。通常在阴极块的底侧设置狭槽(slot)，其中在用于除去由阳极提供的电流的这些狭槽中的每个中配置至少一个集电棒。此外，电解槽包含至少部分地在垂直方向上延伸的至少一个电流馈线(current feeder,其随后也被称为“竖板”(riser)),其电连接至阳极和向阳极供应电流。可由多个阳极块构成的阳极配置在铝层上方约3至5cm处，所述铝层配置在阴极块的上侧和通常为15至50cm高。 电解质，即含氧化铝和冰晶石的熔体层，被布置在阳极与铝的上表面之间。在约1，000°C下进行的电解操作期间，铝由于其相比于电解质的密度较高而沉降在电解质层下面，即作为阴极块的上侧与电解质层之间的中间层。同时，通过流入铝和氧中的电流的作用而分离熔体中溶解的氧化铝，然后其与阳极的碳反应生成二氧化碳。在电化学意义上，由于铝离子在液态铝层的上表面上被还原为元素铝，因此液态铝层代表实际的阴极。然而，术语阴极在下文并非用于表示电化学意义上的阴极，即液态铝层，而是表示如下的组件，其形成电解槽的底部和由多个阴极块构成。 已知电解槽的可靠性、寿命和能量效率因电解操作期间在电解槽中存在的不利的热和化学条件而受损。这导致需要频繁更换电解槽的内衬组件或者导致整个电解槽过早失效和停工。 已知电解槽的寿命降低的主要原因之一是阴极块的上表面在电解期间的磨损(wear)，即从阴极块的上表面除去阴极块材料。这种磨损本身体现在阴极块的电化学腐蚀和/或机械磨蚀(abras1n)中。机械磨蚀是由液态铝层中的湍流造成的。这些湍流主要由在液态铝层中流过液态铝层的电流产生的洛伦兹力场和其中诱导的电场和磁场造成。此夕卜，电化学腐蚀是由含碳阴极块材料与液态铝的化学反应造成的，该反应例如导致在电解期间形成碳化铝。 另外，在电解期间，已知电解槽的工艺条件在阴极表面上并不是均匀的。相反，在电解期间，在阴极表面上存在不均匀的磨损条件，即电化学腐蚀和/或机械磨蚀条件，从而导致阴极的不均匀的磨损分布。这意味着在阴极表面的特定区域中阴极材料磨损率比其它区域的高，其中特定区域中的过多磨损导致在阴极块中产生局部弱点(weak spot)。这些弱点可能导致铝或电解质向集电棒迁移。这可导致铝与集电棒发生不期望的反应，其可损坏或破坏与阴极的电连接并导致在相对较短时间后需要提前终止电解过程。 此外，在电解期间的不均匀的加工条件导致在阴极上表面上存在电流密度的不均匀分布。这种不均匀的电流分布不仅分别造成已知阴极和阴极块的相对短寿命和不良可靠性，而且分别是已知阴极和阴极块的不良能量效率的主要原因。 此外，已知电解槽中的不均匀的电解工艺条件导致在电解槽的阴极中不均匀地产生热量和因此导致阴极中的不均匀的温度分布。这种不均匀的温度分布是由于在阴极的特定区域中产生过多的热量，从而导致在阴极的这些区域中存在过量的热应力，其降低阴极的寿命并因此降低整个电解槽的寿命。 前述作用在高安培值电解槽中尤其显著。 作为所述问题的进一步复杂化，已知电解槽中的三种在上文指出的现象，即在电解期间在阴极上的不均匀的磨损分布、不均匀的温度分布和不均匀的电流密度，是相互关联的。例如，阴极表面上的不均匀的电流密度造成阴极中不均匀地产生热量和造成阴极表面的不均匀的机械磨蚀和电化学腐蚀。特别地，液态铝层中的如上文所述主要造成阴极表面机械磨蚀的湍流程度取决于洛伦兹力场，并因此强烈取决于阴极表面的相应区域中的电流密度。 已经尝试例如通过改变从阴极块末端至中心的比电阻率(specific electricalresistivity)来改变阴极表面区域上的电流密度和特别地使其均匀化。然而，这些尝试未产生完全令人满意的结果。 特别地，用于提高电解槽的寿命和能量效率的已知尝试忽略了电流馈线对磨损分布、温度分布和电流密度的影响，特别是在阴极的位于接近电流馈线处的那些部件处情况如此。也就是说，流过电流馈线的高电流密度在接近于电流馈线的高于阴极表面的阴极区域和液态铝层中诱导强磁场和电场，其显著影响阴极中和液态铝层中的洛伦兹力场分布，并因此对液态铝层中的湍流程度和阴极表面所产生的磨损分布具有主导地位的影响。同样，由电流密度诱导的磁场和电场显著影响阴极的磨损分布和温度分布。由于电流馈线的几何形状和相对布置针对不同的电解槽设计和实施而显著改变，因此在不考虑特定电解槽设计的情况下实现阴极的磨损分布、温度分布和电流密度的均匀化是不可行的。
技术实现思路
鉴于上文，本专利技术的根本目的是提供一种如下的电解槽，其特别适于高安培值操作，其具有提高的能量效率、改进的寿命、增加的稳定性和改进的可靠性。此外，所述电解槽，特别是其阴极，应能够容易地、快速地且具成本效益地制造并安装。 根据本专利技术，通过提供如下电解槽、特别是用于生产铝的如下电解槽来满足这种目的，所述电解槽包含阴极、布置在阴极的上侧上的液态铝层、在其上的熔体层和在熔体层之上的阳极，其中阴极由至少两个阴极块构成，其中所述至少两个阴极块中的至少一个与一个或多个其它阴极块中的至少一个在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面不同。 根据本专利技术，所述电解槽的阴极包含至少两个阴极块，其在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面彼此不同。这使得可通过均匀化机械磨蚀率而将在电解期间在阴极表面上形成的磨损分布至少部分地均匀化，可通过将具有适当性质的不同阴极块简单布置在一起而将阴极表面上的电流密度和/或温度分布至少部分地均匀化。例如，为了使阴极表面上的磨损分布均匀化，可在阴极的在电解期间发生较多磨损的那些部件处布置具有较高平均抗压强度的阴极块，而在阴极的在电解期间发生较少磨损的其它部件处布置具有较低平均抗压强度的阴极块。出于相同目的，可在阴极的在电解期间发生较多磨损的那些部件处布置具有较高表观密度的阴极块，而在阴极的在电解期间发生较少磨损的其它部件处布置具有较低表观密度的阴极块。同样，可通过适当组装具有较高平均比电阻率的阴极块的阴极和具有较低平均比电阻率的阴极块的阴极，来均匀化在电解槽电解期间在阴极中形成的电流密度，和可通过适当组装具有较高平均热导率的阴极块的阴极和具有较低平均热导率的阴极块的阴极，来均匀化在电解槽电解期间在阴极中形成的阴极的温度分布。因此，借助于模块化阴极块系统，可以以简单、快速且具成本效益的方式改进具体而言是阴极和一般而言是电解槽的能量效率、寿命、稳定性和可靠性。特别地，在电解槽安装时可由有限数目的不同种类的预制阴极块来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电解槽、特别是用于生产铝的电解槽，所述电解槽包含阴极(12)、布置于所述阴极(12)的上侧的液态铝层(14)、在其上的熔体层(16)和在所述熔体层(16)之上的阳极(18)，其中所述阴极(12)由至少两个阴极块(10、10A‑E('、″、″'))构成，其中所述至少两个阴极块(10、10A‑E('、″、″'))中的至少一个阴极块与一个或多个其它阴极块(10、10A‑E('、″、″'))中的至少一个在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面不同。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.12 EP 12163944.71.一种电解槽、特别是用于生产铝的电解槽，所述电解槽包含阴极(12)、布置于所述阴极(12)的上侧的液态铝层(14)、在其上的熔体层(16)和在所述熔体层(16)之上的阳极(18)，其中所述阴极(12)由至少两个阴极块(10、1A-E(’、、 ’))构成，其中所述至少两个阴极块(10、10A-E(’、、 ’))中的至少一个阴极块与一个或多个其它阴极块(10、10A-E(’、、 ’))中的至少一个在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面不同。2.根据权利要求1所述的电解槽， 其特征在于 所述电解槽还包含至少一个电流馈线(22、22’)，其中所述至少一个电流馈线(22、22’)至少部分地在垂直方向(ζ)上延伸和电连接至所述阳极(18)，和其中所述至少两个阴极块(10、10Α-Ε(’、、 ’))中的至少一个相比于所述一个或多个其它阴极块(10、10Α-Ε(\ 、” ’))中的至少一个位于更接近于所述至少一个电流馈线(22、22’)中的至少一个处，其中所述至少两个阴极块(10、10Α-Ε(’、、 ’))中的所述至少一个与所述一个或多个其它阴极块(10、10Α-Ε(’、、 ’))中的所述至少一个不同。3.根据权利要求1或2所述的电解槽， 其特征在于 所述阴极(12)包含2个或更多个、优选2至10个、更优选2至6个和甚至更优选2至4个不同种类的阴极块(10、10Α-Ε)，其中每一种类的阴极块(10、10Α-Ε(’、、 ’))与任何其它种类的那些阴极块在以下至少一个方面不同:i)平均抗压强度，相差至少25%、优选至少35%、更优选至少50%和甚至更优选至少70%，ii)平均热导率，相差至少20%、优选至少50%、更优选至少100%和甚至更优选至少200%，iii)平均比电阻率，相差至少20 %、优选至少30 %、更优选至少50 %和甚至更优选至少100 %，和iv)表观密度，相差至少2%、优选至少4%、更优选至少6%和甚至更优选至少8%，而一个种类的所有阴极块(10、10A-E(\ 、 ’))在平均抗压强度方面彼此相差小于15%、优选小于12%、更优选小于8%和甚至更优选小于4%，在平均热导率方面彼此相差小于10%、优选小于8%、更优选小于5%和甚至更优选小于3%，在平均比电阻率方面彼此相差小于12%、优选小于9%、更优选小于6%和甚至更优选小于4%，和在表观密度方面彼此相差小于1.5%、优选小于1.2%、更优选小于0.8%和甚至更优选小于0.4%。4.根据权利要求3所述的电解槽， 其特征在于 所述阴极(12)包含三个不同种类的阴极块(10U0A-E)，其中每一种类的阴极块(10、10A-E(\ 、 ’))与其它两个种类的阴极块在以下至少一个方面不同:i)平均抗压强度，相差至少25%、优选至少35%、更优选至少50%和甚至更优选至少70%，ii)平均热导率，相差至少20%、优选至少50%、更优选至少100%和甚至更优选至少200%，iii)平均比电阻率，相差至少20 %、优选至少30 %、更优选至少50 %和甚至更优选至少100 %，和iv)表观密度，相差至少2%、优选至少4%、更优选至少6%和甚至更优选至少8%。5.根据权利要求2所述的电解槽， 其特征在于 所述电解槽包含至少一个第一种类的阴极块(10A、10A’、10A〃、10Α ’)，其位于最接近于所述至少一个电流馈线(22、22’)之一处，和其位于两个第二种类的阴极块(10B、1BMOB、10B ’)之间，所述第二种类与所述第一种类在以下至少一个方面不同:i)各阴极块(10、10A-E(’、、 ’))的平均抗压强度，相差至少25%、优选至少35%、更优选至少50%和甚至更优选至少70%，ii)各阴极块(10、10Α-Ε(’、、 ’))的平均热导率，相差至少20%、优选至少50%、更优选至少100%和甚至更优选至少200%，iii)各阴极块(10、10A-E(’、、 ’))的平均比电阻率，相差至少20%、优选至少30%、更优选至少50%和甚至更优选至少100%，和iv)各阴极块(10、10Α-Ε(’、、 ’))的表观密度，相差至少2%、优选至少4%、更优选至少6%和甚至更优选至少8%，其中两个所述第二种类的阴极块(1BUOB' UOB、10B ’)优选各自与第三种类的阴极块(1CUOC' U0C、10C ’)相邻地布置，其中所述第三种类与所述第一种类和所述第二种类在以下至少一个方面不同:i)各阴极块(10、10A-E(’、、’))的平均抗压强度，相差至少25%、优选至少35%、更优选至少50%和甚至更优选至少70%，ii)各阴极块(10、10Α-Ε(’、、 ’))的平均热导率，相差至少20%、优选至少50%、更优选至少100%和甚至更优选至少200%，iii)各阴极块(10、10Α-Ε(’、、 ’))的平均比电阻率，相差至少20%、优选至少30%、更优选至少50%和甚至更优选至少100%，和iv)各阴极块(10、10A-E(’、、 ’))的表观密度，相差至少2%、优选至少4%、更优选至少6%和甚至更优选至少8%。6.根据权利要求2所述的电解槽， 其特征在于 所述电解槽包含至少两个第一种类的阴极块(10Α、10Α’、10Α、10Α ’)，其彼此相邻布置，其中至少一个位于最接近于所述至少一个电流馈线(22、22’)中的至少一个处，和其与第二种类的阴极块(10Β、10Β’、10Β〃、10Β ’)各自相邻地布置，所述第二种类与所述第一种类在以下至少一个方面不同:i)各阴极块(10、10A-E(’、、 ’))的平均抗压强度，相差至少25%、优选至少35%、更优选至少50%和甚至更优选至少70%，ii)各阴极块(10、10A-E(’、、 ’))的平均热导率，相差至少20%、优选至少50%、更优选至少100%和甚至更优选至少200%，iii)各阴极块(10、10Α-Ε(’、、 ’))的平均比电阻率，相差至少20%、优选至少30%、更...

【专利技术属性】
技术研发人员：加赞法尔·阿巴斯，
申请(专利权)人：西格里碳素欧洲公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE