一种节能型铝电解槽内衬设计方法与流程

本发明涉及一种铝电解槽的内衬设计方法，尤其涉及一种节能型铝电解槽内衬设计方法。

背景技术：

一百多年来，电解铝工业化生产一直是霍尔-埃鲁法工艺，即直流电通往含有氧化铝的氟化盐体系(电解质)，在阳极上析出氧化与炭反应生产二氧化碳及一氧化碳，在阴极上析出单质铝，完成电化学氧化还原反应。直流电在进入电解槽是首先垂直通过炭阳极，穿过电解质和熔融铝液层后，在阴极和阴极钢棒中以水平方向汇集到槽外阴极母线，再通过立柱母线进入下一台槽，直流电依次通过若干台电解槽后构成一个电解回路即电解系列。直流电在电解槽阴极及钢棒中水平流出，即在铝液层中产生垂直方向的磁场，由于阴极是多组组成，中间部分的垂直磁场能够部分相互抵消，端头无以抵消则造成端头部分垂直磁场很大，且端头四个角部垂直磁场具有反对称性。由于铝液电阻相对阴极炭块和钢棒小得多，造成铝液中有呈水平方向的电流，该电流在垂直磁场作用下产生较大的磁场力，使得铝液波动面不稳定，极距只能降低到一定程度，即槽电压不能进一步降低而节能。

国内外很多铝业公司和科研设计单位在平衡磁场方面作了大量的卓有成效的工作，明显降低了引起水平电流产生电磁力的垂直磁场强度。瑞铝、加铝、法铝均申请不少大型预焙铝电解槽的母线配置专利，如us4474611、us4313811、us4683047、us4592821等等，涉及端部和大面多点进电等多种配置方式。专利cn10178772、cn101838826、cn101452249、cn101838820等介绍了水平电流极小或水平电流消除的底部出电电解槽的母线配置、阴极结构。这种基本消除水平电流的铝电解槽设计将会对侧部热平衡等提出新的要求，不仅如此，作为氧化铝传质主要驱动力的水平电流电磁力可能也会消除。

cn103014765公布了减小铝液中水平电流的阴极结构，其特征在于所述的阴极钢棒沿长度方向设有分隔缝，分隔缝内设有分隔缝绝缘材料，阴极钢棒的底部与分隔缝的底部之间的到阴极炭块端部正下方区域为绝缘体，阴极钢棒的上部通过导电体与阴极炭块连接。该专利技术没有考虑电解槽端角部垂直磁场远大于中间区域，磁场力仍然存在不均匀，端部内衬糟到较严重冲刷问题不能得以解决。cn101451249b涉及一种消除铝电解槽铝液中水平电流的方法，是在阴极炭块的下部或下面设置导电体，导电体直接从槽底穿出，能消除了铝电解槽铝液中的水平电流。这种俗称“垂直出电”的“静流”电解槽解决了水平电流，但是没有考虑到炉底存在漏槽的风险，同时电解槽内熔池过于稳定不利于传质。这种设计理念在国内有工业试验，最终未见到有工业应用，说明存在工程应用的问题。

当前，我国电解槽在容量上世界领先，部分技术也是领先的，400ka以上电解槽是当前的主流槽型，国内已经有若干条600ka电解生产系列，甚至还在开发更大容量电解槽。大容量槽在生产上的不稳定性只有生产技术人员不断摸索、总结，正常生产电解槽角部磁流体明显流速高，而中间部位较为稳定，在电解槽出现炉底或伸腿异常时，水平电流在垂直磁场作用下的力量近乎难以控制，大型电解槽由于这种力量造成的“滚铝”停槽十分普遍。

技术实现要素：

本发明专利针对电解槽结构产生的角部磁场大的情况，开发一种角部与中间部分区别设计的水平电流方法，控制角部磁场力，进而可以进一步降低极距即实现低电压运行的节能目标。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种节能型铝电解槽内衬设计方法，包含端头阴极和中间阴极，端头阴极结构不同于中间阴极，端头铝液中水平电流低于中间铝液中水平电流。

优选地，所述端头阴极包括出铝端阴极和烟道端阴极，分别为1-6组。

优选地，出铝端和烟道端1-6组阴极中阴极钢棒为高导电钢棒。

优选地，端头阴极钢棒截面积与中间阴极钢棒截面积比为0.9-1.1：1。

优选地，端头阴极钢棒高度与中间阴极钢棒高度比为0.5-1：1。

优选地，端头阴极钢棒比中部阴极钢棒电导率提高10％-50％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本技术通过控制角部磁场力，降低极距，从而降低槽运行电压，满足电解槽低电压运行，对电解槽电流效率影响不明显，实现节能目的，具有良好的节能效益，同时该方法工艺简单，易于工业实现。

附图说明

图1是本发明节能型铝电解槽内衬设计方法的电解槽整体剖面示意图。

图2是本发明节能型铝电解槽内衬设计方法的电解槽短轴方向内衬剖面示意图。

图3是本发明节能型铝电解槽内衬设计方法的优选实施例中电解槽长轴方向内衬剖面示意图。

图中：1、炭块；2、钢棒；3、中间阴极；4、中间阴极钢棒；5、出铝端阴极；6、烟道端阴极；7、出铝端阴极钢棒；8、烟道端阴极钢棒。

具体实施方式

实施例1：

如图1-3所示，本发明公开了一种节能型铝电解槽内衬设计方法，包含端头阴极和中间阴极，端头阴极包括出铝端阴极5和烟道端阴极6，分别为3组，端头铝液中水平电流低于中间铝液中水平电流；出铝端阴极钢棒7和烟道端阴极钢棒8均为高导电钢棒；端头阴极钢棒截面积与中间阴极钢棒4截面积比为0.9：1；端头阴极钢棒高度与中间阴极钢棒4高度比为0.9：1；端头阴极钢棒比中部阴极钢棒4电导率提高38％，测量槽电压较传统电解槽降低94mv，电耗降低264kwh。

实施例2

一种节能型铝电解槽内衬设计方法，包含端头阴极和中间阴极，端头阴极包括出铝端阴极和烟道端阴极，分别为2组，端头铝液中水平电流低于中间铝液中水平电流；出铝端阴极钢棒和烟道端阴极钢棒均为高导电钢棒；端头阴极钢棒截面积与中间阴极钢棒截面积比为1.1：1；端头阴极钢棒高度与中间阴极钢棒高度比为0.5：1；端头阴极钢棒比中部阴极钢棒电导率提高42％，测量槽电压较传统电解槽降低126mv，电耗降低287kwh。

实施例3

一种节能型铝电解槽内衬设计方法，包含端头阴极和中间阴极，端头阴极包括出铝端阴极和烟道端阴极，分别为5组，端头铝液中水平电流低于中间铝液中水平电流；出铝端阴极钢棒和烟道端阴极钢棒均为高导电钢棒；端头阴极钢棒截面积与中间阴极钢棒截面积比为1.1：1；端头阴极钢棒高度与中间阴极钢棒高度比为0.75：1；端头阴极钢棒比中部阴极钢棒电导率提高12％，测量槽电压较传统电解槽降低77mv，电耗降低196kwh。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种节能型铝电解槽内衬设计方法，包含端头阴极和中间阴极，所述端头阴极结构不同于中间阴极，端头铝液中水平电流低于中间铝液中水平电流。本发明可有效控制角部磁场力，降低极距，从而降低槽运行电压，满足电解槽低电压运行，对电解槽电流效率影响不明显，实现节能目的，该方法工艺简单，易于工业实现。

技术研发人员：曾超林;白万全;赵庆云;刘君鹏;于学钢;周春晚;谭震军
受保护的技术使用者：新疆生产建设兵团第八师天山铝业股份有限公司
技术研发日：2019.06.21
技术公布日：2019.09.27