專利名稱：生產(chǎn)鋁時終止陽極效應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電解氧化鋁生產(chǎn)鋁時消除或終止“陽極效應(yīng)”(anodeeffect)的方法。
氧化鋁之電解還原一般是在Hall-Heroult電解池中進(jìn)行的，其中包括一延伸的淺容器，并襯以導(dǎo)電材料如碳質(zhì)作為陰極。該容器中盛有熔融電解質(zhì)，一般是含有2-6%(重量)熔解的氧化鋁的冰晶石。并由上部將多個碳陽極浸入電解質(zhì)中。當(dāng)直流電通過電解池時，生成熔融鋁并沉于池底，在此形成一陰極池。此外釋放的氧氣可氧化碳陽極而生成二氧化碳/或一氧化碳。由于陽極逐漸消耗，并須保持陽極和陰極間的間距，因此需要在電解池上部提供一提升裝置，以便將陽極升起、降落和最后置換。
在稱為Soderberg的電解池中，僅用一個大陽極，它幾乎將池面全部覆蓋。另一種Prebake的電解池中，提供了多個陽極，并以縱橫向排布作為陽極板區(qū)。一般有兩排縱向排列的陽極，并沿電解池縱軸向在各邊對稱排布。沿電解池軸向兩排陽極間的空間視為中央道。橫向的陽極數(shù)目按電解池大小而有所不同，但一般至多是十五個，通常是八-十五個。這種排列中各陽極間距一般是相同的。
電解池操作時，電解質(zhì)溫度保持于950-980℃，以保持電解頎和鋁的熔融態(tài)。在電解質(zhì)表面溫度較低，故凝固成固態(tài)殼層?？拷乇谔帨囟纫草^低，電解質(zhì)也可能凝固。在電解過程中，電解質(zhì)中氧化鋁濃度降低，而需周期性破開一定部位的殼層從上部加進(jìn)氧化鋁。
靠近陽極底部的電解質(zhì)中的氧化鋁濃度下降得最迅速，而當(dāng)該部位的濃度下降至約2%(重量)或更低時，可發(fā)生陽極效應(yīng)。這時電壓升高(可達(dá)40伏特)，并陽極氣中產(chǎn)生氟碳化物。在下列文獻(xiàn)中對陽極效應(yīng)有詳述，即“AluminiumElectrolysisFundamentalsoftheHall-HeroultProcess”，第二版，K.Grjotheim等著，AluminiumVerlage，1982，264-283頁;“AluminiumSmelterTechnology，第二版，K.Grjotheim及B.J.Welch著，AluminiumVerlag，第116-118頁。上述文獻(xiàn)包括于本說明書作為參考。在上述文獻(xiàn)中對陽極效應(yīng)已知的缺點(diǎn)起因有詳述，通常需要盡快地消除或終止陽極效應(yīng)。
消除的方法通常是(a)破開殼層，將氧化鋁加進(jìn)電解池中;(b)劇烈攪動電解質(zhì)，由受影響陽極底部吹掃氣體，借此也有助于將氧化鋁由加入部位分散至整個電解池內(nèi)。常用木質(zhì)棒或噴氣管攪動陽極下的電解質(zhì)。但近年來已發(fā)展應(yīng)用更有效的自動化技術(shù)。例如Saksvikronning等之加拿大專利1，148，892號(1983年6月28日)是有關(guān)Soderberg型電解池，其中公開了用傾轉(zhuǎn)和擺動單個陽極的方法以掃除不需要的氣體和混勻池內(nèi)電解質(zhì)。但這種方法不完全適用于Prebake電解池，這是由于該類型電解池內(nèi)的多個陽極間距過小難于傾轉(zhuǎn)和擺動，而且還需要復(fù)雜的設(shè)備。
在prebake電解池中，曾用一種“抽動”方式，即將整個陽極板降落一段距離，然后再將其提升。該方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)陽極板降落時，可引起電解質(zhì)穿透殼層，使電解質(zhì)表面上升而濺出。為此需設(shè)計(jì)帶深凹腔的陰極而增加成本。按該方法陽極效應(yīng)的消除效率一般是70-90%(電解池操作中，效應(yīng)被成功消除的陽極數(shù)與提升的陽極總數(shù)之比)，效率很大程度上取決于陽極板降落所允許的最大限度。要得到更高效率如90-95%，則需具深度凹腔的電解池陰極。
我們的一個在先美國專利4，414，070(Spence，1983年11月8日)中，公開了一種對prebake電解池適用的并無需深度陰極凹腔的方法。所述設(shè)備中，可使陽極單獨(dú)地提升或降落。該專利中還述及當(dāng)一組陽極提升時，另一組陽極可降落以抽動電解池成份，而不會影響熔融電解質(zhì)表面。上述專利中提出，電解池中一縱排所有陽極提升同時，另一縱排所有陽極則降落(按電解池縱軸向);或者是電解池一端所有陽極提升，同時另一相對端所有陽極則降落(按電解池橫軸向)，或者是在一方位上的陽極提升同時，其對角方位上的陽極則降落(稱其為對角線型)。該等方法產(chǎn)生效果時，陽極效應(yīng)消除效率并未如理想，一般達(dá)80-90%。
因而本發(fā)明的目的在于提供一種消除或終止陽極效應(yīng)的方法，并借此提高其效率。
通過對Spence所公開的應(yīng)用設(shè)備的陽極運(yùn)動進(jìn)一步研究，可以發(fā)現(xiàn)如果將在電解池縱向上相互散布的多個小組陽極以相反方向運(yùn)動，那么消除效率可以提高，基于上述發(fā)現(xiàn)而實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明。
按照本發(fā)明，可提供一種在電解池中生產(chǎn)鋁時終止陽極效應(yīng)的方法，該電解池中包括含氧化鋁的熔融電解質(zhì)，及多個含碳的陽極，各陽極排列于至少二個縱排和至少三個橫排，從而組成陽極板。所述方法包括將氧化鋁加入電解質(zhì)中;將占陽極總數(shù)25%的陽極分成相鄰組別，并位于電解池縱向的不同位置，各組包括至少兩個陽極，但不多于陽極總數(shù)的三分之一。至少所述一個組開始從原操作位置在第一垂直方向上運(yùn)動，而其余各組從原操作位置在相反的垂直方向上運(yùn)動。其中所述一個或多個組別陽極在所述第一垂直方向運(yùn)動，所述一個或多個組別在所述相反垂直方向運(yùn)動，且按電解池縱向相互交替運(yùn)動。所述陽極退回至其原操作位置上，重復(fù)所述運(yùn)動或作反向的所述動動，直至所述陽極效應(yīng)消除為止。
按照本發(fā)明所要求的運(yùn)動模式，可保證只有較少數(shù)相鄰陽極所成組別，在電解池的一定區(qū)域內(nèi)在相同方向上同時運(yùn)動，同時鄰近組別陽極完全不運(yùn)動或在相反方向上運(yùn)動。其優(yōu)點(diǎn)是，由于電解質(zhì)殼層未經(jīng)受廣泛的上下運(yùn)動推力，而使其斷裂可能性降到最低限。另一方面，按照本發(fā)明還可保證最大限度的抽動作用，這是由于在電解池各個部位上都有陽極運(yùn)動，而且縱向上鄰近組別陽極的相反方向運(yùn)動可有效地將加入的氧化鋁與電解質(zhì)混勻。也可用電磁攪拌電解池中成分，與陽極運(yùn)動作用相同。
按照本發(fā)明，至少按其優(yōu)選方式，可提供高達(dá)99%的陽極效應(yīng)消除效率，并可在短時向內(nèi)消除陽極效應(yīng)，如少于1分鐘。本發(fā)明另外的優(yōu)點(diǎn)是消耗能量少(如相當(dāng)于每個陽極效應(yīng)日為10-20毫伏)。此外，池面的變動可降至最低限度或一起消除。
按本發(fā)明所設(shè)計(jì)陽極組排列和陽極運(yùn)動方式例證說明如下。每個組別應(yīng)至少包括兩個相鄰陽極并最好包括不多于六個相鄰陽極。最好每個組別的相鄰陽極組成一個或多個全橫排(但并非必要如此)。當(dāng)各組別由全橫排組成，電解池之縱向中心線每一邊相鄰的陽極皆在同一方向運(yùn)動，這樣可使中央?yún)^(qū)殼層斷裂降至最低限度。殼層的斷裂可產(chǎn)生碎片沉入電解質(zhì)中，而在陰極層上生成淤渣及產(chǎn)生不必要的熱量耗損。
另外的組別排到中，開始提升的各組陽極位于開始降落的兩組之間，或是反之亦然，而電解池最端部陽極則除外。當(dāng)然，當(dāng)使少于100%陽極運(yùn)動時，靜止不動的陽極可由“降落”組別中分出“提升”組別，而至少在電解池中部分是如此。
雖然可僅使25%陽極運(yùn)動(提升或降落)，較好至少有40%的陽極運(yùn)動，而最好是使所有陽極運(yùn)動。
陽極組可以同時運(yùn)動，或連續(xù)、分步地按順序運(yùn)動。在一定時間內(nèi)提升的陽極數(shù)可與降落的陽極數(shù)相等，且運(yùn)動距離相同，因而電解質(zhì)表面不會變化。然而，這并非必需的，因不論陽極的提升或降落造成的電解質(zhì)表面的微小變化都是許可的，并且在某些情況下還是有益的。顯然陽極運(yùn)動模式不應(yīng)導(dǎo)致電解質(zhì)表面產(chǎn)生過分的變動。若陽極運(yùn)動造成電解質(zhì)表面相當(dāng)程度的變動，被選定提升運(yùn)動的陽極組最好首先使其運(yùn)動以避免電解質(zhì)溢出。
所有的“提升”陽極組可同時提升，而所有“降落”組可在此同時或隨后降落。另外也可將不同的“提升”組在不同時間內(nèi)提升(例如可在電解池內(nèi)產(chǎn)生波形上下運(yùn)動)，而不同的“降落”組可按同樣方式降落。
如上所述，各陽極可連續(xù)地或分階段(即在迅速短時間運(yùn)動之間有停頓時間)進(jìn)行提升或降落。如果是分段運(yùn)動，所有陽極的分段運(yùn)動可以是同步的或是完全獨(dú)立的。
對本專業(yè)熟練的技術(shù)人員來說，對陽極的提升或降落皆有容許的最大距離，陽極運(yùn)動不能超過該限度。降落的距離常可超過截停點(diǎn)(Short-outpoint)，因在某些情況下截停(shorting)是所希望的(即徹底消除陽極效應(yīng)，但與本發(fā)明方法無相應(yīng)關(guān)聯(lián))。另一方面，陽極不能提升移離電解質(zhì)，尤其是不應(yīng)使陽極斷離殼層。否則使通過其它陽極電流過大，并導(dǎo)致過熱以至爆炸。
當(dāng)陽極運(yùn)動至其提升或降落的允許最大距離之后，各陽極退至其原操作位置(即出現(xiàn)陽極效應(yīng)之前的位置)。各陽極可以同樣的但以反方向的模式，及以離開其原操作位時相等的速度退至原位(例如如它們開始是以分段方式運(yùn)動，則可以分段方式退回)。另外，各陽極也可以按不同運(yùn)動模式和/或不同速度退回。
如果經(jīng)一個循環(huán)的陽極運(yùn)動仍未能消除陽極效應(yīng)，可重復(fù)一次或多次直至達(dá)到消除的效果。而下個循環(huán)的陽極運(yùn)動模式可與第一次循環(huán)相同或者相反。即第一循環(huán)中“提升”陽極和“降落”陽極可以與原運(yùn)動方向相同或者相反方式運(yùn)動。
雖然電極運(yùn)動情況常與上述模式相反(即開始由操作位置提升的組別，可以是降落的組別，或反之亦然)。有時需保證不使電解池縱向端部的電極由其原操作位置降落。這是由于端壁部的電解質(zhì)可能“凝聚”，而其固態(tài)的電解質(zhì)可部分伸延至電極底部，因此電極降落運(yùn)動可能損壞電極本身或電極支撐結(jié)構(gòu)。
可按常用方法將氧化鋁加進(jìn)電解池，如通過將殼層破開(一般是在電解池中心線部位)而將氧化鋁加進(jìn)電解質(zhì)熔融液。陽極的攪動作用可迅速地將氧化鋁分散于整個電解池。氧化鋁的加入量也按常規(guī)用量加入。氧化鋁的加入無需必定要與陽極運(yùn)動之開始同時進(jìn)行。例如，可在陽極運(yùn)動前短時間內(nèi)加入，也可經(jīng)10-20秒鐘或更長時間之后才運(yùn)動陽極。一般來說，越快加進(jìn)氧化鋁，那么消除作用開始進(jìn)行得越快。
陽極運(yùn)動速度對成功實(shí)施本發(fā)明并非特別重要;速度慢別需要更長時間以實(shí)施消除作用，因此最好用較快的速度。然而，運(yùn)動速度也不宜太快，以免破壞殼層或使電解質(zhì)溢出。
本發(fā)明方法需要有陽極支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能使不同組別的陽極在不同方向上同時或按順序運(yùn)動。在Spence的美國專利US4，414，070(結(jié)合于本說明書作參考文獻(xiàn))中，所描述的設(shè)備適用于本發(fā)明目的，因該設(shè)備可對所有的陽極提供上落運(yùn)動。然而，也可應(yīng)用較簡便的設(shè)備，使其可將各單組電極相連結(jié)，或?qū)⑺小疤嵘苯M和“降落”組連續(xù)起來而同時運(yùn)動。
可運(yùn)用電腦來控制陽極運(yùn)動模式以及陽極運(yùn)動的最大距離，尤其是當(dāng)應(yīng)用上述專利中所用設(shè)備時，電腦控制更易于按排應(yīng)用。
參照附圖對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施說明如下。
附

圖1-3為表示電解池平面圖示，其中說明陽極區(qū)及其按箭頭和陰影所示的起始運(yùn)動。
如附圖1所示的運(yùn)動優(yōu)選例，電解池中的陽極排列成二縱排和十二橫排，并分成包括四個陽極和六個陽極的組別(圖示單個的陽極區(qū)，如本專業(yè)熟練技術(shù)人員可知，其中于橫向上的兩者構(gòu)成一陽極)。如圖所示，當(dāng)陽極效應(yīng)發(fā)生時，由四個陽極組成的組別從其操作位置開始提升，而由六個陽極組成的組別開始降落。在各陽極達(dá)到其提升或降落方向上的最大距離后，各陽極以反向運(yùn)動，并各陽極退回到其原操作位置上。在此過程中，沿電解池中心道之殼層孔洞加入氧化鋁。如果經(jīng)過上述陽極運(yùn)動未能將陽極效應(yīng)滿意地消除，可重復(fù)運(yùn)動過程，陽極可按如圖所示與開始時相同的方向進(jìn)行運(yùn)動，或與其相反方向運(yùn)動，然后各陽極再退回到原操作位置上。所述過程可重復(fù)任意次數(shù)直到陽極效應(yīng)滿意地消除。
屬于三個“提升”組別的陽極(即1-2，6-7和11-12排的陽極)，可同時運(yùn)動或按順利交替運(yùn)動(在電解池中產(chǎn)生波狀)。陽極運(yùn)動可以是連續(xù)的或分段的，即按遞進(jìn)方式進(jìn)行。各“降落”組陽極(即3-4-5和8-9-10排陽極)也按同樣方式運(yùn)動。各“提升”或“降落”組可同時運(yùn)動或按順序運(yùn)動。
在任何特定時間內(nèi)提升和降落的陽極數(shù)量最好相等，這樣可使電解質(zhì)表面保持于電極位于原來操作位置時的水平。然而如上所述，電解質(zhì)表面的微小變化是許可的，因此實(shí)際上只要各陽極開始以所述方式運(yùn)動，任何連續(xù)的或按順序的陽極運(yùn)動模式皆可采用。
如附圖1所示模式可以調(diào)轉(zhuǎn)，即“提升”組變?yōu)椤敖德洹苯M，而反之亦然。
附圖2說明如附圖1所示電解池的另一陽極運(yùn)動模式。附圖3說明具九個橫排陽極電解池的優(yōu)選運(yùn)動模式。另外，陽極運(yùn)動可以是連續(xù)或分段式的，可同時進(jìn)行或按順序進(jìn)行。而且開始運(yùn)動方向也可調(diào)轉(zhuǎn)成反向。
本發(fā)明的效果可通過下述實(shí)例來說明。
實(shí)例在一個Hall-Heroult電解池(Apex電解池)中，帶兩縱排陽極和十二橫排陽極，并設(shè)置了能使各陽極運(yùn)動的上部結(jié)構(gòu)，該電解池按正常方法操作直到產(chǎn)生陽極效應(yīng)。然后著手按一定陽極運(yùn)動方式以消除陽極效應(yīng)，在此同時加進(jìn)氧化鋁。
結(jié)果如以下表1所示。由表1可說明，按本發(fā)明方法所得結(jié)果與其它方式比較，所取得的效果是非常顯著的。
表1自動化陽極效應(yīng)消除的工廠實(shí)驗(yàn)結(jié)果方法受影響消除成功陽極效高電壓平每池-日陽陽極總數(shù)數(shù)量%應(yīng)平均均時間極效應(yīng)相當(dāng)時間(S)(S)之電壓平均分配值(mV)＊所有陽38929575.840218028極降落一邊陽極降落而另一邊陽極提升13511383.82468423按本發(fā)明附圖1模式39238999.31206013＊平均值中不包括無陽極效應(yīng)之天數(shù)。
當(dāng)使電解池一邊所有陽極降落，而另一邊所有陽極提升時，其產(chǎn)生的問題不僅是消除效率低，而且在17%的消除運(yùn)作中，中心道的殼層沉入電解池中。
權(quán)利要求
1.在電解池中生產(chǎn)鋁時終止陽極效應(yīng)的方法，該電解池中包括含氧化鋁的熔融電解質(zhì)，以及多個含碳陽極，所述陽極至少排列成二縱排和至少三橫排而組成陽極板區(qū)，將氧化鋁加至電解質(zhì)中，并將所述不同組別陽極提升或降落，使所加入的氧化鋁分散于所述電解質(zhì)中，所述方法特征在于，至少占陽極總數(shù)25%的陽極分成相鄰組別，并位于電解池縱向上的不同位置，每個組包括至少二個陽極，但不能多于陽極總數(shù)的三分之一；所述組別的至少一個組，首先從原操作位置在第一垂直方向運(yùn)動；其余組別陽極從原操作位置以相反垂直方向運(yùn)動；其中所述一個或多個組別陽極在所述第一垂直方向運(yùn)動，所述一個或多個組別陽極在所述相反垂直方向運(yùn)動，且按電解池縱向相互交替運(yùn)動；所述陽極回到其原操作位置上，并且所述運(yùn)動重復(fù)進(jìn)行或以反向進(jìn)行直至所述陽極效應(yīng)消除。
2.按權(quán)利要求1的方法，其特征在于各個陽極組包括不多于六個陽極。
3.按權(quán)利要求1的方法，其特征在于各陽極組包括不多于四個陽極。
4.按權(quán)利要求1，2或3的方法，其特征在于所述陽極組形成至少占陽極總數(shù)的40%的組別。
5.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述所有陽極劃分為所述級別。
6.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述所有組別同時運(yùn)動。
7.按權(quán)利要求1-5之任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述陽極組按順序運(yùn)動。
8.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述氧化鋁大體上是在與所述組別開始運(yùn)動的同時加入。
9.按權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述氧化鋁是在所述組別開始運(yùn)動之后加入。
10.按權(quán)利要求1，2或3的方法，其特征在于分成偶數(shù)的橫排陽極，所述陽極分成包括四個陽極的組別和包括六個陽極的組別，所述各組按電解池縱向交替排列，并且其中所述所有包括四個陽極的組別開始在所述第一方向上運(yùn)動，而所述所有包括六個陽極的組別在所述相反方向上運(yùn)動。
11.按權(quán)利要求1，2或3的方法，其特征在于分成偶數(shù)的橫排陽極，所述陽極分成在電解池縱向端部的二組，和于所述縱向端部之間的四組，并且其中所述二組和交替四組開始在所述第一方向上運(yùn)動，其余的四組首先在所述第二方向上運(yùn)動。
12.按權(quán)利要求1，2或3的方法，其特征在于分成奇數(shù)的橫排陽極，陽極分成包括單個的陽極排，其中在電解池端部陽極組和其間交替的組別開始在所述第一方向運(yùn)動，而其余各組開始的所述第二方向上運(yùn)動。
全文摘要
電解熔融鹽制鋁時消除或終止陽極效應(yīng)的方法。該電解池中包括含氧化鋁的電解質(zhì)和多個浸于電解質(zhì)中的含碳陽極。按本發(fā)明方法將至少25％陽極分成相鄰組別，排布于電解池縱向不同部位，將至少一組陽極提升而其余各組降落以攪動電解池，在縱向上提升和降落的陽極組運(yùn)動交替進(jìn)行，并加入氧化鋁。各陽極退回至其原操作位置。若陽極效應(yīng)未能消除，各組陽極再次按相同或相反模式運(yùn)動。借此可達(dá)到很高的消除效率，而熔融電解質(zhì)表面變化極小。
文檔編號C25C3/06GK1040065SQ89106670
公開日1990年2月28日 申請日期1989年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月4日
發(fā)明者溫科·波托尼克, 讓-厄德·加耶 申請人:艾爾坎國際有限公司