铝电解槽(aluminium electrolysis cell)

实施铝电解过程的主体设备。其重要组成部分包括铝电解用碳阳极、铝电解用碳阴极或铝电解用惰性阳极和铝电解用惰性阴极。

简史   自1886年冰晶石一氧化铝熔盐电解法问世以来，铝电解技术有了很大的进展，这主要表现在铝电解槽生产能力的增加和铝电解电能消耗降低这两个方面。

铝工业发展初期，曾采用4000～8000A小型预焙阳极铝电解槽，电流效率约70％，每公斤铝的电耗为42kW•h。在20世纪20年代，挪威参照当时铁合金电炉的连续自焙电极研制成功连续自焙阳极，形成了侧插棒自焙阳极铝电解槽槽型，铝电解槽的容量随之扩大，电流强度达到2.5kA，电流效率约80％，公斤铝电耗20kW•h。这种型式的铝电解槽很快在全世界范围内推广使用。以后侧插棒自焙阳极铝电解槽的电流强度增大到135kA，电流效率约89％左右，公斤铝电耗14.5～16kW•h。一般侧插棒自焙阳极铝电解槽的电流强度在60～90kA范围内。

由于侧插棒自焙阳极铝电解槽的电流分布不均匀，阳极操作复杂，不易全盘实现机械化，在20世纪40年代，法国研制成功上插棒白焙阳极铝电解槽。这种槽型在阳极结构上增设裙罩(集气罩)用以收集阳极气体，提高了烟气中氟的浓度，使烟气较易净化和易于回收氟气。因此，在20世纪50～60年代曾风靡于世界，最大电流强度达到150～160kA。

后来，由于世界各国对环境保护要求日趋严格，以及炭素生产技术的进步，用振动成型法制造大规格预焙阳极碳块的成功和大型节能型环式焙烧窑得到发展，于20世纪60年代中叶许多铝电解工厂都把原有的小型预焙阳极铝电解槽改造成大型预焙阳极铝电解槽。在槽的中央部位自动下料，电流强度达到280～350kA，电流效率为94％～95％，公斤铝电耗13kW•h。

槽型及其特点   工业铝电解槽槽型有侧插棒自焙阳极铝电解槽(见电解槽)、上插棒自焙铝电解槽(图1)和预焙阳极铝电解槽(图2)，三者各有特点。

自焙阳极铝电解槽按其阳极消耗情况定期地从上部添加阳极糊，利用电解槽运行产生的热量，将新加入的阳极糊焙烧成为坚实的固体阳极。阳极因此能连续使用，正好与电解的连续过程相适应。但自焙阳极铝电解槽在铝电解运行中焙烧阳极时散发出有害的沥青烟气，污染生产厂房和外部环境，回收烟气并加以净化较为困难，回收净化费用也较高。

预焙阳极铝电解槽   使用预先焙烧过的阳极，待阳极消耗到一定的高度时就要更换。把旧阳极取出，换上新阳极，不能连续使用。由此产生了残极，而且在更换阳极时会影响铝电解生产。

预焙阳极铝电解槽由于其阳极事先已在专用的焙烧炉中焙烧好，焙烧过程中产生的烟气可用作为焙烧炉的燃料，因此产出的是无沥青烟气，回收净化较为容易，净化费用较低，厂房内外环境较好。

就机械化和自动化程度而论，以预焙阳极铝电解槽最高，特别是中部下料的预焙阳极铝电解槽；上插棒自焙阳极铝电解槽次之；侧插棒自焙阳极铝电解槽最低。

电极电压降高低的顺序为：上插棒自焙阳极铝电解槽最高，侧插棒自焙阳极铝电解槽居中，预焙阳极铝电解槽最低。

从投资来看，预焙阳极铝电解槽的上部结构和阳极装置比较简单，电解槽本身造价较低，但制造预焙阳极需要额外的阳极成型、阳极焙烧和阳极组装等一整套设备，增加投资较多，一般适用于大型铝电解厂。上插棒自焙阳极铝电解槽上部结构比较复杂，投资较高。侧插棒自焙阳极铝电解槽投资则相对较低。

按电解槽容量而言，预焙阳极铝电解槽容量最大，上插棒自焙阳极铝电解槽次之，侧插棒自焙阳极铝电解槽最小。

近年来，由于预焙阳极铝电解槽，特别是中部加料的预焙阳极铝电解槽在铝电解过程中无沥青烟害，密闭程度高，烟气收集和净化效率好，阳极电压降低，操作运行机械化、自动化程度高，适于电子计算机控制管理，因而为世界上大多新建的大型铝厂所采用。而中小型铝厂则一般采用自焙阳极铝电解槽。

基本结构   工业铝电解槽的基本结构主要包括阴极装置、阳极装置、母线装置和气体回收装置等。

阴极装置   由槽壳、阴极碳块、侧部碳块、耐火砖和保温材料组成。通常采用长方形槽壳，槽壳型式有框架式、臂撑式和摇篮式三种。槽壳用型钢和钢板焊成。

铝电解槽的槽膛深度一般为450～600mm。槽膛底部是一层阴极碳块，其下面依次是炭素垫、耐火砖层和保温砖层，有的用氧化铝或其他保温材料取代保温砖层或部分保温砖层。

阴极碳块以碳块组型式砌筑于电解槽内。阴极碳块组由阴极碳块同埋设其中的导电钢棒(阴极棒)组成。阴极棒与碳块之间浇铸磷生铁或用碳糊捣固。

阴极碳块组在槽壳内排成两行，碳块组与碳块组间用碳糊捣固或用碳糊浆液灌注。但纵向中缝一般要用碳糊捣固。有些电解槽为提高炉底导电性和减去纵向中缝，特意采用通长阴极碳块，其中放置一根通长阴极棒。阴极棒通过槽壳侧壁上的洞口(窗口)伸出槽壳，其末端与阴极母线连接。

槽膛侧壁有一层或两层阴极碳块。侧部碳块与槽壳之间用一层耐火砖或颗粒状耐火材料填充。近年来，大型铝电解槽，特别是中部加料预焙阳极铝电解槽的侧部保温层有所减薄，．以利于凝结固体电解质作为保护层。

有的电解槽还在侧部碳块下部用碳糊捣固成斜坡状，构成人造伸腿，用来保护侧部碳块并收缩铝液镜面。

阳极装置   视槽型而异，有三种形式。

(1)侧插棒自焙阳极铝电解槽的阳极装置。由阳极框架、碳阳极糊、阳极导电棒、氧化铝料仓及阳极升降机构组成。阳极框架由钢板和型钢焊接而成。框架内周为厚1mm左右的铝板(铝壳)，中间填充阳极糊，阳极棒从阳极框架外部与水平方向成15°角度插入阳极糊内。阳极棒作为导电体及悬挂阳极用。阳极棒一般有4排，排向距离200mm，其中下面的两排棒通电，上面的两排作为后备。随着阳极消耗，取出最下面的一排阳极棒，在上方插入一排新的阳极棒。阳极棒用铜质导电片来与阳极大母线联接。阳极框架借助滑轮组或螺旋机构悬吊在电解槽的上部金属结构上，因此阳极可以上下升降。

(2)上插棒自焙阳极铝电解槽的阳极装置。由阳极框套、阳极糊和组合阳极棒及阳极升降机构组成。阳极框套由钢板和型钢焊接而成，框套内填充阳极糊。阳极钢棒为组合式，它由钢质导电棒与上端的铝导杆联接而成，一般采用爆炸焊接。钢质导电棒由上部垂直插入阳极糊内，分4排插入，高度分若干层次。组合阳极棒用夹具直接连接到阳极母线上。阳极有两套提升机构。随着阳极的消耗，用主升降机构降低阳极母线大梁，亦即阳极本身的高度。与此同时靠辅助升降机构以精确的相等速度提升阳极框套的位置，其结果是阳极框套的位置移动等于零，它相对于槽壳并未作任何移动，但阳极可以下降，补偿其消耗。

(3)预焙阳极铝电解槽的阳极装置。由阳极碳块组和阳极升降机构组成。现代大容量中部下料铝电解槽还配备定时打壳下料装置和氧化铝、氟化铝料仓。阳极碳块组由阳极碳块、钢爪和铝导杆三部分组成。依据槽容量大小及碳块规格不同可有单块组、双块组和三块组。铝导杆与钢爪通常采用爆炸焊联接，钢爪置入碳块上的洼穴(碳碗)中，钢爪和碳碗间浇注磷生铁。也有用碳糊捣固的。阳极碳块表面喷一层铝液以防止其氧化，也有不喷铝液的。铝导杆用夹具紧固于阳极母线梁上。下料机构包括4～6个打壳锤头和相同数量的定量加料仓。加料点位于铝电解槽的中心部位自成一列。打洞加料自动进行，间隔时间短的不过3min，长者为1～2h。现代化铝电解槽的下料已采用自动控制方式，保持电解质中氧化铝浓度波动在一个很小的范围(2％～3％)内。大容量铝电解槽的阳极升降，一般选用蜗轮丝杠或滚珠丝杠摇板式机构。

母线装置   由阳极母线、阴极母线和立柱母线组成。母线为铝质压延母线或铝质铸造母线。

铝母线的配置方式，视电解槽的排列方式和容量的不同而异。配置母线需经过精心设计，以求减弱磁场对电解运行的有害影响并节省母线用量。

现代化大容量预焙阳极铝电解槽一般采用横向排列，母线配置采用多端(4端或5端)进电方式。中小型铝电解槽一般采取纵向排列，母线配置采取双端或单端进电方式。

气体回收装置   侧插棒自焙阳极铝电解槽带有钢质卷帘或吊门，将电解槽加以密闭，由排烟管将烟气导出。

上插棒自焙阳极铝电解槽由安装在阳极框套下部的集气罩将烟气收集于燃烧气中，经燃烧后的烟气排入烟道。

预焙阳极铝电解槽用带有筋板的铝板构成多片单槽罩或整体槽罩，将电解槽密封。

使用寿命   铝电解槽的阴极内衬在使用一段时期后就会破损，这时候便需停槽大修。现代铝电解槽的平均使用寿命可达4～5a，长者可达7～8a。

铝电解槽破损停槽的主要标志为槽内铝液中铁含量连续不断的增加以至于超过1％，表明碳阴极已发生破损，钢质阴极棒已被铝液侵蚀，此时需停槽大修。

铝电解槽破损主要发生在碳阴极本体中。同时碳阴极下部的耐火砖和保温材料中也发生严重变化，钢质槽壳也伴有严重变形或破裂。根据现场观察，破损现象有：(1)碳阴极中出现大而深的裂纹；(2)碳阴极出现冲蚀深坑；(3)碳阴极呈层状剥落；(4)碳阴极向上隆起并开裂；(5)阴极棒受铝液侵蚀并熔化，阴极棒发生变形，向上隆起；(6)槽底耐火砖和保温材料受电解质侵蚀，其中间部位存在棱镜状灰白层；(7)侧部碳块受电解质和铝液冲刷磨蚀产生孑L洞；(8)钢质槽壳向外膨胀呈椭圆形，底部钢板向下鼓出甚至开裂。这些破损现象彼此相互联系，可能会同时出现。

大多数人认为铝电解槽破损主要是由于钠对碳阴极的侵蚀。在铝电解过程中，钠始终向碳阴极渗透。钠是由两种反应产生的，一种是钠离子在阴极上放电生成的，另一种是铝和电解质中氟化钠起反应置换出钠。钠渗透到炭素材料中导致炭素材料体积膨胀并产生裂纹，铝和电解质沿裂缝侵入阴极，最终导致停槽大修。

为了延长铝电解槽的使用寿命，要从多方面采取措旎。在设计时通过精确计算，设计出强度高的槽壳，并使槽内的热场和磁场分布合理。建造时要采用高质量的砌筑材料和进行精确的施工。操作上要采用合适的焙烧和启动方式，并建立平稳的正常运行制度等。

展望   铝电解槽的主要发展方向有：(1)采用惰性电极代替碳电极，例如采用氧化锡基或氧化镍基阳极，以及采用硼化钛基阴极，以减少电能量消耗；(2)通过加大现有铝电解槽的电流容量，提高单槽的生产能力并减少能量消耗的办法，来达到降低生产成本的目的；(3)实现连续下料作业，使铝电解槽的各项技术参数，如氧化铝浓度，冰晶石比、电解温度等基本达到稳定，把铝电解电流效率提高到95％以上，吨铝能量消耗降低到12000kW•h。