[发明专利]测量在工作的铝电解槽中的表面轮廓的方法

说明书

本发明涉及一种用于测量在铝电解槽中的表面轮廓的装置，特别是阴极磨损轮廓和侧面壁架轮廓，以及一种测量在铝电解槽中的上述表面轮廓的方法。

使用这样的电解槽用于以电解方式生产铝，特别是根据霍尔-赫劳尔特(Hall-Héroult)工艺。利用霍尔-赫劳尔特(Hall-Héroult)工艺，电解含有氧化铝和冰晶石的熔盐。对于包含冰晶石、氧化铝和添加剂(诸如氟化铝和氟化钙)的混合物，冰晶石用于将纯氧化铝的2045℃的熔点降低到约950℃。

用于这种方法的电解槽包括槽底，该槽底由形成阴极的多个相邻的阴极块组成。可以理解，该相邻的阴极块之间的接缝以及该阴极块和槽的侧壁之间的周向接缝也被认为是阴极的一部分。为了经得起工作中的槽中的热和化学条件，阴极块通常由含碳材料组成。在阴极块的底侧提供凹槽，至少一个集流器布置在该凹槽中，被设置通过阳极的电流被传导通过所述至少一个集流器。在存在于阴极顶侧上方的熔融铝层上方大约3至5cm处设置由单个阳极块组成的阳极。在阳极和铝表面之间存在含有氧化铝和冰晶石的电解质熔盐。

图1a-1c示意性地示出了对于霍尔-赫劳尔特(Hall-Héroult)工艺的电解槽的主要设计。图1a示出了常规电解槽的横截面图，图1b是电解槽的侧视图，而图1c是电解槽的透视图。

附图标记1表示例如由石墨、无烟煤及其混合物组成的阴极。另外，可以使用以焦炭为基础的石墨化阴极。阴极1通常被合并到钢型或难熔型底座2中。阴极1可以是整块的，或者替代地由多个单个阴极块组成。

沿着电解槽的长度，多个集流器3被引入阴极1，图1a仅示出了一个单个集流器3。在图1c中可见，对于每个阴极块，例如可以提供两个集流器。集流器的目的是提供电解过程所必需的槽电流。与阴极1相对地，提供若干常规的柱状阳极4，图1a示意性地示出了两个阳极4。图1c更详细地示出了电解槽中阳极的配置。在电解期间，通过在阴极1和阳极4之间施加电压，溶解在冰晶石中的氧化铝被分解为铝离子和氧离子。该铝离子向熔融铝移动以收集电子，从电化学观点来看熔融铝为真正的阴极。由于较高的密度，铝5在液相氧化铝和冰晶石的熔融混合物6的下方富集。氧离子在阳极处被还原为氧，该氧与阳极的碳反应。附图标记6a表示固化熔融混合物6的外壳，并且如果该外壳位于电解槽侧面，它被称为侧面壁架(ledge)。

附图标记7和8表示用于提供电解工艺所必需的电压的电源的示意性显示的负极和正极，例如电压值范围在3.5和5V之间。

如图1b的侧视图所示，底座2并且因此该整个电解槽显示为细长形状，被引入的多个集流器3垂直地通过底座2的侧壁。通常，目前工作中的槽的纵向延伸在8和15m之间，横向延伸在约3至5m之间。例如EP1845174中公开了如图1a所示的阴极。

霍尔-赫劳尔特(Hall-Héroult)工艺的一个缺点是对能量的高需求。对于生产1kg铝，12-15kWh是必需的，这构成了生产成本的高达40％。为了降低生产成本，希望尽可能减少单位功率消耗。

对于功率效率至关重要的一个参数是电解槽中阳极和液态铝的表面之间的距离。该一个或更多个阳极分别需要与铝的表面间隔设置，该间隔足以防止该阳极和阴极块通过铝而发生短路。理论上，如果铝表面是光滑的，则该阳极可以移动到非常接近液态铝表面。然而，由于在电解期间引入到阴极中的高电流，产生了电磁场，这是由于它们的相互作用促使流动和波动进入液态铝中。这些波动导致局部增大的阴极磨损，因此缩短了整个电解槽的寿命。出现这种机械磨损是由于在热混合物中存在的熔融铝、电解质和氧化铝颗粒磨损电解槽底部，即阴极的顶部。此外，阴极磨损是由于在高密度电流下发生电化学过程。特别是，由于阴极中的碳反应变成碳化铝使得阴极被腐蚀。通常由于不均匀的磨损产生典型的“W型”磨损轮廓。这种磨损降低了电解槽的能量效率，因此液态铝和阳极之间的距离增加。

目前，在电解槽寿命的极限关停电解槽后，在所谓的“检查”期间测量磨损轮廓。然而为了预测电解槽的寿命，理想的是能够在电解槽工作中根据其磨损轮廓获得该电解槽的实际状况信息。

已经有若干种测定阴极的表面位置的尝试，并且因此测定工作的电解槽中例如在阴极上方具有铝和冰晶石的液态混合物时的磨损曲线。一般用于液体中的常规的测定方法，例如借助于超声波的回声和阴影方法不能使用，这是由于超声波不能透过液态铝。由于约1000℃的熔融高温，使用测量装置直接接触阴极表面也是不可能的。