[发明专利]用于具有惰性阳极的铝电解槽的衬垫

说明书

本发明涉及有色金属冶金，具体而言，涉及铝的电解生产，特别是铝电解槽的衬垫。

存在已知用于由耐火混凝土砌块制成的铝电解槽的衬垫。混凝土混合物以下述比例制备：15％的快凝水泥、85％的无烟煤集料、10％的石灰和6％的水。在通过振动压实的经典方法形成砌块之后，将其转移至干燥室以定形并在450℃去除大部分水。通过传统方法将砌块放置在电解槽中并将接缝连接(8I，发明人证书号1050574，С 25С3/08，于1983年10月23日公布)。

利用这种铝电解槽衬垫的缺点为如下事实：在此种制造具有无烟煤集料的砌块的方法中，在电解槽运行期间将发生耐火砌块的碳组分的氧化，所述氧化是通过经阴极外壳中的开口而来自外部的空气以及通过来自内部(熔体侧)的一氧化碳(CO)造成的。其结果是，将毁坏耐火砌块，其后造成电解质熔体进入阴极外壳，在最坏的情况下，金属和电解质将从槽中逸出。

还存在已知用于由预制砌块制成的铝电解槽的衬垫，所述预制砌块是基于具有氧化铝和碳质材料的混合物中的冰晶石。砌块如下制成：将限定量的破碎的碳质材料倒入铸模中，添加约20重量％的氧化铝，并且全部在预先熔化的冰晶石中铸塑。由所得砌块铺成底部和侧部衬垫，将粉状或熔融冰晶石层涂布至被连接的表面，然后加热整个衬垫以便将砌块彼此密封并形成一个整料(USSR专利252224号，С22Б3/02，3/12，1969年9月10日公布)。

利用这种铝电解槽衬垫的设计的缺点为如下事实：当使用此种基于熔点为1010℃的冰晶石的砌块时，由于工艺流程的中断和熔化温度的升高而总存在砌块熔化的风险。

与提出的发明最接近的是一种铝电解槽的衬垫，其中底部由耐火的非碳材料(混凝土)制成，并且披覆有不与液体铝反应的二硼化钛层。导电元件由截锥形式的铝制成，其与阴极铝熔体接触的上部为液态，而与阴极总线接触的下部为固态，并且它们垂直穿过底部安装(RF专利2281986号，С25С 3/08，С25С 3/08，2006年8月20日公布)。

这种设计能够消除阴极中的水平电流，并因此减少在金属和电解质之间边界处的循环和波的形成，其对电流产率和电力消耗参数具有直接影响；减少经底部以及阴极导电元件和衬垫之间边界处的熔体过滤；减轻碱金属对底部的渗透，从而确保更长的电解槽使用寿命。

然而，将垂直导电元件安装在铺设了4～5层的整料底部中是极其不足的：首先，其需要复杂的模架；其次，倾倒体积为50～60吨的混凝土是相当复杂和昂贵的工艺；再者，这种混凝土衬垫的固化和加温将花费10～20天，否则可能爆发性地释放蒸汽，造成衬垫的毁坏。

此外，使用倒置截锥形式导电元件(其上部是液态而下部是固体)意味着未溶于电解质的氧化铝将沉淀到槽底上并且堵塞底部中导电元件的通道。这将导致阴极中的电压梯度增加，而在最坏的情况下，其甚至可能导致导电元件的液体阴极和固体部件之间完全失去接触，这随后造成一系列电解槽的破裂，从而急剧降低电解槽运行的能量效率。

而且，安装和制造上下横截面积比为1:2且数量等于或大于原型中阳极数量的倒锥式导电元件具有严重的缺点，其表现为通过导电元件从铝中大量移除热，这需要通过增加电极间的间隙进行补充。这将增加制造每吨电解铝所需的用电支出。下横截面积由0.65А/mm²的对铝容许的电流密度而决定。这意味着，对于额定电流强度为120kА的具有16个阳极和16个导电元件的电解槽，后者的直径将分别为：下部120mm，上部170mm。

本发明解决的问题是开发衬垫的高能效设计，使之能够降低在铝生产上花费的电，并且通过防止底部中具有导电元件的通道堵塞而确保电解槽的无故障运行。

技术效果是减少通过导电元件从铝中移除热，并且在电解槽的整个使用寿命内获得稳定的导电元件电阻。

根据提出的发明实现上述问题的解决方案，其中，在封装在阴极外壳中的具有惰性阳极的铝电解槽的衬垫中，所述衬垫包含由耐火非碳材料制成的底部以及铝导电元件，所述导电元件的与铝熔体接触的上部为液态而下部为固态，并且垂直穿过所述底部安装，所述底部由矮底部砌块和具有突出部的高底部砌块构成，所述矮底部砌块安装在所述底部的端面，其中所述矮底部砌块与所述具有突出部的高底部砌块交替设置，并且在所述砌块的整个厚度范围上于所述砌块的所述突出部内提供垂直通道以便安装所述导电元件，同时将所述导电元件的下部固定至板式载流集电器，所述载流集电器从所述底部砌块的端面水平延伸出并穿过所述阴极外壳的纵向侧。