[发明专利]电解槽以及具有不规则表面造型的阴极

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解槽，尤其是用于铝生产的电解槽，以及适用于该电解槽的阴极。

背景技术

电解槽用于例如铝的电解生产，在工业上铝的生产通常采用霍尔－赫鲁特工艺。霍尔－赫鲁特工艺是将由氧化铝和冰晶石组成的熔体电解。冰晶石，Na₃[AlF₆]，用于使纯氧化铝的熔点2,045℃降低至混合物熔点约950℃，该混合物包含有冰晶石、氧化铝和如氟化铝和氟化钙的添加剂。

在这种工艺中使用的电解槽包括一个阴极芯，阴极芯由很多阴极块构成，这些阴极块彼此相邻设置形成阴极。为了使电解槽在运行过程中能够承受普遍使用的热学和化学条件，阴极通常由含碳材料构成。每个阴极的底侧总是设有槽，槽中总是设置至少一个母线，通过母线将从阳极输入的电流导出。由多个单独阳极块构成的阳极设置在阴极顶面上通常为15至50厘米厚的液态铝层上方约3至5厘米处，电解质（即含有氧化铝和冰晶石的熔体）位于阳极与铝液表面之间。当电解在大约1,000℃下进行时，产生的铝由于密度大于电解液的密度而沉积在电解液层下方，在阴极的顶面和电解液层之间形成一个中间层。在电解过程中，溶解在熔体中的氧化铝在电流的作用下分解成铝和氧。从电化学的角度看，液态铝层实际上是阴极，这是因为铝离子在液态铝层的表面还原成单质铝。但是，下文中的术语“阴极”不是指电化学角度的阴极，即不是液态铝层，而是形成电解槽基底的部件，例如由一个或多个阴极块构成的部件。

霍尔－赫鲁特工艺的最大缺点在于其需要消耗大量能源。生产出1kg铝需要消耗约12－15kWh的电能，占到生产成本的40%。因此为了降低生产成本，宜尽可能地降低该生产工艺的能量消耗率。

由于特别与液态铝层和阴极材料相比较而言熔体具有相对较高的电阻，尤其在熔体中产生较多的焦耳耗散形式的欧姆损耗。由于在熔体中产生了相对较高的比损耗，因此要尽可能减少熔体层厚度，减小阳极与液态铝之间的距离。但是，由于电解过程中的电磁相互作用以及当熔体层厚度过小时会在液态铝层中产生波动，发生液态铝触碰到阳极的危险，由此引发电解槽短路，使形成的铝发生不应有的再次氧化。这种短路还会导致磨损加快，因而缩短电解槽的使用寿命。因此，阳极与液态铝之间的距离不可任意减小。

为了进一步降低特异能量消耗，最近还提出了具有阴极的电解槽，在电解槽工作时，阴极的顶面面对液态铝和熔体，阴极的顶面具有表面造型。例如，专利US 2011/0056826 A1揭示了一种具有规则表面造型的阴极。通过规则设计的表面造型会减少液态铝层在水平和垂直方向上的波动，由此增强液态铝层的稳定性。但是，由于具有规则设计的表面造型，液态铝层中波动的形成只在有限程度上得于减少，特别是在整个阴极表面上不均匀地减少。此外，由于液态铝层运动减少，这种在阴极块表面上公知的规则表面造型间接严重阻碍了位于液态铝层上方的熔体层中的混合，该熔体层对于溶解周期供应的氧化铝是必要的，这对于能够达到的电解能量效率有不利影响。

专利EP 0 938 598 B1和DE 101 64 008 C1揭示了具有阴极的电解槽，其适于与其外部进行电接触，并且其特异电气材料电阻如此匹配，使得阴极顶面的电流密度分布尽可能地均匀。但是，在这些电解槽中，在液态铝层中形成了相对较为明显的波动，因而降低了电解槽的特异能量消耗，使用寿命不可能得到延长。

发明内容

由此出发，本发明要解决的问题是提供一种可在运行中降低特异能源消耗并延长使用寿命的电解槽。特别是应当提供一种电解槽，在所述电解槽中，熔体层的厚度减小了，但不具有诸如短路或已形成的铝发生再次氧化那样的不稳定性，该不稳定性是由于在液态铝层中出现波动形成趋势增强而导致的。同时，所述根据本发明的电解槽应确保在工作期间熔体层充分混合。

根据本发明，提供一种根据权利要求1的电解槽来解决上述问题，尤其提供一种带有阴极的电解槽来用于铝生产，所述电解槽包括一个阴极，位于所述阴极的顶面上的液态铝层，位于所述液态铝层的上面的包含氧化铝和冰晶石的熔体层，以及位于所述熔体层的上方的一个阳极。其中，所述阴极的顶面具有由两个或更多凸起构成的表面造型，所述阴极的表面造型如此设计与设置：使得阴极顶面表面上的二十个点中至少有两个点设置有凸起，这些点位于液态铝层与熔体层之间的边界面的一些区域的垂直下方，在所述区域中，具有二十个最高值的波峰出现在存在于边界面中的参考波动形成潜势分布中，其中，将参考波动形成潜势定义为在电解槽（不是具有带有表面造型的阴极，而是具有无表面造型的参考阴极，但其他结构与带有表面造型的阴极相同）工作期间出现在液态铝层与熔体层之间边界面中一个点处的波动形成潜势。