简介概要

高电流密度TiB2/G阴极泄流式铝电解槽的电解实验

来源期刊:中国有色金属学报2008年第4期

论文作者:彭建平 冯乃祥 姜艳丽 王耀武 尤晶

文章页码:738 - 738

关键词:铝电解;泄流式电解槽;石墨化阴极;TiB2

Key words:aluminum electrolysis; drained cathode cell; graphitized cathode; TiB2. coating; overvoltage

摘    要:详述了泄流式TiB2/G阴极电解槽的制作与电解运行操作。在焦粒焙烧、干法启动后,保持1.54 A/cm2的高阳极电流密度进行140 h电解实验,平均电流效率为86.5%。实验过程中,TiB2/G层稳定而牢固,其腐蚀脱落速度为0.4 g/(h·m2),能很好地保护阴极基体。利用铝参比电极由瞬时断电技术测得泄流式电解槽的阳极过电压和阴极过电压,它们与对应的电流密度遵循塔菲尔方程关系,其阳极过电压与工业电解槽相当,而其阴极过电压比工业电解槽的高0.4 V左右。这可能是由于泄流式电解槽中不存在铝液波动,阴极表面附近的电解质分子比远高于工业电解槽阴极表面的电解质分子比。

Abstract: The construction and testing of a drained cell with TiB2/G graphitized cathode were described. The coke-bed baking method and a dry start-up technology were adopted. During 140 h of electrolysis the drained cell performed steadily at an anodic current density of 1.54 A/cm2 with a current efficiency of 86.5%. After electrolysis it was found that the TiB2 coating layer shows a low wear rate of 0.4 g/(h·m2). Moreover, the overvoltage at different current densities is measured with an aluminum reference electrode by an interruption technique in the drained cell. The results can be depicted as a fairly straight line in a Tafel plot. The anodic overvoltage in the drained cell is close to the value in industrial cells, while the cathodic overvoltage in the drained cell is about 0.4 V higher than that in industrial cells at around 1 A/cm2, due to a stable molten Al layer and high molar NaF/AlF3 ratio of the bath close to the cathode.

基金信息:国家自然科学基金资助项目
高等学校博士学科点专项科研基金资助项目



详情信息展示

文章编号:1004-0609(2008)04-0738-07

高电流密度TiB2/G阴极泄流式铝电解槽的电解实验

 

彭建平,冯乃祥,姜艳丽,王耀武,尤  晶

(东北大学 材料与冶金学院,沈阳 110004)

摘  要:详述了泄流式TiB2/G阴极电解槽的制作与电解运行操作。在焦粒焙烧、干法启动后,保持1.54 A/cm2的高阳极电流密度进行140 h电解实验,平均电流效率为86.5%。实验过程中,TiB2/G层稳定而牢固,其腐蚀脱落速度为0.4 g/(h?m2),能很好地保护阴极基体。利用铝参比电极由瞬时断电技术测得泄流式电解槽的阳极过电压和阴极过电压,它们与对应的电流密度遵循塔菲尔方程关系,其阳极过电压与工业电解槽相当,而其阴极过电压比工业电解槽的高0.4 V左右。这可能是由于泄流式电解槽中不存在铝液波动,阴极表面附近的电解质分子比远高于工业电解槽阴极表面的电解质分子比。

关键词:铝电解;泄流式电解槽;石墨化阴极;TiB2涂层;过电压

中图分类号:TF 821;TF 801.3       文献标识码:A

Test of drained aluminum electrolysis cell with TiB2/G graphitized cathode at high current density

 

PENG Jian-ping, FENG Nai-xiang, JIANG Yan-li, WANG Yao-wu, YOU Jing

(School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Abstract: The construction and testing of a drained cell with TiB2/G graphitized cathode were described. The coke-bed baking method and a dry start-up technology were adopted. During 140 h of electrolysis the drained cell performed steadily at an anodic current density of 1.54 A/cm2 with a current efficiency of 86.5%. After electrolysis it was found that the TiB2 coating layer shows a low wear rate of 0.4 g/(h?m2). Moreover, the overvoltage at different current densities is measured with an aluminum reference electrode by an interruption technique in the drained cell. The results can be depicted as a fairly straight line in a Tafel plot. The anodic overvoltage in the drained cell is close to the value in industrial cells, while the cathodic overvoltage in the drained cell is about 0.4 V higher than that in industrial cells at around 1 A/cm2, due to a stable molten Al layer and high molar NaF/AlF3 ratio of the bath close to the cathode.

Key words: aluminum electrolysis; drained cathode cell; graphitized cathode; TiB2 coating; overvoltage

                     


TiB2/C惰性阴极泄流式电解槽是一种新型结构电解槽,由于泄流式电解槽的阴极表面只有一薄层的铝液,无铝液波动,因此泄流式电解槽可降低极距,使槽电压降低,从而可以达到降低能耗的目的。

国内外对铝电解槽使用TiB2层炭阴极进行过大量研究[1-12],国内学者也对泄流式阴极铝电解槽的物理场进行了大量的模拟与计算研究[13-17]。而在这些研究工作中规模最大的电解实验当属Comalco 铝业公司在92 kA的电解槽上进行的泄流式TiB2/C惰性阴极电解槽电解实验[18]。其中一台实验槽的阴极电流密度为0.97 A/cm2,极距降低至20 mm,150 d实验的吨铝电耗为12 800 kW?h。研究人员认为当提高阴极电流密度至1.2 A/cm2并保持热平衡不变时,电解槽的产量可增加50%。国内外研究人员一致认为Comalco的泄流式TiB2/C阴极电解槽在阴极材料和电解槽的结构设计上取得了重大的研究进展,并已经接近了工业化应用阶段。

2005年冯乃祥等[19]设计了另一种型式的泄流式TiB2/C阴极电解槽,并进行了实验。该槽电流强度为  1 350 A,阴极电流密度为1.2 A/cm2。其与Comalco泄流式电解槽的不同点在于,其阴极斜坡上生成的铝流向电解槽的一个侧面,而加料在另一侧,阴极钢棒从一个侧大面将电流导出。其优点在于电解过程中,由添加氧化铝而形成的沉淀堆积物不会对阴极表面形成的铝珠或铝液的泄流产生障碍,且阳极气体的逸出有利于氧化铝溶解。

如果泄流式阴极电解槽在工业上能够实现,极距可从4.0 cm左右降低到2.0 cm左右。从热平衡的角度来看,此时电解槽有可能处于冷行程,为此必须补充电解槽的能量,其唯一办法就是要增加电流强度,即在电解槽阳极和阴极面积不变的情况下,增加电解槽的阳极和阴极电流密度。本研究就是在这样的背景和技术思想指导下进行的。

1  泄流式阴极电解槽的结构与安装

 

1.1  电解槽的结构

在本研究的电解实验中,电解槽的结构基本上与文献[19]的泄流式TiB2/C阴极电解槽的结构一样。其不同点在于:1) 在集铝沟一侧与阴极炭块的接触处,砌筑了一层厚度为2.0 cm的氮化硅结合碳化硅板(Si3N4/SiC board),达到集铝沟中的铝液与阴极炭块绝缘;2) 本次实验电解槽使用的TiB2/C阴极的基体采用石墨化阴极碳块;3) 电解槽的阳极及TiB2/C阴极的倾斜角为15?。该电解槽的结构如图1所示,电解槽的结构参数如表1所列。

图 1  泄流式电解槽的结构示意图

Fig.1  Schematic diagram of drained cell

1—Pin; 2—Anode; 3—Si3N4/SiC board; 4—Refractory brick; 5—Insulation brick; 6—Asbestos board; 7—Cell shell; 8—Paste; 9—Refractory concrete; 10—Collector bar; 11—Paste; 12—Si3N4/SiC board; 13—Aluminum; 14—Bath; 15—Graphited cathode; 16—TiB2/G coating

表 1  TiB2/G石墨化阴极泄流式电解槽的结构参数

Table 1  Structure parameters of drained cell with TiB2/G- coated graphited cathode

1.2  阴极的制作

本实验所用的泄流式阴极基体为石墨化电极材料。根据设计要求,先把该石墨化电极加工成510 mm×240 mm×300 mm的长方体,并在距离底面70 mm处钻2个直径为65 mm、深度为200 mm的洞,便于以后安装阴极钢棒,再将上表面切成倾斜角为15?。阴极基体加工后,在与电解质接触的阴极表面用电钻垂直钻

出直径为5 mm、深度为5 mm左右的孔,孔与孔之间的中心距离为7~8 mm。

在阴极表面所要涂覆的TiB2/G复合材料糊是由粒径0.075~0.106 μm的TiB2粉、0.075~0.106 μm的石墨粉和热固性树脂按一定的质量比配制。

在表面涂层时,首先将糊状物填充入阴极表面上的钻孔内,并压实,最后再在上面均匀涂抹并压实制成5 mm的厚度TiB2/G层。然后使其在150~180 ℃下固化,并与石墨化阴极碳块基体结合在一起。图2所示为本实验所用的TiB2/G石墨化阴极碳块的示意图。

图 2  泄流式TiB2/G石墨化阴极示意图

Fig.2  Drained graphitized cathode with TiB2/G coating

1.3  阳极的制作

本实验中TiB2/G泄流式阴极电解槽的阳极选用抚顺铝厂生产的预焙阳极炭块。阳极底部倾斜角被加工成15?,与电解槽阴极倾斜角一致。

1.4  阴极钢棒的安装

在次实验中,将粒径小于0.075 μm的TiB2粉与热固性树脂混合成糊后,置入事先已经加工好的阴极钢棒的棒孔中,然后将d 60 mm的两根阴极钢棒直立地插入孔中,再把阴极碳块放在地面的钢板上,之后将两根阴极钢棒作一极,钢板作一极,通入低电压、大电流的直流电进行电加热,缓慢升温到150~200 ℃,使阴极钢棒与阴极炭块之间的TiB2与热固性树脂的混合糊料固化。

2  电解槽焙烧、启动与电解

 

2.1  电解槽的焙烧与启动

本研究中电解槽焙烧方法与文献[19]一样,但在选用的焦粒的尺寸上有差别,本实验泄流式TiB2/G复合材料阴极电解槽焙烧采用粒径为2~4 mm的粗粒冶金焦粉焙烧,其目的是为了增加焦粒的电阻,即提高焙烧时的电功率和升温速度。焙烧时电压、电流、功率以及和升温曲线如图3所示。

图 3  焙烧阶段能量输入与温度上升曲线

Fig.3  Energy input curves and temperature curve during baking

有色金属在线官网  |   会议  |   在线投稿  |   购买纸书  |   科技图书馆

中南大学出版社 主办 版权声明   电话:0731-88830515 88830516   传真:0731-88710482   Email:administrator@cnnmol.com

互联网出版许可证:新出网证(湘)字005号   湘ICP备09001153号