專利名稱：電解熔融池的內(nèi)部冷卻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)鋁的電解池，尤其涉及一種用于保持和控制通過電解池的側(cè)壁的熱流的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
用于生產(chǎn)鋁的電解池包括一電解槽，該電解槽具有一般由多個預(yù)焙炭塊制成的陰極和陽極。氧化鋁供給到冰晶石電解液中，氧化鋁在該冰晶石電解液中溶解。在電解過程中，在陰極處生產(chǎn)鋁，并在電解槽的底部上形成熔化的鋁層，使得冰晶石電解液浮動在該濾層的頂部上。在陽極處產(chǎn)生氧，通過生產(chǎn)一氧化碳和二氧化碳氣體導(dǎo)致陽極的消耗。冰晶石電解液的工作溫度通常在930℃到大約970℃的范圍中。
該電解槽包括外鋼質(zhì)殼，該外鋼質(zhì)殼具有沿著槽的底部設(shè)置在絕緣和耐火材料層頂部上的炭質(zhì)陰極塊。這些炭質(zhì)陰極塊利用集電棒和鋁柔性連接到電匯流條上。在改變側(cè)壁的精確結(jié)構(gòu)的同時，靠著該鋼質(zhì)殼設(shè)置包括炭塊和耐火材料的組合的襯里。
在電解池的工作期間，在電解槽的側(cè)壁上形成一個凝固的殼或殼層。盡管該層的厚度在電解槽的工作期間可能有變化，但是該殼的形成對電解池的工作是非常關(guān)鍵的。如果該殼變得太厚，則由于該殼將在陰極上發(fā)展并擾亂將對磁場有影響的陰極電流分布，所以將影響電解池的工作。另一方面，如果凝固的層變得太薄或者在某些位置缺少凝固層時，則電解液將侵蝕電解槽的側(cè)壁襯里，最終導(dǎo)致側(cè)壁襯里損壞。如果側(cè)壁襯里上的侵蝕達到電解液侵蝕鋼殼側(cè)壁的程度，因為有金屬和電解液從電解池流出的危險，則電解池必須停機。
因此，受控制的殼層的形成是良好的槽的操作和電解池中耐火襯里的長壽命是必要的。而且，對于電解池中受控層形成，控制電解池的熱動力學(xué)的操作以及尤其是來自電解液的熱量通過側(cè)壁襯里的流動是必要的。
在最近的技術(shù)發(fā)展中，使用如散熱片之類的被動熱傳遞裝置將熱量通過電解槽的鋼殼從電解池中去除，以試圖增大可用于傳遞來自電解槽的側(cè)壁的熱的表面面積。需要從電解槽中去除的熱量取決于通過電解池的電流量和電解池的電壓。如果電流或電壓增大，則為了保持形成在耐火材料的內(nèi)壁上的殼層的適當(dāng)厚度的需要通過側(cè)壁抽取的熱量將增大，并會經(jīng)常變化超出電解池側(cè)壁上的被動冷卻元件的設(shè)計能力。
因此，本發(fā)明的目的是，提供一種裝置，通過該裝置可以主動控制電解池的熱動力學(xué)上的需要，以使得能夠在側(cè)壁耐火材料的內(nèi)表面上形成和保持一個殼層。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種用于生產(chǎn)金屬的電解池，其中通過電解還原在熔融鹽液中溶解的帶有金屬的材料(例如稱為三氧化二鋁的氧化鋁)來生產(chǎn)金屬，該電解池包括殼體，和殼體內(nèi)部上的襯里，該襯里包括底部陰極襯里和側(cè)壁襯里，該側(cè)壁襯里包括靠著殼體內(nèi)表面布置的多個流體管，用于從中傳導(dǎo)流體，該流體管沿著殼體的側(cè)面延伸，并與泵裝置連通，以使流體流過該流體管。
在本發(fā)明的范圍中，電解池的側(cè)壁為電解池的縱向側(cè)壁和端壁。
申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在內(nèi)殼體表面附近提供流體導(dǎo)管，可以以足夠的速率從電解池中抽取熱量，以將凝固殼層保持足夠厚度，以保護側(cè)壁耐火材料。在電解池的工作期間，由電流感應(yīng)的磁場導(dǎo)致熔融金屬在電解池中的移動。該熔融金屬的移動在電解池中產(chǎn)生更熱區(qū)域，從而增大在該區(qū)域中的熱量傳遞的要求，以在電解池側(cè)壁上保持凝固材料的足夠厚度。這些熔融金屬電流也可能導(dǎo)致凝固殼層的腐蝕，從而暴露耐火側(cè)壁，除非從電解池的該區(qū)域中去除足夠熱量，以保持凝固層的厚度。
因此，在本發(fā)明的一個優(yōu)選形式中，該電解池沿著殼體的每個縱向側(cè)壁設(shè)置有至少兩排冷卻流體導(dǎo)管，每排冷卻流體導(dǎo)管都冷卻電解池的固定部分。在本發(fā)明的一個優(yōu)選形式中，每排冷卻導(dǎo)管都從電解池的每個縱向側(cè)的大約一半中抽取熱量。每排冷卻導(dǎo)管也都沿著側(cè)壁的至少一部分延伸，并與相應(yīng)的縱向側(cè)壁結(jié)合。
上述冷卻流體導(dǎo)管能承載有能力傳遞通過耐火材料傳導(dǎo)的熱量的任何流體。盡管冷卻劑液體提供從電解池導(dǎo)出更多熱量的范圍，但是它們也存在著在熔融金屬附近使用液體的相關(guān)風(fēng)險增加的問題，并且用于液體的處理系統(tǒng)的成本增大。因此，最好是通過流體導(dǎo)管的冷卻流體為氣體，并最好是空氣。用于使冷卻流體流入冷卻導(dǎo)管的泵裝置可以是鼓風(fēng)機或其它類型的氣泵。在流體的情況下，可以使用任何通常現(xiàn)有的液體泵。
電解池中熔融金屬流的方向由電匯流條的設(shè)計和所感應(yīng)的磁場來決定。在電解池的下游側(cè)，熔融金屬通常導(dǎo)向縱向側(cè)的中央。這導(dǎo)致下游縱向側(cè)的中央比外端更熱。
因此，最好是進入下游側(cè)上冷卻流體導(dǎo)管的冷卻流體經(jīng)基本上在電解池的中央?yún)^(qū)域上或其附近對應(yīng)于電解池的短軸的入口進入，并通過電解池的相應(yīng)端部附近的出口排出。
在電解池的上游側(cè)，熔融金屬中感應(yīng)的電流將熔融金屬從電解池的中央?yún)^(qū)域送走。因此，在電解池的上游側(cè)，冷卻流體由布置在電解池的相應(yīng)端部附近的入口處進入冷卻流體導(dǎo)管，并在基本位于電解池的縱向側(cè)的中央?yún)^(qū)域上或其附近的出口從流體導(dǎo)管中排出。
在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，在通過流體導(dǎo)管后受熱的空氣可以與氧化鋁或者與用于將氧化鋁輸送到電解池的流動氣體進行熱交換。


附圖1(a)為根據(jù)本發(fā)明的所述殼體的實施例的剖視圖；附圖1(b)為附圖1(a)的實施例中側(cè)壁的襯套和冷卻的透視圖；附圖1(c)為附圖1(a)和1(b)的實施例的內(nèi)部流體導(dǎo)管的透視圖；附圖2和附圖3是通過電解池的上游和下游側(cè)上的流體導(dǎo)管的流體的兩個可能流動方向的示意圖。
具體實施例方式
應(yīng)該理解的是，在本說明書中公開和限定的本發(fā)明擴展到由文字或附圖提到和明白的兩個或多個單個特征的所有可能的組合。所有這些不同組合構(gòu)成本發(fā)明的各個可能的方面。
在附圖1中所示電解池的剖視圖中，電解池包括大量鋼質(zhì)支架10和鋼質(zhì)殼體12，以及內(nèi)部耐火襯里，該耐火襯里包括底部絕緣層14和側(cè)壁襯里19和20。該襯里適當(dāng)?shù)匕ň哂械挚闺娊庖汉腿刍匿X的腐蝕能力，以及具有相對于熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)良好的特性。所述側(cè)襯里包括多個塊體，它們由如金剛砂19和含碳材料20的材料形成。位于底部絕緣層上的是連接到集電棒24上的陰極22，該集電棒將電流從陰極導(dǎo)走。
在附圖1(b)和1(c)中所示的實施例中，內(nèi)部流體導(dǎo)管26設(shè)置為沿著電解池的側(cè)壁水平延伸。在塊19和流體導(dǎo)管26之間設(shè)置一些導(dǎo)熱材料，以提供流體導(dǎo)管和側(cè)壁塊19之間的良好熱接觸。流體導(dǎo)管26設(shè)置有流體管28、29和48，它們將流體輸送到流體導(dǎo)管26并從流體導(dǎo)管26輸出，如附圖2中所示，該流體可以是液體或氣體。盡管從熱傳導(dǎo)角度看，液體可以是有吸引力的，但是將液體導(dǎo)入高溫環(huán)境的確表現(xiàn)出安全性風(fēng)險的很大的增大，并增大了液體突發(fā)地接觸液態(tài)金屬的可能性。而且，由于難以保持電解池電位的隔離，所以液體將造成電氣危害。于是，盡管使用液體存在一定的好處，但是如空氣之類的易于獲得的氣體是優(yōu)選的。
當(dāng)操作一個電解池時，可以設(shè)置內(nèi)部流體導(dǎo)管操作，使得面對電解池內(nèi)部的側(cè)面襯里表面19和20的溫度略微低于熔融的電解液的溫度。于是，由于由流過內(nèi)部流體導(dǎo)管26的流體冷卻效果和熔融電解液所產(chǎn)生的溫度差，固體穩(wěn)定層形成在側(cè)面襯里的內(nèi)部上。該層幫助保護該側(cè)面襯里免于受到熔融電解液腐蝕，并極大延長了側(cè)面襯里的壽命。
附圖2公開了供給入口流體管28和29的氣泵32。這些管供給到入口集管28和40，該入口集管與在池的殼體12的內(nèi)側(cè)上電解池的側(cè)面襯里中的內(nèi)部流體管26流體連通。該入口集管38和40朝著電解池縱向側(cè)接近短軸的中間位置設(shè)置，并將進入流體導(dǎo)管的流體導(dǎo)向電解池的相應(yīng)端部。流體通過一部分側(cè)面襯里，并匯集在電解池的端部中的排出集管42和44處。集管42和44分別與相應(yīng)排出流體管48連通并被結(jié)合在一起并被通到熱交換器50。在所述熱交換器中，被加熱的排出空氣將熱量傳遞到如輸送進給到電解池的氧化鋁的流動空氣之類的合適的介質(zhì)。該被傳遞的熱量在氧化鋁被添加到電解池之前對其進行加熱。在附圖2中所示的設(shè)置中，示出入口集管38和40為將冷卻流體引導(dǎo)到電解池的中央，然后該流體通過內(nèi)部流體導(dǎo)管，并通過排出集管42、44在電解池的相應(yīng)端部處排出。
在附圖3中所示的備選流體通道中，冷卻電解池的上游側(cè)的流體由入口管11和13供給，并通過設(shè)置在電解池端部(43，45)處的入口集管進入，該入口集管將流體引向電解池上游側(cè)的中央?yún)^(qū)域處的排出集管51。該中央?yún)^(qū)域靠近電解池的短軸的位置。在附圖3的實施例中，電解池的下游側(cè)在電解池的中央?yún)^(qū)域(38)處或其附近具有入口集管，該入口集管將流體通過內(nèi)部流體導(dǎo)管導(dǎo)向電解池的相應(yīng)端部處的排出集管(47，49)。來自排出集管47，49和51的熱空氣通過排出流體管48被導(dǎo)向熱交換器51。
盡管本發(fā)明已經(jīng)就少量的流體管26和入口38、40、43和45進行了說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到的是，隨著流體管和入口沿著側(cè)壁的橫截面和位置改變，可以使用任意數(shù)量的流體管和入口以適應(yīng)沿著側(cè)壁的期望熱區(qū)域。為了最佳地實現(xiàn)除去熱量，內(nèi)部流體管的應(yīng)用不應(yīng)局限于電解池的長的一側(cè)，而是也可以應(yīng)用在電解池的短的一側(cè)上。還可能的是，將內(nèi)部流體管定位在垂直方向上，而不是水平方向上。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還將認(rèn)識到的是，當(dāng)氣體進入和離開流體管26時，通過監(jiān)視氣體的溫度，可以確定從電解池去除的熱量的指示數(shù)字，并且確定與所形成結(jié)殼層的厚度相關(guān)的去除熱量的量。還將認(rèn)識到的是，通過繼續(xù)監(jiān)視入口和出口之間流體溫度的增加，可以確定關(guān)于涉及電解池襯里的厚度和所述結(jié)殼層的良好狀態(tài)的潛在問題的指示。流體溫度及其動向可以用作可調(diào)變量，以通過增大或降低氣泵的速度，或者通過控制經(jīng)過管系統(tǒng)中一系列節(jié)氣閥的流體流量來調(diào)節(jié)在管中流體的體積。
由于通過側(cè)壁去除的所有熱量都主要通過流體導(dǎo)管，少量的熱量從池殼體12的外表面輻射。這提供了通過為池的殼體外側(cè)設(shè)置隔熱而對池外的熱平衡進一步進行控制的機會。
在電解池工作期間，會有許多臨時中斷供給電解池的電力的原因。為了防止電解池內(nèi)的內(nèi)含物質(zhì)在這些電力中斷期間固化，池的殼體可以設(shè)置有一層絕熱層52，其可以靠著池殼體的外表面布置，以在電力供給中斷期間流體的流動停止的情況下保持電解池中的熱量。由于通過該側(cè)壁襯里的熱量通過流體導(dǎo)管26被周期性地去除，所以該絕熱層可以在池殼體壁上形成固定的器材設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種用于通過電解還原在熔融鹽液中溶解的帶有金屬材料來生產(chǎn)金屬的電解池，該電解池包括殼體，及殼體內(nèi)部上的襯里，該襯里包括底部陰極襯里，及側(cè)壁襯里，該側(cè)壁襯里包括靠著殼體的內(nèi)表面布置的用于從中傳導(dǎo)流體的多個流體管，該流體管沿著殼體的側(cè)面延伸，并與泵裝置連通，以使流體通過該流體導(dǎo)管流動。
2.如權(quán)利要求1所述的電解池，其特征在于，沿其上延伸有流體管的所述側(cè)面包括電解池的各縱向側(cè)和各端部。
3.如權(quán)利要求1所述的電解池，其特征在于，所述流體管設(shè)置有入口和出口。
4.如權(quán)利要求3所述的電解池，其特征在于，所述入口設(shè)置在電解池中的比出口處更熱的區(qū)域。
5.如權(quán)利要求1所述的電解池，其特征在于，所述流體管沿著電解池的每個縱向側(cè)布置在至少兩排導(dǎo)管中。
6.如權(quán)利要求5所述的電解池，其特征在于，每排所述導(dǎo)管都沿著鄰接相應(yīng)縱向側(cè)的端部的一部分上延伸。
7.如權(quán)利要求5所述的電解池，其特征在于，每排所述導(dǎo)管都包括一個以上的流體管。
8.如權(quán)利要求1所述的電解池，其特征在于，該電解池為在由電解池構(gòu)成的電解槽系列中的一個電解池，該電解池相對于由電解池構(gòu)成的電解槽系列的整體的流動具有上游側(cè)和下游側(cè)。
9.如權(quán)利要求8所述的電解池，其特征在于，冷卻流體管設(shè)有入口和出口，用于在縱向側(cè)下游冷卻流體管的入口大致設(shè)置在電解池的中央?yún)^(qū)域上或其附近，所述出口設(shè)置在電解池的相應(yīng)的端部上或其附近。
10.如權(quán)利要求8所述的電解池，其特征在于，冷卻管設(shè)有入口和出口，用于在縱向側(cè)下游冷卻管的入口設(shè)置在電解池的相應(yīng)端部上或其附近，所述出口設(shè)置在電解池的縱向側(cè)上游的中央?yún)^(qū)域上或其附近。
11.如權(quán)利要求1所述的電解池，其特征在于，所述泵裝置通過所述冷卻流體管泵送流體。
12.如權(quán)利要求3所述的電解池，其特征在于，來自所述冷卻流體管的出口的冷卻流體通到用于和電解池的帶有金屬材料進料進行熱交換的熱交換器。
13.用于通過電解還原在熔融鹽液中溶解的帶有金屬材料來生產(chǎn)金屬的方法，包括如下步驟在電解池中形成熔鹽和溶解金屬的熔融金屬液，該電解池包括殼體和在殼體內(nèi)部上的襯里，該襯里包括側(cè)壁襯里和底部襯里，通過靠著殼體的內(nèi)表面形成在側(cè)壁襯里中的冷卻流體管循環(huán)冷卻流體，以從電解液中去除熱量，并在側(cè)壁襯里上形成一層固化材料的殼層，通過調(diào)節(jié)流過冷卻流體管的冷卻流體，保持側(cè)壁襯里上的所述殼層。
全文摘要
一種用于通過電解還原在熔融液中被溶解的帶有金屬的材料來生產(chǎn)金屬的電解池(10)，該電解池包括殼體(12)和殼體的內(nèi)部上的襯里，該襯里包括底部陰極襯里和側(cè)壁襯里，該側(cè)壁襯里包括靠著殼體內(nèi)表面布置的用于從中傳導(dǎo)流體的多個流體管，該流體管(26)沿著殼體側(cè)面延伸，并與泵裝置連通，以使流體通過該流體管(26)流動。
文檔編號C25C7/00GK101052750SQ200580036023
公開日2007年10月10日 申請日期2005年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
發(fā)明者英戈·拜爾 申請人:Bhp比利頓創(chuàng)新公司