生产高纯铝的电解槽及方法
阅读说明：本技术 生产高纯铝的电解槽及方法 (Electrolytic cell and method for producing high purity aluminum ) 是由 卢惠民 卢小溪 高志江 于 2021-11-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种生产高纯铝的电解槽及方法,涉及高纯铝制备技术领域,包括外壳、上层电解组件、保温组件和盖板,保温组件固定于外壳的侧壁和盖板上,上层电解组件位于外壳内,且上层电解组件用于在外壳内生产高纯铝,上层电解组件中的液态电解质为纯氟化物体系,盖板安装于外壳的上端,并用于对外壳的内腔密封,盖板上开设有上进铝口和上出铝口,且上进铝口和上出铝口均能够连通外壳内腔与外界,上进铝口用于向外壳内加入粗铝,上进铝口处通过上进铝盖密封且上进铝盖能够打开,上出铝口用于外壳内高纯铝的取出,上出铝口通过上出铝盖密封且上出铝盖能够打开。该生产高纯铝的电解槽及方法能够避免环境污染,同时降低能耗。(The invention discloses an electrolytic cell and a method for producing high-purity aluminum, relating to the technical field of high-purity aluminum preparation and comprising a shell, an upper-layer electrolytic component, a heat-insulating component and a cover plate, wherein the heat-insulating component is fixed on the side wall of the shell and the cover plate, the upper-layer electrolytic component is positioned in the shell, the upper layer electrolytic component is used for producing high-purity aluminum in the shell, the liquid electrolyte in the upper layer electrolytic component is a pure fluoride system, the cover plate is arranged at the upper end of the shell, and be used for sealed to the inner chamber of shell, seted up last aluminium mouth and last aluminium mouth on the apron, and go up the aluminium mouth homoenergetic and communicate shell inner chamber and external, go up the aluminium mouth and be used for adding coarse aluminium to the shell in, go up aluminium mouth department and can open through sealed and last aluminium lid of going up of last aluminium lid, go up the aluminium mouth and be used for taking out of high-purity aluminium in the shell, go up the aluminium mouth and can open through going up the aluminium lid is sealed and go up the aluminium lid. The electrolytic cell and the method for producing high-purity aluminum can avoid environmental pollution and reduce energy consumption.)
技术领域
本发明涉及高纯铝制备技术领域，具体是涉及一种生产高纯铝的电解槽及方法。
背景技术
目前，我国生产99.99％-99.999％这个级别高纯铝有两种方法，一是传统的三层液电解法，二是偏析法。
现有三层液电解法生产该级别高纯铝，都是采用原苏联20世纪50年代的氟氯化物电解质体系，吨耗不低于13000kWh，最大缺点是环境污染，以氯化物为主的BaCl2，含2个结晶水，该氯化物吸水性极强，与其他电解质接触产生化学反应，产出氯化氢气体，不断向外排出，造成环境污染，更为严重的是由于吸水后必须造渣，还促使槽内结成炉帮，需要按时清理大量废渣。与此同时，目前使用的固体铝阴极底部，同样造渣，减小了导电面积，影响电流通过，容易出现打火现象，需要停电清理、捞渣，且三个月局部更换电极一次，该操作在高温下进行，环境恶劣，并且在清除废渣时，槽温下降，给生产带来极大不稳定性，还容易因操作不当，使高纯铝变成废铝，操作时镁含量成倍增加，使得高纯铝的质量不断下降。另一方面，现有的三层液电解法为开窗式电解槽，导致75％的能源经窗口逸出，造成能源浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种生产高纯铝的电解槽及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够避免环境污染，同时降低能耗。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种生产高纯铝的电解槽，包括外壳、上层电解组件、保温组件和盖板，所述保温组件固定于所述外壳的侧壁和所述盖板上，所述上层电解组件位于所述外壳内，且所述上层电解组件用于在所述外壳内生产高纯铝，所述上层电解组件中的液态电解质为纯氟化物体系，所述盖板安装于所述外壳的上端，并用于对所述外壳的内腔密封，所述盖板上开设有上进铝口和上出铝口，且所述上进铝口和所述上出铝口均能够连通所述外壳内腔与外界，所述上进铝口用于向所述外壳内加入粗铝，所述上进铝口处通过上进铝盖密封且所述上进铝盖能够打开，所述上出铝口用于所述外壳内高纯铝的取出，所述上出铝口通过上出铝盖密封且所述上出铝盖能够打开。
优选地，所述上层电解组件包括上层阴极组件、上液态电解质层、上阳极母液层和下层阳极组件，所述上层阴极组件固定在所述外壳内，且靠近所述外壳的上端设置，所述下层阳极组件位于所述外壳内，且靠近所述外壳的下端设置，所述上液态电解质层位于所述上阳极母液层上端，所述上层阴极组件的下端面用于析出高纯铝。
优选地，所述上层阴极组件包括多个上层阴极石墨块和多个上层阴极钢棒，且一个所述上层阴极石墨块对应一个所述上层阴极钢棒，所述上层阴极钢棒固定于所述上层阴极石墨块中部。
优选地，所述下层阳极组件包括多个下层阳极石墨块和多个下层阳极钢棒，且一个所述下层阳极石墨块对应一个所述下层阳极钢棒，所述下层阳极钢棒固定于所述下层阳极石墨块中部。
优选地，所述外壳内还固定有进铝隔离墙和出铝隔离墙，所述进铝隔离墙和所述出铝隔离墙均位于所述上进铝口与所述上出铝口之间，且所述进铝隔离墙靠近所述上进铝口设置并用于阻挡所述上进铝口落下的粗铝直接接触所述外壳内析出的高纯铝，所述出铝隔离墙靠近所述上出铝口设置，并使析出的高纯铝位于所述进铝隔离墙和所述出铝隔离墙之间。
优选地，所述外壳内还设有隔离石墨板、下液态电解质层和下阳极母液层，所述隔离石墨板固定在所述进铝隔离墙和所述出铝隔离墙之间，且所述隔离石墨板的两端分别与所述进铝隔离墙和所述出铝隔离墙固定连接，所述下液态电解质层位于所述下阳极母液层上端，且所述下阳极母液层位于所述下层阳极石墨块上端，所述隔离石墨板的下端用于析出高纯铝，所述盖板和所述隔离石墨板之间形成上电解槽，所述隔离石墨板与所述外壳下底面之间形成下电解槽。
优选地，所述盖板上还开设有下进铝口和下出铝口，且所述下进铝口和所述下出铝口均能够连通所述下电解槽内腔与外界，所述下进铝口用于向所述下电解槽内加入粗铝，所述下进铝口处通过下进铝盖密封且所述下进铝盖能够打开，所述下出铝口用于所述下电解槽内高纯铝的取出，所述下出铝口处通过下出铝盖密封且所述下出铝盖能够打开。
本发明还提供了一种生产高纯铝的方法，使用上述技术方案中任一项所述的生产高纯铝的电解槽，包括以下步骤：
S1：在外壳内注入阳极母液和液态电解质以用于电解，且外壳的上端通过盖板封堵，液态电解质为纯氟化物体系；
S2：连接电源并进行电解；
S3：从外壳内取出至少部分高纯铝，并经上进铝口向外壳内通入与取出的高纯铝等量的粗铝，缓慢搅拌均匀。
优选地，S1步骤包括：
S11：在下电解槽内注入阳极母液，使阳极母液达到35～40cm厚度，以形成下阳极母液层；
S12：注入液态电解质并使液态电解质的上端面接触隔离石墨板的下端面，以形成下液态电解质层；
S13：向上电解槽内注入阳极母液，使阳极母液达到35～40cm厚度，以形成上阳极母液层；
S14：注入液态电解质并使液态电解质的上端面接触上层阴极石墨块的下端面，以形成上液态电解质层。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的生产高纯铝的电解槽及方法，上层电解组件中的液态电解质为纯氟化物体系，相较于现有的氯化物来说，不会产生氯化氢气体，进而避免造成环境污染，盖板安装于外壳的上端，并用于对外壳的内腔密封，能够避免反应原料经外壳的上端开口逸出，进而充分利用反应原料，避免造成能源浪费。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例一提供的生产高纯铝的电解槽的结构示意图；
图2是图1的剖视示意图；
图3是实施例二提供的生产高纯铝的电解槽的结构示意图；
图4是图3的A-A剖视示意图；
图中：100-生产高纯铝的电解槽，1-保温侧板，2-黏土保温砖层，3-防渗侧壁，4-内衬层，5-下进铝口，6-进铝隔离墙，7-外壳，8-下层阳极钢棒，9-下层阳极石墨块，10-下阳极母液层，11-下液态电解质层，12-下层高纯铝，13-隔离石墨板，14-上阳极母液层，15-上液态电解质层，16-上层高纯铝，17-出铝隔离墙，18-下出铝口，19-下出铝盖，20-防渗顶板，21-保温顶板，22-上层阴极石墨块，23-上层阴极钢棒，24-下进铝盖，25-直流电源，26-钢铝爆炸块，27-上进铝盖，28-上出铝盖，29-铝软带，30-母连接线，31-上进铝口，32-上出铝口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种生产高纯铝的电解槽及方法，以解决现有的生产高纯铝的电解槽浪费能源，且容易造成环境污染的技术问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-图4所示，本实施例提供一种生产高纯铝的电解槽100，包括外壳7、上层电解组件、保温组件和盖板，保温组件固定于外壳7的侧壁和盖板上，上层电解组件位于外壳7内，且上层电解组件用于在外壳7内生产高纯铝，上层电解组件中的液态电解质为纯氟化物体系，相较于现有的氯化物来说，不会产生氯化氢气体，进而避免造成环境污染，同时也无需清理电极、铸造电极、熔化铝电极，能够降低劳动成本，避免频繁开闭盖板，纯氟化物体系的组成中AlF3，NaF，BaF2，LiF的质量配比分别为30-45份，20-25份，8-12份，13-18份；密度(液态)为2.6-2.8g/cm3，熔点为640-670℃，操作温度为700-750℃，盖板安装于外壳7的上端，并用于对外壳7的内腔密封，能够避免反应原料经外壳7的上端开口逸出，进而充分利用反应原料，避免造成能源浪费，盖板上开设有上进铝口31和上出铝口32，且上进铝口31和上出铝口32均能够连通外壳7内腔与外界，上进铝口31用于向外壳7内加入粗铝，上进铝口31处通过上进铝盖27密封且上进铝盖27能够打开，上出铝口32用于外壳7内生成的上层高纯铝16的取出，上出铝口32通过上出铝盖28密封且上出铝盖28能够打开，进而通过上进铝口31和上出铝口32的设置，避免在电解过程中打开整个盖板，影响保温性能和能源的利用。
具体地，上层电解组件包括上层阴极组件、上液态电解质层15、上阳极母液层14和下层阳极组件，上阳极母液层14为30-35％的电解铜和65-70％的普通铝组成，密度为3.4-3.7g/cm3，上层阴极组件固定在外壳7内，且靠近外壳7的上端设置，下层阳极组件位于外壳7内，且靠近外壳7的下端设置，上液态电解质层15位于上阳极母液层14上端，上层阴极组件的下端面用于析出高纯铝，利用金属在液态电解质中不同电极电位，比铝更正电的元素如铜、铁、硅、锰等滞留在上阳极母液层14中，而比铝更负的元素如钠、钙、钾、镁等虽在上液态电解质层15中移动，但不会在阴极析出，而保留在上液态电解质层15中，只有铝在上阴极石墨块下表面析出，利用三层液电解法生产高纯铝，提高高纯铝的产品质量。
上层阴极组件包括多个上层阴极石墨块22和多个上层阴极钢棒23，且一个上层阴极石墨块22对应一个上层阴极钢棒23，上层阴极钢棒23固定于上层阴极石墨块22中部，上层阴极钢棒23的两端依次穿过外壳保温层和外壳的侧壁伸出，以便于接通电源并用于电解。
下层阳极组件包括多个下层阳极石墨块9和多个下层阳极钢棒8，且一个下层阳极石墨块9对应一个下层阳极钢棒8，下层阳极钢棒8固定于下层阳极石墨块9中部，下层阳极钢棒8的两端依次穿过外壳保温层和外壳7的侧壁伸出，以便于接通电源并用于电解。下层阳极钢棒8与上层阴极钢棒23上远离外壳7的一端均固定有钢铝爆炸块26，且各钢铝爆炸块26均与直流电源25通过铝软带29和母连接线30电连接。
外壳7内还固定有进铝隔离墙6和出铝隔离墙17，进铝隔离墙6和出铝隔离墙17均位于上进铝口31与上出铝口32之间，且进铝隔离墙6靠近上进铝口31设置并用于阻挡上进铝口31落下的粗铝直接接触外壳7内析出的高纯铝，避免造成高纯铝的污染，影响产品质量，出铝隔离墙17靠近上出铝口32设置，并使析出的高纯铝位于进铝隔离墙6和出铝隔离墙17之间。
保温组件包括外壳保温层和盖板保温层，外壳保温层固定于外壳7的内壁上，盖板保温层固定于盖板的下端面上，进而提高保温性能，避免造成热量浪费，节约能源；
外壳保温层包括由外至内依次固定连接的保温侧板1、黏土保温砖层2、防渗侧壁3和内衬层4，盖板保温层包括由上至下依次固定连接的保温顶板21和防渗顶板20，保温侧板1和保温顶板21均为硅酸盐纤维保温板，防渗侧壁3和防渗顶板20均为防渗料制成，内衬为氧化镁耐火砖。
实施例二
本实施例提供一种生产高纯铝的电解槽100，与实施例一的区别在于，电解槽分为上下两层，同时进行电解生产高纯铝，提高效率，外壳7内还设有隔离石墨板13、下液态电解质层11和下阳极母液层10，隔离石墨板13固定在进铝隔离墙6和出铝隔离墙17之间，且隔离石墨板13的两端分别与进铝隔离墙6和出铝隔离墙17固定连接，优选地，隔离石墨板13厚度为15-20cm，且隔离石墨板13为多个石墨块镶嵌并在连接处涂高温粘结剂并在500-600℃温度范围内烧结形成，下液态电解质层11位于下阳极母液层10上端，且下阳极母液层10位于下层阳极石墨块9上端，隔离石墨板13的下端用于析出高纯铝，盖板和隔离石墨板13之间形成上电解槽，隔离石墨板13与外壳7下底面之间形成下电解槽，且在下电解槽内析出的为下层高纯铝12，隔离石墨板13既作为上电解槽的阳极，又作为下电解槽的阴极，进而能够减小所需电压，在一定程度上起到节电节能的效果。
盖板上还开设有下进铝口5和下出铝口18，且下进铝口5和下出铝口18均能够连通下电解槽内腔与外界，下进铝口5用于向下电解槽内加入粗铝，以实现粗铝的补充，便于进行连续电解，提高效率，且采用普通的原铝作为原料，生产成本低，下进铝口5处通过下进铝盖24密封且下进铝盖24能够打开，下出铝口18用于下电解槽内高纯铝的取出，下出铝口18处通过下出铝盖19密封且下出铝盖19能够打开，以在需要取出高纯铝时将下出铝盖19打开，正常电解进行中将下出铝盖19盖上，避免造成热能逸出，以及能源的浪费。
实施例三
本实施例提供了一种生产高纯铝的方法，使用实施例一或实施例二中生产高纯铝的电解槽100，包括以下步骤：
S1：在外壳7内注入阳极母液和液态电解质以用于电解，在电解前包括以下步骤：
S11：在下电解槽内注入阳极母液，使阳极母液达到35～40cm厚度，以形成下阳极母液层10；
S12：注入液态电解质并使液态电解质的上端面接触隔离石墨板13的下端面，以形成下液态电解质层11；
S13：向上电解槽内注入阳极母液，使阳极母液达到35～40cm厚度，以形成上阳极母液层14；
S14：注入液态电解质并使液态电解质的上端面接触上层阴极石墨块22的下端面，以形成上液态电解质层15；
下液态电解质层11的密度小于下阳极母液层10的密度，上液态电解质层15密度小于上阳极母液层14的密度，以保证下液态电解质层11始终漂浮在下阳极母液层10上层，以及上液态电解质层15始终漂浮在上阳极母液层14上层；
外壳7的上端通过盖板封堵，避免能源和热量逸出，造成浪费，液态电解质为纯氟化物体系，无污染；
S2：连接电源并进行电解，电流强度为20-100kA，工作电压4.5-6.0V，电解温度为720℃-760℃，电解时间为2-3小时；
S3：从外壳7内取出至少部分高纯铝，并经上进铝口31向外壳7内通入与取出的高纯铝等量的粗铝，缓慢搅拌均匀，进而保证上电解槽和下电解槽的平衡。
在实际电解过程中，在上进铝口31和下进铝口5分别加粗铝，下液态电解质层11上面析出的下层高纯铝12和上液态电解质层15上面析出的上层高纯铝16逐渐增多，测量(将高纯铝直接取出测量)或估计高纯铝析出量，从下进铝口5和上进铝口31放入相应数量的粗铝，粗铝注入到上阳极母液层14和下阳极母液层10，并缓慢搅拌均匀，以防止粗铝浮到高纯铝中并污染已经析出的高纯铝，其中高纯铝的取出为定期用石墨勺取出。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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