电解槽的设计

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界面处发生还原反应，以制取所需产品。对电解槽结构进行优化设计,合理选择电极和隔膜材料,是提高电流效率、降低槽电压、节省能耗的关键。目前电解槽正朝大容量、低能耗方向发展。

1.2电解槽存在的问题

随着科技的快速发展，技术的成功开发以及各项新技术的综合利用，越来越多的工厂使用产量大、自动化程度高、环保节能、电流效率达93%~95%的电解槽。由于环保法规的日趋严格及国家产业政策的要求，大量侧插自焙铝电解槽都要足部改造为中间下料的小型预焙铝电解槽。（铝电解槽是一种特别的高温冶炼设备，它不仅要起到盛装铝液，高温熔融氯化盐电解质作用，而且底部炭块要有良好的导电性及抗钠、电解质侵蚀能力，侧衬材料具有良好的导热、抗氧化性能。）对于中间下料预焙槽技术氧化铝集中在中间参与，边部氧化铝浓度相对较低，是的侧部炭块失去保护，直接与电解质、铝液、氧化气氛接触，易被氧化、冲刷，加速侧部炭块的剥落、破损。侧部炭衬很薄时，简单红炉帮，给电解槽的操作带来困难，稍有不慎就会造成侧部漏炉，影响电解槽寿命，造成很大经济损失。因此急需开发一种导热性好、耐侵蚀、抗氧化、绝缘性好的新型侧衬材料，使电解槽侧部形成稳定的炉帮，理想的炉膛形状，减少水平电流，提高电流效率，防止电解槽侧部的早期破损，延长电解槽寿命。

1.3电解槽

电解槽因内部部件材质、结构、安装等不同表现出不同的性能与特点。两家大型铜电积厂的工作参数如下表所示。

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大型电积厂的电解槽的工作参数厂名生产能力/t/a数量/个材料衬里尺寸（长*宽*高）/m电解槽阳极，阴极数巡查系统清槽周期/d酸雾控制进液方式圣曼纽尔66000188水泥PVC6*1.25*1.461.60红外线60聚乙烯小球底边盘管NCCM1670001120水泥Pb，6%Sb，PVC4.6*1.1*1.441,40或61,60目视150∮2cmPVC球上部进液

1.3.1电解槽结构

（1）例如按电极的连接方式，可分为单极式和复极式两类电解槽。单极式电解槽中同极性的电极与直流电源并联连接，电极两面的极性一致，即同时为阳极或同时为阴极。复极式电解槽两端的电极分别与直流电源的正负极相连，成为阳极或阴极。电流通过串联的电极流过电解槽时，中间各电极的一面为阳极，另一面为阴极,因此具有双极性。当电极总面积一致时,复极式电解槽的电流较小，电压较高，所需直流电源的投资比单极式者省。复极式一般采用压滤机结构形式，比较紧凑。但易漏电和短路，槽结构和操作管理比单极式繁杂。单极式电解槽截面一般为长方形或方形，圆筒形占地大,空间利用率低,采用较少。

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（2）在电解槽中，基本上都用隔膜将阴、阳极室隔开，隔膜可以防止阴、阳两极产物混合，避免可能发生的有害反应。隔膜需有一定的孔隙率，能使离子通过，而不使分子或气泡通过，当有电流流过时，隔膜的欧姆电压降要低。这些性能要求在使用过程中基本不变，并且要求在阴、阳极室电解液的作用下，有良好的化学稳定性和机械强度。电解水时，阴、阳极室的电解液一致，电解槽的隔膜只需将阴、阳极室隔开，以保证氢、氧纯度，并防止氢氧混合发生爆炸。更多见的比较繁杂的状况是电解槽中阴、阳极室的电解液组成不同。这时隔膜还需要阻止阴、阳极室电解液中电解产物的相互扩散和作用，如氯碱生产中隔膜法电解槽中的隔膜，可以增大阴极室氢氧离子向阳极室扩散和迁移的阻力。隔膜由惰性材料制作，如氯碱工业中长期使用的石棉隔膜。但石棉隔膜性能不稳定，当盐水中含有钙、镁杂质时，简单在隔膜中生成氢氧化物沉淀，降低透过率；在比较高的温度和在电解液作用下，还会发生膨胀、松脱。为此可以在石棉中参与树脂作为加强材料，或以树脂为主体做成微孔隔膜，在稳定性和机械强度方面都有很大改进。近年来氯碱生产开发的阳离子交换膜是新型的隔膜材料。它具有对离子透过的选择性，可使氯离子基本上不进入阴极室，从而可以制得氯化钠含量极低的碱液。

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电解槽示意图

1.3.2电解槽内部部件材质

电解槽由整体的聚合物混合凝土制成，安装时下面铺衬了聚乙烯板，以防止溢出的电解液造成短路。

电解槽内衬,不同位置所起的作用不同,生产过程中所受到的影响也不同。因此,应当依据不同位置内衬的作用采用不同的材质,不同的配置方式,以实现最大限度发挥每种材料的正面作用,降低其负面影响,最大限度提高电解槽寿命,降低生产过程中的额外能量消耗。

铝电解侧部砌筑传统用耐火砖，在使用中液体电解质渗透时易损坏，我厂和科研单位合作，开发出铝电解槽高强防渗浇注料，选用合理的铝硅系原料，引入复合结合剂和多种添加剂，混练浇注铝电解槽侧部，当液体电解质从碳砖缝隙渗出时会反应生成致密的玻璃体状霞石，阻挡延续渗入，并具有

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强度、体密小、导热系数低，施工便利等特点，产品在十多家铝厂电解槽上应用，得到厂家的高赞和好评。高强防渗浇注料技术性能见下表：

项目SiO2+Al2O3单位%DFGL≥90≥16903s*o耐火度3s*oQ2P+m5b&j3体积密度抗折强度110℃×24h110℃×24h1000℃×3h3U6O8u+\\/f4l8`\耐压强度烧后线变化率导热系数

110℃×24h1000℃×3h1000℃×3h700℃#Wm'a9h(~-y.a'F1Z6_%W/m.k6S#\\4v/G4A/W9H*OMPa{._g/cm3MPa≥2.2≥5.0≥10.0≥35.0≥60.0≤-0.3≤0.6铝电解槽用高强轻质浇注料世界工业的发展节能、环保提出更新更高的要求，工业炉窑的进步，炉窑的降耗、节能列入设计重要指标。%ZX4s:我单位长期摸索、实践、开发出适应电解槽应用的轻质保温耐火材料。采用轻质高强浇注料，对降低电解槽外壳温度和俭约能源有良好作用。轻质保温浇注料技术性能见下表：67

（2）电极糊（包括标准、非标准电极糊）；（3）底糊（包括多灰、少灰底糊）；（4）密闭糊（包括多灰、少灰密闭糊）；

（5）其它糊（包括粗缝糊、细缝糊、自焙炭砖等）。8．非标准炭、石墨制品类

这是指用炭、石墨制品经过进一步加工而改制成的各种异型

炭、石墨制品。包括铲型阳极、制氟阳极以及各种规格的坩埚、板、棒、块等异型品。

9．不透性石墨类

这是指经树脂及各种有机物浸渍、加工而制成的各种石墨异

型品，包括热交换器的基体块。

10．电炭产品类

这是指炭精棒、电刷等产品。

2.2.2.4碳素材料在电解质中的反应特性

Gudbrandeen等、Oedegaerd、EgilSkybakmoen等随碳素材料的测试研究说明：C在冰晶石熔体中的溶解行为主要按下面反应进行：

Al4C3+5AlF3+9NaF=3Na3Al3CF8（1）Na3Al3CF8在阳极上按下面反应进行：Na3Al3CF8+NaF=C+3AlF3+4Na﹢+4eˉ(2)

在低电流密度例如石墨基本体上，反应（2）可逆进行。

在无电解质炉帮的状况下，炭侧块在冰晶石熔体中的阴极性溶解按反应（2）的反方向进行：

C+3AlF3+4Na﹢+4eˉ=Na3Al3CF8+NaF（3）

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总反应将是（2）+（3）;

C（阴极）=C(阳极)（4）

在电解槽侧部无电解质炉帮的状况下，炭作为导体，以为这炭素侧衬在电解质中腐蚀，在阳极沉积。这也是无电解质炉帮的电解槽，侧部炭块除上部氧化严重外，中下部腐蚀脱落也严重，造成电解槽寿命低的一个主要原因。

2.2.3炭素材料和玻璃钢材料的比较

玻璃钢材料与炭素材料相比，具有相当高的体积密度、耐压强度和抗折强度，完全可以满足作为电解槽侧衬材料的机械性能要求；另外，玻璃钢材料有比炭素材料高得多的电阻率和导热系数；点击诶生产过程中，在出现阳极效应和供电变化等飞稳定因素导致侧部炉帮可能溶化的状况下，玻璃钢材料作电解槽侧衬，由于其高绝缘可以防止侧部漏电，减少水平电流，有利于提高电流效率;其高导热性可以满足电解槽内衬结构设计时所要求的底部和侧下部保湿，侧上部散热的工艺条件，有利于生成较理想的电解质炉帮保护层，提法哦电解槽运行的热稳定性。规整的槽内型既有利于提高电流效率，又有利于提高电解槽的使用寿命。

此外，（1）SZS电解槽壁厚70mm，槽间距10mm，相邻两壁共150mm厚，传统槽壁厚115mm，槽间距30mm，相邻两壁共260mm厚，故SZS电解槽每台比传统槽节省110mm厂房长度,而相应的导电线槽间电排，以及槽间垫板也都在宽度上缩短了110mm；（2）SZS电解槽因绝缘性能强大，无需加垫；（3）玻璃钢材料相对其他材料较低廉，加工工艺也较为便利；（4）由于强度、耐蚀性能等增加，增加使用寿命，降低了维修费。

总之，使用SZS电解槽不但在设备投资上不予增加，反而对提高产品的产量、质量，降低成本起到重要的作用。

三、结论

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电解是湿法冶金的主要方法之一，电解槽的设计直接影响电解效果，随着科技的进步，材料科学也大大提升，不仅仅局限于单一材料，在电解槽的设计中，人们也采用了一些新型复合材料，例如玻璃钢、氮化硅结合碳化硅等，复合型材料解决了单一材料的一些缺陷，但是复合材料也不是十全十美的，需要根据不同的需求、价格、要求特别性能等条件，决定材料的选择。以下是玻璃钢电解槽优越于一般炭素材料电解槽的总结:

1、玻璃钢材料用作电解槽的侧衬材料，无论是在机械性能、物理化学性能还是在抗腐蚀性能明显优于碳素材料；

2、使用玻璃钢，既充分利用了玻璃钢的良好抗电解质腐蚀性，又可以降低成本。电解槽还可采用模具一次性整体浇铸而成，整体性好、尺寸精度高、预埋件确凿，吊装到位垫平即可，安装简单，易调整。

3、电解槽由于其可靠的质量、超强的耐腐蚀性能、较高的强度成就了它的免维护性能，可以使企业避免因频繁维护、更换槽体而造成的人力、物力、时间的浪费。

4、电解槽使用寿命长，一般无需更换。从而解决了其它电解槽更换后无法处理而污染环境的问题。

5、由于玻璃钢材质透明，若采用一次性整体浇铸，在侧部装上灯管，可以便利槽的检查，不必一一提出检查，避免