一种利用铝灰渣的联体铝电解装置的制作方法

本实用新型涉及铝冶金、铝及铝合金熔铸领域，尤其涉及一种利用铝灰渣的联体铝电解装置。

背景技术：

铝灰渣是铝及铝合金熔铸过程中的副产物，熔铸一吨铝铸锭约产生5kg/tAl铝灰渣。2016年,我国铝及铝合金材产量约为5796万吨，按照65%的综合成材率测算，需要铝合金铸锭8917万吨，同时附产铝灰渣446万吨。铝灰渣的化学组分为：金属铝、氟盐、氯盐、氧化铝、氮化铝、碳化铝以及硅、铁、镁、锰、锌、铜等金属氧化物。主要组分为金属铝、氟盐、氯盐和氧化铝，约占铝灰渣质量的90%。目前，主要采用以下几种方法回收利用铝灰渣。

灰渣炒制法：炒制法回收利用铝灰渣的原理是利用外热装置将铝灰渣加热到一定温度，向铝灰渣中加入一定量的氧化剂，利用铝热氧化反应使灰渣升温至铝的熔点以上温度，灰渣中的颗粒铝因氧化、放热、熔化，熔化的液体铝珠在外力和机械作用下汇聚成较大的铝珠，最后汇聚成铝块，方便回收利用。炒制法回收铝灰渣存在的主要问题是：生产效率低、工人劳动强度大、生产环境恶劣。炒制过程中存在较多的铝的氧化损失。炒制后的残灰中仍然含有一定量的铝，残灰一般作为废渣弃用，造成环境污染。

利用铝灰渣制作净水剂：该方法是利用酸液溶解铝灰渣，使灰渣中的金属铝、氧化铝与酸反应制备氯化铝、硫酸铝等净水剂。该方法利用铝灰渣存在以下几个方面的问题：在酸溶过程中，灰渣中的碳化铝、氮化铝易于与水反应，水解产物为甲烷、氨气，造成环境污染。灰渣中的氯盐、氟盐降低净水剂的品质和纯度。处理过程中产生的废水、弃渣造成环境污染。

以铝灰渣为原料制备工业氧化铝：该方法利用工业烧碱水溶液溶解铝灰渣中的金属铝和氧化铝，采用拜耳法、烧结法或者拜耳-烧结联合法制备成工业氧化铝。工业纯铝是一种载能材料，生产一公斤工业纯铝的综合能耗（含水、电、气、汽、电、碳素等）约为20kwh/kgAl，将灰渣中的工业纯铝转化为工业氧化铝造成了能源、资源的极大浪费。在碱液溶解铝灰渣时，灰渣中的碳化铝、氮化铝易于水解，水解产物污染环境。特别是，铝灰渣中的氟盐、氯盐没有回收利用，作为弃渣处理时，既浪费了资源，又污染了环境。

近年来，人们开始利用铝灰渣中的金属铝作为炼钢脱氧剂，受合金种类和后续处理手段的限制，铝灰渣中的残留铝含量往往波动很大，很难精确配制和充分利用灰渣中的金属铝资源，灰渣中的氧化铝、氟盐、氯盐等等，最终作为废渣弃用，造成环境污染和资源浪费。

综上所述，我国铝合金熔铸每年产生超过440万吨的铝灰渣，现有的铝灰渣处理方法存在生产效率低下、生产环境恶劣，铝灰渣中的金属铝无法完全回收利用。处理尾矿中的氟盐、氯盐等作为弃渣处理，既浪费了资源，又污染了环境。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种利用铝灰渣的联体铝电解装置。

上述目的是通过下述方案实现的：

一种利用铝灰渣的联体铝电解装置，其特征在于，该装置包括以铝灰渣为原料的双层液铝电解槽、以双层液铝电解槽装置出来的电解产物为原料的三层液铝电解槽、双层液电解区-三层液电解区分隔墙；所述以铝灰渣为原料的双层液铝电解槽的结构包括：双层液铝电解槽进电母线、双层液铝电解槽槽罩、双层液铝电解槽阳极导杆、双层液铝电解槽阳极、双层铝电解槽壳面、双层铝电解槽电解液区、双层铝电解槽阴极铝液区；所述以装置出来的电解产物为原料的三层液铝电解槽包括阳极区铝液、三层液铝电解槽电解液区、三层液铝电解槽阴极铝液区、三层铝铝电解槽碳素阴极、三层液铝电解槽人造炉帮、三层液铝电解槽阴极导杆、三层液铝电解槽槽罩、三层液铝电解槽阴极出电母线。

一种利用铝灰渣的联体铝电解装置，其特征在于，联体铝电解槽钢结,该电解槽内衬以碳素-刚玉质材料构成、分隔墙等将联体铝电解槽槽体分隔成两个区域，分别为铝灰渣双层液铝电解区、三层液高纯铝电解区。其中：铝灰渣双层液铝电解区用于盛放双层铝电解槽电解液和铝液,是进行普铝电解的场所；三层液高纯铝电解区用于盛放三层铝电解槽阳极液、电解液和高纯铝液，是进行高纯铝电解的场所；刚玉质耐火内衬作为双层液电解槽、三层液电解槽铝液区内衬，起到耐火、耐蚀、绝缘的作用，电解液区内衬采用耐氟盐腐蚀的碳素内衬。

根据上述装置，其特征在于，双层液电解区与三层液电解区分隔墙上开设有双层液-三层液电解槽电解液区联结通道，安装有控制联结通道打开-闭合的电解液通道闸板，在分隔墙的基座区域开设双层液-三层液电解槽铝液区联结通道并设置三层液电解槽阳极区电流导板；所述双层液-三层液电解槽电解液区联结通道用于联通铝灰渣双层液电解槽与高纯铝三层液电解槽的电解液区，使铝灰渣双层液电解槽的电解液可以通过通道流入高纯铝三层液电解槽的电解液区。双层液电解槽的电解液与高纯铝三层液电解槽的电解液通过联通器的原理联成一个整体，由电解液通道闸板控制联结通道打开-闭合；铝灰渣双层液电解槽的电解铝液可以通过通道流入高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区。双层液电解槽的电解铝液通过连通器的原理与高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区联成一个整体。通道既是铝液联通通道，也是电流由双层铝电解槽流入三层铝电解槽的导电通道。铝灰渣双层液电解槽的电解产物作为三层液高纯铝电解槽的原料所述三层液电解槽阳极区电流导板，用于均布三层液电解区阳极区电流。

一种利用铝灰渣的联体铝电解装置，其特征在于，该装置主体采用一台双层液铝电解槽与一台三层液铝电解槽的联体结构。进电侧为双层液铝电解槽，采用铝灰渣为原料，电解产物作为三层液铝电解槽的原料。出电侧为三层液铝电解槽，三层液铝电解槽以铝灰渣的电解产物-铝液为原料，通过三层液电解工艺将普铝铝液电解为高纯铝，产品为高纯铝,通过电解净化的方法实现铝灰渣中盐类资源的再生利用

采用本利用铝灰渣制备高纯铝的联体铝电解槽装置回收利用铝灰渣的好处是：可以100%回收、利用铝灰渣中的铝、氧化铝，将回收利用的铝制备成高附加值的高纯铝。与传统三层铝电解槽相比，该装置采用双层铝-三层铝电解槽的联体结构，双层铝电解槽的阴极与三层铝电解槽的阳极采用一体结构，双层铝电解槽的电解产品直接作为三层铝电解槽的原料，极大地降低了高纯铝的生产能耗和生产成本。具有设备投资少、生产工艺简单、铝灰渣处理效率高等优点。通过电解净化的方法实现铝灰渣中盐类资源的再生利用，经过冷却、磨碎、筛分处理，可以作为铝合金精炼用覆盖剂、精炼剂、打渣剂再次使用，达到回收-净化-循环利用铝灰渣中盐类原料的目的。本实用新型实现铝灰渣资源的完全再生、循环、利用，真正实现铝灰渣资源利用的零排放。

附图说明

图1为利用铝灰渣制备高纯铝的联体铝电解槽结构示意图；

图2为联体铝电解槽槽体结构示意图；

图3为联体铝电解槽电解工作过程示意图。

具体实施方式

本实用新型所述的利用铝灰渣的联体铝电解装置，是由以铝灰渣为原料的双层液铝电解槽2、三层液铝电解槽3、联体铝电解槽钢结构4、联体铝电解槽碳素内衬5、联体铝电解槽刚玉质耐火内衬6、双层液-三层液电解槽分隔墙7、双层液-三层液电解槽电解液区联结通道7a、电解液通道闸板8、双层液-三层液电解槽铝液区联结通道9、三层液电解槽阳极区电流导板10等部分组成。利用铝灰渣制备高纯铝的联体铝电解槽结构示意图见图1。

以铝灰渣为原料的双层液铝电解槽2的结构包括：双层液铝电解槽进电母线2a、双层液铝电解槽槽罩2b、双层液铝电解槽阳极导杆2c、双层液铝电解槽阳极2d、双层铝电解槽壳面2e、双层铝电解槽电解液区2f、双层铝电解槽阴极铝液区2g等部分组成。

三层液铝电解槽3由阳极区铝液3a、三层液铝电解槽电解液区3b、三层液铝电解槽阴极铝液区3c、三层铝铝电解槽碳素阴极3d、三层液铝电解槽人造炉帮3e、三层液铝电解槽阴极导杆3f、三层液铝电解槽槽罩3g、三层液铝电解槽阴极出电母线3h等部分组成。

该联体铝电解槽主体采用一台双层液铝电解槽与一台三层液铝电解槽的联体结构。进电侧为双层液铝电解槽，采用铝灰渣为原料，电解产物作为三层液铝电解槽的原料。出电侧为三层液铝电解槽，三层液铝电解槽以铝灰渣的电解产物-铝液为原料，通过三层液电解工艺将铝液电解为高纯铝，产品为高纯铝。

根据上述装置，其特征在于，联体铝电解槽槽体包括联体铝电解槽钢结构4、联体铝电解槽碳素内衬5、联体铝电解槽刚玉质耐火内衬6、双层液电解区与三层液电解区分隔墙7等部分组成。联体铝电解槽钢结构4为电解槽支撑骨架，碳素内衬5、刚玉质耐火内衬6、分隔墙7均为整体砌筑结构，作为铝液、电解液盛放的容器和电解工作区域。

根据上述装置，联体铝电解槽钢结构4、碳素内衬5、刚玉质耐火内衬6、分隔墙7等将联体铝电解槽槽体分隔成两个区域，其中：碳素内衬5、刚玉质耐火内衬6、分隔墙7、双层液铝电解槽阳极2d、双层铝电解槽壳面2e围成的密闭区域1A为铝灰渣双层液铝电解区；碳素内衬5、刚玉质耐火内衬6、分隔墙7、三层铝铝电解槽碳素阴极3d、三层液铝电解槽人造炉帮3e围成的密闭区域1B为三层液高纯铝电解区。1A用于盛放双层铝电解槽电解液（2f1）和铝液（2g1）,是进行普铝电解的场所；1B用于盛放三层铝电解槽阳极液（3a1）、电解液（3b1）和高纯铝液（3c1），是进行高纯铝电解的场所，见图1、图2、图3。刚玉质耐火内衬6作为双层液电解槽、三层液电解槽铝液区内衬，起到耐火、耐蚀、绝缘的作用，电解液区内衬采用耐氟盐腐蚀的碳素内衬5。

根据上述装置，双层液电解区与三层液电解区分隔墙7上开设有双层液-三层液电解槽电解液区联结通道7a，安装有控制联结通道7a打开-闭合的电解液通道闸板8，在分隔墙7的基座区域开设双层液-三层液电解槽铝液区联结通道9并设置三层液电解槽阳极区电流导板10等部分。联体铝电解槽槽体结构示意图见图2。

根据上述装置，双层液-三层液电解槽电解液区联结通道7a用于联通铝灰渣双层液电解槽与高纯铝三层液电解槽的电解液区，使铝灰渣双层液电解槽的电解液可以通过通道7a流入高纯铝三层液电解槽的电解液区。双层液电解槽的电解液与高纯铝三层液电解槽的电解液通过联通器的原理联成一个整体，由电解液通道闸板8控制联结通道7a打开-闭合。

根据上述装置，双层液-三层液电解槽铝液区联结通道9用于联通铝灰渣双层液电解槽与高纯铝三层液电解槽的电解铝液区，使铝灰渣双层液电解槽的电解铝液可以通过通道9流入高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区。双层液电解槽的电解铝液通过连通器的原理与高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区联成一个整体。通道9既是铝液联通通道，也是电流由双层铝电解槽流入三层铝电解槽的导电通道。铝灰渣双层液电解槽的电解产物作为三层液高纯铝电解槽的原料。

根据上述装置，在双层液电解区与三层液电解区分隔墙7的基座区域，双层液-三层液电解槽铝液区联结通道9的上口，位于三层液高纯铝电解区，设置三层液电解槽阳极区电流导板10，用于均布三层液电解区阳极区电流。

本实用新型提出的利用铝灰渣的联体铝电解装置的工作过程如下：

直流电由直流电源经由双层液铝电解槽进电母线2a、双层液铝电解槽阳极导杆2c、双层液铝电解槽阳极2d进入双层铝电解槽电解液区2f，铝灰渣下料装置2h将待加工的铝灰渣定量输送到电解液2f1中，溶入电解液中的铝灰渣参与电解过程，氯盐、氟盐熔化并汇入电解液2f1，氧化铝溶解入电解液2f1中，在直流电的作用下电解成铝和氧或者二氧化碳，铝灰渣中的微细铝粒熔化并汇入槽底的阴极铝液2g1中。

双层液电解槽的电解铝液通过连通器的原理与高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区联成一个整体。铝液由双层铝电解槽流入三层铝电解槽，直流电流经由通道9流入三层铝电解槽，高纯铝电解槽阳极铝液3a1在电流作用下溶解、铝离子溶入三层铝电解液3b1，并在三层铝电解槽阴极铝液区3c1析出，得到高出电解铝液。直流电流由三层液铝电解槽阴极出电母线3h流出联体铝电解槽。通过双层铝电解-三层铝电解回收铝灰渣中的铝、氧化铝。

提升电解液通道闸板8，使通道7a打开，双层液电解槽的电解液通过连通器的原理与高纯铝三层液电解槽的电解液联成一个整体。当三层液电解槽电解液高度达到工艺设定高度，闭合通道7。在直流电的作用下，三层液电解槽电解液3b1中残留的氧离子参与电解过程，利用直流电解原理净化电解液，当电解液3b1中氧离子消耗到一定限度，从三层铝电解槽中抽出净化的电解液，并通过通道7a再次向三层铝电解槽补充待净化的电解液。从三层铝电解槽中抽出的经过净化的电解液，经过冷却、磨碎、筛分处理，可以作为铝合金精炼用覆盖剂、精炼剂、打渣剂再次使用，达到回收-净化-循环利用铝灰渣中盐类原料的目的。

采用本利用铝灰渣制备高纯铝的联体铝电解槽装置回收利用铝灰渣的好处是：可以100%回收、利用铝灰渣中的铝、氧化铝，将回收利用的铝制备成高附加值的高纯铝。与传统三层铝电解槽相比，该装置采用双层铝-三层铝电解槽的联体结构，双层铝电解槽的阴极与三层铝电解槽的阳极采用一体结构，双层铝电解槽的电解产品直接作为三层铝电解槽的原料，极大地降低了高纯铝的生产能耗和生产成本。具有设备投资少、生产工艺简单、铝灰渣处理效率高等优点。

通过电解净化的方法实现铝灰渣中盐类资源的再生利用，经过冷却、磨碎、筛分处理，可以作为铝合金精炼用覆盖剂、精炼剂、打渣剂再次使用，达到回收-净化-循环利用铝灰渣中盐类原料的目的。本实用新型实现铝灰渣资源的完全再生、循环、利用，真正实现铝灰渣资源利用的零排放。