CN1007360B - 用于炼铝的，带中间横梁的电解槽的上部结构 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种通过在熔融冰晶石中氧化铝电解的方法来生产铝的电解槽的上部结构，电解槽由一个长平行六面体形的金属槽壳和一个至少由一根沿槽壳长度方向设置的刚性的上部结构构成。后者特别用于支承阳极架和阳极，其两端支承在安置于电解槽两头的支架上，这种上部结构的特点是，每个刚性梁(11)至少支承在一个位于上部结构中央的中间横梁(17)上。

Description

本发明涉及一种横梁型装置。用于在其当中，或在中间的一点或几点处支承霍尔-赫鲁特（Hall-Heroult）炼铝电解槽的上部结构。

现代电解槽的上部结构由一个或几个水平钢梁构成。钢梁的端头支撑在几个柱腿上，钢梁一方面支承着阳极电流的升道（monfeede    courant    anodique）和由铝杆构成的阳极框架，电流从这些铝杆供给阳极，另一方面支承着氧化铝的供料系统（氧化铝贮存箱，渣壳破碎器（bnise-croute），配料给料器），阳极升降控制系统，还经常支承着用于收集由电解槽出来的废液、气体和粉尘的管道。

柱腿靠在构成电解槽本体的金属槽壳的端头上。这种装置的优点在于使电解槽长的两侧上面的空间开敞，我们通过这两侧更换阳极;再一个优点是，在开炉期间，电解槽进入工作状态之后，使出现在槽壳的通电流部位（partie    courante）的横向热膨胀不传向上部结构。

目前的发展趋势是不断增加电解槽的单位功率，这表现在槽壳的加长，对于在250千安以上的电流下工作的电解槽，现在，其长度可能在15至20米之间。

在这种情况下，上部结构的制造提出了一个难题：电解槽的调节过程，事实上需要非常精确地确定阳极平面相对于由铝液的面层形成的阴极平面的位置，铝液面层完全保持水平位置（除因磁力作用产生 微小的局部偏差外）。

阳极靠上部结构支承。上部结构应该有足够的刚性，以便：

-承受其自重，

-承受破碎电解凝壳所需的力。这种凝壳妨碍阳极的垂直移动，并且，在采用高ALF₃含量的电解液的现代电解槽中，凝壳特别坚硬，

-保证在电解槽的整个长度上，阳极-阴极之间的距离一致（该距离约为40毫米）。

根据上述这些准则，为了使上部结构有足够的刚性，人们就要增加上部结构的质量（梁的厚度）和高度。高度的增加，引起厂房加高，从而使其造价提高。因此，沿这条路走，人们很快受到限制。

本发明的目的在于解决按照Hall-Heroult法炼铝的现代大功率电解槽的上部结构的刚度问题。这种电解槽可以在200千安以上到500千安，甚至更高的电流强度下工作，并且，不妨碍电解槽的正常操作，尤其是不妨碍定期更换用旧的阳极的操作。

发明涉及按Hall-Heroult法，通过在熔融冰晶石中电解氧化铝来生产铝的电解槽的上部结构。槽子由一个刚性的金属槽壳和一个上部结构构成。槽壳呈长平行六面体形，其两端称为头部，内衬隔热衬，备有一个碳化物阴极;上部结构至少有一个沿槽壳的长度方向安置的梁，特别用于支承由阳极电流升道（monfee    positive）供电的阳极框架，阳极固定在该框架上，梁的端头搁置在安装在电解槽两头的支架上，该上部结构的特点是每根梁架靠在至少一个中间横梁上。另外，该横梁的整个或几个支撑柱腿应安置得与传输来自前一个电解槽的电流的导体成直角为好，支架具有自身膨胀而与槽壳无关的措施。梁在其长度上可以做成一个整体件，也可由几段分开的构件构 成。

图1示出PECHINEY型现代电解槽的结构横剖面图。

图2至5与本发明有关。为了保持尺寸比例（槽壳的宽度/长度），在这些图上截去了上部结构的一段长度。此外，图上未示出阳极的固定装置及阳极组件的高度调节装置。这些调节装置不属本发明部分，而为本领域内专业技术人员所熟悉。

在图1上，着重画出了电解槽的基本构件：金属槽壳（1），内衬（2），阴极（3）及阴极杆（4），铝液层（5），熔融冰晶石池（6），凝壳复盖层（7），阳极（8），阳极悬挂杆（9），固定阳极用的阳极框架（10），由两个刚性梁（11）构成的特别用来支承阳极框架（10）的上部结构，阳极组件（8），以及氧化铝的配料给料器（12），其局部料仓（13）和图中未表示出来的废液收集管道，常位于两根梁（11）之间。

图2表示一个符合本发明的上部结构实例。图中示出了槽壳（1）的上部边廓（15）。构成上部结构的刚性梁（11）分成为两部分（11A）和（11B），它们的外端支撑在装于电解槽每一头的支撑柱腿（16A）和（16B）上，而它们的中间端头则架在横梁（17）上。

不过，刚性梁（11）都做成一种长度并不会违背本发明;在上部结构的设计中，除了应该考虑这些刚性梁的运输和安装问题外，还应考虑它们的线膨胀问题。

在图2上，该横梁本身有四个支撑柱腿（18），这些支撑柱腿支撑在电解槽的上部边缘（15）的中部。这种支撑系统应该考虑到槽壳在使用过程中会膨胀，尤其是横向膨胀，因此，它不应真正构成一个固定的支承点。应该预先让这种支承在槽壳的膨胀方向有运动的自由，即在电流流过呈横向排成一纵列的多个电解槽的总方向上，有运动的自由，例如，采用滚轮的滚动，该滚轮采用适当的方法防止氧化铝的研磨粉 尘和其他电解液组分的侵入。为了改进这种防护作用，下述做法是与支配本发明的各项一般原则相一致的，即：把可以相对于槽壳自由运动的滑动或滚动支承放置在边缘平面上，或边缘平面（15）以上几厘米或几十厘米的位置处。也应该考虑空间尺寸问题，因为在电解槽的侧边上有像（29）的阳极电流的升道（电流来自电解槽纵列中的上一个电解槽，并被连接到槽子的阳极框架上;图中仅示出了这些升道中的一个）。最后，由于考虑到更换阳极的操作也在电解槽侧边进行（图中仅示出这些阳极之一;但是，在大功率电解槽中，每边至少有20来个），最好把上部结构的支撑柱腿安置在与传输来自上一个槽子电流的升道相同的空间范围内。

当上部结构被分为单独的两部分（11A）（11B），分别装在中间横梁的两边时，横梁上便不再有弯曲应力;另外，两个构件由于缩短了长度和减轻了重量，制造、运输和安装都得以简化。

梁（11A）和（11B）的端头在中间横梁（17）上的支承最好是用某种办法，使得能吸收梁在横梁上的支承的轻微相对运动。一种简单的办法是让梁（11A）和（11B）的中央端头自由地搁在横梁（17）的上部（19）上。

阳极框架（10）也做成两部分为好，使上部结构两边的膨胀分开。因此，左右两部分之间，装一个保证电接触的膨胀接头，例如薄的铝环，或者用其他各种等效的办法。

采用有四个支撑柱腿的中间横梁这种办法，其优点是本身成为一个稳定的构件。这样，它可用作由单独的两段组成的上部结构的支架和连接构件，甚至可用作为阳极升降运动机械化装置的支架;中央位置有助于分散靠两个半梁支承的两个半框架上的力。

如上所述，横梁的支撑柱腿（18），可以搁在槽壳的上边缘（15）上，也 可以支撑在外面，支在专门的构件上，例如，支在一个钢筋混凝土台基上或几个支柱上。不过，这种装置虽可以排除槽壳的横向膨胀问题，却增加电解槽之间的间隔，因此，不得不加长或加宽厂房，这必然反映到成本上。

本发明的另一种实施方案（图3）是用两个单独的带双腿的横梁（20）来支承每一个半截梁（11A）（11B）。一个用于支承（11A）的端头（24A）;另一个用于支承（11B）的端头（24B）。在这种情况下，为了确保稳定性，每个横梁（20A，20B）应该在支点（21A，21B）的位置焊接到梁（11A，11B）上。

在不同的情况下，我们可以通过设在中间横梁的水平上部的开孔（22），预先留出一个或几个阳极框架（10）的通道。不过，假如横梁（18）位于阳极框架（10）之下或之上，则没必要设置这些开孔。

在图4上，表示出本发明的另一种实施方案。按这种方案，中间横梁形如一个大写的字母A（25），梁（11）支承在A形横梁的水平杆（26）上。一种特别有利的做法是，作为横梁，利用两个A形构件，用联杆连接起来。合成一个刚性的横梁。两个构件隔开一定距离，使两者之间能容纳一个要连接到框架（10）上的电流升道（29）。在某些情况下，将可以简便地把阳极，如（8A），隔开，使位于一个A形横梁（25）的两边，这样使得更换废旧阳极的操作容易进行。

另外，在来自上一个电解槽的至少一个电流升道的水平高度上确定横梁的位置。是与图2和3的带两个和四个支撑腿的横梁结构完全协调一致的。

最后，图5表示本发明的另一种特别简化的实施形式，因为，这 种形式简化为一个放在两条支撑腿（28）上的水平支承梁（27）（图上另一条腿看不见）。水平支承梁（27）可以是管形的，方形的，但也可以是具有各种典型剖面的，如I形，其尺寸用熟知的材料力学计算方法计算。

在这样的实施方式下，最好将电流升道（29）装得与中间支架（27）（28）成直角，也即是说，与该中间支架在同一个垂直平面内，用以保证升道（29）和阳极框架（10）之间的电导耦合的柔性金属箔片（30）在画影线的区域（31）中被连到框架（10）上，使得更换废旧的阳极（如（8）或（8A）的操作空间保持最大。

可以更精确地说明这种装置的特点是，通过升道轴线X的横向垂直平面P（垂直于槽子的长轴AA）和通过相应的中间横梁的轴线Y的垂直平面P应明显地结合在一起，或者至少相互间隔很小，并且应明显地相互平行，以便使支撑腿与电流升道组合起来所占据的空间最小。

尽管本发明所描述的是刚性梁（11）被分为两部分，并支承在一个中央横梁上这样一种特殊情况，显然，对于专业技术人员来说，本发明也适用于下述情况，即，对于一种尺寸较大的电解槽，刚性梁（11）可以被分成两段以上，例如被分成长度相等或不相等的三段，支承在两个有2或4只柱腿的中间横梁上。电解槽的这些上部结构则可以视情况用组件构成，从而各段的最大长度便不再受梁的重量、运输和安装的困难等的限制，一般梁的重量会加剧挠曲问题。

最后，本发明可以考虑由于不同的热膨胀而引起的梁的挠曲效应。事实上，横梁的水平支承梁，如（26）或（27），经受着温度的变化，而温度是随结壳的氧化铝复盖层而变化的，在靠近该梁附近更换阳极时，温度将达最高，因为这种更换引起电解液凝结壳破裂， 电解热（其温度大约为930-960℃）直接辐射到上部结构上。

梁的上、下部分之间的热度引起挠曲。如果这种挠曲与电解槽的调节不协调，就要设法减小这种热梯度。如果膨胀相类似，则膨胀的妥善控制可以使横梁在槽壳上的支撑简化。

为此，可以利用下述对引起挠曲的不同因素有作用的一种或几种解决办法：

a）材料：可用镍钢来制造梁，镍钢的膨胀量小于普通钢膨胀量的一半。

b）用循环空气排热：可以通过梁内部的和/或外围的空气循环来进行排热。

c）通过蒸发器（Caloduc）排热：若干装有处于蒸发极限温度下的流体的封闭管，一端与梁的下面部分接触;另一端放到电解槽外面。与梁接触那部分的热量使液体蒸发，该气体在管内上升，在释放热量的同时在管子的外部内冷凝。

d）温度平衡：可在梁的下部与上部之间装一个热桥（Pontfhermique），热桥应该用良导热材料，如铝，来制造。

e）隔热屏：用一块反射和/或隔热的屏极，装在梁下，保护梁在换阳极时免受意外的热辐射。

在前面所述的不同实施方案中，本发明排除了在制造安装500，000安培（甚至更高）电解槽时的最严重的障碍之一，其技术经济优点都是很诱人的。

Claims (15)

1、用于按照Hall-Heroult法，通过在熔融冰晶石中氧化铝的电解来生产铝的电解槽的上部结构，电解槽用一个隔热的、刚性金属槽壳和一个上部结构构成，槽壳呈长平行六面体形，两端称为头部，上部结构至少包含有一个根据槽壳长度设置的梁，该梁支承着阳极框架和来自一列电解槽中前一个槽子的电流的升道，以及阳极，梁的两端搁在安装于电解槽两头的支架上，这种上部结构的特点是，每个刚性梁(11)至少支承在一个带有支腿的中间横梁上。

2、根据权利要求1所述的电解槽的上部结构，其特点是，横梁（17）有四个支撑腿（18），它们构成一种自身稳定的结构。

3、根据权利要求1所述的电解槽的上部结构，其特点是，横梁（17）由两个半构件（20A）（20B）构成，每个半构件有两条支撑腿，如（23A）和（23B）。

4、根据权利要求1所述的上部结构，其特点是，横梁由一根支承在两个支撑腿（28）上的简单的水平支承梁（27）构成。

5、根据权利要求1所述的上部结构，其特点是，每个刚性梁（11）至少分为两段（11A）（11B），其中央端头（24A，24B）支承在横梁（17）或（20A，20B）上。

6、根据权利要求3或4所述的上部结构，其特点是，当横梁（17）由两个半构件（20A）（20B）构成时，刚性梁（11A）（11B）的中央端头（24A）（24B）例如可以通过焊接而被固定在支承它们的半构件上。

7、根据权利要求1至4的任一项所述的上部结构，其特点是，横梁（17）的支撑腿（18）或（23A）（23B）自由地搁置在槽壳的边缘（15）上。

8、根据权利要求1至4的任一项所述的上部结构，其特点是，横梁（17）的支撑腿（18）或（23A，23B），通过一种产生相对移动的方法，如滚轮滚动，支撑在槽壳的边缘（15）上。

9、根据权利要求1至4中的任一项所述的上部结构，其特点是，支承刚性梁（11A、11B）的外端的支撑腿（18）或（23A，23B）或（28）支撑在槽壳的边缘（15）上。

10、根据权利要求1至4中的任一项所述的上部结构，其特点是，支承刚性梁（11A、11B）的端头的支撑腿（18）或（23A，23B）或（28）支撑在槽壳的边缘（15）的外边。

11、根据权利要求1至4中的任一项所述的上部结构，其特点是，横梁（17）的支撑腿（18）或（23A，23B）或（28），通过一种能产生相对移动的方法，支撑在槽壳的边缘（15）上，上游或下游侧边的支撑腿通过一根与电解槽的长轴线相平行的轴，铰接在边缘平面上，下游或上游相反的一侧的支撑腿，支靠在槽壳上。

12、根据权利要求1至4的任一项所述的上部结构，其特点是，垂直于电解槽的长轴AA′，并通过升道，如（29），的轴线X的横向垂直平面P，以及通过中间横梁，如（17）（25），的轴线Y的垂直平面P都明显地合在一起。

13、根据权利要求1至4中的任一项所述的上部结构，其特点是，水平支承梁，如中间横梁的（26）或（27），至少有一种防止电解池热辐射的装置。

14、根据权利要求13所述的上部结构，其特点是防止电解池辐射的装置由装在水平支承梁下面的隔热屏构成。

15、根据权利要求13所述的上部结构，其特点是，防止电解池辐射的装置由一种能迅速排除水平支承梁所吸收的热量的装置构成，这种装置可在下面几种方法中选用;在上述梁中和/或在上述梁的周围实行空气循环;利用Caloduc蒸发器;装在上述梁的下部和上部之间的用良导体金属（铝或铜）制成的热桥。

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