CN101432466A - 具有非平面凹槽设计的铝电解槽用阴极 - Google Patents
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Abstract
一种用于铝电解槽的阴极(1)，其由阴极块(4)和连接在所述块上的集流条(2)构成，其中容纳该集流条的阴极凹槽(3)在中心处的深度高于在阴极块两侧边缘处的。此外，集流条在中心处的厚度高于在阴极块两侧边缘的厚度。该阴极设计提供了更加均匀的电流分布，并由此赋予上述阴极更长的有效寿命并且提高了槽生产率。
Description
本发明涉及用于铝电解槽的阴极，该阴极包括阴极块和连接在所述块上的集流条，其中容纳该集流条的阴极凹槽具有非平面设计。此外，集流条设计适用于此非平面凹槽设计。
因此，实现沿着阴极长度更均匀的电流分布。这通过减小阴极损耗而赋予上述阴极更长的有效寿命并由此增大了槽生产率。
铝通常是通过Hall-Heroult方法、电解溶解于温度达约970℃的冰晶石基熔融电解质中的氧化铝而制得。Hall-Heroult电解槽通常具有设置了耐火材料绝缘内衬的钢壳，该绝缘内衬又具有与熔融组分接触的碳内衬。连接到直流电源负极的钢制集流条嵌入在形成槽底层的碳阴极基底中。在常规槽设计中，钢阴极集流条从外部母线伸出穿过电解槽的每个侧面而进入碳阴极块内。
每个阴极块的下部表面具有一个或两个槽或凹槽，所述凹槽在该阴极块的相对侧端之间延伸，以容纳钢制集流条。那些槽一般加工为矩形形状。在最接近电解槽处，这些集流条配置于所述凹槽中，并最通常是利用铸铁将其连接到阴极块(称作“棒(rodding)”)，以便于碳阴极块和钢之间电接触。通过使用重型设备如起重机将由此制成的碳或石墨阴极块组装在槽底，并且最终用无烟煤、石墨和煤焦油的捣糊粘接而形成槽底层。在与槽中心一致的阴极块中心，阴极块的凹槽可容纳单独一根集流条或两根彼此对置的集流条。在后一种情况下，集流条之间的空隙由可压碎材料或一块碳或捣固接缝混合物或优选上述材料的混合物填充。
Hall-Heroult铝电解槽在低电压(如4-5V)和高电流(例如100,000-400,000 A)下操作。高电流从顶部穿过阳极结构进入电解槽，然后穿过冰晶石电解液，穿过熔融铝金属液层进入碳阴极块，然后由集流条引出槽。
穿过铝液层和阴极的电流流动遵循了最小电阻路径。对于常规阴极集流条中的电阻而言，其与从电流进入阴极集流条的点到电流进入最近的外部母线的点之间的电流路径长度成比例。接近外部母线的阴极集流条处开始的电流路径的低电阻导致在熔融铝液和碳阴极块内的电流流向在该方向上是斜的。该电流流向的水平分量与槽中磁场的垂直分量相互作用，对高效的电解槽操作产生不利影响。
高温和电解液的腐蚀性化学性质结合产生了恶劣的操作环境。因此，现有的Hall-Heroult槽阴极集流条技术限于辊型或铸型低碳钢部件。比较起来，可能的金属替代物如铜或银具有高电导率但熔点低并且成本高。
直到几年前，高熔点低成本的钢才改变它相对低的电导率。钢的电导率相对于铝金属液层是如此的低，以致于最接近槽侧的集流条外侧的三分之一携带了大多数负载，由此在每个阴极块内产生了很不均匀的阴极电流分布。因为基于无烟煤的常规阴极块的化学性质、物理性质特别是电性质，直到最近电导率差的钢也没有表现出严重的工艺限制。考虑到钢棒相对差的电导率，同样的原理也适用于阴极和铸铁之间比较高的接触电阻，这迄今为止还没有在槽电流效率提高的努力中起到主要的作用。但是，随着高能量成本的一般趋势，这些影响对于熔炼效率而言会变成不可忽视的因素。
自此以后，为了追求经济规模，铝电解槽在尺寸上随着操作电流的增大而增大。随着操作电流的增大，基于焦炭而不是基于无烟煤的石墨阴极块变得普遍，且进一步增加石墨在阴极中的百分比以提高电性质和使生产率最大化。多数情况下，这导致了朝向部分或完全石墨化阴极块的方向发展。碳块的石墨化发生在很宽的温度范围，从大约2000℃到高达3000℃甚至更高的温度。术语“部分石墨化”或“完全石墨化”阴极指的是碳晶体结构区域内的有序度。但是，在那些状态之间没有明显的界线。原则上结晶或石墨化的程度分别随着碳块加热过程中的最高温度和处理时间而增大。对于本发明的说明书而言，对于任意温度超过约2000℃的阴极块我们使用术语“石墨”或石墨阴极”来概括那些术语。相应地，术语“碳”或“碳阴极”用于被加热到温度不到2000℃的阴极块。
使用提供高电导率的碳和石墨阴极引发了对于一些迄今为止还不是焦点技术问题的更多注意：
-阴极块损耗
-不均匀电流分布
-在阴极块和铸铁之间的界面上的能量损失
所有这三个问题在某种程度上是彼此有关联的，且理想的是，任何技术改进都应该考虑这三项中的一项以上。
阴极块的损耗主要是金属液层湍流产生的机械腐蚀所导致的，高电流、电解质和液态铝的渗透以及钠的嵌入促进了碳的电化学消耗反应，这导致了阴极块和捣糊混合物膨胀和变形。由于在阴极块上产生了裂缝，电解液组分向钢阴极集流条迁移并在铸铁的密封材料表面上形成沉积，导致电接触劣化和电流分布不均匀。如果液态铝到达铁表面，通过合金化作用立即发生腐蚀且铝金属中产生过大的含铁量，整个槽被迫过早关闭。
阴极块的腐蚀沿整个块长度上不是均匀发生的。特别是应用石墨阴极块时，主要的破坏方式是由于接近阴极块侧端部的表面被高度局部腐蚀，使得表面形成W轮廓，并最终使集流条暴露在铝金属下。在许多槽设计中，已经观察到这些高石墨含量的块比常规的碳阴极块具有更高的最大腐蚀速率(peak erosionrates)。石墨阴极中的腐蚀甚至可以发展到高达60mm每年的速率。因此操作性能是以运行寿命为代价的。
易损率、最大损耗面积的位置和阴极电流分布的不均匀性之间存在关联。石墨阴极具有更高的电导率，因此具有更加不均匀的阴极电流分布模式，由此遭受更高损耗。
在US 2,786,024(Wleügel)中，它建议利用从槽中心向下弯曲的集流条、以使集流条和熔融金属液层之间的阴极块的厚度从槽中心向侧部边缘增加，从而克服不均匀的阴极电流分布。该提议不仅要求弯曲元件而且要求对整个槽设计进行明显的改变。这些要求限制了该方法用于实践。
US4,10,179(Tschopp)描述了沿整个槽宽度具有均匀电流密度的铝电解槽。它是通过向槽的边缘逐渐减小碳阴极块和嵌入的集流条之间的铸铁层的厚度来实现的。在该发明的另一具体实施方式中，铸铁层通过向槽边缘逐渐增大尺寸的非导电间隙而被分段。但是实际上引入上述改装的铸铁层显得太麻烦和昂贵。
在US 6,387,237(Homley等)中，要求了一种具有均匀电流密度的铝电解槽，它包括具有紧挨着槽中心区域的插入件的铜集流条，由此在槽中心区域提供更高电导率。另外，由于增加了技术和操作的复杂性以及实施所述解决方法时的成本，该方法没有在铝电解槽方面得以到应用。
没有现有技术方法考虑使用具有标准外形尺寸并且具有改变的槽设计的阴极块，以及与上述设计相适应的集流条。
因此，为了完全实现碳和石墨阴极块的操作优势而对于现存的操作工序和标准槽设计不用做任何改动，需要通过提供更均匀阴极电流分布且同时提供具有标准外部尺寸的阴极来减少阴极损耗率并增大槽寿命。
因此本发明的一个目的是提供具有集流条凹槽和标准外部尺寸的碳或石墨阴极，其特征在于：凹槽深度朝向阴极块中心增大。在包含上述阴极块和标准钢制集流条的阴极中，电力线、也就是电流从侧部块边缘朝向块中心增加，由此沿着阴极块长度提供更均匀的电流分布。
因此本发明的另一个目的是提供包含具有集流条凹槽和标准外部尺寸的碳或石墨阴极，该凹槽朝向阴极块中心以及与之连接的集流条方向具有增大的深度，其特征在于：集流条厚度在面向凹槽顶面的侧部朝向阴极块中心逐渐增大。在各个阴极中，电力线、也就是电流从侧部块边缘流向块中心，甚至比单独改变槽设计的情况更显著。因此，该具体实施方式在沿着阴极块长度均匀电流分布方面提供了相当大的改进。
本发明的再一个目的是，提供通过制备碳或石墨阴极块并连接钢制集流条到该内衬块上而制备铝电解槽用阴极的方法。
现在将参照附图更详细地描述本发明，其中：
图1是用于生产铝的现有技术电解槽的剖视图，它显示出了阴极电流分布。
图2显示了现有技术阴极的侧视图。
图3是根据本发明的阴极的侧视图。
图4A、B是用于本发明阴极的阴极块的两个具体实施方式的侧视图。
图5是根据本发明的阴极的侧视图。
图6是根据本发明的阴极的侧视图。
图7表示具有本发明阴极的用于生产铝的电解槽的侧视图，它显示出了阴极电流分布。
图8是根据本发明的阴极的三维俯视图。
参照图1，显示了用于生产铝的电解槽的横切面，它具有现有技术的阴极1。集流条2具有矩形横截面并由低碳钢制造，它嵌入阴极块4的集流条凹槽3中并通过铸铁5连接到阴极块。阴极块4通过本领域技术人员已熟知的方法用碳或石墨制成。
没有显示槽钢壳以及用于限定槽反应室的衬有耐火砖的其底部和侧部钢制罩。阴极块4与被熔融电解液7覆盖的熔融铝金属液层6直接接触。电流通过阳极8进入槽，穿过电解液7和熔融金属垫(pad)6，然后进入阴极块4。通过从母线延伸出槽壁的阴极集流条2经由铸铁5将电流带出槽。如槽中心线C所示该槽对称构造。
如图1所示，现有技术的电解槽中的电流线10是非均匀分布的且更多朝向在侧部阴极边缘的集流条端集中。发现在阴极1的中部具有最低的电流分布。在阴极块4上观察到的局部损耗图在最高电流密度区域是最深的。非均匀电流分布是腐蚀发展的主要原因，它从阴极块4的表面逐渐到达集流条2。该腐蚀模式一般导致阴极块4的表面为“W型”。
图2画出了现有技术的阴极1。集流条2具有矩形横截面且由低碳钢制造。它被嵌入碳或石墨阴极块4的集流条凹槽3中，并通过铸铁5连接其上。现有技术的凹槽3具有平的顶面和范围在100mm到200mm之间的深度，凹槽3的侧面可为平面或轻度凹状(楔形)。尽管钢制集流条2一般通过铸铁5固定到上述块，但是捣糊或高温胶也适合于固定该集流条2到阴极块4。
图3画出了根据本发明的阴极1。现有技术的集流条2具有矩形横截面且由低碳钢制造。它被嵌入碳或石墨阴极块4的集流条凹槽3并通过铸铁5连接其上。凹槽3具有平的顶面，但它的深度朝向其中心C增大。块中心C处凹槽3的深度对于侧部块边缘处凹槽3的深度来说，介于10到60mm范围内。考虑在侧部块边缘100mm到200mm的凹槽3深度，在块中心C的凹槽3的总深度介于110到260mm范围之间。
如图4A、B所示，凹槽3也可具有例如半圆形的或半椭圆体的形状且该形状可包括一个或多个阶梯。
图4A、B还示出，凹槽3的非平面式顶面可以不是必须直接从侧部块边缘开始，而是凹槽3在两侧部块边缘都具有初始的平顶面，从每个边缘延伸超过10到1000mm。根据本发明的凹槽3是使用相同于现有技术的凹槽3所使用的标准工艺设备和方法加工至阴极块4中。
在包含了上述发明的阴极块4和现有技术的钢制集流条2的阴极1中，电力线10、也就是电流是从侧部块边缘朝向块中心C集中的，由此沿着阴极块4的长度提供更均匀的电流分布。
图5画出了根据本发明的阴极1。如图3所示，根据本发明阴极块4具有非平面的集流条凹槽3。钢制集流条2具有适合凹槽3的设计的三角形。集流条2的厚度在对着凹槽3顶面的表面上朝向其中心C增大。
尽管画出了三角的形状，但是集流条2也可具有例如半圆的或半椭圆体的形状。该形状可包括一个或多个阶梯。
在包含了发明的阴极块4和发明的钢制集流条2的阴极1中，电力线10、也就是电流是从侧部块边缘朝向块中心C集中的，由此沿着阴极块4的长度提供更均匀的电流分布。
图6画出了如图5所示的根据本发明的阴极1的一个具体实施方式。在该具体实施方式中，钢制集流条2不是由单一构件组成，而是在正对着凹槽3的顶面的表面上、包含具有几个与之连接的钢板9的现有技术的平面集流条2。这样，可完成整体非平面形状的集流条2，而不需要提供作为单一构件的非平面集流条2。
钢板9的宽度与集流条2的相似。钢板的厚度可根据设计和制备的考虑而选择。钢板9的长度根据设计和制备的考虑可逐步减少。钢板9的边缘可以是圆的或倾斜的。
至少一个上述钢板9连接到集流条2。
钢板9通过焊接、胶粘、螺母和螺钉或任何其它通常已知的方法固定到集流条2并互相固定。
为了满足钢制集流条和钢板的热膨胀以及保证适当的电接触，本发明的优选具体实施方式是在单个的钢部件之间放置弹性的石墨箔。
除了钢，也可使用其它金属如铜。
对称地固定两个短的集流条2到一块高于集流条2的钢上、并使用上述装配的集流条2来制造根据本发明的阴极1也是在本发明范围内的。
图7显示了根据本发明的阴极1的三维俯视图，它画出了图6中所描述的本发明的阴极。在该图中，为简单起见没有显示铸铁5。图7更确切些地显示了在铸铁5注入集流条凹槽3以前的阴极1的构成。在该具体实施方式中，集流条2配置有四个钢板9，由此提供整体上几乎是三角形的集流条2。
图8显示了用于生产铝的具有如图6所示的根据本发明阴极1的电解槽的剖视图。与现有技术相比(图1)，由于本发明形状的集流条凹槽3和集流条2，沿阴极1的长度方向上，槽电流分布线10分布得更均匀。
尽管该图只显示了阴极块4或具有单个集流条凹槽3的阴极块部分，但是本发明同样适用于具有不止一个集流条凹槽3的阴极块4。
尽管该图只显示了在每个集流条凹槽3中具有单个集流条2的阴极1，但是本发明同样适用于在集流条凹槽3中具有多于一个集流条2的阴极1。也可选择的是，两个短的集流条2可插入一个集流条凹槽3中，并在阴极块4的中心C处连接。在另一个集流条2相对的端部，两个集流条2中的每一个具有至少一个钢板固定于其上。
本发明进一步用下列实施例描述：
实施例1
100份粒度为12μm-7mm的石油焦与25份沥青在150℃下在叶片式混砂机中混合40分钟，将所得的物质挤成尺寸为700×500×3400mm(宽×高×长)的块。将这些所谓的生块放置在环形炉中覆盖上冶金焦并加热到900℃。然后在纵向石墨化熔炉中将所得的碳化块加热到2800℃。之后将未加工的阴极块修整到它们的成品尺寸650×450×3270mm(宽×高×长)。从每个块切出两个集流条凹槽，其为135mm宽且深度从侧边缘的165mm深增大到块中心的200mm深。然后，将普通的钢制集流条放进凹槽中。以常规的方法通过将液态铸铁倒入在集流条和块之间而形成电连接。把该阴极放入铝电解槽中。与现有技术的阴极相比证明所得的电流密度分布更均匀。
实施例2
将根据实施例1制造的阴极块修整到它们的成品尺寸。从每个块切出两个集流条凹槽，其为135mm宽且深度从侧边缘的165mm深增大到块中心的200mm深。
通过在最终正对凹槽顶面的中心处、将115mm宽、40mm厚和800mm长的钢板与115mm宽和155mm高的钢制集流条焊接，由此制造根据本发明的两个钢制集流条。
将由此制造的两个钢制集流条放进凹槽中，通过常规方法将液态铸铁倒入集流条和块之间的空隙而形成电连接。将阴极放入铝电解槽中。与现有技术的阴极相比证明所得的电流密度分布更均匀。
这样描述了我们的发明的优选具体实施方式，但是应当理解本发明在不背离以下权利要求的实质和范围下可以有其他具体体现。
图中的主要部件：
(1)阴极
(2)钢制集流条
(3)集流条凹槽
(4)碳或石墨阴极块
(5)铸铁
(6)铝金属垫
(7)熔融电解液
(8)阳极
(9)钢板
(10)槽电流分布线
Claims (14)
1.一种用于铝电解槽的阴极1，它包括具有容纳一个或两个钢制集流条2的集流条凹槽3的碳或石墨阴极块4，其特征在于：凹槽3在中心C处的深度高于在阴极块4的两侧边缘处的深度。
2.根据权利要求1的阴极1，其特征在于：集流条凹槽3具有三角形、半圆形或半椭圆形的形状。
3.根据权利要求1或2的阴极1，其特征在于：集流条凹槽3包括一个或多个阶梯。
4.根据权利要求1至3之一的阴极1，其特征在于：集流条凹槽3在阴极块两侧部边缘处具有初始的平顶面，从每个边缘延伸超过10到1000mm。
5.根据权利要求1至4之一的阴极1，其特征在于：该一个或两个集流条2在中心C处的厚度高于在阴极块4的两侧边缘处的厚度。
6.根据权利要求书5的阴极1，其特征在于：该一个或两个集流条2的厚度只在面对凹槽3顶面的表面增大。
7.根据权利要求5或6的阴极1，其特征在于：该一个或两个集流条2具有三角形、半圆形或半椭圆形的形状。
8.根据权利要求5至7之一的阴极1，其特征在于：该一个或两个集流条2的厚度通过一个或多个阶梯而增大。
9.根据权利要求5至8之一的阴极1，其特征在于：该一个或两个集流条2具有至少一个钢板9连接其上。
10.根据权利要求9的阴极1，其特征在于：在至少一个钢板9和钢制集流条2之间以及每个随后连接的钢板9之间放置弹性的石墨箔。
11.根据权利要求1至10之一的阴极1，其具有不止一个集流条凹槽3。
12.制造用于铝电解槽的阴极1的方法，其特征在于如下步骤：
-制造具有标准外部尺寸的碳或石墨阴极块4，
-加工至少一个深度朝阴极块中心C增加的集流条凹槽3，
-在所述至少一个凹槽3的每一个中放入至少一个钢制集流条2。
13.制造用于铝电解槽的阴极1的方法，其特征在于以下步骤：
-制造具有标准外部尺寸的碳或石墨阴极块4，
-加工至少一个深度朝阴极块中心C增加的集流条凹槽3，
-在至少一个凹槽3的每一个中放入至少一个钢制集流条2，在面对集流条凹槽3顶面的表面上、所述集流条2朝向其中心C具有增大的厚度。
14.一种铝电解槽，包括根据权利要求1至11之一的阴极1。
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