CN101663422B - 与串联连接的电解槽相关的改进及其操作方法 - Google Patents

Abstract

与电解槽相关的方法和改进，其中槽包括电子传导材料的大体水平阴极，并且进一步具有电流引线，如嵌在其中的水平集流条。所述槽还包括母线系统。槽由改进分布的电流操作，而所述母线系统从阴极的至少一个中间位置传导电流。本发明可应用于以端部对端部方式和以并排方式排列的槽。

Description

与串联连接的电解槽相关的改进及其操作方法

技术领域

本发明涉及对于串联连接的电解槽的改进和一种用来操作它的方法。具体地说，本发明涉及在用于铝生产的Hall-Héroult型槽中的母线系统和跟随电流分布。

背景技术

为了良好理解的本发明，首先应该记住，铝的工业生产通过在多个槽中的电解进行，这些槽电气地串联连接，通过横过槽的电流的加热效应，将熔融冰晶石中的氧化铝溶液带到典型在940和980℃之间的温度。

每个槽由绝缘平行管钢容器构成，该容器支撑包含预焙炭精块的阴极，在这些炭精块中有密封的一些钢棒，这些钢棒称作阴极集流条，这些阴极集流条将电流传导出槽，传统上来自槽的长侧的每一个近似50％。阴极集流条的出口连接到母线系统上，该母线系统用来从阴极向后面的槽的阳极传导电流。阳极系统，包括碳、钢及铝，被固定在所谓的“阳极框架”上，阳极棒在高度上可调节，并且电气连接到前面槽的阴极棒上。

电解质-它在940-980℃下是在熔融冰晶石混合物中的氧化铝溶液，布置在阳极系统与阴极之间。生产的铝沉积在阴极表面上。液体铝层永久地保持在阴极坩埚的底部上。由于坩埚是矩形的，所以支撑阳极的阳极框架一般平行于其长边，而阴极棒平行于其短边，该短边称作槽头。

在槽中的主磁场由在阳极和阴极系统中的电流流动而产生。所有其它电流流动将对这种产生的主场造成干扰。

各槽排列成多行，并且可按并排(side-by-side)方位横向布置；它们的短边平行于铝电解槽系列的轴线。可选择地，按端部对端部(end-to-end)方位纵向布置，它们的长边平行于铝电解槽系列的轴线。通常，一个铝电解槽系列由两行槽代表。在这两行槽中的电流方向相反。各槽电气地串联连接，系列的各端部连接到电气整流和控制子站的正和负输出端上。电流横过各种传导元件：阳极系统、电解质、液体金属、阴极系统及其对应连接导体，产生巨大的磁场。这些磁场，与在液体电解质和金属中的电流一起，在包含在坩埚中的电解质中和在液体金属中，形成用于Magneto Hydro Dynamic(MHD)现象的基础。所谓的LaPlace力-它们形成电解质和金属流动，对于槽的稳定操作(稳定性)也是有害的。而且，槽的设计和其母线构造，也将影响横过槽的电流如何分布。应该理解，本发明可以按照并排排列的槽实施，也可以按照端部对端部排列的槽实施。与母线系统相关的重量和对应成本对于提供具有价格竞争性的熔炉技术而言是重要的。

通常，通过阳极系统的电流分布主要受在槽中阳极的排列、以及阳极支架的短线构造的设计和它们与各个阳极的界面的影响。

说到阴极系统，它通常按如下方式设计：其中集流条按水平方式嵌在各个阴极块中。这种技术方案对于与通过阴极系统的熔化物或熔池泄漏有关的问题而言已被证明是非常可靠的。而且，集流条将由周围阴极材料(碳基材料)保护，该阴极材料非常能耐受高温和腐蚀的侵袭。通常，母线收集在阴极壳外的电流。这种现有技术的一个缺点是，在阴极系统中的电流分布在阴极块的周缘中比其它地方更为密集。而且，基于在阴极块下侧中形成的凹槽中的集流条的均匀嵌入的技术，将带来如下结果：沿集流条的电流分布，向阴极块的其它端向内，将减小而不是与离母线集流器的距离成比例。因此，电流应该有利地以预定方式分布、并且在阴极系统的较适当区域处有利地分布，以得到均匀的电流分布。而且，在阴极的所谓上游侧处引导到阴极系统外的电流，必须向阴极的所谓下游侧引导，并且进一步向串联的相邻槽的阳极系统引导。传导电流的这种方式(在阴极对的上游并随后在母线系统中的下游，将呈现这样一种系统，其中槽的电流的部分被引导过比严格必要的距离更长的距离。

问题描述

用于铝生产的槽的阴极电流分布和对应母线系统的设计，被证实代表了在开发竞争性铝还原技术时多个关键评价项目之一。

设计者在开发最佳阴极系统的过程中应该具有几个自由度，使用技巧选择可导致最佳电流分布的配置(布局)。

已认识到，如果在计算和模拟的帮助下，电流可从阴极系统在预选择点或区域处导出，则应该有可能改进在阴级系统中的电流分布。然而，这将意味着，阴极系统应该至少部分地从底部向上被透过，并且优选地借助于电流引线或插头连接到水平集流条上，如在本申请人的、未出版Norwegian专利申请20064165中描述的那样。

现有技术

在1964年10月提交的美国专利3,470,083公开了一种电解槽阴极底部，该电解槽阴极底部具有竖直插入的电流导体。圆柱形连接套插入在阴极的竖直孔中，通过浇注材料嵌入。每个个别插头连接到在阴极外布置的电流传导元件上。电流传导元件向槽的各边进一步延伸，并且连接到母线系统上，该母线系统围绕坩埚。在这个专利中呈现的方案，寻求解决在由碳材料和铁导轨(集流条)的不同热膨胀引起的那些问题中，与常规集流条相关的问题，该不同热膨胀引起显著的机械应力，这些机械应力导致在碳块中横向裂纹的形成。然而，该方案不像本发明那样，呈现对母线系统的改进。

发明内容

按照本发明，由于在阴极的端部之间布置的至少一个电流出口的应用，可改进在阴极系统中的电流分布并对应地改进母线系统的布局。本发明包括竖直电流引线的应用。而且，电流引线(电流出口)可有利地电气连接到水平集流条元件上，这些水平集流条元件可以部分地或全部延伸过阴极块。在后一种情况下，其最外端(一个或多个)可连接到用于槽的母线系统上。

优选的阴极电流分布将取决于母线系统的特性。可以十分不同的是，一方面，可以用本发明改进现有的母线系统，另一方面，可以用于新的母线系统。所以，传导出竖直出口的优选电流量可在范围20-100％内，其中100％代表仅具有竖直出口的设计。

电流引线的数量可以减小，例如在施加普通使用量的水平集流条的实施例中。按照本发明，可以改进在电解槽中的MHD效应，并且可以通过减小槽的重量而简化所述槽的母线设计。作为结果，可降低投资成本。

按照在所附权利要求书中限定的本发明，可实现一种优化的母线系统，该母线系统克服了现有技术设计的主要缺点。而且，所附权利要求书限定一种借助于改进母线系统操作槽的方法。

附图说明

本发明将在下文中通过附图和例子描述，其中：

图1以立体图示出按照本发明的母线系统的示意布局，各槽按并排方式排列，

图2以俯视图示出与图1中示出的相同的布局，

图3表示本发明的第二实施例，并且以立体图示出母线系统的示意布局，其中各槽按端部对端部方式排列，

图4以俯视图示出与图3中示出的相同的布局。

具体实施方式

所描述的设计的一个目的是，以改进的Magnet Hydrodynamic稳定性得到低阴极电压降和在阴极块表面处的均匀或平电流分布。这可借助于简化的母线系统来实现(重量较小并且因此更为价廉)，其中优化各个母线元件的设计。

图1和2示出母线系统1的一个实施例，该母线系统1将电流从在一个第一电解槽中的阴极系统传导到其相邻槽的阳极系统。槽按并排方式排列。阳极系统的母线元件标示为阳极梁2、3，用来电气连接槽的阳极结构。各个阳极在A、A′处标示。而且示出有阳极立母线，这些阳极立母线中的一个用附图标记6指代。在首先提到的槽的阴极系统中，示出了母线系统的一些主要元件。首先，在阴极系统的下游侧，布置有连接件7，用来将电流从阴极的集流条出口(未示出)传导到下游排列的集流母线10，该集流母线10又与以上提到的立母线相连接。

为了来自阴极的中间区的电流的传导，布置有一个或多个连接件8，该连接件8又电气连接到中间集流母线11上。连接件8另一方面电气连接到在阴极中的对应电流出口上(未示出)。

在阴极系统的上游侧处，布置有集流条12，该集流条12具有用来从阴极集流条端部传导电流的多个连接件9。

另外示出了例如13、15、16的母线元件，这些母线元件将电流从阴极系统传导到阴极的下游侧和进一步到对应立母线6。

具体地说，母线元件13可布置在槽的触地区域(foot print)外，以补偿不期望的磁性干扰。由于在这个实施例中的母线布局是对称型的，所以类似母线元件布置在槽的相对端部处。

母线元件15和对应元件16等等，向着槽的相对侧，从在阴极系统中布置的中间集流条11传导电流，并且进一步传导到集流母线10。

类似地，一个或多个母线元件17可布置在阴极壳下面，以优化磁场补偿。这些元件优选地以斜对称(skew-symmetric)方式布置(未示出)，以优化磁场补偿的效果。

通过以上提到的布置，母线系统可从在阴极系统的上游和下游侧处布置的两个电流出口与一个或多个中间位置一起，以有利于在槽的阴极结构中获得均匀电流分布并且进一步减小母线系统作为整体的重量的方式传导电流。

图3示出本发明的第二实施例，其中它以立体图示出母线系统的示意布局，槽以端部对端部方式布置。图4以俯视图示出与在图3中所示出的相同的布局。

在附图中，母线系统100将电流从在一个第一电解槽中的阴极系统传导到其相邻槽的阳极系统。阳极系统的母线元件被标示为阳极梁202、203，用来电气连接槽的阳极结构。各个阳极在A、A′处标示。而且表示有阳极立母线206、206′、206″、206′″。

在首先提到的槽的阴极系统中，表示有母线系统的一些主要元件。在阴极结构的每个长边处，布置有集流母线210、212，这些集流母线210、212具有电气连接件207、209，这些电气连接207、209与阴极的集流条(未示出)相连接。集流母线210、212另一方面与阳极立母线206、206′相连接，并且经母线元件218、219与相邻槽的阳极立母线206″、206′″相连接。

为了来自阴极的中间区的电流的传导，布置有一个或多个连接件208，该连接件208又电气连接到中间集流母线211上。连接208另一方面电气连接到在阴极中的对应电流出口上(未示出)。中间集流母线211经母线元件220、221、222还与母线元件218、219相连接。

通过以上提到的布置，母线系统可从在阴极系统的两侧处布置的两个电流出口与一个或多个中间位置一起，以在槽的阴极结构中获得均匀电流分布并且进一步减小母线系统作为整体的重量的方式传导电流。

应该理解，母线元件的进一步组合和排列可通过本发明的讲授实现。

穿过各个母线元件分布的电流量可在设计软件和验证试验的帮助下预计算和优化。

Claims (14)

1.一种用来操作串联连接的电解槽的方法，其中电流经过在所述槽的上部部分中布置的阳极装备、通过导电电解质并进一步通过大体水平的阴极而被引导到一个第一槽中，并且进一步经一个或多个立母线(6；206)而被引导到相邻槽的阳极装备，电流借助于至少一个连接件(8；208)从所述阴极的至少一个中间位置而被竖直引导出所述槽并被进一步引导到所述阴极的下游，到达所述一个或多个立母线(6；206)，此处电流经过集成在阴极中的至少一个集流条被从阴极传导，

其特征在于，

电流从所述阴极经所述至少一个中间位置以及所述集流条的至少一个水平端部而被传导出所述阴极。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

从所述至少一个中间位置传导出所述阴极的电流量是所述集流条的所述水平端部的电流量的预计算部分。

3.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

传导出所述中间位置的电流量在总电流的20-100％的范围中，其中100％代表只有中间电流出口的设计。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述槽以并排方式排列，

其特征在于，

在一个中间连接件(8)处收集的电流经至少一个母线元件(17)传导到在所述连接件(8)的上游布置的集流母线(12)。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述槽以并排方式排列，

其特征在于，

在一个中间连接件(8)处收集的电流经至少一个母线元件(16)传导到在所述连接件(8)的下游布置的集流母线(10)。

6.电解槽的母线系统(1；100)，该电解槽包括电子传导材料的大体水平的阴极结构，并且进一步具有集成电流引线和至少一个竖直布置的电流出口，

其特征在于，

所述母线系统包括中间集流母线(11；211)，至少一个电流连接件(8；208)借助所述至少一个竖直布置的电流出口连接在阴极结构上，所述母线系统还包括对于阴极结构中的水平布置的电流出口的至少一个电流连接件。

7.根据权利要求6所述的母线系统，

其特征在于，

所述电流引线包括嵌入阴极内的水平集流条。

8.根据权利要求6所述的母线系统，

其特征在于，

布置有对于所述阴极结构的几个电流连接件(8；208)。

9.根据权利要求6所述的母线系统，

其特征在于，

所述母线系统包括至少一个集流母线(10；210)，所述集流母线(10；210)连接到在所述阴极的一个侧面处的至少一个集流条出口上。

10.根据权利要求6所述的母线系统，

其特征在于，

所述母线系统包括集流母线(10、12；210、212)，所述集流母线(10、12；210、212)与在所述阴极的多个侧面处的集流条出口相连接。

11.根据权利要求6所述的母线系统，

其特征在于，

所述母线系统包括在所述槽的头部外侧的至少一个母线元件(13)。

12.根据权利要求6所述的母线系统，

其特征在于，

所述母线系统包括在阴极壳下面的至少一个母线元件(17)，该母线元件(17)能以斜对称方式排列。

13.根据权利要求6所述的母线系统，

其特征在于，

所述槽以并排方式排列。

14.根据权利要求6所述的母线系统，

其特征在于，

所述槽以端部对端部方式排列。

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