CN101680102B - 电解槽及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及电解槽的方法和改进，其中该电解槽包括基本上水平的由导电材料制成的阴极(4)，并进一步具有电流引线如水平集电棒嵌入其中。该电解槽进一步包括母线系统。该电解槽可通过改善的电流分布来操作，同时所述阴极包括至少一个基本上竖直的电流输出端(6)。

Description

电解槽及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种电解槽及其操作方法，特别地本发明涉及生产铝的霍尔-赫鲁型槽中的电流分布。

背景技术

为了很好的理解本发明，首先应该记住铝的工业生产是通过在槽中电解而实施的，这些槽以串联的形式被电连接，并且通过横穿过槽的电流的热效应使得在熔融冰晶石中的氧化铝溶液的温度典型地在940和980℃之间。

每个槽由绝缘的平行六面体钢容器构成，该容器支撑包含预焙碳块的阴极，预焙碳块中密封有一些通常所说的阴极电流集电棒的钢棒，其从该槽的每个长侧将通常大约50％的电流导出该槽。阴极电流集电棒与起到将电流从该阴极导向后一槽的阳极的作用的母线系统连接。由碳、钢和铝组成的阳极系统固定在所谓的“阳极框架”上，具有高度可调整的阳极杆并电连接到前一槽的阴极杆。

电解液，也就是在940-980℃下熔融冰晶石混合物中的氧化铝溶液，位于阳极系统和阴极之间。产生的铝沉积在阴极表面上，一层液态铝永久地保持在阴极熔炉的底部。因为该熔炉是矩形的，支撑阳极的阳极框架大体上与它的大侧面平行，而阴极杆平行于它的小侧面，即通常所说的槽头。

槽中的主磁场由阳极和阴极系统中的电流产生。所有其它的电流将对该产生的主磁场引起扰动。

槽是按排布置的，并且可以以并排(side-by-side)的方向横向排列，它们的短边平行于电解槽系列的轴；也可以在首尾相连(end-by-end)的方向上纵向排列，它们的长边平行于电解槽系列的轴。通常，一个电解槽系列由两排槽表示，在该两排槽中电流具有相反的方向。这些槽以串联的方式电连接，该系列的末端连接到电力整流和控制变电站的正负输出端。横穿各种传导元件：阳极、电解液、液态金属、阴极和连接导体的电流产生大磁场。这些磁场与在液体电解质和金属中的电流一起形成在包含于熔炉中的该电解液和该液态金属中的磁流体动力学(MHD)行为的基础。引起电解液和金属流动的所谓拉普拉斯(LaPlace)力对槽的稳定运行(稳定性)也是有害的。此外，槽的设计和它的母线配置也将影响横穿该槽的电流是怎样分布的。应当理解本发明可实施于并排以及首尾相连布置的槽。

通常，穿过阳极系统的电流分布主要受槽中阳极布置、以及阳极吊架的短线(stub)配置的设计和它们与单个阳极的接口的影响。

当提到阴极系统时，它通常以集电棒以水平方式嵌入单个阴极块的方式而设计。考虑熔融物或电解液穿过阴极系统的渗漏问题，该工艺方法已经被证明是非常可靠的。此外，集电棒由包裹的高度耐高温和抗腐蚀侵蚀的阴极材料(碳基材料)保护。通常，母线汇集阴极槽壳外面的电流。这种现有技术的一个缺点是阴极系统内的电流分布在阴极块的外围比其它地方更密集。此外，基于在阴极块的底面形成的狭槽中的集电棒的同种嵌入的技术，将产生这样一个结果：沿着集电棒在内部向阴极块的另一端的电流分布，随着离母线收集器的距离以相当比例地减少。因此，电流应该有利地以预先设定的方式且在阴极系统更适当的区域分布，以获得均匀的电流分布。

在开发竞争性的铝还原技术中，铝生产槽的阴极电流分布和相应的母线系统的设计公认是代表了更具资质的关键行为之一。

设计者在开发最佳阴极系统的过程中应该具有一些自由度，利用技能选择配置(拓扑)，这可产生最佳的电流分布。

公认如果电流可起源于在预先选择的点或区域的阴极系统，那么通过计算和模拟辅助，应该可能提高阴极系统中的电流分布。但是，这将意味着阴极系统应该至少部分地自下而上地被穿透，并且优选通过电流引线或插头连接到水平的电流集电棒。到今天为止没有任何实现具有在阴极底部的竖直电流输出端这样构思的已证实的解决方法。

从EP0345959A1可知，将从电解槽收集的电流经由两个阴极铁棒，并且经由导体通过电解槽的底部和经由柔性导体分布到集电棒。

NO-B-165203在其图1中公开了一种在其侧面和底部均带有阴极电流输出端的电解槽。

美国专利US3,470,083，1964年10月提出，公开了一种具有竖直插入的电流导体的电解槽阴极底部。圆柱形的接头插入阴极的竖直孔中，通过浇铸材料而包埋。建议的材料可包含任一的含碳物质或可为固化的浇铸金属如铁。该专利所描述的解决方法寻求解决通常与集电棒相关的问题，涉及由于碳材料和铁导轨(集电棒)不同的热膨胀所导致的那些问题导致了相当大的引起碳块中横向裂纹形成的机械应力。因此，该解决方法是基于用多个具有相对小直径的接头对水平集电棒的替换。在上述专利申请提出的时候，需要100,000安培电流的槽被称为大槽。现今，一个槽如果它需要那些电流量的大约2.5倍才通常被称为大槽。因此，由于接头代表相对小的面积，即使使用了相当大量的接头，也将在每个单个接头和阴极之间具有抑制的高电流密度。进一步地，除了一个如图4-6所示的规则的、对称的图案涉及132接头的应用外，该专利不定义怎样用最佳的方式布置接头以获得均匀的电流分布。更进一步地，由于热诱导力和膨胀/收缩，根据该专利的使用竖直布置接头的解决方法，将由于上述有限的电流传递面积和相应的高点电流密度而受到增大的阻力。在碳块中竖直布置的孔能够起到削弱可以发生裂纹形成的点，并增加接头的数目以解决现今大槽的电流需求的作用，但其将更加恶化该情况。

发明内容

根据本发明可避免上述缺点。本发明包括具有优化设计的竖直电流引线的应用。进一步地，该电流引线(电流输出端)可有利地电连接到可部分地或全部地伸展穿过阴极块的水平集电棒构件。在后者中，它的最外端可连接到槽的母线系统。考虑到通常具有电流引导金属的集电棒构件的膨胀和弯曲，已经证明优选渐缩(楔形或圆锥形)的电流引线设计是最佳的。渐缩输出端的角度的选择是基于机械强度、电压降和热损失的考虑，并且优选相对于竖直平面在5-15°范围内。

优选的阴极电流分布将取决于母线系统的特性。它可以完全不同，一方面用于改进本发明的已有的母线系统，另一方面用于新的母线系统设计。因此，优选竖直输出端的电流导出量在20-100％范围内，100％代表只具有竖直输出端的设计。

电流引线的数量可以相对低些，例如在一个具体实施方式中使用通常用的水平集电棒的数量。根据本发明，可改善电解槽中的MHD效应，并且有可能通过减小它的重量而简化所述槽的母线设计，从而减小投资成本。

根据本发明，可实现最佳的阴极电流分配系统以克服现有技术设计的主要缺点。

本发明提供了一种操作电解槽的方法，其中使电流经由布置在该电解槽的上部的阳极结构被引导到该电解槽中，通过导电的电解液并进一步通过基本上水平的阴极，利用至少一个基本上竖直布置的电流输出端将电流引出该电解槽，该电流输出端具有向下渐缩的部分，并且利用所述电流输出端的一个内侧水平伸展部分将电流汇集于阴极，所述水平伸展部分嵌入所述阴极中。

本发明还提供了一种电解槽，包括由导电材料制成的基本上水平的阴极结构，并进一步有集成电流引线如水平集电棒嵌入其中，该电解槽进一步包括母线系统，所述阴极结构包括至少一个基本上竖直的连接到该母线系统上的电流输出端，所述电流输出端具有向下渐缩的部分，并且所述电流输出端设置有嵌入阴极材料中并与阴极材料电接触的至少一个水平电流引线部分。

附图说明

下面将通过图和实施例描述本发明，其中：

图1公开了一种底部具有电流输出端的电解槽的集电棒设计，

图2公开了关于竖直集电棒输出端的细节；

图3a-3e公开了集电棒排列的各种配置。

具体实施方式

该描述的设计的目的是为了在阴极块表面获得低的阴极电压降和均匀的或平缓的电流分布。与常规的集电棒设计相比，相应的集电棒设计也将有可能简化母线系统(更小重量且由此更便宜)。成功的关键因素是围绕竖直电流输出端的细节。操作期间，阴极块将弯曲和向上鼓起。接着一定要使竖直集电棒也向上滑动，否则该竖直输出端将会脱离水平集电棒。

根据图1，其显示了具有阳极排列2、3和阴极块4的电解槽1的集电棒设计。该图公开了在槽底部的电流输出端。如本发明的该具体实施方式所示，该槽可具有两个水平的电流输出端5、5′和竖直的电流输出端6、6′。

根据图2，公开了与竖直集电棒输出端相关的细节。如图所示，该输出端具有一个与槽的母线系统(未图示)连接的竖直输出端25。竖直输出端25连接一个嵌入一个阴极块4的水平集电部分23。该竖直和该水平部分可例如通过铸造制成一块，或可通过焊接或确保优良电传导性质的类似连接方法互连两个分离的部分而制造，这些部分可由钢或任意其它适当的材料构成。

如图所示，竖直输出端穿过阴极结构的底部。该阴极结构包括(自上而下)一个阴极块4、两层或更多层具有适当热和化学性质的砖20-21、以及通常由钢板制成的电解槽壳22。该电解槽壳在输出端的区域可具有比较低的部分(未图示)。该竖直输出端经过一个孔或通道穿过各种层。在可具有渐缩形状的竖直输出端的外部，布置有具有优良耐电解质和电解质反应产物的含碳材料27的保护层。在受保护的竖直输出端和阴极结构之间的空间中可填充具有优良抗电解质和电解质反应产物的化学腐蚀的可铸材料26。

关于竖直输出端设计的一个重要特征是电流输出端被含碳层27封闭，该含碳层27帮助该输出端填满了可铸材料的孔或通道中竖直滑动。

在图3a-3e中公开了各种集电棒设计。

在图3a中，示意地显示了一个阴极块4，公开了三个集电棒30、31和32，这三个集电棒嵌入该阴极块4中，有两个水平输出端30′、31′和一个竖直输出端33。

在图3b中，显示了两个集电棒35、36嵌入阴极块4中，该集电棒具有水平输出端35′和36′。此外，集电棒36具有一竖直输出端37。

在图3c中，显示了四个集电棒40、41、43和45，这四个集电棒嵌入碳块4中。集电棒45和40分别具有一个水平输出端45′和40′。集电棒41和43分别具有竖直输出端42和44。

在图3d中显示了仅仅一个集电棒50，该集电棒嵌入一个碳块4中。该集电棒具有一个水平输出端50′和一个竖直输出端51。

图3e公开了集电棒设计，其中集电棒60嵌入阴极块4中。该集电棒60具有两个水平输出端61′、61″和一个在中心布置的竖直输出端62。

应当理解按照本发明的教导，可实现水平和竖直集电棒输出端的进一步的组合和布置。

通过如上所述的布置，有可能在每个单个的阴极块中全部地或部分地以这样的方式布置集电棒：以在该槽的阴极结构中实现均匀电流分布的有利方式，将竖直和水平电流输出端相结合。

分布穿过单个输出端的电流量可预先计算并且通过设计软件和验证试验的帮助最佳化。

Claims (16)

1.一种操作电解槽的方法，其中使电流经由布置在该电解槽的上部的阳极结构被引导到该电解槽中，通过导电的电解液并进一步通过基本上水平的阴极(4)，

其特征在于

利用基本上竖直布置的至少一个竖直电流输出端(25)将电流引出该电解槽，该至少一个竖直电流输出端(25)具有向下渐缩的部分，并且利用所述至少一个竖直电流输出端(25)的一个内侧水平伸展部分(23)将电流汇集于阴极，所述水平伸展部分(23)嵌入所述阴极中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中阴极包括至少一个结合在该阴极中的集电棒，其中利用所述集电棒的至少一个水平端将电流导出该阴极，

其特征在于

在该至少一个竖直电流输出端处导出阴极的电流量是集电棒的水平端的导出电流量的预先计算的一部分。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于

导出所述至少一个竖直电流输出端的电流量占总电流的20-100％，其中100％表示只具有所述至少一个竖直电流输出端的设计。

4.一种电解槽，包括由导电材料制成的基本上水平的阴极结构，并进一步有集成电流引线嵌入其中，该电解槽进一步包括母线系统，

其特征在于

所述阴极结构包括基本上竖直的连接到该母线系统上的至少一个竖直电流输出端(25)，所述至少一个竖直电流输出端具有向下渐缩的部分，并且所述至少一个竖直电流输出端设置有嵌入阴极材料(4)中并与阴极材料(4)电接触的至少一个水平电流引线部分(23)。

5.根据权利要求4所述的电解槽，

其特征在于

所述至少一个水平电流引线部分通过糊剂材料嵌入到在阴极材料中预先形成的狭槽中。

6.根据权利要求4所述的电解槽，

其特征在于

所述至少一个水平电流引线部分伸出阴极材料以外，并进一步电连接到母线系统上。

7.根据权利要求6所述的电解槽，

其特征在于

该水平电流引线部分的两个端部伸出该阴极材料以外，所述两个端部都电连接到母线系统上。

8.根据权利要求6或7所述的电解槽，

其特征在于

所述水平电流引线部分以小的延伸量伸出阴极材料以外，从而允许轻易地移除和替换阴极槽壳中的阴极。

9.根据权利要求8所述的电解槽，

其特征在于

所述水平电流引线部分通过柔性的电联接件连接到母线系统上。

10.根据权利要求8所述的电解槽，

其特征在于

母线系统和水平电流引线部分之间的连接部位于阴极槽壳内部。

11.根据权利要求4所述的电解槽，

其特征在于

所述至少一个竖直电流输出端由含碳层至少部分地封闭。

12.根据权利要求4或11所述的电解槽，

其特征在于

所述至少一个竖直电流输出端至少部分地嵌入具有优良耐化学腐蚀的可铸材料中。

13.根据权利要求4所述的电解槽，

其特征在于

该渐缩部分具有圆锥形形状。

14.根据权利要求4所述的电解槽，

其特征在于

该渐缩部分是楔形的。

15.根据权利要求4所述的电解槽，

其特征在于

所述集成电流引线是水平集电棒。

16.根据权利要求13所述的电解槽，

其特征在于

圆锥形形状的所述渐缩部分具有相对于竖直平面5-10°范围内的角度。

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