CN101743344A - 用于铝电解槽的减小电压降的阳极组件 - Google Patents

用于铝电解槽的减小电压降的阳极组件 Download PDF

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Abstract

用于铝电解槽的阳极组件(1)，包括碳阳极(2)和阳极支架(3)，该碳阳极(2)具有棒孔(5)，该阳极支架(3)具有棒(4)，阳极(2)通过铸铁(6)固定到阳极支架(3)上，其特征在于，阳极棒孔(5)完全或部分地镶衬有膨胀石墨衬层(7)。这样的阳极组件使得跨过在铸铁(6)与碳阳极(7)之间的界面的电压降被减小，因而显著提高槽生产率。而且，在棒孔(5)区域中的机械应力得以减小。通过进一步由衬层(7)形成挡圈(8)，防止铸铁越过阳极(2)表面溢出，并且选择性的保护性填充塞或保护性挡圈防止热的电解池与棒(4)和铸铁(6)直接接触。

Description

用于铝电解槽的减小电压降的阳极组件
技术领域
本发明涉及用于铝电解槽的阳极组件，这些阳极组件包括碳阳极块和连结到这些块上的阳极支架，而接纳阳极支架棒的阳极棒孔镶衬有膨胀石墨。作为结果，在阳极块与铸铁密封材料之间的接触电阻被减小，导致跨过这个界面的电压降被减小。而且，膨胀石墨衬层可以形成为本发明提供额外优点的挡圈。
背景技术
常规地，通过Hall-Heroult工艺、在高达970℃左右的温度下对于在冰晶石基的熔融电解质中溶解的氧化铝进行电解，来进行铝的生产。Hall-Heroult铝还原槽在低电压(例如4-5V)和大电流(例如，100,000-350,000A)下操作。大电流从顶部通过阳极结构进入还原槽，并且然后穿过冰晶石池，穿过熔融铝金属垫，进入碳阴极块，及然后由集电器条带到槽外。
Hall-Heroult还原槽一般具有钢外壳，该钢外壳设有耐火材料的绝缘衬层，该绝缘衬层又具有接触熔融成分的碳衬层。连接到直流源的负极上的钢制集电器条嵌在碳阴极基片中，该碳阴极基片形成槽底部底板。
一个或多个碳阳极块设置在每个阴极块的上方，并且部分地浸入在冰晶石池中。通过对石油焦(petrol coke)和沥青(pitch)加以混合、用混合物形成包括用于电气连接的棒孔的块、并且随后烘焙这些块，来制造碳阳极。
在普通尺寸的电解槽中，有约20-30根碳阳极，并且由于这些阳极被逐渐地消耗，所以，依据阳极的尺寸和所施加的安培数，通常必须在一个月内更换这些阳极。因而，在每个槽中，每天有一根阳极被更换。
碳阳极固定地连接到阳极支架上。阳极支架用于两个不同的目的，即将碳阳极保持在与阴极相距预定距离的位置、和从阳极条将电流向下传导而通过碳阳极。阳极支架借助于夹持装置按可拆除方式固定到悬置阳极条上。随着碳阳极被逐渐消耗并且随着从槽中取出铝金属，具有连结到其上的碳阳极的阳极条被降低以保持在阳极的底部侧与铝垫之间的恒定距离。由于槽安培数非常高，电流连接器和汇流条因此由具有良好导电性的工业金属制成，即通常由纯铜或铝制成。
由于阳极支架的下部部分布置得靠近具有高温的冰晶石池，所以阳极支架的这部分由耐高温的材料制成，通常由钢制成。
阳极支架包括焊接或用螺栓连接到钢棒上的铝或铜杆。为了生产阳极组件，阳极支架的圆柱形棒被定位在阳极的预成形锥形棒孔中，并且绕棒浇注铸铁(也称为“阳极导杆组装(rodding)”)。
在棒与碳阳极之间的电压降是在阳极处的整体电压降的重要部分，并且对于电解过程造成不利影响。由于在阳极处的高电压降而产生的欧姆热量对于电解池造成强烈的热效应，并且应当被最小化。在阳极中放出的热量越少，在电解质中可产生的热量越多。这使得阳极和阴极的距离(ACD)可以被增大，当目标在于提高电流密度以及电流效率时，该距离的增大是有利的。如实际测量业已表明的那样，棒到阳极(stub-to-anode)的电压降具有与在阳极块本身中的平均电压降相同的数量级。这种效应当新阳极组件刚投入操作中时甚至更显著。这种效应可归因于钢棒、铸铁及碳阳极的不同热膨胀系数。
因此得出结论，在棒与碳阳极之间的电压降的减小潜力比在碳阳极本身中的潜力大。
这个问题在现有技术中已经部分地解决。例如，德国专利DE 1 187807公开了一种碳阳极，该碳阳极具有接纳金属棒或杆的一个或多个空腔。空腔的表面具有增加表面面积的凹槽或齿，也就是说，提供电流从杆到阳极中的更好导电性。
俄罗斯专利No.378,524公开了一种碳电极结构，该碳电极结构具有接纳金属棒的大致居中的棒孔，并且也具有钻削到碳块中并与中心棒孔相平行的一系列棒孔，以接纳多个铸铁杆。开口然后切入到在中心棒孔与铸铁杆之间的碳中，以允许浇注铸铁桥接件而将铸铁杆连接到金属棒上。
以上各种尝试的确保证了跨过阳极块的上部部分的更为均匀的电流分布，但它们需要对于阳极以及棒设计进行实质性的调整，并且未能进一步解决在棒和阳极的界面处的重大电压损失。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供包括碳阳极块的阳极组件，具有棒孔的这些碳阳极块连结到阳极支架上，其特征在于，棒孔完全或部分地镶衬有膨胀石墨。膨胀石墨(Expanded Graphite，缩写为EG)特别是借助于其平面层提供良好的电和热传导性。它也提供某种柔软度和良好弹性，使它成为用于垫片用途的常用材料。这些特性使它成为改进在阳极块与铸铁之间的接触电阻的理想材料。弹性也可显著地放慢在电解期间在铸铁与阳极块之间的界面处的接触电压降的增大，因为它填满由于所涉及的各材料的蠕变而形成的间隙。在铸铁与阳极块之间的界面处的接触电压降的增大，特别由于在阳极棒孔的底部处的膨胀石墨衬层而被进一步减小，因为它对于例如穿过阳极块的铝扩散起阻挡层的作用，因而防止在所述界面处形成绝缘层。
而且，膨胀石墨的弹性能够减轻由在钢棒、铸铁及阳极块之间的不同热膨胀系数所造成的机械应力。不同材料的热膨胀主要发生在电解槽的预操作加热期间，而且也发生在阳极导杆组装期间，并且常常导致在阳极块中的裂纹，这些裂纹进一步降低它们的寿命。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1表示阳极支架，在该阳极支架上安装有碳阳极，
图2表示在棒与碳阳极之间的现有技术连接的放大截面，
图3表示在棒与碳阳极之间根据本发明的连接的放大截面，
图4至6表示在棒与碳阳极之间根据本发明的连接的放大截面，而膨胀石墨衬层在棒孔上方延伸，因而形成挡圈(collar)，
图7表示用来测试在棒和阳极之间的界面处的接触电阻变化的试验室试验设备的示意图。
具体实施方式
图1表示具有阳极支架3的阳极组件1，该阳极支架3支撑碳阳极2，该碳阳极2用在通过电解而生产铝的槽中。阳极支架的三个向下突出的钢棒4中的每个钢棒延伸到阳极2的棒孔5中，并且在那里通过将铸铁6浇注到在棒4与阳极2之间形成的间隙中而被固定，如图2中所示。
图3表示根据本发明的阳极和棒之间的连接。阳极2的棒孔5镶衬有膨胀石墨衬层7，并且在衬层7与阳极棒4之间的间隙用铸铁6填充。
衬层7可以施加到棒孔5的整个表面上。而且，衬层7可以仅施加到棒孔5的表面的部分上。
膨胀石墨衬层7优选地以薄箔(thin foil)的形式提供，但也可通过用膏状体(paste)来涂覆棒孔5而提供，该膏状体包括膨胀石墨和可固化粘结剂，如酚醛树脂。在后一种情况下，铸铁6优选地在粘结剂已经固化之后，浇注到镶衬棒孔5中。如果衬层7包括石墨箔，则它可用胶连结到棒孔5上。本发明的额外优点是，可以在镶衬之前将石墨箔预成形为套筒或管套，以简化镶衬过程。
衬层7的厚度和密度主要取决于棒孔5的尺寸和操作参数。膨胀石墨衬层7除了能够减小接触电阻之外，还能够起到阻止化学化合物穿过阳极2的块向铸铁6扩散的阻挡层的作用。它还能够依据选定膨胀石墨的质量的具体特性，而减缓热机械应力。
而且，如果衬层7基于石墨箔，则它可以优选地在棒孔5上方延伸，因而形成小挡圈8。挡圈8防止铸铁6在浇注期间越过阳极2的表面溢出。以这种方式，用过的阳极2可在槽中的工作寿命完成之后较容易地从棒5除去。根据本发明的另一个实施例，可以通过用含碳膏状体9填充在铸铁6上方的挡圈8的自由空间并最终固化这种膏状体以形成保护性填充塞(shot plug)，而形成保护环。这种措施能够防止电解池与钢棒5以及铸铁6相接触。根据如图6中所示的本发明的又一个实施例，在铸铁6上方的膨胀石墨挡圈8的套筒简单地向下朝棒孔4弯曲，从而形成保护性挡圈。这种措施能够防止电解池与钢棒5以及铸铁6相接触。
在棒与碳阳极之间的接触电阻用在图7中描绘的试验室装置确定。该装置测量在负载下穿过平面的电阻的变化。这种试验设备用来模拟使用膨胀石墨衬层7用来镶衬棒孔5的效果。使用加载/卸载循环，已经试验了各种类型和厚度的膨胀石墨箔(例如，SIGRAFLEXF02012Z)。试样尺寸是直径为25mm。试验使用通用试验机(FRANK
Figure G2008800214855D00051
□TE GmbH)进行。阳极试样按如下方式制造。具有从12μm至7μm的粒径的100份石油焦与25份沥青在150℃下在叶片式搅拌机中混合10分钟。所生成的物质被挤压成尺寸700×500×3400mm(宽度×高度×长度)的块。这些所谓的半成品块被放置在环形炉中，被冶金焦所覆盖，并被加热到900℃。之后从该块上切下小的试样件。试验曲线的比较显示出，通过采用具有膨胀石墨的本发明系统，穿过平面的电阻被显著地减小(超过20％)，特别是在较低负载下。当由于膨胀石墨的弹性而造成负载减轻时，也能够保持这个优点。
因而表明，这里描述的本发明能够显著地有助于降低在铝电解槽的阳极2处的电压降。
已经如此描述了我们的发明的目前优选实施例，要理解，可以采用不脱离本发明的权利要求书的精神和范围的其它方式来实施本发明。
附图标记
(1)阳极组件
(2)碳阳极
(3)阳极支架
(4)阳极支架棒
(5)阳极棒孔
(6)铸铁
(7)膨胀石墨衬层
(8)由膨胀石墨衬层形成的挡圈
(9)含碳膏状体

Claims (9)

1.用于铝电解槽的阳极组件(1)，包括碳阳极(2)和阳极支架(3)，该碳阳极(2)具有棒孔(5)，该阳极支架(3)具有棒(4)，所述阳极(2)通过铸铁(6)固定到所述阳极支架(3)上，其特征在于，所述阳极棒孔(5)完全或部分地镶衬有膨胀石墨衬层(7)。
2.根据权利要求1所述的阳极组件(1)，其特征在于，所述膨胀石墨衬层(7)包括石墨箔。
3.根据权利要求2所述的阳极组件(1)，其特征在于，所述膨胀石墨箔被预成形为套筒或管套。
4.根据权利要求1所述的阳极组件(1)，其特征在于，所述膨胀石墨衬层(7)包括膏状体，该膏状体包括膨胀石墨和可固化粘结剂，如酚醛树脂。
5.根据权利要求2或3所述的阳极组件(1)，其特征在于，所述膨胀石墨衬层(7)在所述棒孔(5)上方延伸，以形成挡圈(8)。
6.根据权利要求5所述的阳极组件(1)，其特征在于，在所述铸铁(6)上方并且在所述挡圈(8)内的自由空间用含碳膏状体(9)填充。
7.根据权利要求5所述的阳极组件(1)，其特征在于，在所述铸铁(6)上方的所述膨胀石墨挡圈(8)的套筒向下朝所述棒孔(4)弯曲，以形成保护性挡圈。
8.用来制造用于铝电解槽的阳极组件(1)的方法，其特征在于包括下列步骤：
-制造包括棒孔(5)的碳阳极块(2)，
-用膨胀石墨衬层(7)镶衬所述棒孔(5)，
-放置阳极支架(3)，使得面向下的阳极支架棒(4)均延伸到所述阳极(2)的所述棒孔(5)中，以及
通过将铸铁(6)浇注到在所述棒(4)与所述阳极(2)之间形成的所述棒孔(5)的间隙中，将所述阳极支架(3)固定到所述阳极(2)上。
9.铝电解槽，包含根据权利要求1至6之一所述的阳极组件(1)。
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