CN101874127B - 复合导电棒 - Google Patents

Abstract

用于电连接到电解槽的母线系统的导电棒，该导电棒接收于电解槽阴极的阴极块中的凹部内；其中该导电棒包括：第一导体，其电连接到母线系统，该第一导体具有与阴极块电接触的一个或多个外表面；和至少一个第二导体，其具有比第一导体小的电阻，该第二导体置于第一导体的至少一个外表面上且与第一导体电接触。

Description

复合导电棒

技术领域

本发明涉及用于铝生产的电解还原槽，特别是其构成部件——导电棒(collector bar)。

背景技术

铝金属通常由被普遍称为霍尔-埃鲁(Hall Héroult)过程的方法从氧化铝(AI₂O₃)中提炼得到。此过程已为铝工业从业者们所熟知，在此无需进一步说明。

本发明的重点在于这种电解过程运行所处的容器或槽，而非把注意力投向该过程本身。槽的上(阳极)部分通常包含一个或多个载流(通常含碳)块意于均匀分配电流流过浅的(意指其具有的水平尺寸远大于贯穿其深度方向的垂直尺寸)熔融冰晶石(cryolite)液体层，该层居于另一熔融铝层之上。

槽的下方(阴极)部分在物理上包含处于耐火材料构成的腔中的熔融冰晶石层和铝层，该腔的下方表面也由导电(通常含碳)材料构成。该导电材料通常形成为一系列大的块(阴极块)，块中嵌入有金属的电流导体(导电棒)用来提供让电流离开槽的路径集。

通常的操作是把多个这种槽通过母线系统作为串联电路连接起来，使电流能够通过其阳极部分依次进入各槽，提供能量给容纳于阴极部分中的液体冰晶石层与铝层中所运行的电解过程，并最终让电流经过导电棒离开槽。

当电流穿过槽时，它会自然地寻找经过槽部件的最小电阻路径，从而将最大集中电流导向导电棒离开阴极块的连接处。电流的这种非均匀分配有害地影响到位于最高电流集中区域的阴极块，显著增加其损耗(通常以腐蚀过程的方式)。

现有技术展示，采用复合导电棒能够显著改善电流在各阴极块的分配，复合导电棒由外钢套构成，该钢套在其部分长度上装入有高导电的(通常为铜)芯。这种对电流分配的改进已知能够显著提高阴极块的工作寿命。

这些改进的导电棒虽然有助于降低阴极腐蚀并从而提高阴极块的工作寿命，但是这些益处需要对比与构造材料相关的高制造成本和复合导电棒装置的组装复杂度进行权衡。因此，存在一种需要，使复合导电棒装置具有互补材料装置的益处，但是又能相对更简单地进行制造，从而显著减少成本。

发明内容

本发明的一方面，提供用于铝生产的一系列槽中的一个电解槽，其包括：

·壳和耐火装置，构成用于容纳高温液体的工作腔；

·导电阴极，包括多个构成工作腔的基底的阴极块；

·至少一个阳极，悬置于所述槽内并且与工作腔中的高温液体接触；

·至少一个导电棒，容纳于在阴极的各阴极块中形成的凹部内，该置于阴极块中的导电棒不直接接触工作腔中的液体；

·电母线系统，位于所述壳的外部用于将电流从所述槽的导电棒传输至所述一系列槽中的下一个槽的阳极；

·其中，该导电棒包括第一导体和至少一个第二导体，该第一导体电连接到电母线系统，并具有电连接到阴极的一个或多个外表面，该至少一个的第二导体具有比第一导体小的电阻，该第二导体位于第一导体的至少一个外表面上且与第一导体电接触。

根据第二方面，本发明提供：

·导电棒，用于电连接到电解槽的母线系统，导电棒接收于电解槽的阴极的阴极块中的凹部内，其中

·该导电棒包括：第一导体，其电连接到母线系统，该第一导体具有与阴极块电接触的一个或多个外表面；和至少一个第二导体，其具有比第一导体小的电阻，该第二导体位于第一导体的至少一个外表面上且与第一导体电接触。

本发明的复合导电棒其第二导体可通过机械或化学方法接合到第一导体。在本发明的优选形式中，该第一导体(优选其横截面大于第二导体的横截面)被固定到阴极块中时构成复合导电棒的下方外表面。

该复合导电棒的第一导体优选用具有相对低的导热导电性的材料生产，例如钢。低导热性减小通过导电棒末端的热损失，特别是向外部载流装置的热损失。

相比于第一导体，复合导电棒的第二导体优选用导热导电性相对高的材料生产，例如铜。这样，第二导体比第一导体具有更高的导热和/或导电性。第二导体的较高导电性提供整个导电棒上近似统一的电势，从而促使在阴极块表面形成统一的电流密度。此外，第二导体的较高导电性提供位于阴极块与外部载流器之间的较小电阻路径，从而减小贯穿阴极块组件的电压降。

或者，复合导电棒的第一导体可为通道形状，或者其中形成有凹部，第二导体接合于该凹部中。在这种情况下，导电棒安装在阴极块中时，可以让第一导体位于最上面(这时复合体所有侧面都受到保护而与阴极化学隔开)，或者让第二导体位于最上面(这时附加绝缘层可被放置在第二导体的外表面和阴极块之间)。

复合导电棒的两个导体的横截面形状，虽然也可能为其它横截面(例如，圆形横截面)，但是通常为多边形，并且最常为矩形或者通道形状。在任何情况下，第二(高导电的)导体都将构成导电棒的一个外表面的至少一部分。导电棒的两个导体将被安全地相互接合以确保良好的电接触。

复合导电棒的第一和第二导体的相关横截面被设计来优化通过复合体的电流与热通量。尽管导电棒的第一和第二导体的面积比例取决于阴极与耐火材料的具体设计，但是出于成本原因，复合体的第二(高导电的)导体的横截面积优选小于整个导电棒横截面积的50％。数学模型可用于优化布置复合导电棒的两个导体相对于阴极块的位置，以便最小化热损失和优化阴极块外表面的电流分配。

作为对本发明的进一步详述，导电棒的第一和第二导体的相关横截面可以沿电解槽长度方向在阴极的的后续阴极块中发生变化。在后续阴极块组件之间的导电棒导体的相关横截面的变化可被用于有益地改变电流密度场分配和通过电解槽的总电流量。

可用于制造复合导电棒的接合技术为本领域所熟知的现有技术，其包含(但不限于)过盈配合、互锁结合、铆接、爆炸接合(explosion bonding)或辊压接合。现有技术也教导，在复合体的两个导体之间引入中间层，以通过化学或机械方式帮助增进接合强度，可以促进适当的此类接合。当采用中间接合层时，其不应当对复合导电棒的两个导体间的电接触有不利的影响。

附图说明

图1显示在阴极块中的本发明导电棒的一个实施例；

图2显示包含本发明导电棒的电解槽的横截面视图；

图3是在阴极块中的导电棒的第二实施例的横截面视图，和

图4是在阴极块中的导电棒的第三实施例的横截面视图。

具体实施方式

现在参考以上附图对本发明优选实施例进行说明。

参考图1，其显示根据本发明实施例的导电棒。所示阴极块10具有安装于形成在阴极块10中的凹部内的导电棒。该导电棒包括：第一导体11，其通常为钢质体；和第二导体12，其通常由安装在第一导体11内的凹部中的高导电的金属例如铜构成。在本发明此实施例中，导电棒容纳导电插入体中的那部分完全位于阴极块内。导电棒的横截面A-A(图1)显示第二导体12比第一导体11薄得多。第二导体12位于第一导体11的上外表面内，使得与第二导体结合的该外表面向阴极暴露。与导电棒的用途相符合，第一和第二导体的长度方向尺寸都大于第一和第二导体的高度或宽度尺寸，从而使第一和第二导体具有长形形状。由此，长形导电棒安装在形成于阴极块内的长形凹部中。

在本发明另一实施例中(图3)，第二导体30通过机械或化学方法接合到第一导体31中。在此第二实施例中，第一导体通常比第二导体具有更大的横截面，当其被安装到阴极块中时构成导电棒的下方表面。在此实施例中，第二导体安装在形成于第一导体外表面33中的凹部32内，且在安装时不与阴极块相毗接。在此实施例中，第二导体不暴露向阴极也不直接与阴极块接触，因此在正常工作状态下其有望持久耐用。

在本发明又一实施例中(图4)，第二导体40通过机械或化学方法接合到第一导体41的一个外表面。第二导体40将具有与第一导体41相同的长度和宽度尺寸，因此其完全覆盖第一导体的一个侧面。此实施例在使用时其中第二导体构成导电棒最下方外表面。

但是，当本发明此实施例应用在阴极块中时，优选高导电的第二导体40为导电棒的最下方外表面，使第二导体只有较小的侧面区域暴露给阴极块。

在所有实施例中，通常第二导体占据小于整个导电棒横截面的50％。

可用于制造根据本发明的复合导电棒的接合技术为本领域所熟知，包括(但不限于)过盈配合、互锁结合、铆接、爆炸接合或辊压接合。本领域技术人员会认识到，在复合导电棒的两个导体之间引入中间层来帮助增进化学的或机械的接合强度可以促进这类接合。当这样的中间接合层被采用时，该层不应当对复合导电棒的两个导体之间的电接触有不利的影响，即，本发明要求在导电棒的第一和第二导体之间建立和维持良好的导电性。

图2为含有根据图1所示实施例的导电棒的电解槽的横截面视图。该电解槽是典型的用于霍尔-埃鲁(Hall Héroult)过程制铝的电解槽列中的一系列电解槽中的一个电解槽。该电解槽包括壳与耐火材料装置，该装置构成用于容纳高温液体的工作腔。在铝生产中，这些液体是熔融的冰晶石和熔融的铝。该电解槽包括阴极，阴极包括多个构成工作腔的基底的阴极块。各阴极块横向延伸跨越电解槽。构成阴极的阴极块在其末端及下方由耐火砖和填充材料13围绕。在使用中，阴极被熔融铝14和熔融的冰晶石15漫过。在根据本发明的电解槽中，第二导体12显示为接合在导电棒11的第一导体内部。尽管导电插入件12显示为完全位于阴极块10中，但在本发明的其它实施例中，这些导电插入件可占据导电棒的其中一个表面的整个长度。如图2所示，通常的操作是在阴极块的整个长度上可联接多于一个导电棒，在这种情况下导电棒在其内向的末端通过绝缘材料16相互隔开。

在用于由单一材料例如钢制成的导电棒的数学模型中，电势在阴极块的很大比例部分上是较高的，并朝向导电棒与母线系统的连接处不均匀地减小。在这种情况下，跨越阴极块的上表面的电势差近似为100-150毫伏(mV)。用于如图2所示配置的导电棒的数学模型显示，尽管沿阴极块的最上表面初始为高电势，但是电势在阴极块高度上几乎统一地减小。跨越阴极块上表面的电势差远小于10毫伏(mV)。这表明复合导电棒有效地提供了位于阴极块内部的等势表面，因此当采用符合本发明的导电棒时，确保了在整个阴极块上的电流分配更加均匀，从而使整个阴极块上有更加均匀的磨损。

在此所说的“包括(comprise)”及该词的变形，例如“包括(comprising)”、“包括(comprises)”和“包括(comprised)”，非意在排除其它附加物、部件、整件或步骤。

应当理解的是，本说明书中所公开和定义的发明涵盖由两个或多个提到的或说明书或附图中显见的个体特征所得到的所有可替代组合。所有这些不同组合构成本发明的各种可替代方面。

Claims (14)

1.用于铝生产的一系列槽中的一个电解槽，其包括：

·壳和耐火材料装置，构成用于容纳高温液体的工作腔；

·导电阴极，包括多个构成所述工作腔的基底的阴极块；

·至少一个阳极，悬置于所述槽内并且与所述工作腔中的高温液体接触；

·至少一个导电棒，接收于所述阴极的至少一个阴极块中形成的凹部内，该置于所述阴极块中的至少一个的导电棒不直接接触工作腔中的液体；和

·电流母线系统，位于所述壳的外部用来将电流从所述槽的导电棒传输至所述一系列槽中的下一个槽的阳极；

其中该导电棒包括：第一导体，其电连接到电母线系统，该第一导体具有电连接到所述阴极块的一个或多个外表面；和至少一个第二导体，其具有比所述第一导体小的电阻，且通过机械或化学方法接合到所述第一导体的外表面或所述第一导体的外表面中形成的凹部内，从而建立并维持与所述第一导体的电连接，通过机械或化学方法接合的该第二导体至少构成所述第一导体的一个外表面的一部分。

2.如权利要求1的电解槽，其中所述第二导体在所述第一导体的完全在所述阴极块内的部分内。

3.如权利要求1的电解槽，其中所述第一导体的横截面大于所述第二导体的横截面。

4.如权利要求1的电解槽，其中所述第二导体的横截面小于整个导电棒的50％。

5.如权利要求1的电解槽，其中所述第二导体沿所述第一导体的纵向外表面布置。

6.如权利要求4的电解槽，其中所述第一导体构成复合导电棒的下方外表面。

7.如权利要求2的电解槽，其中所述第二导体构成复合导电棒的至少部分外表面。

8.用于电连接到电解槽的母线系统的导电棒，该导电棒接收于所述电解槽的阴极的阴极块中的凹部内；

其中该导电棒包括：第一导体，其电连接到所述母线系统，该第一导体具有与所述阴极块电接触的一个或多个外表面；和至少一个第二导体，其具有比所述第一导体小的电阻，且通过机械或化学方法接合到所述第一导体的外表面或所述第一导体的外表面中形成的凹部内，从而建立并维持与所述第一导体的电连接，通过机械或化学方法接合的该第二导体至少构成所述第一导体的一个外表面的一部分。

9.如权利要求8的导电棒，其中所述第二导体在所述第一导体的完全在所述阴极块内的部分内。

10.如权利要求8的导电棒，其中所述第一导体的横截面大于所述第二导体的横截面。

11.如权利要求8的导电棒，其中所述第二导体的横截面小于整个导电棒的50％。

12.如权利要求8的导电棒，其中所述第二导体沿所述第一导体的纵向外表面布置。

13.如权利要求11的导电棒，其中所述第一导体构成复合导电棒的下方外表面。

14.如权利要求9的导电棒，其中所述第二导体构成复合导电棒的至少部分外表面。

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