CN102181883A - 一种可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构，通过使用连续或部分突起型阴极钢棒或者通过在普通矩形钢棒与阴极炭块间部分位置加垫导电性良好的垫高材料使得阴极结构可对铝液中水平电流分布及大小进行重新调整。此种阴极根据实际槽型设计确定结构参数，运用于铝电解槽时可以显著的减小铝液中的水平电流，并且优化铝液中水平电流的分布以避免其水平电流密度较大的区域与垂直磁场较大的区域重叠，从而起到弱化铝液的垂直波动以及稳定熔体水平运动的作用，使电解可以在较低的极距下运行，实现大幅降低能耗，并且此阴极结构加工简便，易于实现。

Description

一种可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构

技术领域

本发明属于铝电解槽领域，特别是设计一种可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构。

背景技术

传统霍尔-埃鲁特法(Hall-Héroult)铝电解工艺一直是工业炼铝的唯一方法。在传统铝电解槽中，电流从铝导杆流入槽内，经过阳极、电解质、铝液及阴极炭块与钢棒从槽侧部流出，由于电流的流出方向与流入方向成90度夹度，并且铝液的电阻率远远小于电解质以及阴极炭块，因此电流的转向很大一部分发生在铝液层中，形成了铝液中的水平电流，水平电流不仅会显著增大垂直磁场，而且其与垂直磁场共同作用，影响槽内磁流体的稳定性。传统的铝电解槽阴极结构中炭块与钢棒都是水平结构，没有考虑在铝液水平方向上存在的压降对于水平电流产生的作用，因此铝液中会有很大的水平电流，过大的水平电流引起过大的电磁力，进而引起铝液剧烈的波动及电解质-铝液界面的严重变形，电解过程必须要在较高的极距条件下进行，由此引起大量的无用能耗。因此，对于如何减小存在于铝液中的水平电流，不仅对于铝电解行业实现节能降耗的良好发展具有重要意义，同时也是一项解决磁流体稳定性的根本性手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以显著减小铝液中的水平电流，并且优化铝液中水平电流的分布以避免其水平电流密度较大的区域与垂直磁场较大的区域直接重叠的可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构。

为了解决上述技术问题，本发明提供的可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构，包括阴极炭块、阴极钢棒和钢棒炭糊，所述的阴极钢棒与所述的阴极炭块连接的一侧设有至少一个突起或者设有至少一个垫高材料且通过所述的钢棒炭糊与所述的阴极炭块配套连接。

所述的阴极钢棒上设有的突起或者设有的垫高材料不出现在所述的阴极炭块的两端和中央部位。

所述的阴极钢棒为非通长型，每根所述的阴极钢棒上设有一个突起。

所述的阴极钢棒为通长型，每根所述的阴极钢棒上设有两个突起。

所述的阴极钢棒的截面是矩形，若使用非通长型的所述的阴极钢棒则每根所述的阴极钢棒上设有一块所述的垫高材料，若使用通长型的所述的阴极钢棒则每根所述的阴极钢棒设有二块所述的垫高材料。

所述的突起为连续突起或局部突起。

所述的垫高材料的截面是矩形。

采用上述技术方案的可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构，阴极结构整体外形不变，保持与传统阴极一致的进电与出电模式，并且组成部分与传统阴极一致，均含有阴极炭块、钢棒炭糊、阴极钢棒，其区别在于阴极炭块内部与阴极钢棒连接部位即燕尾槽的形状有所改变，因此不会引起除阴极炭块外的铝电解槽其他部位的重新设计及加工，也不会显著影响阴极部分的生产及安装。该阴极结构使用突起或局部垫高的阴极钢棒与阴极炭块连接构成，使得整个阴极结构的电场得到优化，因此可以显著减小铝液中的水平电流，并且优化铝液中水平电流的分布以避免其水平电流密度较大的区域与垂直磁场较大的区域直接重叠，所以采用此结构的电解槽工作时铝液波动小、容易实现低极距条件下的生产，使得槽电压低、工作稳定性强，综合能耗低。

本发明由于采用上述结构，与现有阴极结构相比具备如下优点：

采用普通钢棒结构铝电解槽阴极结构，水平电流密度最大的区域并不是出现在铝液的边部，也不出现在铝液的中部，而是出现在铝液层的中间偏边部的位置。根据此种分布形态，本发明结构中，由于阴极钢棒或者阴极钢棒的垫高材料均具有良好的导电性，电导率要明显大于阴极的碳素材料，因此在阴极结构内部优化了电压分布状况，阴极钢棒上的突出或垫高材料则更容易吸引电流从突起或垫高材料流入阴极钢棒，从趋势上即减小了电流在水平方向的偏转，所以减小了铝液中的水平电流。由于水平电流对垂直磁场有很大的贡献作用，所以水平电流的减小也使得垂直磁场也有所减小，则水平电流与垂直磁场的作用力也更小。由于水平电磁力是引起铝液波动的重要原因已经得到公认，因此电磁力的减小会弱化铝液的垂直波动以及稳定铝液的水平流动，则电解可以在较低的极距下进行，槽电压可以大幅降低，减小铝电解的能耗。

综上所述，本发明是一种可以显著减小铝液中的水平电流，并且优化铝液中水平电流的分布以避免其水平电流密度较大的区域与垂直磁场较大的区域直接重叠的可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构。

附图说明

图1是传统的铝电解槽阴极结构的半剖面示意图。

图2是本发明实施例1中的一个采用连续突起型阴极钢棒的半剖面示意图。

图3是根据本发明实施例2中的一个采用局部垫高型阴极钢棒的半剖面示意图。

图4是本发明实施例3中的采用通长并且连续突起型阴极钢棒的铝电解槽阴极结构长度方向的剖视图。

图5是根据本发明实施例4中的一个采用通长并且局部突起型阴极钢棒的铝电解槽阴极结构长度方向的剖视图。

图6是本发明实施例5中的一个采用非通长并且连续突起型阴极钢棒的铝电解槽阴极结构长度方向的剖视图。

图7是根据本发明实施例6中的一个采用非通长并且局部突起型阴极钢棒的铝电解槽阴极结构长度方向的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图2所示是本发明的采用通长并且连续突起型阴极钢棒的铝电解槽阴极结构长度方向的剖视图，由阴极炭块1，阴极钢棒2，钢棒炭糊3组成。本实施例中，阴极炭块1的总长度3000～4000mm，宽400～700mm，高400～600mm，阴极炭块1底部沿长度方向开有一条截面连续变化的燕尾槽，与之对应的一条燕尾槽内嵌一根设有连续突起5的通长的阴极钢棒2，阴极钢棒2上的连续突起5的最高突起部位在距离阴极炭块1出电端边缘400～1200mm，连续突起5的最高突起部位的突起高度相对于普通钢棒为50～120mm，阴极钢棒2的加工按照从阴极钢棒2上对应于阴极炭块1边缘位置以及对应于中间位置向最高点线性加高。此种结构使铝液中的电流更容易从连续突起5(指阴极钢棒在整个阴极内的区域都处于一种斜坡的突起)流入阴极钢棒2，从而大幅度降低铝液中的水平电流，避免水平电流较大的区域与垂直磁场最大的区域重叠，弱化铝液的垂直波动及稳定水平流动，提高电解槽稳定性，并较大的降低极距，最终使电解槽降低能耗。

实施例2：

如图3所示是本发明的采用通长并且局部垫高型阴极钢棒的铝电解槽阴极结构长度方向的剖视图，由阴极炭块1，阴极钢棒2，钢棒炭糊3，垫高材料4组成。本实施例中，阴极炭块1的总长度3000～4000mm，宽400～700mm，高400～600mm，阴极炭块1底部沿长度方向开有一条燕尾槽，与之对应的燕尾槽内嵌一根局部设有垫高材料4的阴极钢棒2，阴极钢棒2的截面是矩形，阴极钢棒2按照传统结构进行加工，在进行阴极结构组装时，在对应的燕尾槽内的垫高部位加塞导电性良好的垫高材料4，垫高材料4的截面是矩形，并且使此垫高材料4与阴极钢棒2保持良好的接触。若使用非通长型的阴极钢棒2则每根阴极钢棒2上设有一块垫高材料4，若使用通长型的阴极钢棒2则每根阴极钢棒2设有二块垫高材料4。使此种结构使铝液中的电流更容易从垫高材料4流入阴极钢棒2，从而大幅度降低铝液中的水平电流，避免水平电流较大的区域与垂直磁场最大的区域重叠，弱化铝液的垂直波动及稳定水平流动，提高电解槽稳定性，并较大的降低极距，最终使电解槽降低能耗。

实施例3：

如图4所示是本发明的采用通长并且连续突起型阴极钢棒的铝电解槽阴极结构长度方向的剖视图，由阴极炭块1，阴极钢棒2，钢棒炭糊3组成。本实施例中，阴极炭块1的总长度3000～4000mm，宽400～700mm，高400～600mm，阴极底部沿长度方向开有二条截面连续变化的燕尾槽，与之对应的每条燕尾槽内嵌一根设有连续突起5的通长的阴极钢棒2，通长的阴极钢棒2上的连续突起5的最高突起部位在距离阴极炭块1出电端边缘400～1200mm，连续突起5的最高突起部位的突起高度相对于普通钢棒为50～120mm，阴极钢棒2的加工按照从阴极钢棒2上对应于阴极炭块1边缘位置以及对应于中间位置向最高点线性加高。此种结构使铝液中的电流更容易从连续突起5流入阴极钢棒2，从而大幅度降低铝液中的水平电流，避免水平电流较大的区域与垂直磁场最大的区域重叠，弱化铝液的垂直波动及稳定水平流动，提高电解槽稳定性，并较大的降低极距，最终使电解槽降低能耗。

实施例4：

如图5所示是本发明的采用通长并且局部突起型阴极钢棒的铝电解槽阴极结构长度方向的剖视图，由阴极炭块1，阴极钢棒2，钢棒炭糊3组成。本实施例中，阴极炭块1的总长度3000～4000mm，宽400～700mm，高400～600mm，阴极炭块1底部沿长度方向开有二条截面部分连续变化的燕尾槽，与之对应有每条燕尾槽内嵌一根设有局部突起6的阴极钢棒2，阴极钢棒2上的局部突起6的最高突起部位在距离阴极炭块1出电端边缘400～1000mm之间，局部突起6的最高突起部位的突起高度相对于普通钢棒为50～120mm内，阴极钢棒2的加工按照从对应于局部突起6(指阴极钢棒在阴极内的一小段的局部区域突起)的突起部位两边100～400mm的两位置向最高点线性加高，使此种结构使铝液中的电流更容易从局部突起6流入钢棒，从而大幅度降低铝液中的水平电流，避免水平电流较大的区域与垂直磁场最大的区域重叠，弱化铝液的垂直波动及稳定水平流动，提高电解槽稳定性，并较大的降低极距，最终使电解槽降低能耗。

实施例5：

如图6所示是本发明的采用非通长并且连续突起型阴极钢棒的铝电解槽阴极结构长度方向的剖视图，由阴极炭块1，阴极钢棒2，钢棒炭糊3组成。本实施例中，阴极炭块1的总长度3000～4000mm，宽400～700mm，高400～600mm，阴极炭块1底部沿长度方向开有数条截面连续变化的燕尾槽，与之对应有每条燕尾槽内嵌一根设有连续突起5的阴极钢棒2，阴极钢棒2上的连续突起5的最高突起部位在距离阴极炭块1出电端边缘400～1000mm之间，连续突起5的最高突起部位的突起高度相对于普通钢棒为50～120mm内，阴极钢棒2的加工按照从阴极钢棒2上对应于阴极炭块1边缘位置以及对应于阴极钢棒2内端位置向最高点线性加高，此种结构使铝液中的电流更容易从连续突起5流入阴极钢棒2，从而大幅度降低铝液中的水平电流，避免水平电流较大的区域与垂直磁场最大的区域重叠，弱化铝液的垂直波动及稳定水平流动，提高电解槽稳定性，并较大的降低极距，最终使电解槽降低能耗。

实施例6：

如图7所示是本发明的采用非通长并且局部突起型阴极钢棒的铝电解槽阴极结构长度方向的剖视图，由阴极炭块1，阴极钢棒2，钢棒炭糊3组成。本实施例中，阴极炭块1的总长度3000～4000mm，宽400～700mm，高400～600mm，阴极炭块1底部沿长度方向开有数条截面部分连续变化的燕尾槽，与之对应有每条燕尾槽内嵌一根设有局部突起6的阴极钢棒2，阴极钢棒2上的局部突起6的最高突起部位在距离阴极炭块1出电端边缘400～1000mm之间，局部突起6的最高突起部位的突起高度相对于普通钢棒为50～120mm内，阴极钢棒2的加工按照从对应于局部突起6两边100～400mm的两位置向最高点线性加高，此种结构使铝液中的电流更容易从局部突起6流入阴极钢棒2，从而大幅度降低铝液中的水平电流，避免水平电流较大的区域与垂直磁场最大的区域重叠，弱化铝液的垂直波动及稳定水平流动，提高电解槽稳定性，并较大的降低极距，最终使电解槽降低能耗。

Claims (7)

1.一种可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构，包括阴极炭块(1)、阴极钢棒(2)和钢棒炭糊(3)，其特征是：所述的阴极钢棒(2)与所述的阴极炭块(1)连接的一侧设有至少一个突起或者设有至少一个垫高材料(4)且通过所述的钢棒炭糊(3)与所述的阴极炭块(1)配套连接。

2.根据权利要求1所述的可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述的阴极钢棒(2)上的突起或者垫高材料(4)不出现在所述的阴极炭块(1)的两端和中央部位。

3.根据权利要求1或2所述的可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述的阴极钢棒(2)为非通长型，每根所述的阴极钢棒(2)上设有一个突起。

4.根据权利要求1或2所述的可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述的阴极钢棒(2)为通长型，每根所述的阴极钢棒(2)上设有两个突起。

5.根据权利要求1或2所述的可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述的阴极钢棒(2)的截面是矩形，若使用非通长型的所述的阴极钢棒(2)则每根所述的阴极钢棒(2)上设有一块所述的垫高材料(4)，若使用通长型的所述的阴极钢棒(2)则每根所述的阴极钢棒(2)设有二块所述的垫高材料(4)。

6.根据权利要求1或2所述的可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述的突起为连续突起(5)或局部突起(6)。

7.根据权利要求1或2所述的可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述的垫高材料(4)的截面是矩形。

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