CN102925925A - 变截面式钢棒阴极结构 - Google Patents

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CN102925925A CN2011102274229A CN201110227422A CN102925925A CN 102925925 A CN102925925 A CN 102925925A CN 2011102274229 A CN2011102274229 A CN 2011102274229A CN 201110227422 A CN201110227422 A CN 201110227422A CN 102925925 A CN102925925 A CN 102925925A
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刘正
杨朝红
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Abstract

本发明公开了一种变截面式钢棒阴极结构，阴极钢棒（2）由传统的等截面形状改为变截面形状。在槽中轴线处，其截面面积最大，向两端逐渐收缩，出电口处其截面面积最小，如摘要附图所示意，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。阴极钢棒（2）在中轴线处截面面积为，在出电口处截面面积为，它们之间的关系为。阴极炭块本身不需做任何变化。由于钢棒糊（3）比阴极钢棒（2）的电阻率大，因此能迫使铝液层中电流往垂直方向流动。计算结果表明，本发明能把铝液中水平电流平均值由传统阴极结构下的2721A/m2降低至了1451A/m2。

Description

变截面式钢棒阴极结构
技术领域
本发明涉及一种铝电解用阴极结构，属于铝电解技术领域。
背景技术
当今的铝电解工业正在向槽容量大型化发展。2005年以来，国内先后建设了350—500kA大型电解槽，现有槽型也在不断地强化电流。在电解槽的大型化和电流强化的趋势下，电解槽稳定性的研究成为电解槽的设计和生产中越来越重要的课题之一。
铝液中较大水平电流是铝电解槽生产之大忌，因为铝液中的水平电流与垂直磁场相互作用，产生电磁力，导致铝液的流动、波动和电解槽不稳定。水平电流过大，无论对电解槽的稳定性、技术经济指标以及槽寿命都有很大的影响，因此分析水平电流的成因和防治对策，对电解槽生产管理有深远的意义。
从理论上来说，电解槽的不稳定是由铝液中的水平电流和垂直磁场作用产生的电磁力引起的，电磁力的计算公式为                                                
Figure 2011102274229100002DEST_PATH_IMAGE001
。写成三个方向分量的形式则变成：
Figure 2011102274229100002DEST_PATH_IMAGE002
                                               (1)
当
Figure 2011102274229100002DEST_PATH_IMAGE003
且
Figure 2011102274229100002DEST_PATH_IMAGE004
时，则上述公式变为：
Figure 2011102274229100002DEST_PATH_IMAGE005
                                                       (2)
式(1)和(2)中：
Figure 2011102274229100002DEST_PATH_IMAGE006
是电磁力，
Figure 2011102274229100002DEST_PATH_IMAGE007
是电流密度，
Figure 2011102274229100002DEST_PATH_IMAGE008
是磁场强度；
Figure 2011102274229100002DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、分别指电解槽的长轴方向、短轴方向和垂直方向。
从上面公式可以看出，当电解槽水平电流密度
Figure DEST_PATH_IMAGE012
均为0时，电磁力
Figure 881344DEST_PATH_IMAGE006
将不受垂直方向的磁场
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的影响。只要能在设计和生产中把水平电流密度控制得很小，即使磁环境差一些，电解槽仍可以稳定地进行生产。也就是说，水平电流密度变小后，电解槽稳定性受垂直磁场的影响将会变小。电解槽磁场设计最重要的任务就是想办法降低垂直方向的磁场，从而增强电解槽的稳定性，而减小水平电流可以达到同样的目的。
由于电解槽铝液层中长轴方向的水平电流
Figure DEST_PATH_IMAGE016
很小，基本可以不予考虑，因此重点关注的是
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，即铝液层短轴方向的水平电流，下文所说水平电流均指
Figure DEST_PATH_IMAGE018
。
传统的电解槽阴极结构中，在纵向阴极钢棒截面是一样大小的，由于槽中间铝液比槽两侧铝液距阴极钢棒头远，且电流从在阳极中的竖直向下到钢棒的横向导出，中间需要一个转向过程，因此铝液层中电流有从中间向两边流的趋势，即从槽中间向外的水平电流，它是由电解槽的出电方式决定的。为了减小水平电流，通常的做法就是想办法增加阴极钢棒头处的电阻，迫使电流往垂直方向流动。
以贵阳铝镁设计研究院设计的420kA电解槽为例，在电解槽阴极结构不做任何处理的情况下，铝液层水平电流
Figure 827489DEST_PATH_IMAGE017
最大值在5000A/m2左右，平均值在2721A/m2，水平电流分布如图1所示。由于水平电流密度大，会影响电解槽运行稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供变截面式钢棒阴极结构，以克服现有技术存在的水平电流密度大、影响电解槽运行稳定性等不足。
为了解决所述的技术问题，本发明采取以下技术方案：
阴极钢棒由传统的等截面形状改为变截面形状，在槽中轴线处，其截面面积最大，向两端逐渐收缩，出电口处其截面面积最小，如摘要附图所示意。
阴极钢棒在中轴线处高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，在出电口处高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE021
,
Figure 347332DEST_PATH_IMAGE019
值根据槽型不同在180mm到270mm之间。
阴极钢棒在中轴线处宽度为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，在出电口处宽度为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，它们之间的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
,
Figure 286338DEST_PATH_IMAGE022
值根据槽型不同在65mm到100mm之间。。
阴极钢棒在中轴线处截面面积为，在出电口处截面面积为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，它们之间的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
。
阴极炭块本身不需做任何变化。由于钢棒糊比阴极钢棒的电阻率大，因此能迫使铝液层中电流往垂直方向流动。
本发明施工简单，能大幅度地降低电解槽铝液层短轴方向的水平电流，对于增强电解槽的稳定性和降低其直流电耗都有非常重要的意义，无论是旧槽子的改造还是新槽子的设计都可以使用，因此本发明具有较高的实用价值，值得推广。
附图说明
图1为传统阴极结构水平电流分布示意图；
图2为本发明的结构示意图、主视图；
图3为图2的B—B剖视图；
图4为图2的A—A剖视图；
图5为发明阴极结构水平电流分布示意图。
具体实施方式
本发明的实施实例：如图2、3、4所示意，阴极炭块1、阴极钢棒2、钢棒糊3。
阴极钢棒2由传统的等截面形状改为变截面形状，在槽中轴线处，其截面面积最大，向两端逐渐收缩，出电口处其截面面积最小。
阴极钢棒2在中轴线处高度为
Figure 233435DEST_PATH_IMAGE019
，在出电口处高度为
Figure 562785DEST_PATH_IMAGE020
，它们之间的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
。
阴极钢棒2在中轴线处宽度为，在出电口处宽度为
Figure 492881DEST_PATH_IMAGE023
，它们之间的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
。
阴极炭块本身不需做任何变化。由于钢棒糊比阴极钢棒的电阻率大，因此能迫使铝液层中电流往垂直方向流动。
从有限元法计算结果来看，采用本发明的阴极结构以后，水平电流明显降低，平均值由传统阴极结构下的2721 A/m2降低至了1451A/m2（如图5所示意），降幅达到47%，这就意味着变相地把垂直磁场优化了47%。

Claims (4)

1.一种变截面式钢棒电解槽阴极结构，其特征在于：阴极钢棒（2）由传统的等截面形状改为变截面形状，阴极钢棒（2）在槽中轴线处截面面积最大，向两端逐渐收缩，出电口处其截面面积最小。
2.根据权利要求1所述的变截面式钢棒阴极结构，其特征在于：阴极钢棒（2）在中轴线处高度为                                                
Figure 2011102274229100001DEST_PATH_IMAGE001
，在出电口处高度为
Figure 2011102274229100001DEST_PATH_IMAGE002
，满足
Figure 2011102274229100001DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 618874DEST_PATH_IMAGE001
值在180mm到270mm之间。
3.根据权利要求1所述的变截面式钢棒阴极结构，其特征在于：阴极钢棒（2）在中轴线处宽度为
Figure 2011102274229100001DEST_PATH_IMAGE004
，在出电口处宽度为
Figure 2011102274229100001DEST_PATH_IMAGE005
，满足，
Figure 497837DEST_PATH_IMAGE004
值在65mm到100mm之间。
4.根据权利要求1所述的变截面式钢棒阴极结构，其特征在于：阴极钢棒（2）在中轴线处截面面积为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，在出电口处截面面积为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
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