CN102925927A - 能大幅度降低水平电流的电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能大幅度降低水平电流的电解槽，它包括阳极炭块（1）、阴极钢棒（2）、炉膛（3）、阴极炭块（4）等，其特征在于：阴极钢棒（2）采用“渐变式”阴极扎糊结构，即采用斜面或阶梯式截面的阴极扎糊结构，在斜面处或阶梯式截面处填充耐高温绝缘材料；阴极钢棒（2）在阴极炭块（4）中为等比例布置；炉膛（3）中的大面加工面（5）的宽度S控制在240mm—269mm之间；阴极炭块（4）与阳极炭块（1）对齐，即阴极炭块宽度与阳极宽度相等，其值在600mm—800mm之间。

Description

能大幅度降低水平电流的电解槽
技术领域
本发明涉及一种电解槽。
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，对电解槽的稳定性、技术经济指标都有很大的影响。另外，水平电流会使熔体流速加快，冲蚀炉帮，破坏炉膛，引发槽内衬破损，影响槽寿命。所以水平电流对电解槽的稳定性、电流效率、槽寿命的影响非常大，我们必须在设计和生产中想办法减小电解槽的水平电流。分析水平电流的成因和防治对策，对电解槽生产管理有非常重要的意义。
从理论上来讲，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 560837DEST_PATH_IMAGE001
写成三个方向分量的形式则变成：
Figure 563428DEST_PATH_IMAGE002
                  (1)
当
Figure 273764DEST_PATH_IMAGE003
则上述公式变为：
                        (2)
式(1)和(2)中：
Figure 617337DEST_PATH_IMAGE005
是电磁力，
Figure 846456DEST_PATH_IMAGE006
是电流密度，
Figure 224347DEST_PATH_IMAGE007
是磁场强度；
Figure 762776DEST_PATH_IMAGE008
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 413069DEST_PATH_IMAGE009
均为0时，电磁力
Figure 757463DEST_PATH_IMAGE005
将不受垂直方向的磁场的影响。因此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
Figure 338245DEST_PATH_IMAGE011
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
Figure 158433DEST_PATH_IMAGE011
，以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。
随着技术的进步，大型槽的电压已经能控制在4V以内，因此电解槽的保温效果越来越重要。但电解槽的加工面宽度却一直在270mm及以上，大加工面会导致电解槽散热增大，从而需要更高的槽电压来补充其散热量；另外，过大的加工面不利于电解槽形成规整的炉膛，因此不利于控制电解槽水平电流。
以贵阳铝镁设计研究院设计的420kA电解槽为例，在以往的使用中，铝液层水平电流
Figure 510917DEST_PATH_IMAGE012
最大值在5000A/m2左右，平均值在2721A/m2，电解槽短轴方向水平电流分布如图1所示。
传统电解槽存在以下不足：
(1) 阴极炭块和阴极钢棒的结合形式用扎糊全部填充的方式连接，电解槽短轴方向的水平电流比较大。
(2) 阴极钢棒在阴极炭块中不均布，引起长轴方向的水平电流较大；
(3) 电解槽的大面加工面比较宽，不利于建立规整的炉膛；
(4) 阴极炭块比阳极炭块窄，引起长轴方向的水平电流较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种能大幅度降低水平电流的电解槽，以克服现有技术存在的水平电流比较大，电解槽工作稳定性差等不足。
为了解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：阴极钢棒采用“渐变式”阴极扎糊结构，即采用斜面或阶梯式截面的阴极扎糊结构，在斜面或阶梯式截面处填充耐高温绝缘材料（如陶瓷纤维棉、高强浇注料等）；阴极钢棒在阴极炭块中等比例布置；炉膛的大面加工面控制在240—269mm之间；采用阴极炭块与阳极炭块对齐结构，即阴极炭块宽度与阳极宽度相等，其值在600mm—800mm之间。
在阶梯式截面处填充的耐高温绝缘材料形成阶梯，该阶梯满足以下关系：
Figure 640416DEST_PATH_IMAGE013
式中
Figure 78351DEST_PATH_IMAGE014
为阴极长度，
Figure 702230DEST_PATH_IMAGE015
为阶梯中耐高温绝缘材料长度；
Figure 597636DEST_PATH_IMAGE016
Figure 711086DEST_PATH_IMAGE017
为扎糊总高度，
Figure 573999DEST_PATH_IMAGE018
分别为阶梯中耐高温绝缘材料两个“阶梯”的高度。
所述的斜面处填充的耐高温绝缘材料形成三角体，该三角体满足下列关系：
Figure 798307DEST_PATH_IMAGE019
式中
Figure 312334DEST_PATH_IMAGE014
为阴极炭块s长度，
Figure 268789DEST_PATH_IMAGE020
为三角体中耐高温绝缘材料长度；
式中为扎糊总高度，
Figure 505277DEST_PATH_IMAGE022
为三角体中耐高温绝缘材料高度。
阴极钢棒在阴极炭块中等比例布置是指阴极钢棒等比例分布于阴极炭块中，满足下列关系：
式中为阴极炭块宽度，
Figure 285517DEST_PATH_IMAGE025
为从阴极炭块边缘到阴极钢棒中心的距离，该距离与阴极钢棒中心到阴极炭块中心的距离相等。
 以上技术方案的特点如下：
(1) 窄加工面。把电解槽的大面加工面控制在240mm—269mm范围内。
(2) “渐变式”阴极扎糊，即斜面或阶梯式截面阴极扎糊结构。在阴极钢棒出口处留一个斜三角或阶梯式的形状不用阴极扎糊填充，而用耐高温绝缘材料代替，以减小电解槽短轴方向水平电流。
(3) 阴、阳极对齐。采用大阴极炭块技术，即阴极炭块宽度与阳极炭块宽度相等，其值在600mm—800mm之间。这样既能减小施工时的工作量，又能降低电解槽的破损几率。
(4) 阴极钢棒在阴极炭块中均匀布置。传统的阴极炭块由于其宽度一般在530mm以内，因此从结构上考虑，每块阴极炭块中的两根阴极钢棒是靠中间布置的，而本发明中由于采用了大阴极炭块，因此阴极钢棒在阴极炭块中采用均匀布置。
阴极钢棒均匀分布于阴极炭块中的主要目的是减小长轴方向的水平电流，阴极越宽，该结构对减小水平电流越有利。
通常铝液层中水平电流的产生有两个原因：（1）电解槽侧出电形式决定了铝液中的电流会由垂直向下往出电口方向偏。（2）阳极投影区域以外铝液的存在决定了大面处铝液有向槽中心方向的水平电流。
以上两个因素的存在，使传统阴极结构下水平电流比较大。而本专利正是基于水平电流产生的原因，想办法减小水平电流。
由于使用“渐变”式阴极扎糊技术，阴极结构中靠钢棒出电头处炭块和钢棒的接触面积减小，即电阻会增大，因此会迫使铝液中的电流往中间流，从而达到减小短轴方向水平电流的目的。
而小加工面的使用则有利于电解槽形成规整的炉膛，使阳极投影区域外铝液减少，因此有利于减小大面处铝液往槽中心的水平电流。
采用本发明，电解槽的水平电流大幅度地降低，短轴方向水平电流平均值由原来的2721 A/m2降低至了431A/m2。
应用范围：
本发明施工简单，能大幅度降低电解槽铝液层的水平电流，对于增强电解槽的稳定性和降低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。它是对国家节能减排政策的实际应用，对于高能耗的铝电解行业尤其值得大力推广。
附图说明
图1为传统电解槽中水平电流分布图；图中横坐标表示该点与槽中轴线的距离（单位m），纵坐标为水平电流
Figure 587186DEST_PATH_IMAGE026
数值（单位A/m2）；
图2为本发明电解槽中水平电流分布图；图中横坐标表示该点与槽中轴线的距离（单位m），纵坐标为水平电流
Figure 901754DEST_PATH_IMAGE026
数值（单位A/m2）；
图3为本发明的电解槽结构示意图；图中1为阳极炭块，3为炉膛，5为大面加工面，S为大面加工面宽度。
图4为本发明的阴极扎糊为阶梯式截面时阴极示意图；图中2为阴极钢棒，4为阴极炭块，6为阶梯式耐高温绝缘材料。
图5为图4中的A—A剖面示意图；
图6为图4中的B—B剖面示意图。
图7为本发明的阴极扎糊为斜面时阴极示意图；图中2为阴极钢棒，4为阴极炭块，7为三角体式耐高温绝缘材料。
图8为图7中的C—C剖面示意图；
图9为图7中的D—D剖面示意图。
具体实施方式
本发明的实施例：电解槽包括阳极炭块1、阴极钢棒2、炉膛3、阴极炭块4等部件，阴极钢棒2采用“渐变式”阴极扎糊结构，即采用斜面或阶梯式截面的阴极扎糊结构，在斜面或阶梯式截面处填充耐高温绝缘材料；阴极钢棒2在阴极炭块4中为等比例布置；炉膛的大面加工面5的宽度S控制在240—269mm之间；阴极炭块4与阳极炭块1对齐，阴极炭块宽度与阳极炭块宽度相等，为665mm。
在斜面或阶梯式截面处填充的耐高温绝缘材料为陶瓷纤维棉、高强浇注料等。
在阶梯式截面处填充的耐高温绝缘材料形成阶梯6，该阶梯6满足以下关系：
Figure 23294DEST_PATH_IMAGE013
式中
Figure 330779DEST_PATH_IMAGE014
为阴极长度，
Figure 673904DEST_PATH_IMAGE015
为阶梯中耐高温绝缘材料长度；
Figure 17478DEST_PATH_IMAGE017
为扎糊总高度，
Figure 613807DEST_PATH_IMAGE018
分别为阶梯中耐高温绝缘材料两个“阶梯”的高度。
 所述的斜面处填充的耐高温绝缘材料形成三角体7，该三角体7满足下列关系：
Figure 624488DEST_PATH_IMAGE019
式中
Figure 530127DEST_PATH_IMAGE014
为阴极炭块s长度，
Figure 813210DEST_PATH_IMAGE020
为三角体中耐高温绝缘材料长度；
Figure 524814DEST_PATH_IMAGE021
式中
Figure 327685DEST_PATH_IMAGE017
为扎糊总高度，
Figure 466542DEST_PATH_IMAGE022
为三角体中耐高温绝缘材料高度。
 阴极钢棒2在阴极炭块4中等比例布置是指阴极钢棒等比例分布于阴极炭块中，满足下列关系：
Figure 738386DEST_PATH_IMAGE023
式中
Figure 191364DEST_PATH_IMAGE024
为阴极炭块宽度，
Figure 911058DEST_PATH_IMAGE025
为从阴极炭块边缘到阴极钢棒中心的距离，该距离与阴极钢棒中心到阴极炭块中心的距离相等。
 图1中铝液层水平电流
Figure 407767DEST_PATH_IMAGE026
最大值在5000A/m2左右，平均值在2721A/m2；图2中铝液层水平电流
Figure 478492DEST_PATH_IMAGE026
平均值为431A/m2；两者比较，本专利技术中的电解槽在减小水平电流方面具有显著的技术效果。
图3是本发明的电解槽示意图，由于加工面比传统电解槽窄，因此槽周围糊高度应适度降低，以排除电解槽换极时顶极风险，同时，这样也有利于电解槽的安全。图中宽度S取值范围在240mm—269mm之间，而传统电解槽这个值在270mm及以上。
图4和图7中的等比分布阴极钢棒不宜在小阴极炭块上使用，因为小阴极炭块在这种形式下存在结构上的风险。

Claims (6)

1.一种能大幅度降低水平电流的电解槽，它包括阳极炭块（1）、阴极钢棒（2）、炉膛（3）、阴极炭块（4），其特征在于：阴极钢棒（2）采用“渐变式”阴极扎糊结构，即采用斜面或阶梯式截面的阴极扎糊结构，在斜面或阶梯式截面处填充耐高温绝缘材料；阴极钢棒（2）在阴极炭块（4）中为等比例布置；炉膛（3）的大面加工面（5）控制在240mm—269mm之间；阴极炭块（4）与阳极炭块（1）对齐，即阴极炭块（4）宽度与阳极炭块（1）宽度相等。
2.根据权利要求1所述的能大幅度降低水平电流的电解槽，其特征在于：在斜面或阶梯式截面处填充不导电的耐高温绝缘材料为陶瓷纤维棉，或填充高强浇注料。
3.根据权利要求1或2所述的能大幅度降低水平电流的电解槽，其特征在于：在阶梯式截面处填充耐高温绝缘材料形成阶梯（6），该阶梯（6）满足以下关系：
Figure 197803DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure 37583DEST_PATH_IMAGE002
为阴极长度，
Figure 455926DEST_PATH_IMAGE003
为阶梯中耐高温绝缘材料长度；
Figure 13947DEST_PATH_IMAGE004
Figure 792416DEST_PATH_IMAGE005
为扎糊总高度，
Figure 689964DEST_PATH_IMAGE006
分别为阶梯中耐高温绝缘材料两个“阶梯”的高度。
4.根据权利要求1或2所述的能大幅度降低水平电流的电解槽，其特征在于：所述的斜面处填充耐高温绝缘材料形成三角体（7），该三角体（7）满足下列关系：
Figure 341526DEST_PATH_IMAGE007
式中
Figure 809678DEST_PATH_IMAGE002
为阴极炭块s长度，为三角体中耐高温绝缘材料长度；
Figure 956943DEST_PATH_IMAGE009
式中
Figure 779405DEST_PATH_IMAGE005
为扎糊总高度，
Figure 233389DEST_PATH_IMAGE010
为三角体中耐高温绝缘材料高度。
5.根据权利要求1所述的能大幅度降低水平电流的电解槽，其特征在于：阴极钢棒（2）在阴极炭块（4）中等比例布置是指阴极钢棒等比例分布于阴极炭块中，满足下列关系：
式中
Figure 38851DEST_PATH_IMAGE012
为阴极炭块宽度，
Figure 32215DEST_PATH_IMAGE013
为从阴极炭块边缘到阴极钢棒中心的距离，该距离与阴极钢棒中心到阴极炭块中心的距离相等。
6.根据权利要求1所述的能大幅度降低水平电流的电解槽，其特征在于：采用阴极炭块（4）与阳极炭块（1）对齐结构，即阴极炭块（4）宽度与阳极炭块（1）宽度相等，其宽度值在600mm—800mm之间。
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