CN103255436A - 一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构。本发明的技术方案是包括阴极碳块和阴极钢棒，在阴极碳块底部开有钢棒槽，其特征在于所述的阴极钢棒沿长度方向一部分在钢棒槽内，一部分伸出钢棒槽，其中阴极钢棒在钢棒槽内的部分高于伸出钢棒槽的部分30-200mm，特别地，还在钢棒槽底面和侧面加工有1-5mm深的沟槽，在所述的阴极钢棒上，位于钢棒槽内的钢棒顶部和侧面沿长度方向加工有沟槽。本发明的技术方案在降低阴极钢棒电压降的同时，没有增加由于阴极钢棒横断面增加后所导致的电解槽热损失，增加了阴极钢棒与阴极碳素糊之间、阴极钢棒槽表面与碳素糊的接触面积，有效降低了接触电压降。

Description

一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构。 

背景技术

目前工业铝电解的节电问题仍是铝电解生产最主要的研究课题。工业铝电解槽的节电是通过两种方式实现的：一种是通过提高铝电解槽的电流效率来实现工业铝电解槽的节电，另一种是通过降低铝电解槽的平均电压来实现铝电解生产的节电。在目前的工业铝电解中，在槽电压4.0伏的工作状态下，电流效率每提高1%，直流电耗可降低150kwh/t-Al左右，而槽电压每降低0.1伏可使铝电解槽的直流电耗降低300kwh/t-Al左右。 

影响工业电解槽电流效率的因素很多，这其中包括铝电解槽的阴极电压降、阴极碳块以及阴极钢棒的电阻和阴极铝液的电阻之差所导致的电解槽阴极铝液内的水平电流。铝电解槽内的阴极电压降一部分发生在钢碳压降上，而且这部分电压降会随着槽龄的增加而增加，铝电解槽阴极电压降的高低对铝电解过程的影响直观地反映在对铝电解槽极距的影响上。在相同的槽电压情况下，阴极电压降升高，极距必然减少，而阴极电压降低的电解槽在相同槽电压的情况下必然会有较大的极距，因此这种低阴极电压降的电解槽必然会对提高铝电解槽的电流效率创造良好的技术条件。 

阴极电压降包括：阴极碳块基体本身的电阻电压降、阴极钢棒本身的电阻电压降、阴极钢棒与阴极碳块基体之间的碳素糊的电阻电压降、以及碳素糊与阴极钢棒两种不同导电体之间的接触电压降和阴极碳素糊与阴极碳块基体之间的接触电压。在给定的电流密度下，阴极碳块基体的电压降的大小取决于阴极碳块本身的电阻和阴极碳块的高度，阴极钢棒的电压降是由钢棒的电阻率以及阴极钢棒导电面积的大小所决定的，在相同的电流密度下具有高导电率的阴极钢棒可以有较低的电压降，同样导电面积大的阴极钢棒也可以获得较低的电压降；阴极碳素糊的电压降与导电糊的电阻率、电流密度、导电糊的厚度大小成正比，而碳素糊与钢棒之间的接触电压降和碳素糊与碳块基体之间的接触电压降不仅与电流密度有关（与电流密度成正比），也与他们之间的接触面积、接触压力和其所接触的两种导电材料的导电率有关。它们之间的接触面积越大，接触压力越大，其接触电压降越小，高导电率的阴极碳块基体和高导电率的阴极钢棒可以使它们与碳素糊的接触电压降降低。 

在工业铝电解槽中，阴极铝液面不稳定也是影响铝电解槽电流效率的一个重要因素。对于一个正常生产的工业铝电解槽而言，其阴极铝液内有沿电解槽长度方向的水平电流，这 种水平电流的产生，大都是由于构筑电解槽的阴极碳块及其阴极钢棒组装体的电阻大小上的差别而引起的。选择电阻大小比较一致的阴极碳块以及提高阴极钢棒的安装质量，减少各阴极碳块与钢棒之间的电阻差别可以减少这种阴极铝液在电解槽纵向方向上的水平电流。实际上，工业铝电解槽阴极铝液内的水平电流主要是由电解槽阴极铝液内从中部沿阴极碳块的纵向方向向电解槽的两个侧面由里向外的水平电流，这种水平电流对现在的电解槽的阴极结构而言，是必然要产生的，是不能完全消除的，这种水平电流与电解槽阴极铝液内的垂直磁场的相互作用而产生的电磁力是造成电解槽内阴极铝液及其液面不稳定性的主要原因。电解槽内这种水平电流是由电解槽每个阴极碳块内的阴极钢棒的电阻与阴极碳块上部铝液层的电阻的差别引起的。二者之间的电阻的差别越大，这种水平电流就越大。增大阴极钢棒的导电面积，不仅可降低阴极钢棒自身的电阻电压降，而且由于阴极钢棒导电面积的增加，电阻的减小，可使铝液和阴极钢棒二者之间电阻的差别减少，因而有利于减少电解槽阴极铝液内由里向外沿阴极碳块纵向方向的水平电流，从而可提高电解槽阴极铝液面的稳定性。 

目前国内外工业铝电解槽的阴极电压降一般在220-350mV之间，因此工业电解槽铝电解生产的电能消耗有660-1050kwh/t-Al的电能消耗在这里。目前工业铝电解槽阴极电压降过高，即使使用全石墨化的阴极碳块和使用比较低的阴极电流密度和高导电率的阴极碳素糊和阴极钢棒，其阴极电压降也很难降低到220mV以下，造成这种工业铝电解槽阴极电压降不能进一步降低的原因：现行工业铝电解槽阴极钢棒与阴极碳素糊之间的接触面积小、阴极碳素糊与阴极钢棒槽之间的接触面积和接触压力小以及阴极钢棒两侧部的阴极碳素糊的厚度较大。目前阴极钢棒两侧面碳素糊的最小厚度为10mm，造成阴极碳块内的阴极电流过度地集中在钢棒顶部，使钢棒顶部的电流密度过大，另外，碳素糊厚度的增加也使碳素糊的电阻增加，也使碳素糊在电解槽焙烧过程中的线收缩增加，导致碳素糊与阴极钢棒之间的接触压力以及碳素糊与钢棒槽表面之间的接触压力减少。因此其接触电压降也必然升高。增大阴极钢棒的导电面积可以有效地降低阴极电压降，也可以有效地减小阴极铝液的水平电流，从而提高阴极铝液面的稳定性。然而对现行的工业电解槽阴极钢棒而言，增大阴极钢棒的导电面积也会增加电解槽通过阴极钢棒向槽外的热传导，从而导致电解槽阴极散热损失的增加，因此，如何增加导电面积的同时减少热量损失，是寻求降低工业铝电解槽阴极电压降解决方案的一个技术难题。 

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，目的解决目前工业铝电解槽阴极钢棒槽安装阴极钢棒所存在阴极电压降过高的问题，有效地进一步降低工业铝电解槽阴极电压降。 

实现本发明目的的技术方案是： 

一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，包括阴极碳块和阴极钢棒，在阴极碳块底部开有钢棒槽，所述的阴极钢棒沿长度方向一部分在钢棒槽内，一部分伸出钢棒槽，其中阴极钢棒在钢棒槽内的部分高于伸出钢棒槽的部分30-150mm，在阴极钢棒与钢棒槽之间的填充有碳素糊。 

进一步地，在所述的钢棒槽底面和侧面加工有1-5mm深的沟槽，在所述的阴极钢棒上，位于钢棒槽内的钢棒顶部和侧面沿长度方向加工有1-5mm深的沟槽。 

所述的沟槽断面为锯齿状或凹槽状。 

所述的阴极钢棒厚度小于70mm时，碳素糊厚度小于10mm；当阴极钢棒的厚度大于70mm时，其两侧碳素糊的厚度为10-30mm。 

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是： 

（1）本发明的技术方案中，采用了阴极钢棒伸入到阴极碳块部分的钢棒的导电面积大，伸出阴极碳块部分的钢棒的导电面积小的的特别设计，目的是为了增加阴极钢棒的导电面积，使阴极钢棒的电流密度降低，从而达到降低阴极钢棒电压降的目的，同时又不使由于阴极钢棒横断面增加后所出现的使电解槽的热损失增加。 

（2）本发明的技术方案中，在钢棒槽和阴极钢棒上开设沟槽，是为了增加阴极钢棒与阴极碳素糊之间的接触面积，达到降低阴极钢棒与阴极碳素糊二者之间的接触电压降，以及增加阴极钢棒槽表面与阴极碳块糊二者之间的接触面积，达到降低阴极碳块和碳素糊之间的接触电压降，同时达到减少阴极钢棒在吊运过程中掉落的几率的目的。 

（3）本发明的技术方案中，对于目前现有的宽度为65-70mm阴极钢棒的情况，采用厚度小于10mm的阴极碳素糊，当阴极钢棒的宽度增加时，阴极碳素糊的厚度可适当增加，这是为了减少阴极碳素糊的电阻，并增加阴极钢棒与阴极碳素糊、阴极碳素糊与阴极碳块钢棒槽之间的由于钢棒的热膨胀而产生的接触压力，并使阴极碳块中的电解电流不至于过多地集中于钢棒的顶部。 

采用本发明的技术方案的铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，能够使铝电解槽的阴极电压降降低，可有效地降低铝电解槽电解生产金属铝的电能消耗。 

附图说明

图1是本发明实施例1中的一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构的主视图； 

图2是图1的A-A剖面图； 

图3是图1的B-B剖面图； 

图4是图3中C的局部放大图； 

图5是本发明实施例2中的铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构垂直于炭块纵向方向的横断面的示意图； 

图6是本发明实施例3中的一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构的主视图； 

图7是图6的D-D剖面图； 

图8是本发明实施例4中的一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构的主视图； 

图9是图8的E-E剖面图； 

图10是本发明实施例5中的一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构垂直于碳块纵向方向的横断面（主视图与实施例4的图相同）； 

图11是本发明实施例6中的一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构的主视图； 

其中：1-阴极碳块；2-阴极钢棒；3-碳素糊；4-沟槽。 

实施方式 

以下通过实施例进一步说明本发明的能降低铝电解槽阴极电压降的阴极碳块与阴极钢棒的组和结构。 

实施例1 

如图1、图2和图3所示，本发明的能降低铝电解槽阴极电压降的铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，包括阴极碳块1和阴极钢棒2，所述的阴极碳块1底部开有钢棒槽，阴极钢棒2沿长度方向一部分在钢棒槽内，一部分伸出钢棒槽，其中阴极钢棒2在钢棒槽内的部分高于伸出钢棒槽的部分30-150mm；所述的碳素糊3在阴极钢棒2与钢棒槽之间，填满阴极钢棒2与钢棒槽之间的空隙，每个阴极碳块有2个钢棒槽，2对阴极钢棒。 

在钢棒槽底面和侧面加工有1-5mm深的沟槽4，在所述的阴极钢棒2上，位于钢棒槽内的钢棒顶部和侧面沿长度方向加工有1-5mm深的沟槽4，沟槽4的断面为锯齿状或凹槽状。 

阴极钢棒厚度小于70mm时，碳素糊厚度小于10mm。当阴极钢棒的厚度大于70mm时，其两侧碳素糊的厚度为10-30mm。 

实施例2 

如图1、图2和图5所示，本发明的能降低铝电解槽阴极电压降的铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，包括阴极碳块1和阴极钢棒2，所述的阴极碳块1底部开有钢棒槽，阴极钢棒2沿长度方向一部分在钢棒槽内，一部分伸出钢棒槽，其中阴极钢棒2在钢棒槽内的部分高于伸出钢棒槽的部分30-150mm；所述的碳素糊3在阴极钢棒2与钢棒槽之间，填满阴极钢棒2与钢棒槽之间的空隙，每个阴极碳块有2个钢棒槽，2对阴极钢棒，阴极钢棒厚度小于70mm时，两侧碳素糊厚度小于10mm。当阴极钢棒的厚度大于70mm时，其两侧碳素糊 的厚度为10-30mm。。 

实施例3 

如图6、图7所示，本发明的能降低铝电解槽阴极电压降的铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，包括阴极碳块1和阴极钢棒2，所述的阴极碳块1底部开有钢棒槽，阴极钢棒2沿长度方向一部分在钢棒槽内，一部分伸出钢棒槽，其中阴极钢棒2在钢棒槽内的部分高于伸出钢棒槽的部分20-150mm；本实施例3与实施例1和实施例2不同之处在于本实施例中伸入钢棒槽部分的阴极钢棒相对高于伸出钢棒槽的阴极钢棒部分是向下延伸高度20-150mm，所述的碳素糊3在阴极钢棒2与阴极钢棒槽之间，填满阴极钢棒2与钢棒槽之间的空隙，每个阴极碳块有2个钢棒槽，2对阴极钢棒，阴极钢棒厚度小于70mm时，两侧碳素糊厚度小于10mm。当阴极钢棒的厚度大于70mm时，其两侧碳素糊的厚度为10-30mm。 

实施例4 

如图8、图9所示。本发明的能降低铝电解槽阴极电压降的铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，包括阴极碳块1和阴极钢棒2，所述的阴极碳块1底部开有钢棒槽，阴极钢棒2沿长度方向一部分在钢棒槽内，一部分伸出钢棒槽，其中阴极钢棒2在钢棒槽内的部分高于伸出钢棒槽的部分20-150mm；本实施例4与实施例2和实施例3不同之处在于本实施例中伸入钢棒槽部分的阴极钢棒相对高于伸出钢棒槽的阴极钢棒部分的20-150mm是在阴极碳块底表面向下。所述的碳素糊3在阴极钢棒2与阴极钢棒槽之间，填满阴极钢棒2与钢棒槽之间的空隙，每个阴极碳块有2个钢棒槽，2对阴极钢棒，阴极钢棒厚度小于70mm时，两侧碳素糊厚度小于10mm。当阴极钢棒的厚度大于70mm时，其两侧碳素糊的厚度为10-30mm。 

实施例5 

如图8、图10所示。本发明的能降低铝电解槽阴极电压降的铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，包括阴极碳块1和阴极钢棒2，所述的阴极碳块1底部开有钢棒槽，阴极钢棒2沿长度方向一部分在钢棒槽内，一部分伸出钢棒槽，其中阴极钢棒2在钢棒槽内的部分高于伸出钢棒槽的部分20-150mm；本实施例5与实施例4不同之处在于本实施例中在纵向方向的伸入钢棒槽部分的阴极钢棒高度高于伸出钢棒槽的阴极钢棒的20-150mm的高度是在阴极碳块底表面向下，其横断面的形状为倒三角形或倒锥形。 

实施例6 

如图11所示。本发明的能降低铝电解槽阴极电压降的铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，包括阴极碳块1和阴极钢棒2，所述的阴极碳块1底部开有钢棒槽，阴极钢棒2沿长度方向一部分在钢棒槽内，一部分伸出钢棒槽，其中阴极钢棒2在钢棒槽内的部分高于伸出钢棒槽的部分20-150mm；本实施例中伸出钢棒槽的部分，有一靠近阴极碳块长为10-300mm的 一段，其高度比伸出阴极碳块的最端部的一段高20-150mm，与伸入阴极碳块那部分的阴极钢棒的高度相同。 

Claims (4)

1.一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，包括阴极碳块和阴极钢棒，在阴极碳块底部开有钢棒槽，其特征在于所述的阴极钢棒沿长度方向一部分在钢棒槽内，一部分伸出钢棒槽，其中阴极钢棒在钢棒槽内的部分高于伸出钢棒槽的部分30-200mm，在阴极钢棒与钢棒槽之间填充有碳素糊。 

2.根据权利要求1所述的一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，其特征在于所述的钢棒槽底面和侧面加工有1-5mm深的沟槽，在所述的阴极钢棒上，位于钢棒槽内的钢棒顶部和侧面沿长度方向加工有1-5mm深的沟槽。 

3.根据权利要求2所述的一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，其特征在于所述的沟槽断面为锯齿状或凹槽状。 

4.根据权利要求1所述的一种铝电解槽阴极碳块和阴极钢棒的组合结构，其特征在于阴极钢棒厚度小于70mm时，碳素糊厚度小于10mm,当阴极钢棒的厚度大于70mm时，其两侧碳素糊的厚度为10-30mm。 

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