CN103981540B - 一种含高导电骨架网络的铝电解槽复合阴极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含高导电骨架网络的铝电解槽复合阴极结构，通过在阴极内部预设阴极集流体骨架，将形状不同的阴极集流体骨架预置于阴极炭块中，使得阴极结构可对铝液中水平电流分布和大小进行重新分配，并能够提高阴极的机械性能，提高阴极寿命。此种阴极可根据实际槽型设计确定的结构参数和材料种类，可以明显减少铝液在电解槽长轴和短轴方向的水平电流密度，从而弱化铝液-电解质界面的垂直波动幅度及维持合适的熔体水平运动，使电解槽可以在低极距下平稳运行，实现节能降耗，且该结构加工较简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解槽复合阴极结构，特别是涉及一种含高导电骨架网络的铝电解槽复合阴极结构。
背景技术
在传统霍尔-埃鲁特(Hall-Héroult)铝电解槽中，电流从立柱进入阳极母线，再经铝导杆流入槽内并从槽侧部流出，宏观上看电流的方向在铝液与阴极中进行了90度方向的转折，鉴于铝液的电阻率远小于电解质以及阴极炭块，造成了铝液中的水平电流的存在，而该水平电流不仅会影响垂直磁场，还与垂直磁场共同作用，影响槽内磁流体的稳定性。而过大的水平电流引起会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，对于铝液中的水平电流的降低，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。
目前，在阴极结构上实现水平电流的一些研究主要集中在对阴极钢棒的改变上，包括钢棒开槽、双钢棒和异形阴极钢棒等，这些结构都能够在一定程度上降低水平电流，但未能够从根本上解决水平电流以及由于新结构带来的槽破损的风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能显著减小电解槽内铝液中的水平电流，从而实现电解槽在低极距下稳定运行的含高导电骨架网络的铝电解槽复合阴极结构。
为了解决上述技术问题，本发明提供的含高导电骨架网络的铝电解槽复合阴极结构，包括阴极炭块，在所述的阴极炭块内嵌入有至少一组在阴极制作过程中通过阴极的振动成型与焙烧实现二者紧密结合的阴极集流体骨架。
所述的阴极集流体骨架在所述的阴极炭块中为阶梯倾斜布置，所述的阴极集流体骨架在槽端部更靠近阴极炭块底部，而在槽中心则更靠近阴极炭块顶部。
所述的阴极集流体骨架的材质是高导电金属或金属合金材料。
所述的阴极集流体骨架的截面为圆形或方形。
所述的阴极集流体骨架为人字形阴极集流体骨架。
所述的人字形阴极集流体骨架的相邻两个分叉的角度为90～120°。
当所述的人字形阴极集流体骨架的截面为方形时，所述的人字形阴极集流体骨架的分支骨架截面为20mm×20mm～50mm×50mm，所述的人字形阴极集流体骨架的主干骨架截面大小为40mm×40mm～80mm×80mm；当所述的人字形阴极集流体骨架的截面为圆形时，所述的人字形阴极集流体骨架的分支骨架截面半径为20mm～60mm，所述的人字形阴极集流体骨架主干骨架截面半径为40mm～90mm。
所述的阴极集流体骨架为十字形导电集流体骨架。
所述的十字形导电集流体骨架的十字形分叉分支长度为50～100mm，相邻的所述的十字形导电集流体骨架经骨架的分支相互连接，所述的十字形导电集流体骨架的主干的长度为1500～2000mm；所述的十字形导电集流体骨架的当截面为方形时，所述的十字形导电集流体骨架的分支骨架截面为20mm×20mm～50mm×50mm，所述的十字形导电集流体骨架的主干骨架截面大小为40mm×40mm～80mm×80mm；当所述的十字形导电集流体骨架的截面为圆形时，所述的十字形导电集流体骨架的分支骨架截面半径为20mm～60mm，所述的十字形导电集流体骨架的主干骨架截面半径为40mm～90mm。
采用上述技术方案的含高导电骨架网络的铝电解槽复合阴极结构，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，其阴极材质与传统阴极一致，但在阴极系统的组成上与传统有差别，不同于传统阴极(均含有阴极炭块和矩形状阴极钢棒)，本发明取消了传统的阴极钢棒，取而代之的是具有更高导电特性的网状骨架集流体即阴极集流体骨架，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。该阴极集流体骨架使用高导电的材料做成网格状导电系统，通过在阴极加工成型过程中将其预埋至阴极内部，保证了阴极的完整性，同时可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，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。阴极集流体骨架的形状可根据电解槽大小、阴极尺寸调整。
本发明与现有阴极结构相比具备如下优点：
(1)应用本发明的复合阴极结构可以大幅度降低铝液层的水平电流。采用普通钢棒结构铝电解槽阴极结构，水平电流密度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，由于网状集流体具有良好的导电性，网格状的集流体则更容易吸引电流经其汇集，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，则水平电流与垂直磁场的作用力也更小，从而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。
(2)应用本发明可以对铝液中的电流分布进行优化。由于本发明的网状集流体在阴极内部的位置、集流体电导率的可控可调，因此可以针对不同型号的电解槽、不同母线配置的电解槽进行电流分布的优化，从而实现对铝液中水平电流的可控与优化。
(3)本发明的复合阴极对对槽寿命影响小。由于本发明的复合阴极通过将网状集流体在阴极炭块成型过程中嵌入到阴极中，因此网状集流体与阴极的结合紧密，且阴极炭块可以同时将这些网状集流体视为阴极炭块的骨架，从而大幅度提高炭块的机械性能。使用该复合阴极对槽寿命影响小甚至有助于提高槽寿命。
综上所述，本发明是一种能显著减小电解槽内铝液中的水平电流，并且能优化铝液中水平电流的分布，从而实现电解槽在低极距下稳定运行的含高导电骨架网络的铝电解槽复合阴极结构。
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中的采用人字形阴极集流体骨架的复合阴极半剖面示意图。
图3是本发明实施例1中的采用人字形阴极集流体骨架的复合阴极示意图。
图4是本发明实施例2中的采用十字形导电集流体骨架的复合阴极示意图。
图中：1-阴极炭块，2-人字形阴极集流体骨架，3-阴极钢棒，4-阴极钢棒糊，5-十字形导电集流体骨架。
具体实施方式
参见图1，在传统铝电解槽中，铝电解槽复合阴极结构由阴极炭块1、阴极钢棒3和阴极钢棒糊4组成，电流从立柱进入阳极母线，再经铝导杆流入槽内并从槽侧部流出，宏观上看电流的方向在铝液与阴极中进行了90度方向的转折，鉴于铝液的电阻率远小于电解质以及阴极炭块，造成了铝液中的水平电流的存在，而该水平电流不仅会影响垂直磁场，还与垂直磁场共同作用，影响槽内磁流体的稳定性。
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和图3所示是本发明的采用人字形阴极集流体骨架2的复合阴极，主要由阴极炭块1和人字形阴极集流体骨架2组成，人字形阴极集流体骨架2在阴极制作过程中，预先嵌入在阴极炭块1内，通过阴极的振动成型与焙烧实现二者的紧密结合。本实施例1中，阴极炭块1的总长度3000～4000mm，宽400～700mm，高400～600mm；阴极炭块1内嵌至少两组人字形阴极集流体骨架2，人字形阴极集流体骨架2上的人字形分叉分支长度为50～100mm，相邻两个分叉的角度为90～120°，主干的长度为1500～2000mm；人字形阴极集流体骨架2的截面为圆形或方形，当人字形阴极集流体骨架2的截面为方形时，人字形阴极集流体骨架2的分支骨架截面为20mm×20mm～50mm×50mm，人字形阴极集流体骨架2的主干骨架截面大小为40mm×40mm～80mm×80mm；当人字形阴极集流体骨架2的截面为圆形时，人字形阴极集流体骨架2的分支骨架截面半径为20mm～60mm，人字形阴极集流体骨架2的主干骨架截面半径为40mm～90mm；人字形阴极集流体骨架2的加工按照从对应于阴极炭块1边缘位置以及对应于中间位置向最高点阶梯状加高，即人字形阴极集流体骨架2在阴极炭块1中为阶梯倾斜布置，人字形阴极集流体骨架2在槽端部更靠近阴极炭块1的底部，而在槽中心则更靠近阴极炭块1的顶部。此种结构使铝液中的电流更容易流入与之相邻的人字形阴极集流体骨架2的分支中，再汇集并导入到下一台槽，由于人字形阴极集流体骨架2均匀布置在电解槽中，从而大幅度降低铝液中的水平电流，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4所示是本发明的采用十字形导电集流体骨架的复合阴极，主要由阴极炭块1和十字形导电集流体骨架5组成，十字形导电集流体骨架5在阴极制作过程中，预先嵌入在阴极炭块1内，通过阴极的振动成型与焙烧实现二者的紧密结合。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内嵌至少两组十字形导电集流体骨架5，十字形导电集流体骨架5上的十字形分叉分支长度为50～100mm，相邻的十字形导电集流体骨架5经骨架的分支相互连接，十字形导电集流体骨架5的主干的长度为1500～2000mm；十字形导电集流体骨架5的截面为圆形或方形，当十字形导电集流体骨架5的截面为方形时，十字形导电集流体骨架5的分支骨架截面为20mm×20mm～50mm×50mm，十字形导电集流体骨架5的主干骨架截面大小为40mm×40mm～80mm×80mm；当十字形导电集流体骨架5的截面为圆形时，十字形导电集流体骨架5的分支骨架截面半径为20mm～60mm，十字形导电集流体骨架5的主干骨架截面半径为40mm～90mm；十字形导电集流体骨架5的加工按照从对应于阴极炭块1边缘位置以及对应于中间位置向最高点阶梯状加高，即十字形导电集流体骨架5在阴极炭块1中为阶梯倾斜布置，十字形导电集流体骨架5在槽端部更靠近阴极炭块1的底部，而在槽中心则更靠近阴极炭块1的顶部。此种结构使铝液中的电流更容易流入与之相邻的十字形导电集流体骨架5的分支中，汇集成一个电流网络后，再导入到下一台槽，从而大幅度降低铝液中的水平电流，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 (8)
1.一种含高导电骨架的铝电解槽复合阴极结构，包括阴极炭块(1)，在所述的阴极炭块(1)内嵌入有至少一组在阴极制作过程中通过阴极的振动成型与焙烧实现二者紧密结合的网格状的阴极集流体骨架，其特征是：所述的阴极集流体骨架在所述的阴极炭块(1)中为阶梯倾斜布置，所述的阴极集流体骨架在槽端部更靠近阴极炭块底部，而在槽中心则更靠近阴极炭块顶部。
2.根据权利要求1所述的含高导电骨架的铝电解槽复合阴极结构，其特征是：所述的阴极集流体骨架的材质是高导电金属或金属合金材料。
3.根据权利要求1或2所述的含高导电骨架的铝电解槽复合阴极结构，其特征是：所述的阴极集流体骨架的截面为圆形或方形。
4.根据权利要求1或2所述的含高导电骨架的铝电解槽复合阴极结构，其特征是：所述的阴极集流体骨架为人字形阴极集流体骨架(2)。
5.根据权利要求4所述的含高导电骨架的铝电解槽复合阴极结构，其特征是：所述的人字形阴极集流体骨架(2)的相邻两个分叉的角度为90～120°。
6.根据权利要求4所述的含高导电骨架的铝电解槽复合阴极结构，其特征是：当所述的人字形阴极集流体骨架(2)的截面为方形时，所述的人字形阴极集流体骨架(2)的分支骨架截面为20mm×20mm～50mm×50mm，所述的人字形阴极集流体骨架(2)的主干骨架截面大小为40mm×40mm～80mm×80mm；当所述的人字形阴极集流体骨架(2)的截面为圆形时，所述的人字形阴极集流体骨架(2)的分支骨架截面半径为20mm～60mm，所述的人字形阴极集流体骨架(2)主干骨架截面半径为40mm～90mm。
7.根据权利要求1或2所述的含高导电骨架的铝电解槽复合阴极结构，其特征是：所述的阴极集流体骨架为十字形导电集流体骨架(5)。
8.根据权利要求7所述的含高导电骨架的铝电解槽复合阴极结构，其特征是：所述的十字形导电集流体骨架(5)的十字形分叉分支长度为50～100mm，相邻的所述的十字形导电集流体骨架(5)经骨架的分支相互连接，所述的十字形导电集流体骨架(5)的主干的长度为1500～2000mm；所述的十字形导电集流体骨架(5)的当截面为方形时，所述的十字形导电集流体骨架(5)的分支骨架截面为20mm×20mm～50mm×50mm，所述的十字形导电集流体骨架(5)的主干骨架截面大小为40mm×40mm～80mm×80mm；当所述的十字形导电集流体骨架(5)的截面为圆形时，所述的十字形导电集流体骨架(5)的分支骨架截面半径为20mm～60mm，所述的十字形导电集流体骨架(5)的主干骨架截面半径为40mm～90mm。
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