CN105018969B - 电极及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电极及其制作方法。一种用在用于铝生产的电解过程中的电极，该电极(3，20)包括与电流引线(1，21)连接的煅烧碳质材料体。该电流引线被嵌入所述碳质体内的凹口中。该凹口比该引线更宽并被用导电材料填充。该导电材料包括导电粒子(4，4′)。该方法涉及这种电极的生产和在电极已经被耗损后导电材料的回收。

Description

电极及其制作方法
本申请是基于申请号为200980104432.4、申请日为2009年2月2日、发明名称为“电极及其制作方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及电极及其制作方法。尤其是本发明涉及用于铝的电解生产的预烘干电极，且它能够被应用于阳极(正电极)及阴极(负电极)两者。
背景技术
通常，预烘干阳极被固定于形成阳极吊钩一部分的柱头螺栓(stud)上。该阳极有预先形成的能让柱头螺栓进入的孔。柱头螺栓与阳极之间的固定是通过在每个单独的柱头螺栓与阳极中对应孔之间的环形空间中浇注熔融的铸铁实现的。
类似地，对阴极块中集电条的固定，在该块中有预先形成的能让该条进入的狭缝。狭缝壁和条之间的空间被用熔融的铸铁填充。
熔融铸铁的使用，对例如能够熔化铸铁的熔炉和相应的分配和浇注系统的投资(investment)来说，有些牵连。此外，在把铸铁浇注进阴极中凹口之前，由于熔融金属与电极(室温)之间温度的巨大差别，电极和集电条必须预热。对于阳极，柱头螺栓在一些技术中是被预热的。其他涉及把集电条嵌入接触膏(contact paste)中的技术，将导致在阴极的预热或加热下蒸汽和烟雾会被排出。
由于组成阳极的碳材料的消耗，预烘干阳极在池中一般约30天后被耗损，其后它必须被更换。已耗损的阳极(残电极)被输送到某种设施，在那里通过移除阳极的余下材料连同铸铁残留物，阳极吊钩的柱头螺栓被清洁。通常，这一步是通过机械捆牢工具(frapping tool)的使用实施的。
新阳极的组装和移除已耗损阳极的残电极的操作是费时和昂贵的。类似的操作将应用于使用时间更长的阴极块，这里集电条和碳材料在丢弃或再利用前必须分离。
US 4,574,019涉及一种工艺，用于通过粘结物质的使用把阳极块附着在阳极悬挂装置上。该物质至少在900℃和1000℃之间的温度中有一定的机械强度并有良好的导电性能。该粘结物质能够是固体、结合剂和固化剂的混合物。该固体能够由诸如铁、铜或铝的金属粉末代表。该金属的粒子大小最大应当是1mm。这种类型的接触物质在EP 0 027 534中有进一步的描述。
发明内容
按照本发明，有施加的导电粒子在电极中的电流引线和煅烧碳质材料之间作为填入材料。没有硬化基质的导电粒子的使用，有利于导电粒子的再使用。此外，已经发现应用本发明的阴极的电阻要比通常使用接触膏的有所改进。按照本发明的阳极已经被测量到类似的改进结果。
如在所附的权利要求书中被定义的，这些和更多的优点将被本发明获得。
附图说明
本发明将在下面通过图和例子进一步描述，其中：
图1公开通过柱头螺栓的剖面图，该柱头螺栓被嵌入有第一固定装置的阳极内的孔中；
图2公开通过柱头螺栓的剖面图，该柱头螺栓被嵌入有第二固定装置的阳极内的孔中；
图3公开通过轭铁的剖面图，该轭铁即将被嵌入有第三固定装置的阳极内的孔中；
图4a公开按照本发明的阴极单元；
图4b公开图4a的阴极单元、电流和电压测量机构；
图5以图解方式公开阴极中在集电条与碳材料之间被周期地测量的电阻(微欧姆)；
图6a-b公开一种有向前的固定装置的、即将被组装的阳极；
图7a-b公开在中间的固定位置的图6a-b的阳极；
图8公开在其最后固定位置的图6a-b的阳极；
图9以端视图方式公开按照本发明的阴极单元的第二实施例；
图10公开在惯用的铸铁粘结处和图8所示粘结处的电压降。
具体实施方式
如在图1中所示，通过柱头螺栓1的剖面被公开，该柱头螺栓1被嵌入阳极3内的孔2中。该孔比柱头螺栓的对应尺寸更宽，且柱头螺栓与孔之间的环形空间被用导电固体或粒子4填充，该固体或粒子在本实施例中是钢珠。长钉5或诸如此类零件通过孔6穿透柱头螺栓并进一步进入阳极3内的孔7中，以便使各部分机械地彼此固定。另外，长钉能够被刻螺纹的螺栓代替以便对柱头螺栓和孔更好地紧固抓牢。该螺栓可以方便地有螺栓头用于更简单的组装/拆除(未画出)。
如在图2中所示，通过柱头螺栓1′的剖面图被公开，该柱头螺栓1′被嵌入有第二固定装置的阳极3′内的孔2′中。该孔有向下散开的圆锥段8′。柱头螺栓与孔之间的空间被用导电粒子4′填充，导电粒子在本实施例中是钢珠。在部分填充的高度上，大量钢珠被适当的焊接工具9′焊接到柱头螺栓上，使柱头螺栓被相对于孔固定。
如在图3中所示，通过与杆113连接的轭铁111的剖面图被公开。轭铁与杆两者有允许柱101及102被强迫与柱103及104分开的狭缝112。当轭铁被强迫分开时，轭铁能够被放到阳极130中的位置。当强迫力被消除时，柱102及103上的槽口(122，123)能够被装配进阳极130内的孔中被预先机械加工的凹口(132，133)。
图4a公开按照本发明的阴极单元20，这里该阴极单元临时放置在两块支承木材(28，29)上。该单元有两条让集电条21、22插入的纵向狭缝23、24。每一集电条与对应的狭缝之间的空间被用导电粒子(未画出)填充。封盖25、26在单元的一端把该空间密封，同时类似的盖也同样被应用于底部以及阴极单元的另一端(未画出)。临时的固定系统保持各个单元在适当位置直到在电解池中最后组装。
在图4b中被公开的是在实验中如何完成电压和电流的测量。电阻是由测量的电压除以测量的电流计算的。
在图5中被公开的是在阴极块中一条集电条与煅烧碳材料之间测量的电阻，所述集电条已经被嵌入阴极块中。在实验中，已经按照本发明原理完成两种平行的测量。
从该图可见，按照本发明的原理对被嵌入的集电条测量的电阻，由两条最下面的曲线(301、302)表示。
从该块的顶部到钢的端部对四条钢测量的电阻在50到60μΩ之间，该值在测量设备精度之内。这些实验持续约8个月，而从该图解可见，电阻是相对稳定的。在这些曲线之上的曲线涉及同一铝池中用接触膏作接触介质的对比阴极。
在图6a中，设有一组固定装置222、223的轭铁部分211(这里没有画出它的悬杆)被公开，该组固定装置222、223与阳极块中制成的凹口234对应。图6b是图6a的侧视图，公开了在其相对侧有一个类似的固定装置222′的固定装置222。类似的固定装置应用于固定装置223上，但这里没有画出。从图6b可见，轭铁部分211能够被允许进入凹口234，而固定装置222、223被分别布置成与凹口235、235′配对。
还见图7a，这里轭铁211已经被放进234，且固定装置222、223已经分别被放进敞开的顶部凹口232、233中。图7b公开阳极230中分别在凹口235、235′内就位的固定装置222及其相对的固定装置222′。
在图8中，轭铁211已经相对阳极230被横向移动，而固定装置222、223已经被移动到凹口235的一部分，该凹口235对固定装置222、223是顶部被封闭的。这种固定原理能够被称为滑动装配(put-slide)。
然后，轭铁211与凹口234未被占用部分之间的空间被用诸如钢丸的导电粒子填充。
应当理解，凹口234、235、235′可以呈燕尾形状，即有根切的形状。
在上面例子中的固定装置222、223由圆柱形棒组成，圆柱形棒被送进通过轭铁部分211的孔。这些棒能够通过压配合布置被固定，并被布置成易于撤除和替换。
在替代方案中，固定装置的形状能够是平坦的，即具有靠在阳极中的凹口上起作用的更扩展的平表面。
凹口的主部分可以在阳极处于其未经处理的条件下，即在它被煅烧之前被形成。然后，凹口能够被旋转处理工具校正，该旋转处理工具要么具有与凹口最后形状互补的形状，要么具有的尺寸小于(mince than)最后形状的尺寸。该工具能够被布置成适应CNC机器或诸如此类的机器，从而该机械加工(处理)将按自动化方式被实施。在该机械加工处理中至少顶部凹口232、233之一被制成并接着该工具在电极内被往前移动以制造凹口234。即使当电极在未经处理的条件下尚没有预先形成的凹口，该凹口也能够如上面陈述的类似方式被处理。
在图10中，被公开的是在惯用的轭铁(有柱头螺栓)及基于铸铁的阳极连接中，和在如图8所示用钢丸的本滑动装配的轭铁连接中，监控电压降对时间的两条曲线。在两种情形下，测量是在阳极块以上10cm的轭铁/连接套(nipple)部分和在阳极块表面上沿横向方向相对该轭铁/连接套偏移10cm处进行的。
从图10可见，在某一时间周期例如约200小时之后，图6所示实施例中电压降被测量的是在60-80mV的区间内。在惯用的连接套/阳极连接中的电压降被测量是在100-110mV的区间内。
图9公开了在其较下部分中有凹口或狭缝23′(这里只描述7个之一)的阴极20′的端视图。与图4a-b的实施例类似，集电单元21′被布置进入狭缝，这里剩余空间被用导电粒子填充。集电单元21′在该实施例中被固定到收集电流并保证稳定性的集电板30′上。
在替代方案中，集电单元21′能够部分地或全部地被除去，而狭缝23′被用产生与集电板30′电连接的导电粒子填充。
有利的是，阴极20′和集电板30′在粒子的填充过程中被稍稍倾斜，以便让粒子以流畅的方式填充凹口。
凹口或狭缝23′能够用上面陈述的类似处理制作。在煅烧条件下，凹口能够被包括一个或多个旋转锯片的处理装备制造，该锯片被送进阴极中，并且然后启动该阴极与该处理装备之间的相互运动。
应当理解，导电固体或粒子能够是任何合适的金属，诸如钢、铁、铜、铝等等或其合金。此外，固体的形状能够是球形、卵形或椭圆形、片状的或有任何合适的形状。尺寸和粒子分布可以变化。最大的尺寸一般将受待填充空间的限制。要以粒子之间小的空间获得尽可能致密的填充，粒子尺寸的非均匀分布可能是适宜的。
被应用的材料除了有良好的导电性能外，应当有良好的机械性能(压碎性能)并能耐受高温。如在稍后的叙述，磁性能可能是有利的。
此外，所述固体的尺寸能够从0.1毫米到接近阳极中柱头螺栓与孔/凹口的壁之间的最小开口。通常该尺寸可以高达10毫米。固体的类似尺寸能够被应用于阴极单元，这里该尺寸由集电条与狭缝壁之间的开口决定。
导电粒子能够被贮藏在容器中或在比要填充的电极中的凹口更高高度上的适当贮藏器中。被固定到这个有阀门及朝向狭缝的适当开口的容器的管，可以调整进入狭缝的粒子的正确的量。由此，输送和分配能够借助重力馈送(gravity feed)完成。填充时，能够应用振动以获得更致密的填充。电极和/或轭铁/集电条能够被振动。在替代方案中，振动棍能够在用导电粒子填充的凹口时被应用，以直接产生被填入材料的振动。
已经对用钢沙(小的铁粒子)作被填入材料的阳极进行的实验表明，在约12小时的操作后，粒子变得有些粘性并“胶结”在一起。与此同时，粒子的团块似乎有一定的机械强度。至于被悬挂的阳极，这种效应将有利地帮助轭铁机械固定到阳极。所叙述的效应还没有被充分理解，但温度和凹口中阳极轭铁实际部分及填入材料的可能的膨胀，可以产生类似于烧结材料的过程。
此外，通常使用的用于阳极的极环膏(collar paste)或其他保护物质可以被用于制作在导电粒子顶部的包封和保护层。类似的将应用于阴极。
已被耗损的阳极通常能够在铁钎清扫站(rodding station)中被处理，残电极在那里被从轭铁清除(在移除任何阳极覆盖材料之后)。残电极最好按沿它的固定方向大体分成两片落下的方式被破碎。另外，它能够被碾碎或被从吊钩敲落。残电极方便地被放在传送带上。
在已经应用导磁粒子作填入材料的情形中，阳极轭铁最好被适当的装置磁化，由此粒子在残电极清除期间将被吸引到轭铁。
在残电极已经被清除之后，轭铁最好被移至铁钎清扫站的另一部分以便填入材料的回收。然后，轭铁能够被消磁以让粒子掉下。因为粒子容易掉下，所以任何在轭铁的以前被嵌入部分上的剩余粒子能够通过简单的诸如刮擦的机械方法被清除。
作为最后的清除步骤，在轭铁的以前被嵌入部分的粒子最好能够用如实际填入材料一样类型或一致的粒子，诸如铁、钢或任何导电材料的粒子吹掉(如通过喷沙)。除此之外，喷沙能够用沙、矾土或任何其他合适材料实施。
通常，残电极将被运输到电极膏车间或诸如此类车间。在残电极离开或接近离开铁钎清扫站之前，把剩余填入材料从残电极分离是有利的。在使用磁性填入材料的情形，该材料能够在磁性分离站中被从残电极分离。例如，残电极能够在接近一个或多个从残电极吸引磁性粒子的磁化单元的传送带上被输送。残电极最好在该处理期间被摇动或拍击。磁化单元能够周期性消磁以让粒子掉下，而在可能的粒子群碾碎及粒子材料分类之后，粒子能够被再用作填入材料。
应当理解，非磁性填入材料即使其分离和回收技术与上面描述的略有不同，同样能够被回收和再使用。一种筛子可以用于把残电极从填入材料分离。
被回收的填入材料可以作为粒子群掉下。将要被填充的实际凹口的开口，决定这些群可能需要碾碎成或多或少的作为填入材料再使用的单粒子。碾碎能够采用惯用的设备完成。
上面叙述的填入材料的回收已经借助用作阳极的电极说明。然而，类似的组合适当步骤的分离处理同样能够被应用于阴极。
在电极的组装中，把石墨悬浮体加到要被嵌入碳质材料的电引线上是有利的。这通常通过铸铁连接实现。
把例如石墨的一些干粉末混合在填入材料中可能是有利的。这样能够帮助在残电极站中填入材料的清除，即回收。

Claims (6)

1.一种用于铝生产的电解过程中的阳极，所述阳极包括与电流引线连接的煅烧碳质材料体，其中所述电流引线被嵌入所述煅烧碳质材料体内的凹口中，该凹口比该引线更宽并用导电材料填充，特征在于该导电材料仅包括导电粒子，并且所述电流引线是板状形状且具有矩形截面，其中所述电流引线和所述煅烧碳质材料体借助机械固定装置连接，其中阳极块借助电流引线上的凸出固定装置和布置在所述阳极中的一个或多个凹口固定于电流引线上，其中电流引线上的所述凸出固定装置(222)与所述阳极块中的相应的敞开顶部凹口(232)配对，并且锁在与该凹口(232)连通的凹口(235)的位置中，其中该凹口(235)关于固定装置(222)是顶部被封闭的。
2.根据权利要求1所述的用于铝生产的电解过程中的阳极，特征在于所述导电粒子有球形的形式。
3.根据权利要求1所述的用于铝生产的电解过程中的阳极，特征在于所述导电粒子有卵形或椭圆形的形式。
4.根据权利要求1所述的用于铝生产的电解过程中的阳极，特征在于所述导电材料包括磁性粒子。
5.根据权利要求1所述的用于铝生产的电解过程中的阳极，特征在于所述导电粒子由铁或铁合金制成。
6.根据权利要求1所述的用于铝生产的电解过程中的阳极，特征在于所述导电粒子由钢或钢合金制成。
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