CN105934539A - 阳极组件以及相关的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造用于通过电解作用生产铝的池的阳极组件的方法，该阳极组件是具有一个阳极棒(1)、一个纵向构件(2)和一个碳阳极(3)的类型，该纵向构件与该阳极棒(1)的一端(11)相互联结，该碳阳极包括一个腔(30)，该纵向构件(2)被容纳在该腔内，该方法包括填充有密封材料(41)的至少一个密封区域和没有密封材料的至少一个未密封区域的形成阶段，所述至少一个未密封区域延伸在该纵向构件(2)的纵向端之一。

Description

阳极组件以及相关的生产方法

技术领域

本发明涉及被设计用于通过电解作用生产铝的池的阳极组件，以及制造这样的阳极组件的方法。

特别地，所述方法适用于带有预先烘烤的阳极的电解池。

背景技术

铝主要是通过溶解在冰晶石浴中的氧化铝的电解作用生产的。使此操作成为可能的电解池由一个内部衬有耐火隔热产品的钢制槽壳组成。

由碳块形成的阴极被放置在该槽壳中。其顶部放置有浸渍到冰晶石浴中的一个阳极或多个碳阳极或多个碳阳极块。这个(这些)碳阳极因来自氧化铝的分解的氧气而逐渐氧化。

电流流动是穿过通过焦耳效应而被维持在液体状态中的冰晶石浴从阳极到阴极。

因为池的通常操作温度在930℃到980℃之间，所以生产的铝是液体并且因重力而被沉积在阴极上。定期地，通过浇注包抽取产生的铝或产生的铝的一部分并且将其转移到浇注炉。一旦阳极被耗尽，就用新的阳极替换它们。

为了允许阳极被操纵和供应有电力，每个阳极通常与一个结构相关联以形成一个阳极组件。此结构通常由以下部件组成：

-阳极棒，该阳极棒由具有高电导率的材料(诸如铝或铜)制成，以及

-固定装置，该固定装置由对阳极的高操作温度有抵抗力的材料(诸如钢)制成。

该固定装置通常包括一个多足件(multipode)，该多足件由一个横向构件形成，该横向构件被固定到与多个优选地圆柱形的短柱相关联的棒的基部，所述短柱的轴线平行于该棒。

所述短柱被部分地插入制作在阳极的顶面上的腔内并且所述短柱和所述腔之间的间隙被填充有熔融金属，通常是铸铁。以此方式制作的金属衬套(douille)使确保该棒和该阳极之间的良好的机械附接和良好的电连接成为可能。

然而，已经在现有技术中发现，短柱的存在导致阳极的连接处的欧姆电压降(chute ohmique)，以及通过阳极组件的热损耗。

因此，文件WO 2012/100340提出了一种阳极组件，其中由横向构件和短柱组成的组件被替换成一个纵向连接杆。在密封期间，该连接杆被插入到制作在阳极的顶面上的一个纵向凹槽内。熔融铸铁然后被沉积在该连接杆的周边以填充该连接杆和该凹槽之间的空间。

此解决方案改进了阳极中的电流分布，减少了碳和铸铁之间的接触处的欧姆电压降且限制了热损耗，如已经从文件FR 1326481习知的，文件FR 1326481提出了一种与WO2012/100340相同的解决方案。

然而，如果现有技术的阳极组件含有优选地圆柱形短柱，则这是为了降低由于在将阳极插入到冰晶石浴内期间固定装置经历的膨胀所造成的阳极退化的风险，冰晶石浴的温度在930℃到980℃之间。

与圆柱形短柱——其膨胀引起径向热膨胀力施加在阳极上——不同，金属杆的热膨胀导致横向力和纵向力被施加到阳极，有使阳极破裂的倾向。

在FR 1326481和WO 2012/100340中未提出对此破裂问题的解决方案。

本发明的一个目标是提供一种比在FR 1326481和WO 2012/100340中提出的那些阳极组件更耐用的阳极组件，此阳极组件使提高碳阳极中的电流分布、降低碳和铸铁之间的接触处的欧姆电压降以及限制通过进入碳阳极的钢制导体的电解池的热损耗成为可能。

本发明的另一个目标是提供制造这样的耐用的阳极组件的方法。

发明内容

为此，本发明提出了一种制造用于通过电解作用生产铝的池的阳极组件的方法，该阳极组件是具有一个阳极棒、一个纵向构件和一个碳阳极的类型，该纵向构件与该阳极棒的一端相互联结，该碳阳极包括一个腔，该纵向构件被容纳在该腔内用于将该纵向构件密封到该碳阳极，其显著之处在于，该方法包括填充有密封材料的至少一个密封区域和没有密封材料的至少一个未密封区域的形成阶段，所述至少一个未密封区域延伸在该纵向构件的纵向端之一。

因此，该纵向构件被密封在该碳阳极中以建立机械附接和电连接，且该纵向构件的纵向端之一没有密封材料的事实使限制碳阳极的破裂的风险成为可能。

在该纵向构件的纵向端之一处存在一个不具有密封材料的体积可以限制当膨胀时且更具体地当在该纵向构件的纵向方向上膨胀时通过该纵向构件施加到阳极的力的强度。

有利地，该形成阶段可以包括：

-一个填充有密封材料的密封区域的形成，所述密封区域在该纵向构件的纵向侧面和该腔的纵向内壁之间延伸，以及

-两个未密封区域在该纵向构件的两个纵向端处的形成，每个未密封区域在该纵向构件的一个横向侧面和该腔的一个横向内壁之间延伸。

在此情况下，该阳极组件包括两个未密封区域，每个未密封区域延伸在该纵向构件的一个相应的纵向端。所述未密封区域然后被分布在阳极棒的两边，其首先允许膨胀力的强度的更好的分布，且其次给出了阳极组件的更好的质量平衡。

该形成阶段可包括将模板材料(matériau de coffrage)就位到该纵向构件和该腔的内壁——例如纵向内壁和可能地该腔的一个基底——之间的一个间隙内以便限定至少一个密封区域和至少一个未密封区域的步骤。为此，该模板材料可以被放置在该纵向构件的至少一端处以使得该模板材料在该纵向构件的纵向侧面上延伸。一旦该模板材料已经被放置，该纵向构件可以与该模板材料一起被插入到该腔内以使得该模板材料与该腔的内壁和该纵向构件的面一起限定密封区域和未密封区域。在将该纵向构件插入到腔内之前在该纵向构件上放置模板材料便于该模板材料的就位。这还确保对该模板材料的位置的更好控制。

在一个替代实施方案中，该模板材料是一个垫(natte)。可以通过胶合或拴系将该垫固定到该纵向构件的一个底面和纵向侧面周围。该模板材料在该纵向构件的底面上延伸的事实使在该纵向构件下面限定一个其中可以插入密封材料的空间。将该密封材料插入该纵向构件的底面和该腔的一个基底之间改进了阳极中的电流分布。

优选地，该形成阶段包括通过浇注液体或粘性状态的密封材料来填充密封区域的步骤。浇注液体或粘性状态的密封材料确保密封材料在整个密封区域的良好分布。

该形成阶段还可以包括在填充步骤之后移除该模板材料的步骤，以及可选地包括用填充材料(matériau de garnissage)填充未密封区域的步骤。这限制了由铝制造中使用的材料阻塞未密封区域的风险。这样的阻塞在某些情况下可以导致阳极破裂的风险增加。

本发明还涉及一种用于通过电解作用生产铝的池的阳极组件，该阳极组件具有一个阳极棒、一个纵向构件和一个碳阳极，该纵向构件与该阳极棒的一端相互联结，该碳阳极包括一个腔，该纵向构件被容纳在该腔内，其显著之处在于，该阳极组件附加地包括在该腔和该纵向构件之间的一个间隙，该间隙包括含有密封材料的至少一个密封区域和没有密封材料的至少一个未密封区域，所述至少一个未密封区域延伸在该纵向构件的纵向端之一。

该阳极组件的优选的而非限制性方面是：

-该阳极组件包括在该纵向构件的两个纵向端处的至少两个未密封区域，以及在该纵向构件的纵向侧面和该腔的纵向内壁之间延伸的至少一个密封区域，

-该密封区域还在该纵向构件的一个底面和该腔的一个基底之间延伸。

-该未密封区域包括填充材料，所述填充材料被压缩到一个足够低于其最大压缩比率的标称值以允许该纵向构件的膨胀。

-该填充材料是岩棉。

根据一个有利的实施方案，该阳极组件包括一个支撑件，多个阳极棒、多个纵向构件和多个碳阳极被附接到该支撑件。该支撑件更具体地垂直于所述纵向构件水平地延伸。

附图说明

阳极组件以及其制造方法的其他特性和优点将从作为非限制性实施例给出的参考附图中的本发明的实施方案的以下描述中清楚地显露，在附图中：

-图1是阳极组件的透视图；

-图2是一个纵向构件和一个阳极棒的透视图，

-图3是一个在其上表面中包括一个腔的阳极的透视图，

-图4到图6是阳极组件的不同实施例的俯视图，

-图7是密封阳极组件的方法的方框图；具体地，图7例示了该密封方法的形成阶段的步骤，以及

-图8示意性地例示了一个包括多个阳极的阳极组件。

具体实施方式

我们现在将描述制造阳极组件的方法的一个实施例以及从该过程获得的阳极组件的多个实施例。在这些不同的图中，等同的元件具有相同的参考数字。

在下面的文本中，将参考一个沿着轴线A-A’延伸的阳极棒使用表达“侧面”、“底面”、“顶面”、“侧壁”以及“基底”。

读者将理解的是，在本发明的上下文中：

-“底面”或“顶面”意指在垂直于轴线A-A’的平面中延伸的面，一个给定的部件的顶面比底面更接近于阳极棒，

-“侧面/侧壁”意指在平行于该阳极棒的轴线A-A’的平面中延伸的面/壁，

-“纵向面/纵向壁”意指平行于一个纵向物体(例如腔或纵向构件)的纵向轴线延伸的面/壁，

-“横向面/壁”意指垂直于一个纵向物体的纵向轴线延伸的面/壁。

图1示出了根据本发明的阳极组件的一个实施例。参考图1到图3，该阳极组件包括阳极棒1、纵向构件2以及碳阳极3。

阳极棒1由导电材料制成。它沿着轴线A-A’延伸。该阳极棒是本领域技术人员常规已知的类型并且稍后将不被更详细地描述。

纵向构件2形成固定装置。纵向构件2由能够承受阳极组件的高操作温度的导电材料制成。例如，该纵向构件由钢制成。

纵向构件2的尺度可以是如下：

-长度L在80厘米到200厘米之间，

-宽度I和高度h在5厘米到50厘米之间。

在所有情况下，长度L至少是纵向构件2的宽度I的两倍。

纵向构件2在阳极棒1的端11之一处与该阳极棒相互联结，并且沿着垂直于轴线A-A’的纵向轴线B-B’延伸。纵向构件2包括与阳极棒1接触的顶面23、与顶面23相对的底面24、两个纵向侧面22和两个横向侧面21。纵向构件2是例如一个杆(可能是矩形的)，并且可以包括齿，特别地具有倒圆轮廓，在其侧面21、22和/或其底面24上。

阳极3是由预先烘烤的碳材料制成的阳极块，所述预先烘烤的碳材料的成分和一般形状是本领域技术人员已知的且稍后将不被更详细地描述。阳极3的顶面具有一个内容纳纵向构件2的腔30。

有利地，腔30可以具有与纵向构件2的形状互补的形状。在此情况下，腔30包括内纵向侧壁32、内横向侧壁31以及基底34。

替代地，腔30可以由一个在阳极3的两个侧边缘33之间延伸的凹槽组成。这使腔30的形成过程变得容易。

设计该腔或凹槽的宽度I大于纵向构件2的宽度以使得能够插入纵向构件2。

该阳极组件还包括填充有密封材料41的密封区域。所述密封区域在腔30的纵向内壁32和纵向构件2的纵向侧面22之间延伸。

在本发明的上下文中，“密封材料”被理解为意指能够形成阳极和纵向构件之间的刚性、导电连接的材料，所述连接通常是通过在纵向构件和阳极之间的金属浇注(诸如铸铁)或通过导电胶提供的。

如图1以及图4到图6中例示的，密封材料41不覆盖纵向构件2的所有侧面21、22。密封材料41仅覆盖纵向侧面22，位于纵向构件2的纵向端处的纵向侧面的周边部分可能除外。

换句话说，该阳极结构包括在纵向构件2的纵向端处的未密封区域，每个端由横向侧面21和可能地纵向侧面22的一个端部组成。

可选地，底面24也可以用密封材料41覆盖，位于纵向构件2的纵向端处的底面24的周边部分可能除外。底面24用密封材料41至少部分地覆盖的事实提高了电流在纵向构件2和阳极3之间的传导。

因此，所述未密封区域缺乏密封材料41。这使限定足够的自由空间以确保在纵向构件2膨胀期间通过纵向构件2纵向地施加的力小于阳极3的破裂极限值成为可能。

作为指导，回想到钢制构件1m长的纵向长度可以在1000℃下经受最多达2厘米的纵向膨胀。然后理解的是，当纵向构件2在所有其侧面21、22上用密封材料41覆盖时，纵向膨胀可以引起阳极3的非常显著的退化(破裂、爆裂等)。

未密封区域可以被留置为空。

替代地，未密封区域可以全部或部分填充有可压缩的填充材料42，该可压缩的填充材料可能是一种返回到其原始形状的材料，诸如岩棉。这避免了例如来自覆盖材料粉末的多堆不可压缩的材料阻塞未密封区域的风险，所述覆盖材料粉末会将纵向构件的膨胀应力传输到阳极3。

优选地，填充材料42被压缩到一个足够低于其最大压缩比率的标称值以在限制施加到阳极3的力的同时允许纵向构件的膨胀。

除填充材料42之外，未密封区域可以在密封材料41和填充材料42之间包括模板材料43。此模板材料43被用来限定一个对应于一个密封区域(即，将被密封的区域)的容纳体积，在下文中将更详细地描述阳极组件的制造过程期间，密封材料41被插入在所述密封区域中。

模板材料43优选地是对高温有抵抗力而不退化或燃烧的可压缩材料，诸如玻璃纤维、耐火纤维、陶瓷纤维或优选地生物可溶性纤维，诸如例如

参考图4到图6，以俯视图例示了阳极组件的多个实施方案。

如图4中例示的，腔30和纵向构件2之间的间隙可以仅包括填充有密封材料41的密封区域和缺乏材料的未填充区域。为此，在填充密封区域之后将模板材料43从阳极组件移除，且没有填充材料被插入到纵向构件2的纵向端处。

如图5中例示的，腔30和纵向构件2之间的间隙可以包括填充有密封材料41的密封区域和仅含有填充材料42的未密封区域(即，没有模板材料)。为此，在形成密封区域和将填充材料42插入到纵向构件2的纵向端处之后移除模板材料43。

最后，如图6中示出的，阳极组件可以包括一个或多个相关的腔30和纵向构件2。每个间隙可以包括填充有密封材料41的密封区域、由填充材料42和模板材料43组成的未填充区域。

不管哪个实施方案，阳极组件包括位于纵向构件2的纵向端之一处的至少一个未密封区域，所述未密封区域没有(即，不含有)密封材料。

优选地，且如多个图中例示的，阳极组件包括两个未密封区域，每个未密封区域延伸在纵向构件的一个相应的纵向端。这允许阳极内的电流、膨胀力的强度的更好分布，以及通过提高阳极组件相对于轴线A-A’的对称性允许阳极组件的质量的更好的平衡。

我们现在将描述将纵向构件2密封到碳阳极3以获得阳极组件的方法的一个实施例。更具体地，下文我们将参考图7描述密封过程的密封区域和未密封区域的形成阶段5。

可以应用此形成阶段5以形成单个未密封区域和单个密封区域，该未密封区域延伸在纵向构件2的纵向端之一且该密封区域在所有剩余的、限定在腔30和纵向构件之间的体积上延伸。

替代地，可以应用此形成阶段5以在纵向构件2的纵向端处形成两个未密封区域，以及一个(或多个)密封区域。

在下文中，我们假设包括两个密封区域的阳极组件的制造，所述密封区域各自与纵向构件2的一个相应的纵向端相关联。还假设先前已经通过模制或本领域技术人员已知的其他技术制作了阳极3的腔30。

在该方法的一个步骤50中，模板材料43被就位以限定：

-至少一个“密封区域”(即，将被密封的区域)，期望将密封材料插入所述密封区域内；以及

-两个“未密封区域”(即，将不被密封的区域)，期望避免在所述未密封区域内存在密封材料。

模板材料43可以被就位到纵向构件2上或直接在腔30内。

此模板材料43可以是玻璃纤维的垫，该垫具有的直径大于或等于纵向侧面22和相对的纵向内壁32之间的距离。垫的使用便于模板材料43的就位操作。

此垫可以例如被放置501——可选地通过胶合或拴系——在纵向构件2上，之后纵向构件被插入到腔30内。

一旦该垫子已经被放置，纵向构件2就被插入502到腔30内。该垫被压缩在纵向侧面和纵向内壁之间。

有利地，该垫可以具有非零径向弹性。这确保该垫首先接触纵向构件2且其次接触腔30的内壁，甚至当一个(或多个)固定凹槽被安排在腔30的纵向内壁32内以改进密封材料和阳极之间的固定。

有利地，该垫可以被安排在纵向构件2的底面上(除纵向侧面之外)。一旦纵向构件2已经被插入到腔30内，就在底面24和基底34之间创建了一个空间，借由此空间的形成，可以在基底34和底面24之间沉积密封材料41。这使改进如此获得的阳极组件的电气性能成为可能。

纵向侧面22、纵向内壁32和模板材料43——且可能地底面24和基底34——限定一个对应于密封区域的约束体积。横向侧面21、横向内壁31和垫43在纵向构件2的纵向端处限定两个未密封区域。

在另一个步骤51中，液体或粘性状态的密封材料41被插入到密封区域内，可选地通过浇注。密封材料41沉积在纵向侧面22和纵向内壁32之间。

一旦密封材料41已经凝固，该垫可以被移除(步骤52)以形成没有模板材料43的未密封区域。

替代地，该垫可以原位地留在未密封区域中。

未密封区域然后可以被填充(步骤53)有填充材料42。

这给出了一种包括位于纵向构件的纵向端之一处的至少一个未密封区域的阳极组件。这限制了当阳极3被插入到冰晶石浴内时阳极3破裂和/或爆裂的风险。

如图8中例示的，上文所描述的方法可以被用来生产大宽度的阳极组件。这样的阳极组件则由一个水平延伸的纵向支撑件6组成，该纵向支撑件在其至少一端中包括一个电开关61用于向从支撑件6悬挂的阳极子组件提供电力，每个阳极子组件通过其相关联的阳极棒1固定到支撑件6。纵向构件2相对于支撑件6横向延伸以使得该支撑件的纵向轴线I-I’垂直于纵向构件2的纵向侧面22。该支撑件有利地从电解池的一侧向另一侧延伸且被支撑和电连接在其端处。

Claims (15)

1.制造用于通过电解作用生产铝的池的阳极组件的方法，该阳极组件是具有一个阳极棒(1)、一个纵向构件(2)和一个碳阳极(3)的类型，该纵向构件与该阳极棒(1)的一端(11)相互联结，该碳阳极包括一个腔(30)，该纵向构件(2)被容纳在该腔内用于将该纵向构件(2)密封到该碳阳极(3)，其特征在于，该方法包括填充有密封材料(41)的至少一个密封区域和没有密封材料的至少一个未密封区域的形成阶段(5)，所述至少一个未密封区域延伸在该纵向构件(2)的纵向端之一。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中该形成阶段(5)包括：

-一个填充有密封材料(41)的密封区域的形成，所述密封区域在该纵向构件(2)的纵向侧面(22)和该腔(30)的纵向内壁(32)之间延伸，以及

-在该纵向构件(2)的两个纵向端处的两个未密封区域的形成，每个未密封区域在该纵向构件(2)的一个横向侧面(21)和该腔(30)的一个横向内壁之间延伸。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的方法，其中该形成阶段(5)包括将模板材料(43)就位到该纵向构件(2)和该腔(30)的内壁之间的一个间隙内以便限定至少一个密封区域和至少一个未密封区域的步骤(50)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中就位步骤(50)包括：

-该模板材料(43)在该纵向构件(2)的至少一端处的放置以使得该模板材料(43)在该纵向构件(2)的纵向侧面(22)上延伸的子步骤(501)，以及

-将该纵向构件(2)与该模板材料(43)一起插入到腔(30)内以使得该模板材料(43)与该腔(30)的内壁(31，32，34)和该纵向构件(2)的面(21，22，24)一起限定密封区域和未密封区域的子步骤(502)。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其中该模板材料(43)的固定的子步骤(501)包括至少一个垫在该纵向构件(2)的纵向侧面(22)和一个底面(24)周围的胶合或拴系。

6.根据权利要求3到5中的任一项所述的制造方法，其中该形成阶段(5)还包括通过浇注液体或粘性状态的密封材料(41)来填充该密封区域的步骤(51)。

7.根据权利要求3到6中的任一项所述的制造方法，其中该形成阶段(5)还包括在填充步骤(51)之后移除该模板材料(43)的步骤(52)。

8.根据权利要求3到7中的任一项所述的制造方法，其中该形成阶段(5)还包括用填充材料(42)填充未密封区域的步骤(53)。

9.用于通过电解作用生产铝的池的阳极组件，该阳极组件具有一个阳极棒(1)、一个纵向构件(2)和一个碳阳极(3)，该纵向构件与该阳极棒(1)的一端(11)相互联结，该碳阳极包括一个腔(30)，该纵向构件(2)被容纳在该腔内用于将该纵向构件(2)密封到该碳阳极(3)，其特征在于，该阳极组件还包括在该腔(30)和该纵向构件(2)之间的一个间隙，该间隙包括含有密封材料(41)的至少一个密封区域和没有密封材料的至少一个未密封区域，所述至少一个未密封区域延伸在该纵向构件(2)的纵向端之一。

10.根据权利要求9所述的阳极组件，该阳极组件包括在该纵向构件(2)的两个纵向端处的至少两个未密封区域，以及至少一个密封区域延伸在该纵向构件(2)的纵向侧面(22)和该腔(30)的纵向内壁(32)之间。

11.根据权利要求10所述的阳极组件，其中该密封区域还在该纵向构件(2)的一个底面(24)和该腔(30)的一个基底(34)之间延伸。

12.根据权利要求9到11中的任一项所述的阳极组件，其中该未密封区域包括填充材料(42)，所述填充材料被压缩到一个足够低于其最大压缩比率的标称值以允许该纵向构件的膨胀。

13.根据权利要求12所述的阳极组件，其中该填充材料是岩棉。

14.根据权利要求9到13中的任一项所述的阳极组件，包括一个支撑件(6)，多个阳极棒(10)、多个纵向构件(2)和多个碳阳极(3)被附接到该支撑件。

15.根据权利要求14所述的阳极组件，其中该支撑件(6)垂直于所述纵向构件(2)水平地延伸。