CN106471160B - 阳极组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产铝的阳极组件(100)，其包括阳极(3)和阳极支撑件(4)，其特征在于所述阳极组件(100)包括用于电连接所述阳极支撑件(4)与所述阳极(3)的电连接元件(1)，以及被设置成在铝生产期间减少所述阳极(3)和所述阳极支撑件(4)之间的热量传递的至少一个热绝缘元件(6)。

Description

阳极组件

本发明涉及用于生产铝的包括阳极支撑件和阳极的阳极组件。

通常使用霍尔-赫鲁特法(Hall-Héroult procédé)通过电解在铝熔炼炉中生产铝。为此，提供电解池(cuve d’électrolyse)，其包括槽壳(caisson)和耐火材料的内衬。电解池还包括阴极块，其设置在槽壳的底部，由被设计成收集电解电流以及将其引导到下一个电解池的导电棒覆盖。电解池还包括至少一个阳极块，其悬挂于阳极支撑件(如横向件)并部分浸入电解浴(bainélectrolyse)中，在阴极块之上。随着反应进行，形成一层覆盖阴极块的液态铝。电流经由阳极块和氧化铝在其中溶解的温度约为970℃的电解浴从阳极支撑件流到阴极。该电解电流可以达到几十万安培。因此，由能够承载高电流，能够耐受这些非常高的温度且能够支撑阳极的重量的中间构件(如由钢制成的短棒(rondin))悬挂阳极块。

在这种设备中，在碳阳极和阳极支撑件之间形成了非常大的热流动。该热量传递是电解过程中主要的和有害的能量损失的原因。

已观察到，局部减小短棒的横截面使得可以获得显著的温度下降：减小约10cm的短棒长度上的截面，温度从650℃降至320℃。在短棒的实心截面中，向阳极支撑件吸取热量主要通过传导，减小短棒的横截面极大地限制了由传导引起的热量传递。在这种结构中，短棒可由两个具有不同横截面的部分形成以减小由传导引起的热能损失，所述两个具有不同横截面的部分可由单独的焊接元件加工而成或形成。然而，这种截面减小降低了电导率并因此增加了功率消耗。此外，该解决方案具有显著的经济成本，因为至少一部分需要由通常为标准圆柱形的现有短棒加工而成。该加工步骤还耗时并造成大量材料损失。

由专利公开US6977031已知，在短棒的底壁和用于将短棒固定到阳极的凹槽中的衬套的底部之间放置热绝缘盘。设置在凹槽底部的该热绝缘盘可以更好地控制热流动路径——其在US6977031的设置中必须穿过凹槽的侧面、衬套的垂直壁，然后是短棒——以改善热量从阳极到阳极支撑件的排出。因此，用US6977031的设置所获得的结果与预期的结果(即减少从阳极到阳极支撑件的热损失)相反。

因此，本发明的目的是提出一种限制热损失而不影响其电导率，同时限制成本的装置。为此，本发明提供一种用于生产铝的阳极组件，其包括阳极、阳极支撑件和用于将所述阳极支撑件电连接到所述阳极的具有密封部分和非密封部分的电连接元件，其中所述阳极包括其中容纳有所述电连接元件的密封部分的凹槽，并且其中由导电材料形成的密封件保持所述电连接元件，所述阳极组件包括至少一个热绝缘元件，其设置在属于所述电连接元件的非密封部分和/或所述阳极支撑件的两个彼此面对的壁之间，以在铝生产期间减少所述阳极和所述阳极支撑件之间的热量传递。

以这种方式，防止了所述热绝缘元件插入其间的表面之间由辐射引起的热损失，这减少了所述阳极组件的热损失，同时保持了所述阳极支撑件和所述阳极之间令人满意的电连接。

在允许所述电连接元件和所述阳极之间的机械联结的同时，密封还确保了导电功能。密封通常沿着所述电连接元件的密封部分的侧壁延伸。所述密封件和所述电连接元件之间的这种横向接触使得所述阳极和所述电连接元件之间具有非常好的导电性以及非常好的导热性。

优选地，所述两个彼此面对的壁通过导电材料的接缝(cordon)(更具体地是焊接接缝)电连接和机械连接。以这种方式，所述导电材料的接缝在所述两个壁被热绝缘元件隔开的区域中提供机械强度和导电性。

在有利的设置中，所述电连接元件在所述阳极和所述阳极支撑件之间的延伸方向上延伸，并且至少一个热绝缘元件在横向于所述延伸方向的平面中延伸。在这种结构中，因为防止了所述热绝缘元件插入其间的表面之间由辐射引起的热损失，沿着所述电连接元件的横截面的热量传递显著减少。

根据优选的可能性，至少一个热绝缘元件设置在所述电连接元件的壁和所述阳极支撑件的壁之间。这种具有插入所述电连接元件和所述阳极支撑件之间的热绝缘构件的结构是特别有利的，因为所述电连接元件和所述阳极支撑件之间由辐射和传导引起的热流动被限制了。因此，在该界面处存在热绝缘非常容易使用并且非常有效地限制能量损失。

优选地，所述阳极组件包括导电材料的接缝，更具体地是焊接接缝，其设置成电连接和机械连接所述电连接元件和所述阳极支撑件。以这种方式，所述电连接元件为所述阳极提供机械支撑，同时促进所述阳极支撑件和所述阳极之间的导电性。

申请人观察到，在焊接在一起的两个部分——它们的两个壁彼此面对且接触——之间流动的电流几乎完全穿过焊缝。因此，将热绝缘元件定位在这些彼此面对的壁之间允许热增益，并对所述阳极组件的导电性没有任何影响。

根据一个变型，所述电连接元件的非密封部分限定槽体，其中设置有至少一个热绝缘元件。所述热绝缘元件抑制所述槽体(logement)的相对壁之间由辐射引起的热量传递。

通常，所述槽体由所述电连接元件中的缺口形成。该缺口可以特别是在所述电连接元件中加工。

优选地，所述缺口从所述电连接元件的非密封部分横向地开口，使得所述热绝缘元件容易地插入到所述电连接元件中。因此，该变型实现起来非常简单。

根据一种可能性，所述电连接元件的非密封部分包括第一部分和第二部分，所述第一和第二部分通过至少一个热绝缘元件分隔。以这种方式，传导传热限于所述电连接元件的非密封部分在所述第一和第二部分之间的横截面。

优选地，设置一个导电材料的补充接缝，特别是焊接接缝，以覆盖所述至少一个热绝缘元件的至少一部分，并且电连接和机械连接所述第一部分和所述第二部分。因此，对于热量传递的显著减少，所述阳极支撑件和所述阳极之间的机械强度和导电性仍然非常令人满意。所述热绝缘元件由于被限制在所述槽体中而得到进一步保护。

有利地，所述阳极组件还包括设置在所述电连接元件和所述阳极支撑件之间的界面处的热绝缘元件。以这种方式，进一步改善热量传递的减少。

在一个变型中，邻近所述阳极支撑件设置的所述第一部分的横截面小于靠近所述阳极设置的所述第二部分的横截面，并且设置导电部件来电连接所述第二部分和所述阳极支撑件。在这种结构中，由于存在所述导电部件，减少热量传递的所述第一部分的截面面积(section)的减小对导电性没有影响。

通常，所述电连接元件包括大致圆柱形的形状，如钢短棒。钢使得可以在非常高的温度下耐受电解池中的腐蚀环境，并且具有足够的强度以支撑所述阳极。

根据一种可能性，至少一个热绝缘元件包括特别是由包含至少一种耐火材料的烧结粉末、薄膜或纤维毡形成的平板形状。这种烧结粉末具有易于成形的优点，并且适合于设置在所述阳极组件的任何几何结构中。

本发明的其他方面、目的和优点将在阅读对于作为非限制性实施例并且参考附图给出的本发明的实施方案的以下描述时更清楚地显现。为了提高可读性，对于示出的所有元件，附图未必按比例绘制。在以下描述中，为了简单，与多个实施方案相同的、类似的或等同的元件具有相同的参考数字。

图1示出了根据本发明的第一实施方案的阳极组件。

图2示出了根据本发明的另一个实施方案的阳极组件。

图3示出了根据本发明的第二实施方案的阳极组件。

图4示出了根据本发明的又一个实施方案的阳极组件。

如图1所例示，用于根据霍尔-赫鲁特法通过电解生产铝的阳极组件100包括通常由碳制成的阳极3，和阳极支撑件4。阳极3通过电连接元件1悬挂于阳极支撑件4，所述电连接元件具有用于固定到阳极3并向阳极3提供导电性的密封部分21，和确保阳极3的机械悬挂的非密封部分22。

阳极3在其上部包括凹槽7，电连接元件1的密封部分21容纳于所述凹槽中并且通过由导电材料(例如铸铁)制成的密封件8固定。因此，与在密封件8上方延伸的非密封部分22相比，密封部分21是电连接元件1卡在密封件8中的下部。在本文中，应当理解，可使用适合于密封件8的任何其它材料，包括粘性碳糊。该密封件8覆盖凹槽7以及容纳于凹槽7中的电连接元件1的密封部分21的所有表面。否则，密封件8可以沿着密封部分21的侧壁延伸，而不是沿着其下侧。

所述阳极组件还包括导电材料的接缝9，其设置成尤其是在电连接元件1的非密封部分22的上部确保阳极支撑件4和电连接元件1之间的电连接和机械连接。电连接元件1通常由钢制成并且具有圆柱形。接缝9可以由基于cupro型铜的焊接接缝形成，横向设置在电连接元件1和阳极支撑件4之间的界面处。

图1还例示了在非密封部分22中的热绝缘元件6，其在横向于在阳极3和阳极支撑件4之间的电连接元件1的延伸方向的平面中延伸。因此，这种结构有效地减少从阳极3到阳极支撑件4的热量传递。更确切地说，电连接元件1包括由横向开口的缺口形成的槽体5，其中设置有热绝缘元件6。该热绝缘元件6可由任何合适的耐火材料(如包含至少一种耐火材料的烧结粉末、薄膜或纤维毡)制成。

在图2所例示的实施方案中，电连接元件1的非密封部分22包括第一部分11和与第一部分11分离的第二部分12，热绝缘元件6设置在所述第一部分和第二部分之间。由于电连接元件1的整个横截面被热绝缘元件6覆盖，传导传热显著减少。然后通过一个导电材料的补充接缝13来提供导电性，其相对于热绝缘元件6横向设置以电连接和机械连接第一部分11和第二部分12。

图3所示的实施方案与前述两个实施方案的不同之处特别在于：热绝缘元件6设置在电连接元件1和阳极支撑件4之间的界面处。如同图1所例示的实施方案，接缝9相对于热绝缘元件6横向设置，以确保电连接元件1的非密封部分22和阳极支撑件4之间的电连接和机械连接。已观察到，所述阳极和所述阳极支撑件之间的导电性主要经由焊接接缝9而不是通过相接触的相对表面产生，使得热绝缘元件可以有利地插入所述电连接元件和所述阳极支撑件之间，而不会损害总导电性。因此，可以限制所述电连接元件和所述阳极支撑件之间由辐射引起的热损失。

根据图4所例示的实施方案，电连接元件1的非密封部分22包括设置在阳极支撑件4侧的第一部分11和设置在阳极3侧的第二部分12。相对于第二部分12的横截面，第一部分11的横截面更小，以限制热量传递。此外，所述阳极组件包括设置在电连接元件1和阳极支撑件4之间的热绝缘构件6，并且还包括设置在第一部分11和第二部分12之间的热绝缘构件6。导电部件14(如铜板)被设置成确保第二部分12和阳极支撑件4之间的电连接，并且抵靠在第一部分11的一部分上。在这种结构中，由于存在两个热绝缘元件6并且第一部分11的横截面较小，极大限制了热量传递。此外，通过接缝9和接缝13以及高导电铜板提供电连接。由于铜板的截面小，其导热性非常有限。

因此，本发明提出一种阳极组件100，其使得可以通过减少热量传递而有效地减少阳极3和阳极支撑件4之间的热损失，同时还保持非常好的导电性。

不言而喻，本发明不限于上文以实施例的方式描述的实施方案，而是包括所描述的装置的所有技术等同物和变体以及这些的组合。

Claims (14)

1.用于生产铝的阳极组件(100)，其包括阳极(3)、阳极支撑件(4)和用于将所述阳极支撑件(4)电连接到所述阳极(3)的具有密封部分(21)和非密封部分(22)的电连接元件(1)，其中所述阳极(3)包括其中设置有所述电连接元件(1)的密封部分的凹槽(7)，并且其中由导电材料形成的密封件(8)保持所述电连接元件(1)，其特征在于至少一个热绝缘元件(6)设置在属于所述电连接元件(1)的非密封部分(22)和/或所述阳极支撑件(4)的两个彼此面对的壁之间，以在铝生产期间减少所述阳极(3)和所述阳极支撑件(4)之间的热量传递。

2.根据权利要求1所述的阳极组件(100)，其中所述两个彼此面对的壁通过导电材料的接缝电连接和机械连接。

3.根据权利要求1或2所述的阳极组件(100)，其中所述电连接元件(1)在所述阳极(3)和所述阳极支撑件(4)之间的延伸方向上延伸，并且其中至少一个热绝缘元件(6)在横向于所述延伸方向的平面中延伸。

4.根据权利要求1或2所述的阳极组件(100)，其中至少一个热绝缘元件(6)设置在所述电连接元件(1)的一个壁和所述阳极支撑件(4)的一个壁之间。

5.根据权利要求4所述的阳极组件(100)，其中所述阳极组件(100)还包括导电材料的接缝(9)，其被设置成电连接和机械连接所述电连接元件(1)和所述阳极支撑件(4)。

6.根据权利要求1或2所述的阳极组件(100)，其中所述电连接元件(1)的非密封部分(22)限定槽体(5)，在所述槽体(5)中设置有至少一个热绝缘元件(6)。

7.根据权利要求6所述的阳极组件(100)，其中所述槽体(5)由所述电连接元件(1)的非密封部分(22)中的缺口形成。

8.根据权利要求7所述的阳极组件(100)，其中所述缺口从所述电连接元件(1)的非密封部分(22)横向地开口。

9.根据权利要求1所述的阳极组件(100)，其中所述电连接元件(1)的非密封部分(22)包括第一部分(11)和第二部分(12)，所述第一和第二部分(11,12)通过至少一个热绝缘元件(6)分隔。

10.根据权利要求9所述的阳极组件(100)，其中设置一个导电材料的补充接缝(13)以覆盖所述至少一个热绝缘元件(6)的至少一部分并电连接和机械连接所述第一部分(11)和所述第二部分(12)。

11.根据权利要求9或10所述的阳极组件(100)，其中设置在所述阳极支撑件(4)侧的所述第一部分(11)具有相对于设置在所述阳极(3)侧的所述第二部分(12)的横截面减小的更小横截面，并且其中设置导电部件(14)以电连接所述第二部分(12)和所述阳极支撑件(4)。

12.根据权利要求1或2所述的阳极组件(100)，其中所述电连接元件包括大致圆柱形的形状。

13.根据权利要求12所述的阳极组件(100)，其中所述大致圆柱形的形状为钢短棒。

14.根据权利要求1或2所述的阳极组件(100)，其中至少一个热绝缘元件(6)包括由包含至少一种耐火材料的烧结粉末、薄膜或纤维毡形成的平板形状。