CN107002263A - 低轮廓铝电解槽罐壳和提高铝电解槽系列的生产能力的方法 - Google Patents

Abstract

一种铝电解槽，其包括：(a)壳体结构，其包括一对纵向延伸的侧壁、一对横向延伸的端壁、底壁和具有上边缘的开口顶部；(b)横向支撑结构，其包括多个横向底梁，多个横向底梁位于壳体结构的下面并且在侧壁之间横向延伸，横向底梁中的每个具有一对相对的端部；以及(c)多个柔顺绑定元件，其固定到横向支撑结构，每个柔顺绑定元件沿侧壁中的一个的外表面垂直延伸，用于将向内指向的力施加到所述侧壁上；其中柔顺绑定元件为悬臂弹簧的形式，每个柔顺绑定元件包括金属构件，金属构件具有固定到横向支撑结构的下端，以及柔顺的上自由端，该上自由端可响应于壳体结构的膨胀和收缩而向内和向外移动。

Description

低轮廓铝电解槽罐壳和提高铝电解槽系列的生产能力的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年11月21日提交的美国临时专利申请No.62/082,898的优先权和权益，该专利申请的内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于增加既有罐壳覆盖区内的反应面积以提高生产率或降低霍尔-埃鲁(Hall-Heroult)铝电解槽系列的资本成本/吨生产能力的方法。另一方面，本发明涉及铝电解槽结构和用于实现铝电解槽结构的罐壳。

背景技术

使用霍尔-埃鲁工艺生产铝。传统工厂将串联连接并容纳在长的建筑物或电解槽系列中的数百个电解槽，以及变压器、整流器、母线、起重机、攻丝设备和其他辅助设备一起使用。

铝电解槽包括悬在覆盖于熔融铝垫上的电介质溶液浴上方的阳极，熔融铝充当阴极，金属铝收集在该阴极上。通常，阳极是悬在上部结构内的可移动梁上的碳块，上部结构放置在电介质溶液浴的上方。溶液浴和铝垫包含在耐火衬里中，耐火衬里包括由配备有集流器棒的阴极块组成的碳基底部。衬里容纳在被称为罐壳的钢罐中，钢罐通过耐火壁砖保护其免受溶液浴的影响。壁砖被设计为通过与罐壳的紧密接触来冷却，罐壳本身由自然或强制对流装置来从外部冷却。如果在砖和壳体之间存在足够有效的热传递，则在壁砖的内表面上将形成凝结的电解质的保护衬里，从而防止其在电解槽操作期间降解。

霍尔-埃鲁工艺是电解工艺。在铝电解槽中的铝的生产与供给到电解槽的电流成比例。通常认为，现代的铝电解槽被限制于在大约1A/cm²的电极电流密度下操作。因此，铝电解槽的生产率取决于电极的面积，其可以表征为阴极或阳极在水平面中的面积。

用于特定罐壳的可用电极面积受到罐壳的内部尺寸的约束，并且在某种程度上受到衬里设计的约束。另一方面，罐壳的内部尺寸受到罐壳结构的尺寸、罐到罐的间距和周围设备(例如母线、支撑底座等)的尺寸的约束。

早期的铝电解槽使用无烟煤材料作为阴极。已知无烟煤阴极吸收大量的钠，并且通常在铝电解槽的运行过程中膨胀。化学膨胀在某种程度上可以通过施加大的限制力来抵消。因此，过去的罐壳设计非常牢固，以便将衬里的化学生长量减少到可控水平。现代的高电流电解槽使用石墨化的或石墨材料。这些材料表现出相当少的化学生长，因此在运行过程中不需要依赖相同的高负载来控制生长。

石墨和石墨化的阴极的使用减少了对现代罐壳的需求。然而，仍然必须正确地设计罐壳，以确保衬里的较长使用寿命和对抗不同操作条件的鲁棒性。

从铝工业和其它火法冶金工业已知，容器的完整性依赖于始终在衬里上保持至少最小的所需压缩负载(称为最小绑定负载)。在热循环期间必须保持最小的绑定负载，在此期间，衬里由于操作温度的变化而收缩和生长。不能保持最小的绑定负载可能导致间隙的形成，潜在地导致金属渗透和降低罐性能或灾难性的敲出。

现代罐壳使用刚性和牢固的加强结构，以在热循环期间可靠地实现所需的最小绑定负载。在横向方向上，已知的罐壳设计通常使用沿侧壁以固定间隔设置多个牢固的垂直支撑件。这些通常是如图3(现有技术)所示并且在WO2011/028132A1中更详细地示出的I、双T或U形部分，其水平延伸超过罐壳腔的内部尺寸300mm至500mm。为了下面描述的目的，将该尺寸称为罐壳结构的深度。

现有罐壳的缺点在于，对于给定的热循环量而言，刚性结构经历绑定负载的大的下降。这需要该结构被设计用于高的正常操作负载，使得由热循环沉淀的液滴不会导致施加到衬里的压缩负载下降到低于最小的绑定负载。

其他人已经认识到，使用更柔顺的结构可以产生更可预测的衬里压缩并且改善电解槽的操作性能和炉期。

例如，US2861036提出由多个元件组成并由弹性元件(柔顺的绑定件)约束的大桶，以致力于消除罐壳中随时间的固有的泄漏和变形。所提出的设计将弹簧定位在吊架和刚性的周围支撑结构之间。相比于更常规的罐壳，这需要额外的空间，从而增加铝电解槽的外部尺寸。这是一个显著的缺点，如将随后所示。

US4421625提出与US2861036类似的布置，其通过上部支撑元件和水平加强件进行了修改。如前所述，在一个实施例中，所公开的发明将弹簧元件放置在刚性结构框架和壳体之间，或者在另一实施例中放置在结构框架的外侧。这与US2861036具有相同的缺点。

尽管另外实现了在足够的压缩力下保持衬里的目的，但是既有的罐壳设计以及在US2861036和US4421625中提出的设计替代方案受到具有大的外部结构的缺点。该结构限制了可以容纳在给定外部尺寸的电解槽中的阴极面积。

例如，包括配备有具有罐至罐的间距为6m的常规罐壳的300个铝电解槽的电解槽系列，将需要大约1800m长的建筑物。深度为300mm至500mm的垂直支撑元件，将消耗该建筑物长度的180m至300m。该长度包括相关的总线支撑结构、排气管道、馈送输送机系统、地基等。该建筑物长度代表电解槽的总成本的重要部分，并不直接有助于铝的生产。

作为减少所安装的铝冶炼能力的成本的手段，其他人已经大力地致力于减少罐壳重量。现有技术的示例可以在US3702815和“关于铝电解槽预应力壳体的技术研究(Technology Research on Aluminum Reduction Cell Pre-Stressed Shell)”TMS 2015等中找到。然而，由本发明人实施的分析显示，对于给定生产能力的罐壳，通过允许更接近的罐至罐的间距并减少建筑物的长度，利用罐壳结构深度的减小，可以实现更大的整体成本降低。类似地，对于给定外部尺寸的罐壳，罐壳结构的减小了的深度允许更大的整体电极面积、并且因此更大的生产能力安装在固定长度的电解槽系列中。

发明内容

以下概述旨在将读者引入下面更详细的描述，而不是限定或限制所要求保护的主题。

本发明的目的是提供具有柔顺的绑定件和低轮廓的或薄型罐壳设计的罐壳。这适用于使用石墨或石墨化阴极块并在200kA或以上操作的铝电解槽。柔顺的绑定件包括具有悬臂弹簧(在本文中也称为悬臂板)的低轮廓侧壁结构，其延伸超过罐壳腔内部小于约200mm，并且可以在热循环期间、并在运动期间的任何时候，保持最小的所需绑定负载。

本发明的另一目的是提供用于增加电极面积、并且因此提高固定尺寸的电解槽系列的生产能力的方法。

根据一个方面，本发明是低轮廓铝电解槽，其包括衬里和罐壳。衬里是常规的现代设计，使用石墨或石墨化阴极，当不受约束时，石墨或石墨化阴极不易受到过度的化学生长的影响。此外，本发明的低轮廓铝电解槽适用于在200kA或以上的条件下以高功率操作。

根据另一方面，罐壳包括壳体结构(称为鞋盒状物)、端壁结构和横向支撑结构。

根据另一方面，鞋盒状物是五面的、顶部开口的盒子，被设计成收容铝电解槽的衬里，并且对阴极集电棒、起重和熟悉铝电解槽设计和操作的那些已知的其它功能具有足够的设置。

根据另一方面，端壁结构根据任何合适的设计，适于承受由于衬里的膨胀而产生的负载。

根据另一方面，横向支撑结构包括位于鞋盒状物的底板下方的多个刚性水平底梁，其中垂直柔顺绑定元件安装在每个梁的每个端部处。底梁被设计成能够承受来自工艺的垂直负载，并且加强鞋盒状物以抵抗屈曲以及响应于衬里膨胀而由柔顺绑定元件施加弯曲力矩。

根据另一方面，柔顺绑定元件包括附接到横向底梁的垂直构件。柔顺绑定元件包括垂直悬臂弹簧或板，垂直悬臂弹簧或板设计成比既有的罐壳垂直结构元件更不坚硬，同时在热循环期间实现最小的绑定负载。柔顺绑定元件被设计成，在绑定元件的基本上整个高度上超出鞋盒状物的最大内部尺寸延伸不多于约200mm。

本发明的优点在于，悬臂弹簧的更恒定的负载-位移特性允许降低施加到衬里的正常操作负载，而不会降低衬里的鲁棒性或其在热循环期间的性能。负载要求的降低允许使用较小的绑定元件而不会降低电解槽性能。

本发明通过减小罐壳结构的外部尺寸来克服现有技术的限制。这允许在给定外部尺寸的罐壳中容纳更大的电极面积。当在电解槽系列中使用时，与现有技术相比，本发明允许在较少数量的电解槽中实现更高的生产能力，或者在具有较少电解槽的电解槽系列中实现相同的能力。

附图说明

为了更全面地理解所要求保护的主题，将参考附图，其中：

图1：一对常规的罐壳，在其隔间中示出有支撑件和母线。

图2：图1的常规罐壳中的一个，未示出母线。

图3：图2的常规罐壳的横截面，显示衬里和横向结构。

图4：根据本发明的实施例的罐壳。

图5：图4的罐壳的放大的局部横截面，显示衬里和横向结构。

图6：图4的罐壳的横向横截面。

图7：图4的罐壳的横向底梁和柔顺绑定元件的横截面，包括第一类型的调节装置。

图8：图7的柔顺绑定元件和调节装置中的一个的放大视图。

图9：图4的罐壳的横向底梁和柔顺绑定元件的横向横截面，包括第二类型的调节装置。

图10：图9的柔顺绑定元件和调节装置中的一个的放大视图。

图11：将现有技术与本发明相比的装机容量成本对罐壳重量的曲线图。

图12：示出罐壳的负载-位移特性的示意图。

图13：示出长度为1m的低碳钢构件的弹性挠曲和构件深度之间的关系的曲线图。

具体实施方式

在下面的描述中，给出了具体细节以提供所要求保护的主题的示例。然而，下面描述的实施例不旨在限定或限制所要求保护的主题。对于本领域技术人员显而易见的是，在所要求保护的主题的范围内，具体实施例的许多变化是可能的。

图4和图5示出根据实施例的铝电解槽罐壳10(有时称为“电解槽10”或“罐壳10”)，为了清楚起见，去除了其部件中的一些，并且其位于单个电解槽隔间中。读者可以理解，罐壳10可以配备有支撑结构、上部结构、集电器棒和母线，以便通过霍尔-埃鲁工艺生产铝。对于电解槽的这些共同元件从以下描述中省略，除非需要澄清实施例的特定内容。

电解槽罐壳10包括壳体结构12(在本文中也称为“鞋盒状物12”)，壳体结构12包括一对纵向延伸的侧壁14，一对横向延伸的端壁16，底壁18和具有围绕其周边的上边缘22的开口顶部。如图所示，壳体结构12的形状基本为矩形，其中侧壁14比端壁16长。

罐壳10的侧壁14和端壁16通过衬在其内表面的耐火壁砖34而免受溶液浴的影响。底壁18衬有由配备有集电器棒28的石墨或石墨化阴极块26(不易于过度的长期化学生长的类型)构成的碳基底部，碳基底部延伸穿过侧壁14。

当多个电解槽10组合以形成电解槽系列(未示出)时，电解槽10各自以其相应的电解槽隔间彼此相邻地排列，并且相邻的电解槽10的侧壁14彼此平行、相对。电解槽系列容纳在具有长度和宽度的外壳(未示出)中，其中电解槽10的侧壁14横跨外壳的宽度延伸，并且电解槽10的端壁16沿外壳的长度延伸。外壳通常是具有足以容纳单个电解槽系列的宽度的建筑物。

每个电解槽隔间进一步包括沿侧壁14中的每个延伸的一个或多个纵向母线(图4中未示出)，以及沿端壁16中的每个延伸的一个或多个横向母线。纵向母线36(图6)导电性地连接到阴极块26的集电器棒28的端部。纵向母线与侧壁14间隔开，并且横向母线与端壁16间隔开，从而形成罐壳10所在的限定的外壳。在图4所示的实施例中，母线的布置将具有与现有技术图1所示的母线相同的外观和结构。

壳体结构12及其内容物支撑在基部结构40上，基部结构40包括基本上平行于端壁16延伸的多个刚性的水平延伸横向底梁46，并且还可以包括平行于侧壁14延伸的多个刚性的水平延伸纵向底梁44。底梁44、46(在本文中也称为“支撑构件”)位于壳体结构12的底壁18的下方，并且可以形成水平支撑梁的十字交叉形网，以支撑电解槽10及其内容物的重量。

横向底梁46一起限定横向支撑结构。如从附图中可以看出，横向底梁46几乎全部位于壳体结构12的下方，并且横向底梁46的端部基本上不超出壳体结构12的侧壁14延伸。因此，横向底梁46不会显著地增加电解槽10的覆盖区。

端壁16配备有称为端壁结构的端壁加强件，以提供在纵向方向上所需的反作用力。端壁结构是任何合适的常规设计，并且在此不再详细描述。

除了横向底梁46之外，横向支撑结构还包括以下所述的连接到横向底梁46的多个柔顺绑定元件。

包括多个刚性水平横向底梁46的横向支撑结构位于鞋盒状物12的底壁18下方。横向底梁46被设计成能承受垂直负载，即鞋盒状物12的重量及其内容物和施加到结构的维护负载。横向底梁46还加强鞋盒状物12以对抗屈曲以及响应于包括耐火壁块34和阴极块26的衬里的膨胀而由柔顺绑定元件施加的弯曲力矩。

罐壳10进一步包括多个柔顺绑定元件60(在本文中也称为“垂直绑定元件60”)，其各自沿壳体结构12的侧壁14中的一个的外表面垂直延伸，即在侧壁14中的一个和相邻的纵向母线之间的空间中延伸。由此可以看出，垂直绑定元件60基本上位于电解槽10的外周边内，并且对电解槽10的覆盖区没有显著贡献。

垂直绑定元件60中的每个具有固定到横向支撑结构的下端，并且更具体地，刚性固定到横向底梁46中的一个。例如，如图4和图5所示，垂直绑定元件60中的每个刚性固定到横向底梁46中的一个的端部。

垂直绑定元件60中的每个具有相对的上端或自由端，相对的上端或自由端位于壳体结构12的上边缘22处或下方。因此，垂直绑定元件60不会增加罐壳10的高度。例如，垂直绑定元件60的上端可以位于壳体结构12的上边缘22的下方，并且可以位于与阴极块26的上表面基本相同的水平处。

垂直绑定元件60中的每个可以包括具有金属构件的垂直悬臂弹簧或悬臂板，垂直绑定元件60中的每个可以包括在其下端附接到横向底梁46中的一个的金属板。如上所述，悬臂弹簧为足够的长度，使得传递到鞋盒状物12的负载的主要点大致处于阴极块26的顶部的高度处。

金属构件的厚度、宽度和成分被选择为，使得每个垂直绑定元件60的自由上端是柔顺的，使得其响应于壳体结构12的热和/或化学外向扩张而向外移动，并且响应于壳体结构12的热收缩而向内移动，同时在壳体结构12上保持向内指向的压缩力。例如，垂直绑定元件60的厚度和/或宽度可以沿垂直绑定元件60的长度改变。如图所示，例如，与下端相比，垂直绑定元件60的上端可以为减小的宽度和/或厚度，使得上端比下端更柔顺。

柔顺的绑定元件60可以被设计成使得在正常操作期间，它们处于被称为操作负载的第一负载，从而响应于工艺温度(热循环)的预期降低，衬里的相关收缩不会使所施加的负载减少到低于被称为最小绑定负载的第二负载。

最小绑定负载可以被定义为克服与衬里的收缩相反的所计算的摩擦力和其他力的负载，从而防止在响应于热循环的收缩期间在衬里中形成间隙。

热循环可以被定义为对正常操作温度的偏离，这与正常的当前铝电解槽操作实践的限制一致，通常在正常操作温度的+/-100至150℃的范围内。

本实施例的优点在于，由悬臂弹簧形式的垂直绑定元件60所提供的增加的结构柔顺性降低了在正常操作期间必然发展出的负载，以在热循环期间保持最小的绑定负载。这依赖于如下事实：结构的刚度越低，则在其偏离时反应负载的变化越小。这在图12中示出，其示出刚性结构和柔顺结构的负载-位移特性。尽管两个结构在热循环期间都保持最小的绑定负载，但是刚性结构需要相当高的操作负载才能实现。

柔顺的绑定元件60的悬臂弹簧可以被设计成使用结构的尺寸和材料(通常是低碳或低合金钢)，使得其主要在结构材料的塑性范围内变形高于设计操作负载。将结构材料选择成具有足够的延展性，以适应基于衬里材料的膨胀性能所计算的或从操作经验所估计的衬里的预期的热和化学生长。如果需要，可以选择更牢固的材料用于柔顺绑定元件60，以减小其尺寸并增加弹性范围。

垂直绑定元件60的尺寸可以选择为深度(厚度)不超过大约200mm，以最大化从本发明获得的优点。这可以例如通过比较图6的横截面与图3的现有技术横截面来看出，其中垂直绑定元件包括具有大约300mm至500mm深度的刚性梁。与图3相比，这允许在图6的壳体结构12中使用更长的阴极块26。

为了进一步说明根据本实施例的垂直绑定元件60的益处，图13示出对于长度为1m的低碳钢构件的弹性挠曲和构件深度之间的关系。例如，相对于常规的罐壳加强件，选择大约200-50mm范围内的悬臂弹簧可以将柔顺绑定元件的弹性挠曲范围增加150-600％。在一个实施例中，柔顺绑定元件60中的每个在柔顺绑定元件60的基本上整个高度上沿横向方向从壳体结构12的内部延伸大约75mm-150mm。

发明人已经发现，垂直绑定元件60的最小深度受到在衬里加热期间实现操作负载的要求的限制。如果垂直绑定元件60过度柔顺，则初始衬里膨胀可能不足以达到操作负载。如果发生这种情况，则在发生任何化学膨胀之前，电解槽10将在运行的早期部分期间处于金属渗透增加的风险中。为了克服这个限制，柔顺绑定元件60可以配备有调节装置，调节装置可以被引入垂直绑定元件60的自由上端和壳体结构12之间。

在图4-图8中示出第一类型的调节装置。如图所示，柔顺绑定元件60的上端被成形为，使得狭槽88设置在壳体结构12的侧壁14和包括其上端的柔顺绑定元件60的上部之间。狭槽88可以包括朝向柔顺绑定元件60的上端向外倾斜的倾斜表面92，从而增加柔顺绑定元件60的上端处的狭槽88的深度。楔形件90至少部分地被接收在狭槽88中，并且抵靠倾斜表面92装配在柔顺绑定元件60的上端和侧壁14的外表面之间。楔形件90可以从上方向下驱动，以增加柔顺绑定元件60的上端的向外挠曲。楔形件90的驱动可以通过各种方式来实现，例如通过使用锤子、作用于合适的支架的便携式液压千斤顶或任何其它合适的装置来实现。如图8的特写所示，例如，支架94可以固定到柔顺绑定元件60上端和楔形件90的上方的侧壁14上。支架94具有接收螺钉98的螺纹孔96，具有接合楔形件90的上(宽)端的下端。将螺钉98旋入孔96将驱动楔形件90向下进入狭槽88，从而增加柔顺绑定元件60的上端的挠曲。将螺钉98沿相反方向转动将允许楔形件90在狭槽88中向上运动，以减少柔顺绑定元件60的上端的挠曲。

如将理解的，楔形件90可以响应于衬里的增长而在运行中撤回。这可以便于电解槽10的膨胀，而不会妨碍其它约束。

在图9和图10中示出第二类型的调节装置。如图所示，柔顺绑定元件60的上端的深度减少，从而在柔顺绑定元件60的上端和侧壁14的外表面之间形成狭槽100。狭槽100可以具有如图9和图10所示的矩形形状，并且其尺寸和形状设置成接收压块102。如从图10的放大图中可以看出，柔顺绑定元件60的上端具有螺纹孔106，螺钉108被旋入到螺纹孔106中，螺钉108的端部接合压块，螺钉108基本上垂直于侧壁14。压块102可以具有凹部104，凹部104与螺纹孔106对齐，并且接收螺钉108的端部，并且防止螺钉108在罐壳10和衬里的运动期间被移除。如将理解的，将螺钉108旋入到螺纹孔106中将对压块102施加负载，同时增加柔顺绑定元件60的上端的向外挠曲。相反地，沿相反方向转动螺钉108将减少压块102上的负载，并且减小柔顺绑定元件102的上端的向外挠曲。

上述调节装置的目的是在将衬里已加热到操作温度之后，并且在碳糊已被基本上烘烤之后，但是在引入熔融的电解质或金属之前，推动柔顺绑定元件60的附加挠曲。由调节装置提供的附加挠曲足以使柔顺绑定元件60的上端挠曲一定的量，当添加到衬里的膨胀中时，该一定量的挠曲将在柔顺绑定元件60中产生等于期望的操作负载的反作用力。

因此，为柔顺绑定元件60提供上述调节装置允许在不降低铝电解槽10的性能的情况下进一步减少柔顺绑定元件60的深度。

如上所述，悬臂弹簧(即，柔顺绑定元件60)的轮廓(宽度和厚度尺寸)可以沿其长度改变，以实现结构的更大或更小的柔顺性。此外，柔顺绑定元件60可以在其长度的一部分上柔性地或刚性地附接到侧壁14，同时保持其上端的移动自由度，这可能适合于特定的实施例。

本领域技术人员应当清楚，如本文所述的柔顺绑定元件60可以与其它弹簧元件、如螺旋弹簧、盘簧、波形弹簧、板簧或扭杆组合使用，以实现比单独的柔顺绑定元件60的悬臂弹簧布置可能的更大的柔顺性。

如将理解的，本文所述的实施例允许增加由阳极和阴极的表面上的电流密度所限制的既有电解槽系列的容量。通过以下示例说明此优点：

电解槽系列在两个罐室中具有300个铝电解槽，该铝电解槽受电流密度的限制，并且在280kA下操作。既有的电解槽是具有外部尺寸和内部尺寸的常规设计，以及根据表1的其它特性。

表1

从上表可以看出，通过用具有相同外部尺寸和较大内部面积的低轮廓的电解槽替换既有的铝电解槽，电解槽系列的生产能力增加了11％。内部面积的增加用于容纳较大的阳极和阴极。电解槽系列的电流增加并且因此生产能力提高，而没有超出电流密度限制。

本领域技术人员将清楚，为了适应较大的阳极和阴极，需要修改上层结构。

本领域技术人员还将清楚，增加的铝产量可能与电解槽内的额外的发热有关。通过在溶液浴升高处将导电的散热片安装到罐壳外部，或者通过其他方式(例如，强制空气冷却)来增加对流热传递，可以满足对排热的更大要求。

还可以清楚的是，如果整流器、阳极设备、棒式车间、排气系统、起重机、罐式机器、铸造车间和其他辅助设备没有足够的额外容量，则它们可能需要修改，以充分利用本发明提供的改进。

本领域技术人员还将清楚，本发明可以应用于新的电解槽系列的构造，目的是减少装机容量的资本密集度。

现有技术的图1示出在电解槽系列中并列布置的一对现有技术的铝电解槽10'。现有技术的电解槽10'包括与上述电解槽10相似或相同的许多元件。相同的参考标记用于识别现有技术的电解槽10'的这些相似元件，并且这些元件的上述描述适用于现有技术附图，除非在以下描述中另有说明。

在图1中还示出的是沿侧壁14延伸并与其间隔开的纵向母线36，以及沿端壁16延伸并与其间隔开的横向母线38。尽管在示出电解槽10的附图中未示出，但是应当理解，根据本发明类似或相同的母线36、38将包括在电解槽10中。在图1中还示出现有技术的电解槽10'的基本结构。

现有技术的图2示出已移除了母线的现有技术的铝电解槽10中的一个，以更清楚地示出沿侧壁设置的刚性垂直绑定元件58。

现有技术的图3是穿过铝电解槽10'中的一个的横截面，再次示出深度为300-500mm的刚性的垂直绑定元件58。

图12示出用于如现有技术图1-图3中示出的刚性结构的负载-位移特性，以及根据本发明的柔顺结构的负载-位移特性。

本申请的上述实施仅仅是示例性的。在不脱离由所附权利要求限定的本申请的范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的具体实施进行改变、修改和变化。

Claims (33)

1.一种铝电解槽，其包括：

(a)壳体结构，所述壳体结构包括一对纵向延伸的侧壁、一对横向延伸的端壁、底壁和具有上边缘的开口顶部；

(b)横向支撑结构，所述横向支撑结构包括多个横向底梁，所述多个横向底梁位于所述壳体结构的下方，并且在所述侧壁之间横向延伸，所述横向底梁中的每个具有一对相对的端部；以及

(c)多个柔顺绑定元件，所述多个柔顺绑定元件固定到所述横向支撑结构，每个所述柔顺绑定元件沿所述侧壁中的一个的外表面垂直延伸，用于将向内指向的力施加到所述侧壁上；

其中，所述柔顺绑定元件为悬臂弹簧的形式，每个所述柔顺绑定元件包括金属构件，所述金属构件具有固定到所述横向支撑结构的下端，以及柔顺的上自由端，所述上自由端能够响应于所述壳体结构的膨胀和收缩而向内和向外移动。

2.根据权利要求1所述的铝电解槽，其特征在于，所述横向底梁的所述端部基本上不延伸超出所述壳体结构的所述侧壁。

3.根据权利要求2所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件中的每个的所述下端刚性地固定到所述横向底梁中的每个的所述端部中的一个。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件中的每个沿所述侧壁中的一个的外表面垂直延伸。

5.根据权利要求4所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件中的每个沿其长度的至少一部分与所述侧壁的所述外表面接触。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，所述上端位于所述壳体结构的所述上边缘处或下方。

7.根据权利要求6所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件中的至少一些在其长度的一部分上刚性地或柔性地附接到所述侧壁。

8.根据权利要求6所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件中的每个具有足够的长度，使得负载转移到所述侧壁的主要点大致位于衬在所述铝电解槽的所述底壁上的阴极块的所述顶部处。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件中的每个包括金属板。

10.根据权利要求9所述的铝电解槽，其特征在于，所述金属板所具有的厚度、宽度和成分使得所述上端是柔顺的，并且使得所述柔顺绑定元件在所述壳体结构的向外扩张和向内收缩期间在所述壳体结构上保持向内指向的压缩力。

11.根据权利要求10所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件中的每个的所述厚度和/宽度沿其长度变化，所述柔顺绑定元件的所述上端相对于所述下端呈减少了的宽度/厚度，使得所述上端比所述下端更柔顺。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件中的每个被设计成，使得在所述铝电解槽的正常操作期间，所述铝电解槽处于第一所施加的负载；以及

使得响应于预期的过程温度降低，所述柔顺绑定元件处于大于最小绑定负载的第二负载；

其中，所述最小绑定负载是克服所述铝电解槽的衬里的相对收缩的力的负载，从而防止响应于包括与所述铝电解槽的正常操作温度成大约+/-100至150°的偏差的热循环而在所述衬里中形成间隙。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件包括低碳或低合金钢。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件具有不大于约200mm的深度。

15.根据权利要求14所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件具有约50mm至约200mm的深度。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件设置有调节装置，并且其中所述调节装置位于所述柔顺绑定元件的所述上端和所述壳体结构之间。

17.根据权利要求16所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件中的每个的所述上端被成形为，使得在所述壳体结构的所述侧壁和包括所述上端的所述柔顺绑定元件的上部之间设置有狭槽。

18.根据权利要求17所述的铝电解槽，其特征在于，所述狭槽具有朝向所述柔顺绑定元件的所述上端向外倾斜的倾斜表面，从而增加所述狭槽在所述柔顺绑定元件的所述上端处的深度。

19.根据权利要求17或18所述的铝电解槽，其特征在于，所述调节装置包括至少部分地接收在所述狭槽中的楔形件，所述楔形件位于所述柔顺绑定元件的所述上端和所述侧壁之间。

20.根据权利要求19所述的铝电解槽，其特征在于，所述楔形件能够向下驱动，以增加所述柔顺绑定元件的所述上端的向外挠曲。

21.根据权利要求20所述的铝电解槽，其特征在于，所述楔形件能够通过螺纹接收在支架的孔中的螺钉而向下驱动，所述支架固定到在所述柔顺绑定元件的所述上端和所述楔形件的上方的侧壁。

22.根据权利要求17所述的铝电解槽，其特征在于，所述狭槽的尺寸和形状被设计成接收压块。

23.根据权利要求22所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件的所述上端具有螺纹孔，螺钉旋入所述螺纹孔中，所述螺钉的端部接合所述压块，其中将所述螺钉旋入所述螺纹孔中向所述压块施加负载，并且增加所述柔顺绑定元件的所述上端的向外挠曲。

24.根据权利要求23所述的铝电解槽，其特征在于，所述压块具有凹部，所述凹部与所述螺纹孔对齐并且接收所述螺钉的端部。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，进一步包括固定到所述壳体结构的上部的多个垂直的挤出翅片。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，具有包括石墨的或完全石墨化的阴极块的衬里。

27.根据权利要求1至26中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，所述铝电解槽被设计成在200kA或更高的条件下工作。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件进一步包括螺旋弹簧、盘簧、波形弹簧、板簧或扭杆。

29.根据权利要求14所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件在其基本上整个长度上具有约75mm至约150mm的深度。

30.根据权利要求1至29中任一项所述的铝电解槽，其特征在于，所述柔顺绑定元件中的每个包括悬臂板。

31.一种用于提高容纳在具有长度和宽度的外壳中的铝电解槽系列的生产率的方法；

其中，所述电解槽系列包括多个既有的铝电解槽，所述既有的铝电解槽包括既有的罐壳和既有的支撑结构，并且具有由所述既有的罐壳和所述既有的支撑结构的区域所限定的第一覆盖区，其中所述既有的罐壳和所述既有的支撑结构各自具有横跨所述外壳的所述宽度延伸的长度，并且所述既有的支撑结构的所述长度大于所述既有的罐壳的所述长度；

所述方法包括：

(a)从所述电解槽系列中移除所述既有的铝电解槽中的一个或多个；以及

(b)将根据权利要求1至30中任一项所述的具有罐壳的一个或多个新的铝电解槽插入所述电解槽系列中，其中所述新的电解槽中的每个包括新的罐壳和新的基部结构，并且插入到由所述既有的电解槽中的一个空出的空间中；

其中，所述新的电解槽中的每个具有与所述第一覆盖区基本相同的第二覆盖区，并且其中所述新的罐壳具有与所述新的支撑结构的长度基本相同的长度，使得所述新的罐壳的所述面积大于所述既有的罐壳的面积。

32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，由此对所述电解槽的所述宽度的增加导致所述电解槽的所述工作电流的增加，使得所述阴极的电流密度保持与容量增加之前的基本相同。

33.一种铝电解槽系列，其包括串联连接的铝电解槽，并且进一步包括：

(a)支撑底座；

(b)母线和立管；

(c)上部结构，所述上部结构承载阳极；

(d)排气管道；

(e)馈送分配系统；以及

(f)其他已知的辅助设备；

其中，所述铝电解槽配备有根据权利要求1至30中任一项所述的铝电解槽。