CN107109675A - 经修改的电解池及用于修改其的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于优化霍尔赫劳尔特型电解池中稳定性的方法，其中电解池具有悬浮的预焙阳极和阴极板。该阴极板包括若干阴极块或阴极块区段。金属盘和电解浴位于所述阳极和阴极板之间。在基于计算机的电解池模型中计算和监视作用于金属盘上的力场，由此通过在基于计算机的模型中选择性地影响各个阴极块或块区段中的电流分布来修改阴极板上的金属中的局部电流路径和对应的局部力。在电解池中实现至少一个修改。本发明还涉及对应修改的电解池。

Description

经修改的电解池及用于修改其的方法
技术领域
本发明涉及在用于铝生产的霍尔赫劳尔特(Hall-Héroult)型电解池中减小金属盘不均匀性和优化MHD(磁体流体动力学)稳定性的方法，以及对应地修改的电解池。
背景技术
为了提高用于铝生产的电解池的产量，电解池被设计得更大，并且具有更高的生产电流。
随着液体(电解质和铝金属)在电解池中的占地面积的增加，影响导电液体的磁场的平衡将更为关键。
随着生产电流趋于增加甚至超过400kA，控制由电解池内部和周围的各种导体和电流引线生成的磁场的强烈影响将代表设计新电解池时的挑战，并且阳极/阴极构造以及母线系统必须仔细地设计。任何相邻电解池列(串联的多个电解池)的磁场也将随着生产电流(线电流)的增加而变得更强有力，并且必须被仔细考虑。
类似地，当现有的电解池关于生产电流的增加而被调整时，关于电解池的金属盘(pad)中的磁体流体动力学(MHD)不稳定性会出现若干挑战。除了其它因素，MHD不稳定性也受到速度场和金属起伏(heaving)的影响。
在现有技术中，存在若干涉及优化电解槽中的金属盘的形状和金属流动的出版物。此外，还存在可用于计算力和速度场还有金属起伏以及金属盘中的MHD稳定性的建模工具。
例如，用于计算力和速度场以及金属起伏的建模工具在以下文章中公开：
“Revised benchmark problem for modeling of metal flow and metalheaving in reduction cells”，Hua,J.、Droste,C.、Einarsrud,K.E.、Rudshaug,M.、R.、Giskeodegard,N.-H.，TMS Light Metals 2014，691-695页。
EP0371653B1公开了在一个横向布置的电解池下方的母线的不对称布置，以改善电解池中的Bz场。
但是，电解池列的母线系统在棕色地带(brown field)修改相当麻烦，并且整个电解池列的电源中断对于进行修改可能是必要的。
根据以前的挪威专利NO139829和NO140602，对于电解池MHD稳定性，有利的是在更靠近相邻的一行或多行的电解池的短端周围或下方的非对称母线系统中传导更多的电流。
但是，不均匀的母线系统在金属中建立主要将金属从相邻行推开的力，并导致电解池中金属的不均匀分布，以及也可以是不对称的增加的金属盘曲率，其中金属趋于在电解池的一端分配。
增加的金属盘曲率或金属盘不均匀将导致不均匀的浴分布，这将潜在地导致恶化的氧化物分布。
也是不对称的增加的金属盘曲率将导致单个阳极的不均匀磨损，因此将导致平均较大的阳极头(butt)。
由于浴和金属以及侧边缘之间的传热系数可能存在差异，因此金属的不对称分布(电解池的抽头相对于电解池的管道侧，或上游相对于下游)也可能导致不均匀的热损失。
还存在若干涉及影响阴极块和对应阴极板中的电流分布的方法的出版物。修改可以涉及阴极块材料、集电器棒或阴极块和集电器棒之间的电连接件(即，阴极块和集电器棒的组件)的导电性。
通常这可以通过若干方式完成：
i)阴极块质量，即，以碳为基础的主体的导电性可以沿着主体的长度而变化，通常朝着电解池的中心具有更高的导电性，或者整体上被修改，
ii)具有改进的导电性的阴极集电器棒，例如通过使用Cu插入物
iii)阴极集电器棒维度(横截面增加)，以降低电压降
iv)用于将阴极棒与基于碳的阴极块电绝缘的各种方法
v)经修改的阴极块中的降低的导电性
通过这些方法的常规使用，已经证明在一些情况下难以减小金属曲率或优化金属流动而不牺牲MHD稳定性，反之亦然。
WO2008/062318公开了使用与集电器棒互补的棒，其中所述互补棒(优选地是铜)具有大于含铁集电器棒的导电性的导电性。所述集电器棒和互补棒优选地与块的端部区域中的阴极块电绝缘。通过这种解决方案，可以降低阴极电压降并且还减少朝着电解池外部的热损耗。
US 6,231,745公开了在集电器棒中使用铜插入物，以及如何将其应用于在霍尔赫劳尔特电解池中重定向电流，以减少或消除归因于不均匀和/或水平电流的低效率。沿着电解池的中心长轴以对称的方式进行修改。
修改电解池的基本对称的做法的其它示例是：
WO 2013/016930 A1、CN 201162052 Y、US 33857778 A。
US 3787311A公开了逐步对称的做法。
EP0016728A1公开了对角线对称的做法。
通常，这些方法会依赖于“技术人员的眼睛”，其中在某些区域中进行修改，例如在母线的集中度高的位置或者以更垂直的方式改变经由阴极的电流提取。
常规电解池定期重衬(reline)，比如说每5-7年。在这个操作期间，阴极元件(诸如包括在其集电器棒中的阴极块)都被取出并更新。这是在电解池“寿命”结束时进行的相当昂贵的维护工作。
如果阴极板中某些选定位置处的阴极块组件仅通过全面的试验和失败方法进行修改，那么这将与更频繁的重衬和对应的成本相关联。
发明内容
利用本发明，可以确定如何选择性地修改单个或多个阴极块组件或阴极块区段组件的导电性，以减少上述缺点。
这是通过在基于计算机的建模程序中建立实际电解池的模型来完成的，其中每个阴极块组件或阴极块区段组件被表示。建模程序能够识别哪个阴极块组件或阴极块区段组件优选地应当被修改。通过选择性地改变单个阴极块组件或阴极块区段组件中的电流分布，在电解池中实现至少一个修改，使得阴极板上方的金属中的局部电流路径和对应的局部力被修改为增强金属盘的不均匀性和电解池的整体MHD稳定性。
这些和进一步的优点可以利用如由所附权利要求限定的本发明来实现。
附图说明
在下文中，将通过示例和附图进一步解释本发明：
图1公开了电解池的示意性俯视图，
图2公开了正常阴极块组件中的典型电流路径，
图3公开了经修改的阴极块组件中的电流路径，
图4公开了具有正常整体阴极组件的电解池中的电流分布，
图5公开了具有经修改的整体阴极组件的电解池中的电流分布，
图6公开了对于正常电解池由于在z方向上的磁场而在金属中引起的力分量(x方向)，
图7公开了对于选择性修改的电解池由于在z方向上的磁场而在金属中引起的力分量(x方向)，
图8公开了用于正常电解池的模型化金属高度，
图9公开了用于经修改的电解池的模型化金属高度，
图10公开了用于正常电解池的实测金属高度，
图11公开了用于经修改的电解池的实测金属高度，
图12公开了具有阴极棒连接件的阴极块组件，
图13公开了具有经修改的阴极块区段组件的电解池的示意性俯视图，
图14公开了具有经修改的阴极块区段组件的电解池的示意性俯视图，
图15公开了具有经修改的阴极块区段组件的电解池的示意性俯视图，
图16公开了具有经修改的阴极块区段组件的电解池的示意性俯视图。
具体实施方式
对于本发明，具有一个或多个集电器棒的基于碳的阴极块被称为阴极块组件。阴极块可以由两个阴极块区段组成，其中每个区段包括阴极棒。每个区段(包括(一个或多个)阴极棒)在这里被定义为阴极块区段组件。
阴极块组件或阴极块区段组件经由其阴极棒连接件连接到电解池列的对应母线系统。在某些修改中，阴极棒连接件可以具有增加或减小的导电性。
这种阴极棒连接件包括通常由铜制成的柔性体。在某些修改中，柔性体可以具有较小的导电性(较高的电阻率)。
在某些修改中，包括阴极棒的外部部分的阴极棒连接件具有改进的导电性，例如，其外部部分设有具有良好导电性的材料的附加元件，诸如基于铜的延伸件。
将参考图12-16进一步解释这些修改。
如图1中所示，公开了具有两个长边和两个短边的电解池的示意性俯视图，其中I-I指示中心轴线。阴极板可以由若干阴极块组成。在这个简化图中，示出了在电解池的长边之间延伸的八个阴极块。另外，阴极块组件通常包括至少一个基于碳的块或主体，其中嵌有一个或多个金属集电器棒。
作为起点，各个阴极块可以沿着中心轴线I-I被分成两个阴极块区段，如在图中位置1'，1”；2'，2”；3'，3”；4'，4”；5'，5”；6'，6”；7'，7”和8'，8”稍微指示的。从1'，1”直到8'，8”的阴极块区段关于中心轴线I-I在导电性方面可以是对称的，由图1中的虚线和断线指示。因此，在这种情况下中，中心轴线I-I将表示关于所有阴极块的导电率的对称轴。
在所示的实施例中，条纹块是具有如图2中所示的特征电流路径的未经修改的阴极块组件，而白块是具有如图3中所示的特征电流路径(较小的水平电流)的经修改的阴极块组件。
另外，在图1中，示出了坐标系中x轴和y轴的方向。z轴没有示出，而是指出纸平面，这在这种类型的可视化中是标准的。
在未经修改的阴极块区段组件2”处，在图2中监视横截面B-B处的电流路径，并且在经修改的阴极块区段组件6”处，在图3中监视横截面A-A处的电流路径。
在图2中，公开了正常未经修改的阴极块区段组件的典型电流路径，如在图1中的阴极块区段组件2”和横截面B-B所示。这图示z-y平面中的电流路径沿y轴被拉平(flattenout)，从中心轴线I-I开始并朝着方向y中电解池的长边。由于z在这里沿着中心轴线I-I布置在垂直平面中，因此类似的镜面对称电流路径可以存在于对应未经修改的阴极块区段组件2'中。
在图3中，公开了在经修改的阴极块区段组件中的电流路径，如在图1中的阴极块区段组件6”和横截面A-A所公开的。电流路径在垂直方向上更陡，由此减小了水平电流分量。与阴极块区段组件2”类似，类似的对称电流路径可以存在于阴极块区段组件6'中，假定这具有与阴极块区段组件6”类似的修改。
如图4中所示，公开了在现有技术电解池的状态下的正常电流分布的示例。
图5公开了根据图1在阴极板中的单独阴极已经被选择性地修改之后的电流分布。
如图6中所示，公开了对于正常的电解池由于z方向中的磁场而在金属中引起的力分量(Fx)。
在图7中，根据图1对于选择性修改的电解池公开了对应的力分量。可以清楚地看出，在阴极电流分布通过减小水平电流分量而被修改的区域中，力分量较低。
如图8中所示，对于正常的电解池公开了模型化的金属高度。
对应地，图9公开了根据图1用于经修改的电解池的模型化的金属高度。
对于未经修改的电解池，金属高度的变化相对较高，其右侧的最低高度远低于左侧。对于经修改的电解池，总金属起伏较低，并且金属更均匀地分布在电解池的左侧和右侧之间。
如图10中所示，公开了对于正常电解池的实测金属高度。上游测量点的y位置由图1中电解池的下端和电解池中心(I-I)之间的中间面给出，如由细点线标记的US(上游)所指示的。下游测量点的y位置由图1中电解池的下端和电解池中心(I-I)之间的中间面给出，如由细点线标记的DS(下游)所指示的。所有测量点的x位置从电解池的左侧到电解池的右侧从测量点1到5单调增加。所测得的实际电解池不具有与图1中所示的相同的阴极块组件。
对应地，在图11中示出了用于经修改的电解池的结果。除了修改例的减少的整体起伏之外，结果显示电解池左右两侧之间的金属分布更均匀。
以下修改将增加阴极块组件中的导电性，也参见图12：
CBS：阴极块区段
CB：阴极块
CCB：阴极集电器棒
CBSA：阴极块区段组件
CBA：阴极块组件
F：柔性体
a：具有减小的横截面或类似物的柔性体
b：铜(Cu)延伸件或类似物
BUS：母线连接件
i)阴极块质量，即，以碳为基础的主体的导电性可以沿着主体的长度而变化，通常朝着电解池的中心具有更高的导电性，或者整体上被修改，
ii)具有改进的导电性的阴极集电器棒，例如通过使用Cu插入物
iii)阴极集电器棒维度(横截面增加)，以降低电压降
以下修改将降低阴极块组件中的导电性：
iv)用于将阴极棒与基于碳的阴极块电绝缘的各种方法
v)经修改的阴极块中的降低的导电性
优选地，经修改的阴极块组件的导电性及其到母线系统的对应阴极棒连接件整体保持不修改。
可以通过以下方式降低阴极棒连接件的导电性：
a)减小铜柔性体或类似物的横截面
可以通过以下方式增加阴极棒连接件的导电性：
b)添加铜延伸件等
当在电解池中实现修改时，优选的是保持阴极块组件连同其(一个或多个)集电器棒连接件的总电阻率不变。一种替代方案是在未经修改的位置处修改集电器棒连接件，以在阴极板的所有位置具有相同的电阻。
例如，所选择的块中减少的阴极集电器棒电阻率(方法ii或iii)将导致金属区中减小的水平电流分量(iy)。阴极集电极棒电阻率的降低可以通过增加连接母线系统的柔性体的电阻率(减小的横截面)由对应的阴极棒连接件的增加的电阻率来补偿。在替代方案中，用于其余阴极块组件的阴极棒连接件可以用与经修改的阴极块组件对应的更好的导电性进行修改。
参考图13，公开了类似于图1的电解池的电解池的示意性俯视图，其中位置1”、2”和3”的阴极块区段组件的导电性分别根据方法i、ii和iii增加，并且其中柔性体根据用于修改阴极棒连接件的方法a而具有降低的导电性。其余位置未修改。
参考图14，公开了如图13中所示的位置1”、2”和3”中的阴极块区段组件的导电性的相同修改，但是在这里，在除位置1”、2”和3”之外的所有位置处阴极棒连接件的导电性根据方法b(增加)被修改。
参考图15，公开了类似于图1的电解池的电解池的示意性俯视图，其中位置4”和5”中阴极块区段组件的导电性分别根据方法iv和v减小，并且其中阴极棒连接件根据方法b被修改。其余位置未修改。
参考图16，公开了如图15中所示的位置4”和5”的阴极块区段组件的导电性的相同修改，但是在这里，在除位置4”和5”之外的所有位置处阴极棒连接件的导电性根据方法a(减小)被修改。
金属区中的水平电流分量(iy)的总体减小一般将减少金属起伏。电流分量与垂直磁场BZ相乘(叉积)，因此负责沿着电解池的延伸件作用在金属上的水平力场Fx，即，将金属推向电解池的中心。通过减少一个或几个所选择的阴极块组件中的力分量，可以修改电解池中的力分布，从而重新分布电解池中的金属分布。
在一些修改中，调节阴极柔性体横截面的减小，以保持阴极组件中的电阻率恒定。实现其的替代方法是增加阴极集电器棒和阴极块之间的电绝缘的长度。
根据这个例子，针对所有可能的修改计算金属起伏和MHD稳定性，但是对于每个计算仅有一个修改。通过在基于计算机的建模程序中建立实际电解池的模型来辅助计算，其中每个阴极块组件或阴极块区段组件被表示。建模程序能够识别哪个阴极块组件或阴极块区段组件优选地应当被修改。然后最有希望的(一个或多个)修改应当在电解池中实现。电解池可以通过(一个或多个)修改在绿色地带(greenfiled)建立或者作为普通重衬维护的一部分而在棕色地带建立。
最重要的步骤是：
●为所有阴极位置建立用于正常阴极设计的代表性模型。必须定义阴极块组件或阴极块区段组件的数量以及阴极棒的对应设计。
●根据以下步骤，在基于计算机的建模操作中选择要修改哪些阴极棒：
●对于所有阴极位置1-n都从正常阴极设计开始，数字n是阴极块或阴极块区段的数量，
●必须定义阴极棒的对应设计，例如对于典型的阴极块是两个棒，
●将位置1中的阴极棒1修改为具有降低的阴极棒电阻率，并且可选地对应地增加阴极柔性体电阻率，以达到与正常阴极块或阴极块区段相同的总电阻率，计算金属起伏和MHD稳定性并存储结果，
●对所有其余的阴极位置2-n再次以正常阴极设计开始，
●将位置1中的阴极棒2修改为具有降低的阴极棒电阻率，并且可选地对应地增加阴极柔性体电阻率，以达到与正常阴极块或阴极块区段相同的总电阻率，计算金属起伏和MHD稳定性并存储结果
●对所有阴极棒和位置重复上述步骤，
●然后获得的结果被用来寻找经修改的和未经修改的阴极块的有希望的组合，
●其后通过计算金属起伏和MHD稳定性来测试有希望的组合，
●其后在生产电解池中实现至少一个修改。
在替代方案中，要修改哪些阴极棒的选择也可以基于研究力分量并且对于若干所选择的情况(试验和错误)计算结果所得的金属起伏和MHD稳定性。
基于详细描述中所获得的结果，产生了对于每个经修改的阴极棒以及可选地柔性体的金属起伏和MHD稳定性的概述。然后，该概述被用来分析关于金属起伏的减少和提高的MHD稳定性修改哪些阴极棒是有利的。
基于上述分析，对由至少一个阴极棒修改(具有对应的阴极柔性体修改)组成的几种设计进行建模和计算。
利用低金属起伏、金属盘在电解池中的均匀分布和MHD稳定性作为选择标准，可以选择最佳设计。
但是，原则上可以应用如前所述修改阴极块组件或阴极块区段组件的导电性和对应地电流分布的所有常见方式。
该方法可以应用于包括一个、两个或更多个阴极棒的阴极块组件或阴极块区段组件。
根据具有适当建模工具的模型计算，在所选择的阴极处的集电器棒绝缘(非对称设计)通过减小将过量金属推入电解池的一侧的力明显地改进金属起伏和不稳定率(IR)。电解池操作的改进是预期的。
通过在所有位置延伸集电器棒绝缘，观察到相当大的起伏减少。实际上，通过在电解池周围全都将这个绝缘从150mm增加到450，起伏低于任何其它解决方案，并且不对称性也显著降低。但是，由于更长的绝缘长度而导致的增加的电压降必须通过例如使用Cu插入物来补偿。增加的阴极电压降的补偿将需要比其它非对称设计更多的Cu，因为在所有位置都需要Cu并且可能是更昂贵的解决方案。
如上面所提到的，应当理解的是，为了简化的原因，在上述实施例中描述的电解池的修改的建模原则上基于阴极集电器棒电阻率相对于阴极块的修改。应当理解的是，操作电解池中的最终修改实际上可以基于如先前所提及的方法i-v和阴极棒连接方法a-b所述的修改阴极块或阴极块区段的导电性的其它方式。

Claims (22)

1.一种用于在用于铝生产的霍尔赫劳尔特型电解池中减小金属盘不均匀性和优化MHD稳定性的方法，所述电解池具有悬浮的预焙碳阳极和阴极板，所述阴极板包括若干具有一个或多个集电器棒的基于碳的阴极块从而形成阴极块组件，其中所述阴极块组件能够由若干单独的阴极块区段构成，阴极块区段与阴极集电器棒一起形成阴极块区段组件，所述电解池还具有位于阴极板上的金属盘以及在金属盘和阳极之间的电解浴，其中金属盘的不均匀性通过测量或计算来检测，
其特征在于
在基于计算机的建模程序中建立所述电解池的模型，其中表示出每个阴极块组件或阴极块区段组件，该建模程序能够识别哪个阴极块组件或阴极块区段组件优选地应当被修改，其中通过选择性地改变单独的阴极块组件或阴极块区段组件中的电流分布来在所述电解池中实施至少一个修改，使得阴极板上的金属中的局部电流路径和对应的局部力被修改，以增强金属盘的不均匀性和电解池的整体MHD稳定性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于
通过所述修改，由每个阴极块组件或阴极块区段组件提取的电流的总量保持恒定。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于
通过所述修改，由每个阴极块组件或阴极块区段组件提取的电流的总量保持恒定，其中到母线系统的阴极棒连接件(a，b)被修改。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于
修改阴极块或阴极块区段质量，其中，基于碳的阴极块的导电性朝着中心增加。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于
例如通过选择性地使用Cu插入物来增加阴极集电器棒的导电性。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于
增加阴极集电器棒的维度，以降低电压降。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于
通过将阴极集电器棒与基于碳的阴极块部分地电绝缘来减少基于碳的阴极块或阴极块区段的导电性。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于
经修改的阴极块组件中的碳块的导电性降低。
9.如权利要求4-6所述的方法，其特征在于
在经修改的阴极块组件中，阴极棒连接件的导电性降低。
10.如权利要求4-6所述的方法，其特征在于
在未经修改的阴极块组件中，阴极棒连接件的导电性增加。
11.如权利要求7-8所述的方法，其特征在于
在经修改的阴极块组件中，阴极棒连接件的导电性增加。
12.如权利要求7-8所述的方法，其特征在于
在未经修改的阴极块组件中，阴极棒连接件的导电性降低。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于
通过应用组i-v和a-b两者中的多于一种方法的组合，阴极板的电阻整体上维持不变。
14.如权利要求1所述的方法，其中根据以下步骤选择在基于计算机的建模操作中要修改哪些阴极棒：
对于所有阴极位置1-n都从正常阴极设计开始，数字n是阴极块或阴极块区段的数量，
需要定义阴极棒的对应设计，例如对于典型的阴极块是两个棒，
将位置1中的阴极棒1修改为具有降低的阴极棒电阻率，并且可选地对应地增加阴极柔性体电阻率，以达到与正常阴极块或阴极块区段相同的总电阻率，计算金属起伏和MHD稳定性并存储结果，
对所有其余的阴极位置2-n再次以正常阴极设计开始，
将位置1中的阴极棒2修改为具有降低的阴极棒电阻率，并且可选地对应地增加阴极柔性体电阻率，以达到与正常阴极块或阴极块区段相同的总电阻率，计算金属起伏和MHD稳定性并存储结果，
对所有阴极棒和位置重复上述步骤，
然后将获得的结果用来寻找经修改的和未经修改的阴极块的有希望的组合，
其后通过计算金属起伏和MHD稳定性来测试有希望的组合，
其后在生产电解池中实现至少一个修改。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于
所述电解池的简化模型包括表示一个位置的若干阴极块组件。
16.一种霍尔赫劳尔特型的用于铝生产的电解池，其中金属盘不均匀性和MHD稳定性根据如权利要求1-15所述的方法进行修改，电解池具有悬浮的预焙碳阳极和阴极板，所述阴极板包括若干具有阴极集电器棒的基于碳的阴极块或阴极块区段，并且所述电解池还具有金属盘和在所述阳极和所述阴极板之间的电解浴，
其特征在于
阴极板上的金属中的局部电流路径和对应的局部力被修改，其中至少一个单独的阴极块或阴极块区段中的电流分布(较少的水平电流分量)被修改并且与其它的不同。
17.如权利要求16所述的电解池，其特征在于
至少一个基于碳的阴极块或阴极块区段的导电性与未经修改的阴极块的导电性不同。
18.如权利要求16所述的电解池，其特征在于
所述至少一个阴极块或阴极块区段被修改，例如通过石墨化程度，其中，基于碳的阴极块的导电性沿着阴极块或阴极块区段的长度而变化。
19.如权利要求16所述的电解池，其特征在于
阴极集电器棒的导电性被提高，例如通过选择性地使用Cu插入物。
20.如权利要求16所述的电解池，其特征在于
阴极集电器棒的维度在至少一个阴极块或阴极块区段中更大。
21.如权利要求16所述的电解池，其特征在于
至少一个阴极块或阴极块区段具有以与其余的阴极块或阴极块区段不同的方式相对于基于碳的阴极块或基于碳的阴极块区段电绝缘的集电器棒。
22.如权利要求16所述的电解池，其特征在于
通过所述修改，由每个阴极块组件或阴极块区段组件提取的电流的总量保持恒定，其中到母线系统的阴极棒连接件(a，b)被修改。
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