CN107208289A - 用于hall‑heroult单元的阴极电流收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于生产铝(2)的电解单元(1)，包括在阴极(4)下方的收集器棒结构变型(13，14，15，16)，即，保持在U形轮廓中或直接嵌入阴极的铜收集器棒。这导致在液态铝金属(2)中和/或碳阴极内部的优化的电流分布，从而允许以较低的电压操作单元。较低的电压由较低的阳极到阴极距离(ACD)和/或碳阴极内部从液态金属到收集器棒端部的降低的电压降产生。
Description
技术领域
本发明涉及使用Hall-Héroult工艺生产铝；尤其涉及为了能量消耗的降低、电流效率的最大化以及单元生成率的提高的收集器棒的优化。
背景技术
铝是通过Hall-Héroult工艺、通过在高达1000℃的温度电解溶解在冰晶石基电解质中的氧化铝来生产的。典型的Hall-Héroult单元由钢壳、耐火材料的绝缘内衬和保持液态金属的碳阴极构成。阴极由多个阴极块组成，其中收集器棒嵌入在所述多个阴极块的底部以提取流过单元的电流。
许多专利出版物已经提出了用于使液态金属到收集器棒的端部之间的电压降最小化的不同做法。WO2008/062318提出使用与现有的钢收集器棒互补的高导电材料并给出对WO 02/42525、WO 01/63014、WO 01/27353、WO 2004/031452和WO 2005/098093的参考，这些参考公开了在钢收集器棒内部使用铜插入件的解决方案。美国专利4,795,540将阴极以及收集器棒拆分成区段。WO2001/27353和WO2001/063014在收集器棒内部使用高导电材料。US2006/0151333涵盖了在收集器棒中使用不同的电导率。WO 2007/118510提出当朝着单元的中心移动时增加收集器棒的区段，用于改变在阴极的表面处的电流分布。US 5,976,333和6,231,745给出了在钢收集器棒内部使用铜插入件。EP 2 133 446 A1描述了用于改变阴极的表面几何形状以便稳定金属焊盘表面处的波并因此使ACD(阳极至阴极距离)最小化的阴极块布置。
WO 2011/148347描述了铝生产单元的碳阴极，该碳阴极包括密封在碳阴极内的外壳中的高导电插入件。这些插入件更改阴极体的导电性，但是不参与由收集器棒进行的电流收集和提取。
熔融冰晶石的电导率非常低，通常为220Ω-1m-1，并且由于磁流体动力学不稳定性的形成导致在金属浴(金属-冰晶石电解质)界面处的波浪，因此ACD不能大大降低。波浪的存在导致该工艺的电流效率的损失，并且不允许降低临界值下的能量消耗。在铝工业中平均而言，电流密度使得ACD中的电压降最小为0.3V/cm。因为ACD为3至5cm，所以ACD中的电压降通常为1.0V至1.5V。液态金属内部的磁场是在外部母线中流动的电流和内部电流的结果。液态金属内部的内部局部电流密度主要由阴极几何形状和阴极的局部电导率来限定。磁场和电流密度产生洛伦兹力场，其本身生成金属表面轮廓(contour)、金属速度场，并针对磁流体动力学单元稳定性限定基本环境。单元稳定性可以表示为降低ACD而不在金属垫的表面处生成不稳定波的能力。稳定性水平依赖于电流密度和感应磁场，也依赖于液态金属池的形状。池的形状依赖于阴极的表面和凸缘形状。现有技术解决方案响应于对所需的磁流体动力学状态的给定水平以满足良好的单元稳定性(低ACD)，但是使用铜插入件的解决方案非常昂贵并且常常需要复杂的机械加工工艺。
发明内容
本发明涉及用于生产铝的Hall-Héroult单元的碳阴极的阴极电流收集器(current collector)，其类型为该阴极电流收集器包括中心区段，该中心区段包括至少一个在使用中位于碳阴极下方的高导电金属棒，该高导电金属具有比钢的电导率更大的电导率。
根据本发明，高导电连接器棒包括位于碳阴极的中心部分下方的中心部分，通常直接位于阴极槽或通孔中或者使用U形轮廓作为支撑件，高导电连接器棒的这个中心部分使得至少其上部外表面与碳阴极直接电接触或者通过由施加在高导电连接器棒的表面上方的导电胶和/或导电柔性箔或片形成的导电界面与碳阴极接触。高导电连接器棒包括与所述中心部分的一侧或两侧相邻并在所述中心部分的一侧或两侧上的一个或两个外部部分，以及从所述(一个或多个)外部部分向外延伸的一个或多个端部部分。而且，高导电收集器棒的这些(一个或多个)终端部分各自串联电连接到具有比高导电性连接器棒更大的截面面积的钢导体棒，所述(一个或多个)钢导体棒向外延伸，用于连接到外部电流源母线。
高导电棒可以嵌入到具有或不具有U形梁的阴极槽或通孔中。但是，可以在整个嵌入区域上方实现电接触：特别是在高导电棒的顶部和侧面上方。
有利地，高导电金属选自铜、铝、银及其合金，优选地是铜或铜合金。
高导电金属的上部和可选地侧面的表面可以被粗糙化或设置有凹陷(诸如凹槽)或凸起(诸如翅片)，以增强与碳阴极的接触。
当高导电金属和碳阴极之间存在导电界面时，这种导电界面可以选自金属布、金属网或金属泡沫，优选地是铜、铜合金、镍或镍合金、或者石墨箔或石墨织物、或者导电胶层，或者其组合。有利地，导电界面包括可以通过将2-组分可硬化胶的液体组分与固体含碳组分混合而获得的基于碳的导电胶。
依赖于单元设计，高导电金属棒的侧面和可选地底部可以直接或间接地接触与碳阴极接触的捣固糊或耐火砖。
高导电金属棒可以机械加工成具有至少一个槽或设置有另一个空间，槽或空间被布置成通过允许高导电金属向内膨胀到由(一个或多个)槽提供的空间中来补偿阴极中的棒的热膨胀。
高导电金属棒的终端部分优选地串联电连接到形成过渡接头的钢导体棒，其中高导电金属棒和钢导体棒部分地彼此重叠并且通过焊接、通过导电胶和/或通过施加机械压力(诸如夹具，以实现压力装配，或通过热膨胀固定的接头)固定在一起。可替代地，固定的端部部分被螺纹连接在一起。形成过渡接头的钢棒向外延伸，用于连接到单元外部的母线网络，钢棒的向外延伸的端部区段具有增加的截面，以减小电压降并确保单元的热平衡。
由于高导电金属上的碳阴极的重量，并且通过高导电金属的受控的热膨胀，阴极碳可以与高导电金属的开放的上部外表面电接触。
上面提到的高导电连接器棒的(一个或多个)外部部分通常在单元底部的导电部分之下延伸或通过单元底部的导电部分，在这种情况下，高导电连接器棒的这些外部部分与单元底部的导电部分电绝缘，尤其是与碳阴极的侧面部分或捣固糊电绝缘。高导电金属棒的一些区段通过被封在绝缘体中而方便地与单元底部的导电部分绝缘，尤其是通过被封在一片或多片绝缘材料(诸如包裹在所述(一个或多个)外部部分周围的氧化铝)中或者一层电绝缘胶或水泥或者任何可以承受高达1200℃的绝缘材料中而方便地与单元底部的导电部分绝缘。
在特定的实施例中，阴极电流收集器的中心区段中的高导电金属棒被保持在由在Hall-Héroult单元阴极中的温度处保持其强度的材料制成的U形轮廓中。这种U形轮廓可以具有在所述棒的下方的底部并且棒搁置在该底部上、具有可选地至少一个直立的翅片，以及具有在侧面上延伸并与高导电棒的侧面隔开或接触的侧面区段。所述高导电棒至少具有上部部分以及可选地还具有由U形轮廓任其自由的侧面部分，以使得高导电金属可以直接或经由导电界面与碳阴极接触。高导电金属的开放的上部和优选地还有侧面与碳阴极直接接触或通过导电界面与碳阴极接触。U形轮廓通常由诸如钢的金属或者由混凝土或陶瓷制成。
本发明还涉及装配有如上所述的阴极电流收集器组件的用于生产铝的Hall-Héroult单元。
本发明的进一步说明
阴极电流收集器的中心部分中的高导电金属棒与碳阴极直接电接触或者可以胶合到碳阴极。它可以例如嵌入在凹槽或孔中，在凹槽或孔中它可以胶合或者通过施加在高导电连接器棒的表面上方的柔性箔或片来固定。胶通常是导电的基于碳的双组分胶。
高导电连接器棒包括位于碳阴极外部的外部部分，以将高导电连接器连接到常规钢棒(过渡接头)以将电流提取到单元外部。
依赖于阴极设计，高导电棒可以被布置成单个棒或者被允许热膨胀的间隙平行隔开的多个棒。
在一个实施例中，与由U形轮廓支撑的中心部分相邻并在该中心部分外部定位的阴极收集器棒的部分是电绝缘的，以便与阴极的导电部件(尤其是与碳阴极的侧面部分或捣固糊)电绝缘，即，当电流收集器安装在单元中时。
高导电金属的电导率大于钢的电导率(钢在现有技术的单元中以封装高导电金属(诸如铜)的管状护套的形式使用)，并且优选地选自铜、铝、银及这些金属之间的合金，并且可能具有其它合金金属。高导电金属优选地由铜或铜合金制成。
如所提到的，有利地，高导电金属的开放的上部自由部分和侧面的表面被粗糙化，用于增强与碳阴极的接触。例如，可以通过机械加工操作来对其进行粗糙化。典型的表面粗糙度由从粗糙度剖面(表面的截面)的峰到底部的平均距离定义。可以使用0.2mm至4mm(或更高)的粗糙度值。可以利用研磨工具(对于较低的值)或通过机械操作(诸如机械加工、压印、雕刻或滚花)来获得粗糙的表面。表面的粗糙化可以与翅片、肋条或凹槽组合，以增加机械保持。
当存在U形轮廓时，高导电金属的上部自由部分可以是平坦的并且与U形轮廓的开放的顶部齐平，或者它可以从中心部分和/或从U形轮廓的顶部突出，以便具有与碳阴极直接或通过导电界面接触的任何形状(特别是圆形或矩形或翅片形，以提高电接触面积和机械保持)的突出的上部和侧面。
嵌入阴极底部的棒(有或没有U形轮廓或梁或其它支撑件)由例如铜制成，直到阴极块的外部横向正面。从这个位置开始，铜棒与过渡接头串联电连接。过渡接头是阴极棒的最终端部件。它被用来退出单元框架，并且充当单元内部的铜棒和单元框架外部的母线之间的过渡接头。过渡接头使得可以在现有单元上实现新概念，而无需对单元框架和母线进行任何修改。每种单元技术可以具有不同类型的过渡接头，以符合单元外部母线的现有设计。
因此，高导电阴极电流收集器棒的中心区段由向外延伸以连接到单元外部的电流源的端部区段(过渡接头)延伸。这些由钢制成的向外延伸的端部区段具有增加的截面以降低端部区段的温度，例如与单元外的温度相比将其温度降低至大约+200℃。
收集器棒的端部因此可以通过过渡接头连接到单元的外部母线。这些过渡接头可以通过机械压力、焊接、热膨胀、机械锁定、压力装配、螺纹连接或其组合固定到高导电棒。这个过渡接头可以被成形为使得外部挠性件(flex)到现有母线的连接位置保持不变，从而避免对现有壳体和对母线的连接系统的任何修改。
在本发明的阴极电流收集器组件的一个实施例中，高导电收集器棒和/或U形轮廓的侧面和底部可以接触与碳阴极接触的捣固糊。但是，捣固糊不应当延伸到高导电金属的接触表面之上。
如所提到的，为了控制施加到阴极槽的侧面的力，可以通过在高导电收集器棒内部机械加工一个或多个槽来控制嵌入阴极槽中的高导电收集器棒的热膨胀。当达到工作温度时，这些槽的间隙闭合。获得膨胀槽的另一种方式是通过隔开两个分开的高导电收集器棒。
使用根据本发明的阴极电流收集器棒，增加了碳阴极的导电性，使得阴极块的有用高度可以提高10％至30％，这依赖于原始阴极设计和新收集器棒的高导电金属的上部接触轮廓的设计。通过增加阴极块的高度，可以相应地增加阴极的使用寿命以及因此增加单元的使用寿命。
使用根据本发明的阴极电流收集器棒还导致在液态金属中和/或在碳阴极内部的优化的电流分布，从而允许在较低电压处操作单元。较低的电压由较低的阳极到阴极距离(ACD)和/或碳阴极内部从液态金属到收集器棒端部的降低的电压降产生。
代替使用U剖面，可以将棒放在钻入阴极的孔中。在那种情况下，高导电材料将与胶一起被推入孔中。高导电材料的表面可以被开槽(滚花)，使得接触表面增加，并且胶的抓力也增加。在这个实施例中，至少在阴极的中心区段中高导电金属棒被包含在碳阴极中的通孔中，由此高导电金属棒被支撑在碳阴极的底层部分上并被碳阴极中的通孔的表面包围并优选地与碳阴极中的通孔的表面直接电接触。
如上面所讨论的，相对于碳阴极的热膨胀的控制可以通过将一个或多个槽机械加工到高导电棒中或通过使用两个或更多个隔开的棒来实现。
本发明的详细解释
本发明基于以下洞察：通过对收集器棒设计及其对单元磁流体动力学稳定性的影响的彻底研究，有可能使用更好和更便宜的技术来通过将导电棒嵌入阴极下方特定距离上的凹陷匹配座中(优选地与碳阴极直接接触)以实现作为收集器棒的高导电材料(铜或其它)。机械保持和容纳可以通过使用U形轮廓从下面包含棒来实现。机械保持也可以通过将高导电金属棒插入阴极中的通孔中来实现。
本发明基于以下观察：单元寿命受到主要由阴极中的电流密度模式驱动的化学和机械侵蚀的限制。为了增加阴极厚度以及因此增加单元寿命，本发明的收集器棒被简单地放置在阴极平坦表面下方或者装配到阴极下方的凹陷的匹配座中，使得碳阴极和高导电收集器棒之间的接触通过碳阴极的重量或通过收集器棒的上部接触轮廓线上的机械精密装配来实现，其中接触轮廓线可以是水平平坦、圆形、椭圆形、翅片形或者从平坦到凸起的一般任何形状。
为了随着时间的推移更好地确保导电棒相对于阴极的接触和位置，可以布置U形轮廓，以机械地钩到在阴极座中机械加工的横向定位槽。铜或其它高导电收集器棒与碳阴极之间的接触可以通过使用放置在放置于U形轮廓中的高导电材料的顶部上的“界面材料”来改善。界面材料可以是金属泡沫(诸如镍泡沫或铜泡沫)和/或穿透碳块的结构化表面(诸如金属网或导电胶层或者石墨箔或织物)或上述“界面材料”中一些的组合。这些界面材料还具有补偿高导电金属相对于碳阴极的不同热膨胀的功能。
为了确保阴极中和液态金属内部的优化电流密度，从而允许增加单元中的电流，高导电金属的截面被计算并依赖于碳阴极电导率、阴极尺寸以及甚至单元中的阳极位置。在中心区域外部，收集器棒应当在电流输出侧的特定距离和选定间隔上绝缘，以确保在阴极表面的平滑电流密度，并且液态金属中几乎没有水平电流。
而且，为了降低收集器棒和碳阴极之间的接触电阻，可以在高导电电流收集器和可选地U形轮廓的下侧上使用捣固糊床。
本发明还涉及用于生产利用本发明性阴极电流收集器或利用本发明性阴极电流收集器组件改进的生产铝的Hall-Héroult单元。
附图说明
将参考附图通过实施例进一步描述本发明，其中：
图1是通过装备有根据本发明的收集器棒的Hall-Héroult单元的示意性截面。
图2是通过收集器棒的第一实施例的截面，示出了U形轮廓。
图3是通过收集器棒的第二实施例的截面，示出了另一个U形轮廓。
图4是跨根据本发明的具有U形轮廓的配备有电流收集器的阴极以及参考阴极的电流密度的曲线图。
图5A是通过阴极的截面，示出了胶合到碳阴极的收集器棒的高导电材料。
图5B是通过阴极的截面，示出了与碳阴极直接电接触的收集器棒的高导电材料。
图6是通过根据本发明的阴极电流收集器组件的另一个实施例的截面图。
图7例示了阴极电流收集器棒的高导电材料如何连接到用于将电流引导到单元外部的钢棒(过渡接头)。
图8示出了阴电流收集器棒的高导电金属到将电流引导到单元外部的钢棒的替代连接。
图9示出了阴电流收集器棒的高导电金属到将电流引导到单元外部的钢棒的另一种替代连接。
图10A示出了被机械加工以创建允许热膨胀的凹槽的电流收集器棒的高导电材料。
图10B示出了被机械加工以创建允许热膨胀的凹槽并直接接触碳阴极的电流收集器棒的高导电材料。
图10C示出了与碳阴极直接接触的电流收集器棒的高导电材料，其被加工成创建允许热膨胀的槽并被包含在U形钢梁中。
图11示出了成形为增加阴极和胶合到阴极块的高导电材料之间的表面积的高导电材料15。
图12示出了电流收集器棒的高导电材料层，其以上侧面直接接触碳阴极并以下侧面直接接触U形钢梁的中心折叠翅片。
图13A示出了由U形钢梁的中心垂直翅片拆分成两个分开的导电部分的高导电材料，每个导电部分从上侧和横向面直接接触碳阴极。
图13B示出了由U形钢梁的中心垂直翅片分裂成两个分开的导电部分并与碳阴极电绝缘的高导电材料。
图13C示出了通过U形钢梁的两个分开的垂直翅片中的每个被拆分成两个分开的导电部分并与碳阴极直接接触的高导电材料。
图14示出了支撑件上的高导电材料，并且从上侧和横向侧与碳阴极直接接触。
图15示出了插入石墨碳块中的孔中的开槽铜管。
图16示出了插入石墨碳块中的孔中的实心铜杆。
图17示出了插入石墨碳块中的孔中的两根铜杆，一个杆具有用于热膨胀的间隙。
图18是弯曲成U形的铜棒的透视图，该铜棒具有嵌在石墨阴极块中的两条腿，U形铜棒的短区段被压力装配在钢过渡接头中。
具体实施方式
图1示意性地示出了Hall-Héroult铝生产单元1，包括碳阴极单元底部4、碳阴极单元底部4上的液体阴极铝的池2、在铝池2的顶部上的含有溶解的氧化铝的基于氟化物(即，冰晶石)的熔融电解质3，以及悬挂在电解质3中的多个阳极5。还示出了单元盖6、根据本发明从单元容器8外部引入碳单元底部4的阴极电流收集器棒7以及阳极悬挂杆9。可以看出，收集器棒7被分成了区。区10电绝缘，并且区11由如图2、图3、图5或图6中所示的层组成。熔融电解质3包含在凝固电解质的外壳12中。以电串联连接到收集器棒7的端部的钢棒18突出到单元1的外部，用于连接到外部电流源。
收集器棒的区10例如通过被包裹在一片氧化铝中或通过被包封在电绝缘的胶或水泥(cement)中而电绝缘。
图2示出了由任何类型的耐温导电或绝缘材料(例如钢)制成的U形轮廓14和在U形轮廓14内部的高导电材料15(诸如铜)，一起形成收集器棒。如所示出的，收集器棒可选地被焦炭床(即，捣固糊)13围绕，以减小朝着碳阴极的电阻。可以使高导电材料的自由顶表面16粗糙，以使电接触电阻最小化。在一个变型中，U形轮廓的侧面不延伸到高导电材料的顶部，而在另一个变型中，U形轮廓的侧面比高导电材料宽并且与高导电材料隔开。
图3示出了由任何类型的耐温导电或绝缘材料(例如钢)制成的U形轮廓14和高导电材料15(诸如铜)，一起形成在碳阴极4内部使用“嵌入式”收集器棒的情况下的收集器棒。在这个实施例中，与铜/金属15的顶部和U形轮廓14的开放顶部齐平的图2相反，此处铜/金属15与U形轮廓的两个横向侧面分开，由此增加三个侧面上的与碳阴极4的直接电接触表面。铜/金属15的下侧搁置在作为机械支撑件的U形轮廓14的平坦底部上。
图4示出了从阴极中心(点“0.0”)到阴极边缘(点“1.8”)所看到的使用铜/金属棒对阴极表面处的电流密度的典型影响。这些结果将在后面讨论。
图5A示出了封住高导电材料15和高导电材料周围的胶16的阴极4，这种胶是导电的。
图5B示出了封住与碳阴极4直接接触的矩形区段的高导电材料的棒15的阴极4。
图6示出了阴极4、高导电材料15和高导电材料周围的胶16以及耐火砖17。高导电材料15被胶合到碳阴极4，但是仅在阴极的下部上胶合到碳阴极4，阴极的侧面和下部由耐火砖17(诸如Schamotte)或任何类型的电绝缘或甚至导电材料(诸如捣固糊)代替。
图7示出了阴极4、高导电材料15和在高导电材料周围并且在接触表面上的胶16以及由将电流引导到单元外部的钢棒18形成的过渡接头。收集器棒的端部可以被压合装配在钢棒18的机械加工区段中、在孔中，或者可以利用相同的胶被胶合。另一种类型的连接可以是使用拆分成通过螺栓连接或焊接夹紧在收集器棒上的两个纵向部分的钢过渡接头。
图8从底部示出了阴极4，其中高导电材料15的两个边缘到边缘棒被膨胀间隙19分开并且被螺栓连接到将电流引导到单元外部的钢棒18。通过使用这种螺栓连接，使用在阴极内部也可以被隔开的两个高导电金属元件15以在阴极内部提供热膨胀间隙。
图9示出了替代连接，其中钢棒18由通过螺栓系统19连接在一起的两个分开的元件制成。如所示出的，高导电材料15的端部也通过相同的螺栓系统19固定在拆分开的钢棒18的端部中。
图10A示出了电流收集器棒的高导电材料15，其被机械加工成创建在高导电金属的棒的高度的主要部分上延伸的中心凹槽17，从而允许热膨胀。在这个示例中，高导电材料15涂覆有将高导电材料15胶合到阴极4的导电胶16。
图10B示出了电流收集器棒的高导电材料15，其被机械加工成创建在高导电金属的棒的高度的主要部分上延伸的中心凹槽17，从而允许热膨胀。在这个示例中，高导电材料15与碳阴极4直接接触。代替机械加工的凹槽，两个或更多个高导电金属的棒可以以面对着隔开的关系彼此隔开。
图10C示出了电流收集器棒的高导电材料15，其被机械加工成创建在高导电金属的棒的高度的主要部分上延伸的中心凹槽17，从而允许热膨胀。在这个示例中，高导电材料15与碳阴极直接接触并且由比高导电材料宽的U形钢梁14从下面支撑。
图11示出了高导电材料15，其上表面由一系列肋条或其它突起成形，以增加阴极4和高导电材料15之间的表面面积，其中高导电材料15由导电胶层16胶合到阴极块4。
图12示出了电流收集器棒的高导电材料层15，其通过其上侧面与碳阴极4直接接触，并且通过其下侧面装配在U形钢梁14的中心折叠翅片14a上方并与该中心折叠翅片14a接触。可以有多于一个作为U形梁区段14的部分的垂直折叠翅片14a。
图13A示出了由宽U型钢梁14的中心垂直翅片14a拆分成两个分开的导电部分的高导电材料15，每个导电部分都从其上侧面和横向面直接接触到碳阴极4。
图13B示出了通过宽U型钢梁14的中心垂直翅片14a拆分成两个分开的导电部分的高导电材料15，每个导电部分在其长度上的需要绝缘的一些片段上(即，在区10(图1)中)通过沉积在导电材料的上侧面和横向面与碳阴极4之间的电绝缘材料层20与阴极4电绝缘。
图13C示出了通过U形钢梁14的两个分开的垂直翅片14a中的每个被拆分成两个分开的导电部分的高导电材料15，每个导电部分从其上侧面和横向面直接接触碳阴极4。可以有多于两个的垂直翅片14a。
图14示出了通过其上侧面和横向侧面与碳阴极4直接接触的高导电材料15的棒。高导电材料15的下侧面通过“平坦的”钢梁14b或者通过与高导电材料15共同延伸并支撑高导电材料15的捣固糊或胶来支撑。如前所述，高导电材料可以通过凹槽被拆分，或者可以存在彼此隔开的多于一部分的高导电材料。支撑梁14b可以由若干层(例如，捣固糊上方的钢层)制成。
图15示出了插入石墨碳块4中的圆柱形孔中的开槽铜管15A。铜管15A沿其长度开槽，以在单元到达其工作温度时提供足够的间隙来适应铜管15A的热膨胀。开槽管15A的外表面优选地与块4的石墨直接电接触。
图16示出了插入石墨碳块4中的孔中的实心铜杆15B。在这种情况下，膨胀余量可以通过精密装配来实现。换句话说，在插入之前，块4中的圆柱形孔的直径和杆15B的直径被计算以使得杆舒适地装配在孔中，并且随着单元的温度上升，杆15B膨胀以紧紧地装配在孔中。
图17示出了插入石墨碳块4中的孔中的两个铜杆，一个杆15B是如图16中所示的平面圆柱形杆，以及另一个杆15B′具有用于热膨胀的直径间隙。
图15、16和17示出了具有圆形截面的铜棒，但是值得提到的是，该概念可以应用到任何几何形状的孔和插入的棒/管。所例示的包含铜导体的圆形孔具有由块的底层的碳从下面密封的优点。因此，不需要用于在下面支撑的支撑U形梁。
图18是用于将高导电(铜)棒的外部部分连接到过渡接头的特定实施例的透视图。如所示出的，铜棒15被弯曲成具有两个腿的U形，两个腿嵌入石墨阴极块4的下侧的凹槽中，两条腿从该凹槽突出。在U形铜棒15的突出端部处的短区段15C被压合装配在朝着钢过渡接头18的端部定位的横向凹槽中。这个过渡接头18的端部部分装配在铜棒15的两条腿之间并且过渡接头18比铜棒15的腿的厚度更深。总的来说，过渡接头18的截面面积大于铜棒15的两条腿的组合截面面积。铜棒15与过渡接头18的紧密装配可以通过铜在过渡接头18的横向凹槽中的热膨胀来提供。
高导电收集器棒的进一步描述
高导电收集器棒的使用可以降低来自液态金属2和收集器棒的端部部分的电压降。有或没有U形轮廓14或支撑梁14b的铜或其它高导电材料15还有助于减小阳极到阴极距离(ACD)，从而允许特定能量消耗的降低，以及允许阴极高度的增加从而导致单元寿命增加。
在母线系统的功能和单元几何形状方面优化长度L1、L2和L3(图1)以便优化单元稳定性。实际上，通过收集器棒的电流的再分配允许好得多的磁流体动力学单元状态，这将允许减小ACD同时增加电流，并因此使能量消耗最小化。这由在液态金属池中间的水平区段中的均匀的垂直电流密度反映。
对于标准单元和图3或图5A中根据本发明的单元，电流密度的典型示例在图4中示出。垂直电流密度(Jz)依赖于在液态金属中的位置，即，(x，y，z)坐标系中的Jz＝Jz(x，y，z)。当在液态金属内部的水平面中从一个阳极的投影的外部部分的边缘(x＝-XL)移动到相邻阳极的投影的边缘(x＝XL)时，电流密度的垂直分量的绝对值(|Jz(x)|)通常如图4中所示的那样变化。当通过使用包含在U形轮廓14中或直接装配到阴极槽中的高导电金属15(诸如与石墨阴极直接电接触的铜)来优化收集器棒时，|Jz(x)|减少至少50％，如图4中所示(右手部分)。收集器棒的区段使得从碳阴极侧到收集器棒的端部的热提取最小。事实上，它的尺寸被设计为获得外部的大约200℃的温度降，并且电压降尽可能低。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种阴极电流收集器组件，组装在用于生产铝的Hall-Héroult单元的碳阴极中，所述阴极电流收集器组件包括至少一个位于碳阴极下方的高导电金属收集器棒，高导电金属的电导率大于钢的电导率，
其特征在于
·所述高导电金属收集器棒或每个高导电金属收集器棒包括位于碳阴极的中心部分下方的中心部分，高导电金属收集器棒的所述中心部分至少具有与碳阴极直接电接触或者通过由施加在高导电金属收集器棒的表面上方的导电胶和/或导电柔性箔或片形成的导电界面与碳阴极接触的上部外表面；
·所述高导电金属收集器棒或每个高导电金属收集器棒包括与所述中心部分的一侧或两侧相邻并位于所述中心部分的一侧或两侧上的一个或两个外部部分，以及从一个或多个所述外部部分向外延伸的一个或多个终端部分，以及
·所述高导电金属收集器棒或每个高导电金属收集器棒的一个或多个所述终端部分各自串联电连接到比高导电金属收集器棒具有更大截面面积的钢导体棒，一个或多个所述钢导体棒向外延伸，用于连接到外部电流源。
2.根据权利要求1所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属选自铜、铝、银及其合金，优选地是铜或铜合金。
3.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中与碳阴极界面接合的高导电金属的表面被粗糙化或设置有诸如凹槽的凹陷或诸如翅片的突起，以增强与碳阴极的接触面积。
4.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，包括在高导电金属和碳阴极之间的导电界面，所述导电界面选自铜、铜合金、镍或镍合金的金属布、金属网或金属泡沫，或者石墨箔或石墨织物，或者导电胶层，或者其组合。
5.根据权利要求4所述的阴极电流收集器组件，其中导电界面包括可通过将2-组分可硬化胶的液体组分与固体含碳组分混合而获得的基于碳的导电胶。
6.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属收集器棒的侧面和可选地底部直接或间接地接触与碳阴极接触的捣固糊或耐火砖。
7.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属收集器棒包括至少一个槽，所述槽被布置成通过允许高导电金属向内膨胀到由一个或多个槽提供的空间中来补偿阴极中的棒的热膨胀，或者其中高导电金属收集器棒中的两个或更多个被彼此隔开以允许补偿热膨胀。
8.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属收集器棒的终端部分串联电连接到形成过渡接头的钢导体棒，并且其中高导电金属收集器棒和钢导体棒部分地彼此重叠，并且通过焊接、通过导电胶和/或通过诸如夹具或通过热膨胀固定的接头而施加机械压力或通过螺纹连接固定在一起。
9.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中，由于高导电金属上的碳阴极的重量以及高导电金属的热膨胀，碳阴极与高导电金属的开放的上部外表面电接触。
10.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属收集器棒的一个或多个所述外部部分在单元底部的导电部分下面延伸或延伸通过单元底部的导电部分，高导电金属收集器棒的所述外部部分与单元底部的导电部分电绝缘。
11.根据权利要求10所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属收集器棒的一个或多个所述外部部分通过被包封在绝缘体中而与单元底部的导电部分绝缘，尤其是通过被包封在一片或多片绝缘材料中或被包封在电绝缘胶或水泥层中而与单元底部的导电部分绝缘，其中所述一片或多片绝缘材料诸如包裹在一个或多个所述外部部分周围的氧化铝。
12.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属电流收集器棒的所述中心部分被保持在U形轮廓中，所述U形轮廓由在Hall-Héroult单元阴极中的温度处保持其强度的材料制成，所述U形轮廓具有在所述棒的下方的底部并且所述棒搁置在所述底部上、可选地至少一个直立的翅片以及在侧面上延伸并与高导电金属收集器棒的侧面隔开或接触的侧面区段，所述高导电金属收集器棒至少具有上部部分以及可选地还有由所述U形轮廓任其自由的侧面部分，以使得高导电金属可以直接或经由导电界面与碳阴极接触。
13.根据权利要求12所述的阴极电流收集器组件，其中U形轮廓由诸如钢的金属制成，或者由混凝土或陶瓷制成。
14.根据权利要求1至5或7至11中的任一项所述的阴极电流收集器组件，其中至少在阴极的中心部分中的高导电金属收集器棒被包含在碳阴极中的通孔中，由此高导电金属收集器棒被支撑在碳阴极的底层部分上，并且被碳阴极中的通孔的表面包围并优选地与碳阴极中的通孔的表面直接电接触。
15.一种用于生产铝的Hall-Héroult单元，装配有根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件。
Claims (15)
1.一种阴极电流收集器组件，组装在用于生产铝的Hall-Héroult单元的碳阴极中，所述阴极电流收集器组件包括至少一个位于碳阴极下方的高导电金属棒，高导电金属的电导率大于钢的电导率，其特征在于
·所述高导电连接器棒或每个高导电连接器棒包括位于碳阴极的中心部分下方的中心部分，高导电连接器棒的所述中心部分至少具有与碳阴极直接电接触或者通过由施加在高导电连接器棒的表面上方的导电胶和/或导电柔性箔或片形成的导电界面与碳阴极接触的上部外表面；
·所述高导电连接器棒或每个高导电连接器棒包括与所述中心部分的一侧或两侧相邻并位于所述中心部分的一侧或两侧上的一个或两个外部部分，以及从一个或多个所述外部部分向外延伸的一个或多个终端部分，以及
·所述高导电连接器棒或每个高导电连接器棒的一个或多个所述终端部分各自串联电连接到比高导电收集器棒具有更大截面面积的钢导体棒，一个或多个所述钢导体棒向外延伸，用于连接到外部电流源。
2.根据权利要求1所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属选自铜、铝、银及其合金，优选地是铜或铜合金。
3.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中与碳阴极界面接合的高导电金属的表面被粗糙化或设置有诸如凹槽的凹陷或诸如翅片的突起，以增强与碳阴极的接触面积。
4.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，包括在高导电金属和碳阴极之间的导电界面，所述导电界面选自优选地是铜、铜合金、镍或镍合金的金属布、金属网或金属泡沫，或者石墨箔或石墨织物，或者导电胶层，或者其组合。
5.根据权利要求4所述的阴极电流收集器组件，其中导电界面包括可通过将2-组分可硬化胶的液体组分与固体含碳组分混合而获得的基于碳的导电胶。
6.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属棒的侧面和可选地底部直接或间接地接触与碳阴极接触的捣固糊或耐火砖。
7.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属棒包括至少一个槽，所述槽被布置成通过允许高导电金属向内膨胀到由一个或多个槽提供的空间中来补偿阴极中的棒的热膨胀，或者其中高导电金属棒中的两个或更多个被彼此隔开以允许补偿热膨胀。
8.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属棒的终端部分串联电连接到形成过渡接头的钢导体棒，并且其中高导电金属棒和钢导体棒部分地彼此重叠，并且通过焊接、通过导电胶和/或通过诸如夹具或通过热膨胀固定的接头而施加机械压力或通过螺纹连接固定在一起。
9.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中，由于高导电金属上的碳阴极的重量以及高导电金属的热膨胀，碳阴极与高导电金属的开放的上部外表面电接触。
10.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电连接器棒的一个或多个所述外部部分在单元底部的导电部分下面延伸或延伸通过单元底部的导电部分，高导电连接器棒的所述外部部分与单元底部的导电部分电绝缘。
11.根据权利要求10所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属棒的一个或多个所述外部部分通过被包封在绝缘体中而与单元底部的导电部分绝缘，尤其是通过被包封在一片或多片绝缘材料中或被包封在电绝缘胶或水泥层中而与单元底部的导电部分绝缘，其中所述一片或多片绝缘材料诸如包裹在一个或多个所述外部部分周围的氧化铝。
12.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中阴极电流收集器的中心区段中的高导电金属棒被保持在U形轮廓中，所述U形轮廓由在Hall-Héroult单元阴极中的温度处保持其强度的材料制成，所述U形轮廓具有在所述棒的下方的底部并且所述棒搁置在所述底部上、可选地至少一个直立的翅片以及在侧面上延伸并与高导电棒的侧面隔开或接触的侧面区段，所述高导电棒至少具有上部部分以及可选地还有由所述U形轮廓任其自由的侧面部分，以使得高导电金属可以直接或经由导电界面与碳阴极接触。
13.根据权利要求12所述的阴极电流收集器组件，其中U形轮廓由诸如钢的金属制成，或者由混凝土或陶瓷制成。
14.根据权利要求1至5或7至11中的任一项所述的阴极电流收集器组件，其中至少在阴极的中心区段中的高导电金属棒被包含在碳阴极中的通孔中，由此高导电金属棒被支撑在碳阴极的底层部分上，并且被碳阴极中的通孔的表面包围并优选地与碳阴极中的通孔的表面直接电接触。
15.一种用于生产铝的Hall-Héroult单元，装配有根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件。
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