CN108396334B - 一种用于降低铝液水平电流的铝电解槽阴极结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于降低铝液水平电流的铝电解槽阴极结构，包括阴极炭块和阴极导电棒，阴极炭块底面沿轴向设有一个贯通槽或两个同轴且对称的长槽，其顶面设有凹槽；两组阴极导电棒位于一个贯通槽内或分别位于两个长槽内；每组阴极导电棒有至少2个阴极导电棒，每个阴极导电棒由棒体、导电爪和爪头构成；导电爪固定安装在棒体的顶端，导电爪上有1～10个爪头位于各凹槽，凹槽与爪头之间填充有导电体。本发明的结构设计，可使流经各凹槽的电流相等或相差不大，电流近乎垂直地进入阴极炭块，即水平电流很小，电解槽稳定性高。
Description
技术领域
本发明属于铝电解技术领域，特别涉及一种用于降低铝液水平电流的铝电解槽阴极结构。
背景技术
铝电解生产需要消耗大量电能，其能源利用率仅在50％左右，降低电耗一直是追求的目标；铝电解直流电耗W(kWh/t-Al)可以表示为W＝2980×V平/(CE)，式中V平为电解槽的平均槽电压(V)，CE为电解槽的电流效率(％)；铝电解生产的吨铝直流电耗直接由槽电压和电流效率决定。
铝电解生产过程中，为获得较高的电流效率，需要保持一定的极距(阳极炭块与阴极铝液面之间的距离)；若极距过大，电解质电阻大，槽电压高，电耗高；当降低极距，虽然电解质电压降降低，但可能会使阴极铝液的二次反应增加，铝损失增大，电流效率降低。
铝电解过程中，电流经阳极母线、阳极炭块、电解质后，进入阴极铝液、阴极炭块、阴极钢棒、阴极母线后，到下一台铝电解槽。
现行电解槽中，阴极结构包括阴极炭块与阴极钢棒，每个阴极炭块沿长度方向设有开槽，用于安装阴极钢棒；通常每个阴极炭块安装2根或4根阴极钢棒，阴极钢棒一部分在炭块开槽中，靠炭糊或磷铁导电体连接，以保证有良好的导电能力；阴极钢棒另一端伸出炭块外，称为钢棒出电端，电流可从炭块经炭糊或磷铁后进入阴极钢棒，最后从阴极钢棒出电端流出。
现行工业电解槽的这种阴极结构，使得阴极炭块上表面各点到阴极钢棒出电端的电阻差异较大，导致距离出电端较近的阴极炭块部分之上的铝液的电流密度较大，而远离出电端的阴极铝液电流密度较小，表现出阴极炭块上的铝液内存在较大水平电流；这种水平电流在垂直磁场作用下，产生电磁力，导致铝液/电解质界面不稳定；水平电流越大，阴极铝液越不稳定，故而在当前铝电解槽操作中，通常保持4～5cm的极距才能维持电流效率在90％以上，这是当前铝电解工业无法大幅度降低电耗的原因。
发明内容
针对现有阴极结构技术存在的上述问题，本发明提供一种降低铝液水平电流的阴极结构，通过在不同阴极导电棒上设置导电爪并安装爪头，采用多个爪头与阴极炭块连接的方式，使多个爪头用于均匀分散电流，使阴极炭块内的电流分布均匀，也从根源上减少铝液电磁力与波动，提高阴极铝液稳定性，实现降低铝电解能耗。
本发明的降低铝液水平电流的阴极结构包括阴极炭块和阴极导电棒，阴极炭块外形为长方体，底面沿轴向设有阴极槽，阴极槽为一个贯通槽或由两个同轴且对称的长槽组成，阴极槽的顶面设有若干凹槽；两组阴极导电棒位于一个贯通槽内，或者分别位于两个长槽内；每组阴极导电棒有至少2个阴极导电棒，每个阴极导电棒由棒体、导电爪和爪头构成；棒体位于阴极槽内的一端为顶端，位于阴极槽外的一端为尾端；导电爪固定安装在棒体的顶端，每个导电爪上安装有1～10个爪头，各爪头分别位于阴极槽顶面的各凹槽内，凹槽与该凹槽内的爪头之间填充有导电体。
上述结构中，同一组阴极导电棒中的各阴极导电棒之间有至少1cm的间隙，各阴极导电棒的棒体以及导电爪与阴极槽侧壁之间有至少1cm的间隙；各阴极导电棒的棒体顶端均位于阴极槽的轴线上。
上述结构中，同一阴极导电棒上的棒体、导电爪和爪头为一体结构；当1个导电爪上安装1个爪头时，导电爪与爪头直接连接，爪头与导电爪轴线重合；当1个导电爪上安装有2个以上的爪头时，各爪头通过支杆与主杆连接，主杆和支杆以及两者之间的连接部分共同构成导电爪。
上述结构中，同一组阴极导电棒上的各爪头沿阴极槽的轴向排成1～3排，其中每排爪头中均有该组各阴极导电棒上的爪头，当排数为2时，同一个阴极导电棒上的各爪头平均分成2组分别位于各排中，当排数为3时，同一个阴极导电棒上的各爪头平均分成3组分别位于各排中；当爪头超过1排时，相邻两排爪头的间距与阴极槽的宽度的比例为1:(1.5～5)；同一排爪头中，相邻两个爪头的间距与阴极炭块的长度的比例为1:(3～20)。
上述的导电体是采用碳质糊、TiB2粉或磷铁为原料，通过扎固、捣固或熔体浇铸的方式填充在爪头和凹槽之间的物料。
上述结构中，爪头和凹槽之间的距离在2～60mm，优选10～40mm。
上述结构中，同一组阴极导电棒中的各阴极导电棒与同一个电解槽外的阴极母线连接。
上述结构中，凹槽的水平截面为圆形、方形、椭圆形或带有圆角的矩形。
上述结构中，凹槽侧壁表面设有螺纹结构，便于与导电体牢固连结。
上述结构中，阴极导电棒之间以及阴极导电棒和阴极炭块之间设置填充材料；阴极导电棒之间的填充材料的电阻率高于阴极导电棒，阴极导电棒和阴极炭块之间的填充材料的电阻率高于阴极炭块。
本发明的降低铝液水平电流的阴极结构在工作时，阴极炭块承接从其上的铝液层来的电流，阴极导电棒将电流从阴极炭块导入到电解槽的阴极母线上；阴极导电棒的爪头与导电体相串联，承接从阴极炭块进来的电流；本发明的结构设计，可使流经各凹槽的电流相等或相差不大，且又由于凹槽均匀分布于阴极炭块下方，可使阴极铝液内的电流可近乎垂直地进入阴极炭块，即水平电流很小，因此铝液所受的电磁力很小，铝液波动小，电解槽稳定性高，电流效率高，也有利于通过降低极距来降低槽电压，最终实现铝电解能耗的大幅度降低。
附图说明
图1为本发明实施例1中的降低铝液水平电流的阴极结构的半剖面结构示意图；
图2为图1的B-B向示意图；
图3为图1的A-A向示意图；
图4为图3中阴极炭块部分结构示意图；
图5为本发明实施例2中的降低铝液水平电流的阴极结构的半剖面结构示意图；
图6为图5的B-B向示意图；
图7为图5的A-A向示意图；
图8为本发明实施例3中的降低铝液水平电流的阴极结构的半剖面结构示意图；
图9为图8的B-B向示意图；
图10为图8的A-A向示意图；
图中，1、阴极炭块，2、阴极导电棒Ⅰ(棒体)，3、阴极导电棒Ⅱ(棒体)，4、阴极导电棒Ⅲ(棒体)，5、阴极导电棒Ⅳ(棒体)，6、主杆，7、爪头，8、长槽，9、导电体，10、横杆，11、凹槽，12、支杆，13、贯通槽。
具体实施方式
本发明中阴极槽的侧面与阴极炭块外侧壁的距离为5～300mm。
本发明中当阴极槽为两个对称的长槽时，两个长槽的间距为10～300mm。
本发明的阴极炭块为长方体，长Lc为1500～4500mm，宽Dc为350～800mm，高Hc为240～800mm。
本发明的凹槽深度为5～200mm。
本发明实施例中，阴极导电棒的材质为钢。
本发明实施例中，阴极导电棒的棒体横截面为矩形。
本发明中阴极导电棒上位于凹槽内的部分为爪头。
本发明实施例中，主杆和支杆为圆柱状。
本发明实施例中，阴极导电棒的棒体长度为Lb，棒体的截面积为Sb，其中第i个阴极导电棒的棒体长度为Lb-i，棒体截面积为Sb-i，则阴极导电棒截面积与长度之比为Yi＝Sb-i/Lb-i；该阴极导电棒上安装的爪头数为Pi，并且Pi＝1～10；则第j个阴极导电棒棒体截面积与长度之比为Yj；当第i个阴极导电棒和第j个阴极导电棒的材质相同时，有X＝(Yi/Pi):(Yj/Pj)，X取值为0.5～2.0，优选取值为0.8～1.25。
本发明实施例中，同一个阴极炭块上的阴极导电棒分成2组，各组分别与槽外阴极母线相连中，每个阴极炭块设有1～8个阴极槽。
下面结合实施例进一步说明本发明，而不用于限制本发明；以下为本发明优选实施例。
实施例1
降低铝液水平电流的阴极结构半剖面结构如图1所示，B-B向结构如图2所示，A-A向结构如图3所示，图3中阴极炭块部分结构如图4所示；该结构包括阴极炭块(1)和阴极导电棒，阴极炭块外形为长方体，底面沿轴向设有阴极槽，阴极槽由两个同轴且对称的长槽(8)组成，阴极槽的顶面设有16个凹槽(11)；
两组阴极导电棒分别位于两个长槽(8)内；每组阴极导电棒有4个阴极导电棒，即阴极导电棒Ⅰ(2)、阴极导电棒Ⅱ(3)、阴极导电棒Ⅲ(4)和阴极导电棒Ⅳ(5)；
每个阴极导电棒由棒体、导电爪和爪头(7)构成；棒体位于阴极槽内的一端为顶端，位于阴极槽外的一端为尾端；导电爪固定安装在棒体的顶端，每个导电爪上安装有2个爪头(7)，各爪头分别位于阴极槽顶面的各凹槽(11)内，凹槽(11)与该凹槽(11)内的爪头(7)之间填充有导电体(9)；
其中阴极导电棒Ⅲ(4)和阴极导电棒Ⅳ(5)的棒体位于阴极槽轴线两侧，棒体在向阴极槽内部延伸过程中弯折，且阴极导电棒Ⅲ(4)棒体的顶端位于阴极导电棒Ⅳ(5)的棒体弯折处附近；
阴极导电棒Ⅰ(2)和阴极导电棒Ⅱ(3)的棒体位于阴极导电棒Ⅲ(4)和阴极导电棒Ⅳ(5)的棒体之间，阴极导电棒Ⅰ(2)棒体位于阴极导电棒Ⅱ(3)的棒体上方；阴极导电棒Ⅱ(3)棒体顶端延伸至阴极导电棒Ⅰ(2)棒体顶端前方；
同一组阴极导电棒中的各阴极导电棒之间有至少1.5cm的间隙，各阴极导电棒的棒体以及导电爪与阴极槽侧壁之间有至少3cm的间隙；各阴极导电棒的棒体顶端均位于阴极槽的轴线上；
同一阴极导电棒上的棒体、导电爪和爪头(7)为一体结构；各爪头(7)通过支杆(12)与主杆(6)连接，其中支杆(12)与主杆(6)之间为横杆(10)，主杆(6)、支杆(12)和横杆(10)共同构成导电爪；
同一组阴极导电棒上的各爪头(7)沿阴极槽的轴向排成2排，每排爪头(7)中均有4个阴极导电棒上的爪头(7)，同一个阴极导电棒上的2个爪头(7)分别位于各排中；相邻两排爪头的间距与阴极槽的宽度的比例为1:1.84；同一排爪头中，相邻两个爪头的间距与阴极炭块的长度的比例为1:7.4；
阴极炭块内的各爪头的顶面位于同一水平面上；
导电体是采用磷铁为原料，通过熔体浇铸的方式填充在爪头和凹槽之间的物料；
爪头和凹槽之间的距离40mm；
同一组的阴极导电棒中的各阴极导电棒与同一个电解槽外的阴极母线连接；
凹槽的水平截面为圆形；
凹槽侧壁表面设有螺纹结构，便于与导电体牢固连结；
根据棒体长度和截面积以及所连接的爪头数，在X＝(Yi/Pi):(Yj/Pj)时，X值在0.8～1.25之间；其中棒体长度为顶端到尾端的长度；
经过实验和计算，上述结构可以显著地降低电解槽阴极铝液内的水平电流，提高铝电解槽的电流效率，并降低铝电解槽的电能消耗。
实施例2
降低铝液水平电流的阴极结构如图5所示，B-B向结构如图6所示，A-A向结构如图7所示，结构同实施例1，不同点在于：
(1)阴极槽为一个贯通槽；
(2)两组阴极导电棒位于一个贯通槽内；每组阴极导电棒有3个阴极导电棒，即阴极导电棒Ⅰ(2)、阴极导电棒Ⅱ(3)和阴极导电棒Ⅲ(4)；每个导电爪上安装有2个或4个爪头(7)；
其中阴极导电棒Ⅱ(3)和阴极导电棒Ⅲ(4)的棒体位于阴极槽轴线两侧，棒体在向阴极槽内部延伸过程中弯折，且阴极导电棒Ⅱ(3)棒体的顶端位于阴极导电棒Ⅲ(4)的棒体弯折处附近；
阴极导电棒Ⅰ(2)的棒体位于阴极导电棒Ⅱ(3)和阴极导电棒Ⅲ(4)的棒体之间，阴极导电棒Ⅰ(2)棒体顶端安装4个爪头(7)，阴极导电棒Ⅱ(3)和阴极导电棒Ⅲ(4)的棒体顶端均安装有2个爪头(7)；
(3)阴极导电棒Ⅰ(2)、阴极导电棒Ⅱ(3)和阴极导电棒Ⅲ(4)上的各爪头(7)通过支杆(12)与主杆(6)连接，其中支杆(12)与主杆(6)之间为横杆(10)，主杆(6)、支杆(12)和横杆(10)共同构成导电爪；其中阴极导电棒Ⅰ(2)上各爪头(7)下方与支杆(12)连接，支杆(12)下方与X型横杆(10)连接，X型横杆(10)与主杆(6)连接，主杆(6)、X型横杆(10)和支杆(12)共同构成导电爪；
(4)阴极导电棒Ⅰ(2)上各爪头(7)平均分成2组分别位于2排中；相邻两排爪头的间距与阴极槽的宽度的比例为1:1.8；同一排爪头中，相邻两个爪头的间距与阴极炭块的长度的比例为1:8.7；
(5)导电体是采用碳质糊为原料，通过捣固的方式填充在爪头和凹槽之间的物料；
(6)爪头和凹槽之间的距离10mm；
经过实验和计算，上述结构可以显著地降低电解槽阴极铝液内的水平电流，提高铝电解槽的电流效率，并降低铝电解槽的电能消耗。
实施例3
降低铝液水平电流的阴极结构如图8所示，B-B向结构如图9所示，A-A向结构如图10所示，结构同实施例1，不同点在于：
(1)每组阴极导电棒有3个阴极导电棒，即阴极导电棒Ⅰ(2)、阴极导电棒Ⅱ(3)和阴极导电棒Ⅲ(4)；每个导电爪上安装有1个爪头(7)；
其中阴极导电棒Ⅱ(3)和阴极导电棒Ⅲ(4)的棒体位于阴极槽轴线两侧，棒体在向阴极槽内部延伸过程中弯折，且阴极导电棒Ⅱ(3)棒体的顶端位于阴极导电棒Ⅲ(4)的棒体弯折处附近；
阴极导电棒Ⅰ(2)的棒体位于阴极导电棒Ⅱ(3)和阴极导电棒Ⅲ(4)的棒体之间；
(2)导电爪与爪头(7)直接连接，爪头(7)与导电爪轴线重合；
(3)各爪头沿阴极槽的轴向排成1排，相邻两个爪头的间距与阴极炭块的长度的比例为1:9；
(4)导电体是采用TiB2粉为原料，通过扎固的方式填充在爪头和凹槽之间的物料；
(5)爪头和凹槽之间的距离20mm；
(6)凹槽的水平截面为椭圆形；
经过实验和计算，上述结构可以显著地降低电解槽阴极铝液内的水平电流，提高铝电解槽的电流效率，并降低铝电解槽的电能消耗。
Claims (1)
1.一种用于降低铝液水平电流的铝电解槽阴极结构，包括阴极炭块和阴极导电棒，阴极炭块外形为长方体，底面沿轴向设有阴极槽，阴极槽为一个贯通槽或由两个同轴且对称的长槽组成，阴极槽的顶面设有若干凹槽；两组阴极导电棒位于一个贯通槽内，或者分别位于两个长槽内；其特征在于：每组阴极导电棒有至少2个阴极导电棒，每个阴极导电棒由棒体、导电爪和爪头构成；棒体位于阴极槽内的一端为顶端，位于阴极槽外的一端为尾端；导电爪固定安装在棒体的顶端，每个导电爪上安装有1~10个爪头，各爪头分别位于阴极槽顶面的各凹槽内，凹槽与该凹槽内的爪头之间填充有导电体；同一组阴极导电棒中的各阴极导电棒之间有至少1cm的间隙，各阴极导电棒的棒体以及导电爪与阴极槽侧壁之间有至少1cm的间隙；各阴极导电棒的棒体顶端均位于阴极槽的轴线上；所述的导电体是采用碳质糊、TiB2粉或磷铁为原料，通过扎固、捣固或熔体浇铸的方式填充在爪头和凹槽之间的物料；所述的阴极导电棒上的棒体、导电爪和爪头为一体结构；当1个导电爪上安装1个爪头时，导电爪与爪头直接连接，爪头与导电爪轴线重合；当1个导电爪上安装有2个以上的爪头时，各爪头通过支杆与主杆连接，主杆和支杆以及两者之间的连接部分共同构成导电爪；同一组所述的阴极导电棒上的各爪头沿阴极槽的轴向排成1排，其中每排爪头中均有该组各阴极导电棒上的爪头；同一排爪头中，相邻两个爪头的间距与阴极炭块的长度的比例为1:（3~20）；所述的爪头和凹槽之间的距离在2~60mm；所述的凹槽的水平截面为圆形、方形、椭圆形或带有圆角的矩形。
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