CN109402671B - 一种触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝电解装置，属于金属生产领域。一种触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，包括多组并排设置的阴极碳块，阴极碳块的两端设置与阴极碳块一体化的、同材质的导电柱，导电柱与母线之间通过阴极捷扣连接，阴极捷扣以对称环抱方式与导电柱紧密接触，实现电流在导电柱中均匀分布，在金属的阴极捷扣与导电柱紧密接触的内侧面，设置含汞的碳块材料浆糊的浆糊层，使导电柱与母排之间实现微观分子级别的紧密接触，消除两相表面的接触电阻。该装置节省了传统阴极碳块消耗的大量钢材，改焊接为表面接触，方便操作。且进一步优化电流分布，降低无用电热消耗，在在电解铝高耗能行业的应用，极大的提升能源利用效率，推动绿色电解铝工业的发展。

Description

一种触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽

技术领域

本发明涉及铝电解阴极槽，尤其涉及一种触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽。

背景技术

阴极碳块是阴极电解槽结构的主要组成部分，在铝电解生产中即起着导电作用，又作为阴极电解槽内衬材料，阴极碳块的结构直接影响着电解槽的使用效率、寿命和电的热消耗，因此国际铝行业十分重视高质量的阴极碳块的应用。

传统的阴极电解槽采用阴极碳块—钢棒—磷生铁浇注或扎糊组成阴极组，这种工艺预先制备阴极碳槽，然后浇筑磷生铁，这种高温浇筑不仅操作复杂，需要匹配相应的融铁重铸工艺及装置，并且高温铁水的凝固会导致阴极碳槽内部产生应力和形变，导致碳颗粒之间间隙、裂缝出现，升高整个阴极电解槽的内部电阻。由于阴极碳槽的内部形变和孔隙的出现是随机的，所以经过重铸钢棒后的阴极碳槽出现各处电阻的非均匀现象，影响阴极电解槽的电解效率。

进一步，传统的阴极电解槽采用阴极碳块—钢棒—磷生铁浇注或扎糊组成阴极组，电流经母线接入钢棒，经钢棒导入整个阴极碳块。鉴于钢棒与碳块的导电系数不同，电流在两种介质表面并不能均匀传输，使得阴极碳块内表面的电磁场发生不可控畸变，对阴极电解槽内部的铝液产生很大的影响，铝液在电磁力的作用下形成不可控的漩涡现象，在铝液表面产生波动，使得实际的电解铝生产操作中只能保持高极距的条件下进行，高极距间电解质的高电阻将大量的电能转化为热量，降低电能利用效率的同时，造成电解槽内部温度不平衡，且在大电流密度下各处温度剧烈波动，对电解效率、阴极电解槽的使用寿命均有很大的影响。设计不好的阴极电解槽将很容易转变成电解效率低下的高能耗、高发热的生产设备。

传统的阴极电解槽采用阴极碳块—钢棒—磷生铁浇注或扎糊组成阴极组，电流经母线接入钢棒，经钢棒导入整个阴极碳块。一般采用钢铝复合片连接母线与钢棒。通常钢铝复合片采用多层铝导电片与多层钢导电片部分交叉叠放，在炸药爆轰冲击力下使得两种金属导电片融合渗透为一体，实现铝电极与钢电极的均相结合，降低接触电阻。钢铝复合导电片的铝电极与铝材质的母线焊接、钢电极与阴极碳块中的钢棒焊接，实现阴极碳块与母线的电连接。这种连接方法受限制于焊接工艺复杂，容易因为虚焊、表面氧化层等原因导致电阻较高，且炸药爆轰后的铝片与钢片因为金属氧化层的存在，仍存在较大电阻，导致这种连接方式下的导电效率低下，限制电解铝各电极的最大电流强度，使得电解铝的效率不高，且能耗较高、易于发热变形损坏。

设计合理的阴极电解槽能够降低加工难度、节省钢材消耗、、便于与母线连接、降低电发热效应，提升铝电解效率,这是目前电解铝行业所亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，解决现在碳包钢结构阴极电解槽加工复杂、使用不便的问题。

技术方案

一种触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，其特征在于，包括多组并排设置的阴极碳块，所述阴极碳块的两端各设置若干个与阴极碳块一体化的、同材质的导电柱，导电柱与母线之间通过阴极捷扣连接，阴极捷扣以对称环抱方式与导电柱紧密接触，实现电流在导电柱中均匀分布。

进一步，所述金属的阴极捷扣与导电柱紧密接触的内侧面上，设置一层含金属汞的碳块材料浆糊，实现金属阴极捷扣表面形成金属汞齐，渗入导电柱碳块材料内部孔隙，使得金属阴极捷扣与导电柱之间实现微观分子级别的紧密接触，消除两相表面的接触电阻。

进一步，所述阴极捷扣包括拱形的上导电块和拱形的下导电块，上导电块与下导电块相互接触的内表面上设置有固定导电柱的凹槽，所述上导电块的上表面设置与母线电连接的焊接平面。

进一步，所述导电柱与阴极碳块连接处呈喇叭口状收缩。

进一步，上导电块与下导电块两侧开有固定孔，上导电块与下导电块之间通过固定孔内的紧固螺栓固定。

进一步，所述金属导电部件与导电柱紧密接触的内侧面上，刻有沟槽，增大导电柱与阴极捷扣之间的接触面积。

进一步，所述上导电块与下导电块内部凹槽的环周长的尺寸小于碳材质导电柱外周长尺寸的0.5～1％，实现过盈配合，通过上导电块与下导电块之间紧固螺栓提供压力，将碳材质导电柱表面部分碳材料压入沟槽内，提高导电柱与阴极捷扣的导电面积、提升阴极捷扣与碳材质导电柱接触的紧密程度，降低接触电阻。

进一步，所述含金属汞的碳块材料浆糊中，汞含量为1～10wt％。

进一步，所述含金属汞的碳块材料浆糊层中含有0.2～3wt％的粉末状白磷，用于消耗浆糊层中的氧气，减小金属导电部件与导电柱外表面接触处的金属氧化物生成，防止形成金属氧化物提高接触电阻。

进一步，所述金属阴极捷扣选自铜、铝、银。

进一步，所述导电柱的横截面中心为对称几何图形。

进一步，所述导电柱呈圆柱形、正四棱柱形。

进一步，所述阴极碳块表面设置X形交叉沟槽，将电解过程中铝液微观定向流动转化为X形状沟槽交叉点的对冲流，消除宏观、微观的铝液流动效应。

进一步，所述X形状沟槽的深度为0.5～2cm，宽度为0.2～1cm。

进一步，所述铝电解阴极槽侧面和底面设置耐火保温材料。

进一步，所述多组并排设置的阴极碳块的数量为2～40。

有益效果

本发明采用导电柱与阴极碳块一体化成型，省去了现有技术中的铸钢夹心结构，简化了阴极碳块的制备工艺，节省了大量钢材，大大降低了生产的成本和难度；

本装置导电柱与阴极碳块一体化成型，克服了原阴极碳块—钢棒—磷生铁浇注或扎糊组成阴极组中各区域导电率不同，电解铝过程中容易产生局部电磁场分布不均一的问题，消除了铝液在电磁力的作用下形成不可控的漩涡现象，提高了电解效率、降低了电解过程中的电热无用能耗，提高了生产过程中的电能使用效率；

本装置采用碳材质的导电柱直接与母排通过金属-碳的接触面进行导电，相比于传统焊接工艺，更加便捷和高效。

本发明所提供的阴极捷扣借助于方便的安装结构和汞齐增大电流传输效率的方式，实现了母线与阴极碳块的低电阻连接，母排和阴极碳槽任意部件的更换难度均得到有效降低，阴极碳块与母排线之间的连接方便、紧密、高效，无需焊接即可承载高强度电流通过，且大大的节省了电量热消耗，提升电能的利用效率。

附图说明

图1为本发明铝电解阴极槽的阴极捷扣安装于四棱柱形导电柱的俯视图；

图2为本发明铝电解阴极槽的阴极捷扣安装于四棱柱形导电柱的正视图；

图3为本发明铝电解阴极槽的阴极捷扣安装于四棱柱形导电柱的轴向视图；

图4为本发明铝电解阴极槽的阴极捷扣安装于四棱柱形导电柱的左视图；

图5为本发明中正四棱柱形凹槽式上导电块的正视图；

图6为本发明中正四棱柱形凹槽式上导电块的俯视图；

图7为本发明中正四棱柱形凹槽式上导电块的轴视图；

图8为本发明中正四棱柱形凹槽式下导电块的正视图；

图9为本发明中正四棱柱形凹槽式下导电块的俯视图；

图10为本发明中正四棱柱形凹槽式下导电块的轴视图；

图11为本发明中圆柱形凹槽式上导电块的正视图；

图12为本发明中圆柱形凹槽式上导电块的俯视图；

图13为本发明中圆柱形凹槽式上导电块的轴视图；

图14为本发明中圆柱形凹槽式下导电块的正视图；

图15为本发明中圆柱形凹槽式下导电块的俯视图；

图16为本发明中圆柱形凹槽式下导电块的轴视图；

其中：1-导电柱，2-阴极碳块，3-阴极捷扣，31-上导电块，32-下导电块，4-紧固螺栓，41-固定孔，5-浆糊层，6-焊接平面，7-凹槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

传统的阴极电解槽采用阴极碳块—钢棒—磷生铁浇注或扎糊组成阴极组，电流经母线接入钢棒，经钢棒导入整个阴极碳块。鉴于钢棒与碳块的导电系数不同，电流在两种介质表面并不能均匀传输，对电解效率、阴极电解槽的使用寿命均有很大的影响。并且整个电解装置的供电线路母排多为导电能力强的铝金属材质，铝金属材质与钢棒的铁材质不同，直接焊接困难，且焊点不稳固，存在虚焊、脱焊等现象，且二者之间的焊接由于不同金属氧化膜的存在，焊接点存在较大的接触电阻。需要经过钢铝复合片分别将母排与钢棒连接，操作困难，且钢铝复合片本身也存在易于变形损坏、电阻高等问题。

本实施例给出一种触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，该装置取消掉现有技术中阴极碳块采用碳块包裹钢棒的设计，采用全碳材料的阴极碳块，在阴极碳块的两端分别设置与阴极碳块一体化成型、同材质的导电柱。

由于阴极碳块2与导电柱1的材质相同，且导电柱对称设置在阴极碳块两侧，所以电流经导电柱的传导，能够非常均匀的传递至阴极碳块各个区域，消除了阴极碳块各处导电能力不均带来的电磁场、温度分布不均一的现象，改善阴极碳块中铝电解过程的稳定性，提高电解效率和电能转化效率。为了进一步提高导电柱与阴极碳块的接触面积并促使电流均匀由导电柱流向阴极碳块，本实施例中导电柱与阴极碳块的连接处呈喇叭口状收缩，即提高了导电柱与阴极碳块的连接强度，又提高了电流分散的均匀程度。

为了进一步解决碳材质的导电柱与母排的连接问题，如附图1～4所示，本技术方案设计了包括拱形的上导电块31和拱形的下导电块32构成的阴极捷扣，上导电块与下导电块相互接触的内表面上设置有固定导电柱的凹槽，阴极捷扣借助拱形的上导电块31和拱形的下导电块32对导电柱1形成环抱式紧密接触，将导电柱固定在凹槽7内，能够确保来自母排的电流经过阴极捷扣能够均匀分布在导电柱上，进而均匀分布于阴极碳块中，提升电解效率。本实施例的上导电块、下导电块内部凹槽可选择正四棱柱形或圆柱形，附图1～10所示的示意图中，凹槽为正四棱柱形，起对应导电柱亦为正四棱柱形。

本实施例中，所提供的上导电块与下导电块两侧开有固定孔41，上导电块与下导电块之间通过固定孔内的紧固螺栓4固定，与导电柱紧密结合；并且在本实施例中，阴极捷扣与导电柱紧密接触的凹槽内侧面上，刻有沟槽，增大导电柱与阴极捷扣之间的接触面积。本实施例中，为了提升阴极捷扣与导电柱的接触紧密度，设计上导电块与下导电块内部凹槽的环周长的尺寸比碳材质导电柱外周长尺寸减小0.5～1％，使得凹槽与导电柱形成过盈配合，通过上导电块与下导电块之间紧固螺栓提供压力，将碳材质导电柱表面部分碳材料压入沟槽内，提高导电柱与阴极捷扣的导电面积、提升阴极捷扣与碳材质导电柱接触的紧密程度，降低接触电阻。

本实施例中，在上导电块的上表面设置平台状的焊接平面6，与母线焊接，实现阴极捷扣与母线的电连接，且阴极捷扣的材质优选为铝、铜、银。

本实施例中，为了进一步提高导电柱与阴极捷扣之间的导电能力，在金属的阴极捷扣与导电柱紧密接触的内侧面上，设置一层含金属汞的碳块材料浆糊，称之为浆糊层5，实现在金属的阴极捷扣的凹槽7表面形成金属汞齐，液态的汞齐合金渗入导电柱碳块材料内部孔隙，使得金属阴极捷扣与导电柱之间实现微观分子级别的紧密接触，消除两相表面的接触电阻。本实施例中，所述含金属汞的碳块材料浆糊中，汞含量为1～10wt％。实验发现，活性的金属形成汞齐后容易被氧化，会因为外部的氧气逐步渗入，导致金属氧化物的产生，提高阴极捷扣与导电柱之间的电阻。在本实施例中，所述含金属汞的碳块材料浆糊层中含有0.2～3wt％的粉末状白磷，用于消耗浆糊层中的氧气，减小金属导电部件与导电柱外表面接触处的金属氧化物生成，防止形成金属氧化物提高接触电阻。

本实施例所提供的触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽包括30组并排设置的矩形的阴极碳块，所述阴极碳块的两端各设置两根与阴极碳块一体化的、同材质的导电柱。本实施例中每块矩形的阴极碳块的宽度为90cm，长度为600cm，两端导电柱为边长为9.5cm的正四棱柱。在导电柱与矩形的阴极碳块连接处呈喇叭状收缩，喇叭状底端与矩形的阴极碳块侧面一体化成型，其喇叭状底端的直径为16.5cm。但本实施了也尝试了圆柱形结构的导电柱，并且相应凹槽7的形状也变成半弧形，如附图11～16所示。本实施例中，阴极碳块表面设置X形交叉沟槽，将电解过程中铝液微观定向流动转化为X形状沟槽交叉点的对冲流，消除宏观、微观的铝液流动效应。

本实施例中，导电柱为碳材质，表面不会出现氧化带来较高的接触电阻。不需要像传统的阴极电解槽采用钢棒与铝钢复合片焊接方式进行连接，将与母线连接的金属阴极捷扣与导电柱紧密压实接触即可实现良好的大电流传输能力。

本实施例中，30组阴极碳块电解槽的工作电流为600KA，相比于同电流强度下的钢棒导电的碳块铝电解槽，本装置中导电柱与母排间的接触电阻明显降低，更重要的是将原来的焊接式连接方式变更为直接接触连接，降低操作复杂性，且降低母排、阴极碳槽任意部件的更换难度。

由于导电柱与阴极碳块电解槽的材质相同，电流能够均匀的分布在阴极碳块电解槽的电解面，提升电磁场的均匀分布成度，降低了液态金属铝在不稳定、不均匀电磁场作用下的漩涡流动和波动，减小电解铝生产操作中的高极距现象，降低电解内部电阻，降低电阻热效应，大大的节省了电量消耗，提升电能的利用效率。

Claims (8)

1.一种触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，其特征在于，包括多组并排设置的阴极碳块，所述阴极碳块的两端各设置若干个与阴极碳块一体化的、同材质的导电柱，导电柱与母线之间通过阴极捷扣连接，阴极捷扣以对称环抱方式与导电柱紧密接触，实现电流在导电柱中均匀分布；所述金属的阴极捷扣与导电柱紧密接触的内侧面上，设置一层含金属汞的碳块材料浆糊的浆糊层；所述阴极捷扣包括拱形的上导电块和拱形的下导电块，上导电块与下导电块相互接触的内表面上设置有以对称环抱方式固定导电柱的凹槽，所述上导电块的上表面设置与母线电连接的焊接平面。

2.如权利要求1所述的触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，其特征在于，所述导电柱与阴极碳块连接处呈喇叭口状收缩。

3.如权利要求1所述的触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，其特征在于，所述凹槽与导电柱过盈配合，且凹槽内侧刻有沟槽以增大凹槽与导电柱的接触面积。

4.如权利要求2所述的触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，其特征在于，所述含金属汞的碳块材料浆糊中，汞含量为1～10wt%。

5.如权利要求2所述的触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，其特征在于，所述含金属汞的碳块材料浆糊层中含有0.2～3wt%的粉末状白磷。

6.如权利要求1所述的触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，其特征在于，金属阴极捷扣选自铜、铝、银。

7.如权利要求1所述的触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，其特征在于，所述导电柱的横截面中心为圆柱形或正多边形。

8.如权利要求1所述的触面连接式均相导电介质的铝电解阴极槽，其特征在于，所述阴极碳块表面设置X形交叉沟槽。

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