CN109778233B - 一种铝电解阴极钢棒、制备方法及铝电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝电解阴极钢棒、制备方法及铝电解槽，利用区域熔炼将钢‑Me合金制备成阴极钢棒，使其具有不同梯度的电导率，从而实现阴极压降和水平电流的大幅度降低。阴极压降的减小有利于实现节能降耗，水平电流的降低有利于提高电解槽的稳定性，提高电能效率。且与现有技术相比，本发明一方面在降低水平电流的同时会降低阴极压降，不需要对阴极结构做出改动；另一方面所得钢棒电阻分布均匀合理，导电性高，能够明显降低阴极压降和水平电流。

Description

一种铝电解阴极钢棒、制备方法及铝电解槽

技术领域

本发明涉及一种铝电解阴极钢棒、制备方法及铝电解槽，属于铝电解设备领域。

背景技术

铝电解生产过程中，电流由铝导杆进入电解槽，经阳极部分，再经电解质、铝液，最后经阴极部分由阴极钢棒导出。电流在流经铝液与阴极部分时，由于材料的电阻不同，电流会自动选择电阻最小路径，这就造成了电流的偏转，也就是水平电流的产生。水平电流的存在会增大垂直磁场，致使槽内铝液波动加剧，电解槽不稳定性增加，能耗增加。

因此，降低水平电流对于铝电解行业具有重要意义。目前有很多关于降低水平电流和阴极压降的阴极结构和阴极钢棒改进，一般而言，铝电解阴极钢棒分为非通长型和通长型（参见CN102181883B）。与同类专利相比，如中国专利200820124295.3在阴极钢棒上开缝使阴极钢棒分成上下两部分，通过这一改进来改变电流的分布。又如专利号为201710372930.3的中国专利，通过在阴极炭块中添加多层不同排布方式的绝缘材料来实现降低水平电流的目的。但此两种阴极结构上的改进不可避免的增加了阴极压降，虽然其降低了水平电流，提高了电解槽的稳定性，但由于加入绝缘材料及缝隙，导致阴极自身压降升高。又如专利201110089796.9和专利201120059796.X通过改变阴极钢棒的高度来改变电阻率，实现水平电流的降低，但此种改进需要对阴极炭块燕尾槽进行进一步加深，从而给阴极炭块带来很大隐患。在铝电解生产过程中，阴极炭块在应力作用下会发生隆起，而燕尾槽加深更易导致阴极炭块的破损，降低铝电解阴极炭块的使用寿命，甚至漏炉迫使停槽。因此，在既不增加阴极压降又保证阴极炭块安全的情况下，实现铝液中水平电流的降低显得尤为重要。

发明内容

针对铝电解槽生产过程中容易产生阴极压降及水平电流过高的问题，本发明提供一种铝电解阴极钢棒、制备方法及铝电解槽。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种铝电解阴极钢棒，包含金属Me，金属Me的电导率大于Fe的电导率；

当所述铝电解阴极钢棒为非通长型阴极钢棒时，所述铝电解阴极钢棒沿其长度方向划分为N个区段；由铝电解阴极钢棒的一端到另一端，各区段中金属Me的含量逐段减小或逐段增大；

当所述铝电解阴极钢棒为通长型阴极钢棒时，所述铝电解阴极钢棒从其中垂面到其两端划分为相互对称的2N个区段；从铝电解阴极钢棒的端面到其中垂面，各区段中金属Me的含量逐段增大；

各区段中金属Me的含量为0.25wt%-15wt%；其中，N为不小于2的整数。

进一步地，所述金属Me包括Cu、Al、W、Ag、Au中的至少一种。

进一步地，各区段中金属Me的含量为1wt%-10wt%，进一步为2wt%-8wt%。

进一步地，各区段的长度之比可为任意比。

进一步地，相邻区段的长度相同或不同。

进一步地，各区段的长度逐段增大或减小。

进一步地，相邻区段之间金属Me的浓度梯度在0-10wt%之间。更进一步地，相邻区段之间金属Me的浓度梯度为0.5-5wt%。

如上所述的铝电解阴极钢棒的制备方法，包括如下步骤：

根据需要选用方法（1）或方法（2）进行，

（1）当所述铝电解阴极钢棒为非通长型阴极钢棒时：

（a）提供阴极钢棒粗坯，其中，所述阴极钢棒粗坯中金属Me的含量在0.25wt%-15wt%之间；

（b）将所述阴极钢棒粗坯沿长度方向划分为N个区段，从该阴极钢棒粗坯某一端至该阴极钢棒粗坯另一端，将各区段依次记为第1个区段、第2个区段、……、第N-1个区段、第N个区段；

（c）从第1个区段至第N个区段，对所述阴极钢棒粗坯进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T_N；

从第1个区段至第N-1个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前N-1个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T_N-1；

……

从第1个区段至第3个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前3个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T₃；

从第1个区段至第2个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前2个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T₂；

对所述阴极钢棒粗坯的第1个区段进行区域熔炼，获得铝电解阴极钢棒成品；期间，控制熔区温度为T₁；

其中，T₁、T₂……T_N-1、T_N依次增大；

（2）当所述铝电解阴极钢棒为通长型阴极钢棒时：

（a）提供阴极钢棒粗坯，其中，所述阴极钢棒粗坯中金属Me的含量在0.25wt%-15wt%之间；

（b）将所述阴极钢棒粗坯从其中垂面到其两端划分为相互对称的2N个区段，从该阴极钢棒粗坯某一端面至该阴极钢棒粗坯中垂面，将各区段依次记为第1个区段、第2个区段、……、第N-1个区段、第N个区段；

（c）从第1个区段至第N个区段，对所述阴极钢棒粗坯进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T_N；

从第1个区段至第N-1个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前N-1个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T_N-1；

……

从第1个区段至第3个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前3个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T₃；

从第1个区段至第2个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前2个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T₂；

对所述阴极钢棒粗坯的第1个区段进行区域熔炼，获得铝电解阴极钢棒成品；期间，控制熔区温度为T₁；

其中，T₁、T₂……T_N-1、T_N依次增大。

进一步地，区域熔炼时，熔区移动速度为12-16cm/h，进一步为14-15cm/h。

进一步地，金属Me为铜，1380℃≤T_N≤1500℃。

进一步地，5℃≤T_N-T_N-1≤45℃，进一步地，5℃≤T_N-T_N-1≤20℃。

可结合相应相图，如Fe-Me二元相图，对熔区温度进行具体控制，使得相应区段具有目标含量的Me。

本发明主要通过区域熔炼对阴极钢棒粗坯进行进一步处理，进而制备铝电解阴极钢棒成品，方法简单，且可利用区域熔炼现有技术、设备进行，实施成本较低。

可选地，可通过控制熔区温度及熔区移动速度的大小，使金属Me在阴极钢棒中在各区域内均匀分布。

本发明的制备方法无需改变阴极钢棒的宏观结构，制备获得的铝电解阴极钢棒与现行阴极钢棒在尺寸、形状上基板没有改变，通过使得高导电成分在阴极钢棒内部呈现梯度变化，构建电阻率呈梯度变化的阴极钢棒，促使电解槽内电流沿申请人设计路线流动，减少水平电流的产生。

一种铝电解槽，安装有如上所述的铝电解阴极钢棒或如上所述的制备方法制备而成的铝电解阴极钢棒。

通过安装本发明的铝电解阴极钢棒，铝电解槽总的槽电压可得到进一步降低，能耗降低，且水平电流降低，铝电解槽运行稳定性可得到有效提高。

本发明的铝电解阴极钢棒含有少量高导电金属Me，阴极钢棒不同区段的Me含量沿其长度方向呈现梯度变化规律，在将本发明的铝电解阴极钢棒与阴极炭块组合形成铝电解槽阴极结构时，对于通长型阴极钢棒，阴极钢棒各区段的电阻率由其中垂面至其端面方向，逐段增大，按常规方式与阴极炭块组合，阴极结构整体电阻率由中垂面至两端逐渐增大，使得电流更多地垂直进入阴极炭块并通过阴极钢棒导出，达到降低水平电流的效果；对于非通长型阴极钢棒，阴极钢棒各区段的电阻率由一端至另一端，逐段增大，按常规方式与阴极炭块组合，使得阴极钢棒电阻率较小的一端伸入阴极炭块内，阴极钢棒电阻率较大的一端向外露出，促使电流更多地垂直进入阴极炭块并通过阴极钢棒导出，达到降低水平电流的效果。另外，Me的加入，可明显减小阴极钢棒电阻，达到降低阴极压降的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明采用的阴极钢棒材质为钢-Me合金，Me的导电性优于钢，本发明的阴极钢棒本身具有更小的电阻且电阻分布均匀合理，导电性能良好，有利于减小阴极压降和水平电流。

2.本发明在不改变阴极结构的基础上具有呈梯度平滑变化的电阻率，有利于降低水平电流，提高电解槽的稳定性，提高电能效率。

3.本发明采用区域熔炼的方法，通过控制熔炼温度及熔区的移动速度，可使金属Me在各区段均匀分布。

4.与同类现有技术相比，本发明不存在不同材料间会产生接触电阻的问题，无需对阴极钢棒本身宏观结构及阴极结构做出改动，且在降低水平电流的同时会降低阴极压降，有利于实现节能降耗。

5.区域熔炼技术十分成熟，本发明的实施容易，易于实现工业化生产。

附图说明

图1是非通长阴极钢棒的划分方式之一：均分。

图2是非通长阴极钢棒的划分方式之二：非均分。

图3是传统阴极钢棒和阴极炭块组合成的阴极结构的压降仿真结果图。

图4是专利CN200820124295.3所述阴极钢棒和阴极炭块组合成的阴极结构的压降仿真结果图。

图5是本发明阴极钢棒和阴极炭块组合成的阴极结构的压降仿真结果图。

图6是采用传统阴极钢棒的阴极结构中电流走向示意图。

图7是采用本发明的阴极钢棒的阴极结构中电流走向示意图。

图中，1-第一区段、2-第二区段、3-第三区段、4-第四区段，5-阴极炭块，6-阴极钢棒。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明做出进一步说明，但本发明的保护范围不受实施例所限。

实施例1：

一种新型的铝电解阴极钢棒及其制备方法，所述的阴极钢棒为非通长型钢-铜合金棒。先将铜含量为6wt%的钢-铜合金棒粗坯均分为二等分左、右两段，进行区域熔炼，从钢-铜合金棒粗坯左端开始向右端进行区域熔炼，控制熔炼速度为12cm/h，进行2次区域熔炼。第一次区域熔炼时，熔区熔炼温度控制在1484℃，从左段熔炼至右段，所得右段中铜含量为8.1wt%；第二次区域熔炼时，熔区温度控制在1439℃，对左段进行区域熔炼，所得左段中铜含量为4.05%，获得铝电解阴极钢棒成品。这就使阴极钢棒沿出长度方向具有递减的电阻率，可将铝电解阴极钢棒的右段组合入阴极炭块内，钢棒位于炭块内的一段阴极钢棒导电性更强，电流更多的垂直进入阴极炭块，达到降低水平电流的效果。

实施例2：

一种新型的铝电解阴极钢棒及其制备方法，所述的阴极钢棒为非通长型钢-铜合金棒。先将铜含量为6wt%的钢-铜合金棒粗坯非均分为左、右两段，进行区域熔炼，从钢-铜合金棒粗坯左端开始向右端进行区域熔炼，控制熔炼速度为12cm/h，进行2次区域熔炼。第一次区域熔炼时，熔区熔炼温度控制在1484℃，从左段熔炼至右段，所得右段中铜含量为8.1wt%；第二次区域熔炼时，熔区温度控制在1439℃，对左段进行区域熔炼，所得左段中铜含量为4.05%，获得铝电解阴极钢棒成品。这就使阴极钢棒沿出长度方向具有递减的电阻率，可将铝电解阴极钢棒的右段组合入阴极炭块内，钢棒位于炭块内的一段阴极钢棒导电性更强，电流更多的垂直进入阴极炭块，达到降低水平电流的效果。

实施例3：

一种新型的铝电解阴极钢棒及其制备方法，所述的阴极钢棒为非通长钢-铜合金棒。将铜含量为6wt%的钢-铜合金棒粗坯划分为如图1所示的四等分，即第一区段1、第二区段2、第三区段3、第四区段4，进行区域熔炼,。从钢-铜合金棒粗坯第一区段1所在端（作为出电端）开始向另一端进行熔炼，控制熔炼速度为14cm/h，进行4次熔炼。第1次区域熔炼时，熔区熔炼温度控制在1484℃，对第一区段1、第二区段2、第三区段3、第四区段4依次进行熔炼，所得第四区段4中铜含量为8.1wt%；第2次区域熔炼时，熔区温度控制在1454℃，对第一区段1、第二区段2、第三区段3依次进行熔炼，所得第三区段3中铜含量为6.05wt%；第3次区域熔炼时，熔区温度控制在1424℃，对第一区段1、第二区段2依次进行熔炼，所得第二区段2中铜含量为4wt%；第4次区域熔炼时，熔区温度控制在1400℃，对第一区段进行熔炼，所得第一区段中铜含量为2wt%。这就使阴极钢棒沿第一区段1→第四区段4具有平滑递减的电阻率，钢棒位于炭块内的部分（靠近第四区段对应部分）阴极钢棒导电性更强，电流更多的垂直进入阴极炭块，达到降低水平电流的效果。

实施例4：

一种新型的铝电解阴极钢棒及其制备方法，所述的阴极钢棒为非通长钢-铜合金棒。将铜含量为6wt%的钢-铜合金棒粗坯划分为如图2所示的长度依次减小的四区段，即第一区段1、第二区段2、第三区段3、第四区段4，进行区域熔炼。从钢-铜合金棒粗坯第一区段1所在端（作为出电端）开始向另一端进行熔炼，控制熔炼速度为14cm/h，进行4次熔炼。第1次区域熔炼时，熔区熔炼温度控制在1484℃，对第一区段1、第二区段2、第三区段3、第四区段4依次进行熔炼，所得第四区段4中铜含量为8.1wt%；第2次区域熔炼时，熔区温度控制在1454℃，对第一区段1、第二区段2、第三区段3依次进行熔炼，所得第三区段3中铜含量为6.05wt%；第3次区域熔炼时，熔区温度控制在1424℃，对第一区段1、第二区段2依次进行熔炼，所得第二区段2中铜含量为4wt%；第4次区域熔炼时，熔区温度控制在1400℃，对第一区段进行熔炼，所得第一区段中铜含量为2wt%。这就使阴极钢棒沿第一区段1→第四区段4具有平滑递减的电阻率，钢棒位于炭块内的部分（靠近第四区段对应部分）阴极钢棒导电性更强，电流更多的垂直进入阴极炭块，达到降低水平电流的效果（参见图6、图7）。

实施例5：

一种新型的铝电解阴极钢棒及其制备方法，所述的阴极钢棒为非通长钢-铜合金棒。

将铜含量为6wt%的钢-铜合金棒粗坯划分为N（N→+∞）区段，进行区域熔炼，从钢-铜合金棒粗坯一端（作为出电端）开始向另一端进行熔炼，控制熔炼速度为12cm/h，按实施例1-4的模式进行N次熔炼。这就使阴极钢棒沿出电端反方向具有平滑递减的电阻率，钢棒位于炭块内的一段阴极钢棒导电性更强，电流更多的垂直进入阴极炭块，达到降低水平电流的效果。

划分区段越多，各区段之间的电阻率变化的更为平滑。对于通长型的阴极钢棒的制备，显然也可采用上述方法，可同时从两端至中垂面部分进行熔炼处理，也可分先、后进行，再次不在举实施例进行赘述。

为验证本发明的可靠性，对传统钢棒与专利CN200820124295.3钢棒及本发明的阴极钢棒与常规阴极炭块组成的阴极结构进行仿真对比。由图3-图5所示结果可知，本发明与传统及其他发明阴极钢棒在阴极压降方面具有十分明显的降低阴极压降的作用，与传统阴极钢棒相比阴极压降降低15.06mv，而其他发明方法的阴极钢棒压降与传统相比增加了5.4mv。综上所述，本发明能够显著降低阴极压降，且在不增加阴极压降的情况下减小水平电流，操作简单。

以上所述仅为本发明的实施方式，不是全部实施方式，本领域技术人员通过阅读本发明而对本发明技术方案采取任何等效变换，均属于本发明权利要求范围。

Claims (10)

1.一种铝电解阴极钢棒，其特征在于，所述阴极钢棒的材质为钢-Me合金，通过区域熔炼制成，金属Me的电导率大于Fe的电导率；

当所述铝电解阴极钢棒为非通长型阴极钢棒时，所述铝电解阴极钢棒沿其长度方向划分为N个区段；由铝电解阴极钢棒的一端到另一端，各区段中金属Me的含量逐段减小或逐段增大；

当所述铝电解阴极钢棒为通长型阴极钢棒时，所述铝电解阴极钢棒从其中垂面到其两端划分为相互对称的2N个区段；从铝电解阴极钢棒的端面到其中垂面，各区段中金属Me的含量逐段增大；

各区段中金属Me的含量为0.25wt%-15wt%；其中，N为不小于2的整数。

2.根据权利要求1所述的铝电解阴极钢棒，其特征在于，所述金属Me包括Cu、Al、W、Ag、Au中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的铝电解阴极钢棒，其特征在于，各区段中金属Me的含量为1wt%-10wt%。

4.根据权利要求1-3任一项所述的铝电解阴极钢棒，其特征在于，相邻区段的长度相同或不同。

5.根据权利要求1-3任一项所述的铝电解阴极钢棒，其特征在于，相邻区段之间金属Me的浓度梯度在0.5-10wt%之间。

6.如权利要求1-5任一项所述的铝电解阴极钢棒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据需要选用方法（1）或方法（2）进行，

（1）当所述铝电解阴极钢棒为非通长型阴极钢棒时：

（a）提供阴极钢棒粗坯，其中，所述阴极钢棒粗坯中金属Me的含量在0.25wt%-15wt%之间；

（b）将所述阴极钢棒粗坯沿长度方向划分为N个区段，从该阴极钢棒粗坯某一端至该阴极钢棒粗坯另一端，将各区段依次记为第1个区段、第2个区段、……、第N-1个区段、第N个区段；

（c）从第1个区段至第N个区段，对所述阴极钢棒粗坯进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T_N；

从第1个区段至第N-1个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前N-1个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T_N-1；

……

从第1个区段至第3个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前3个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T₃；

从第1个区段至第2个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前2个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T₂；

对所述阴极钢棒粗坯的第1个区段进行区域熔炼，获得铝电解阴极钢棒成品；期间，控制熔区温度为T₁；

其中，T₁、T₂……T_N-1、T_N依次增大；

（2）当所述铝电解阴极钢棒为通长型阴极钢棒时：

（a）提供阴极钢棒粗坯，其中，所述阴极钢棒粗坯中金属Me的含量在0.25wt%-15wt%之间；

（b）将所述阴极钢棒粗坯从其中垂面到其两端划分为相互对称的2N个区段，从该阴极钢棒粗坯某一端面至该阴极钢棒粗坯中垂面，将各区段依次记为第1个区段、第2个区段、……、第N-1个区段、第N个区段；

（c）从第1个区段至第N个区段，对所述阴极钢棒粗坯进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T_N；

从第1个区段至第N-1个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前N-1个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T_N-1；

……

从第1个区段至第3个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前3个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T₃；

从第1个区段至第2个区段，对所述阴极钢棒粗坯的前2个区段进行区域熔炼；期间，控制熔区温度为T₂；

对所述阴极钢棒粗坯的第1个区段进行区域熔炼，获得铝电解阴极钢棒成品；期间，控制熔区温度为T₁；

其中，T₁、T₂……T_N-1、T_N依次增大。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，区域熔炼时，熔区移动速度为12-16cm/h。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，金属Me为铜，1380℃≤T_N≤1500℃。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，5℃≤T_N-T_N-1≤45℃。

10.一种铝电解槽，其特征在于，安装有如权利要求1-5任一项所述的铝电解阴极钢棒或如权利要求6-9任一项所述的制备方法制备而成的铝电解阴极钢棒。

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