CN201587988U - 一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连接构造 - Google Patents

Abstract

本实用新型属铝生产技术领域。一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，阴极炭块与阴极钢棒通过插接方法构成，阴极炭块底部开有数个沟槽，阴极钢棒由底板和焊接在其上的数个筋板组成，筋板位置与阴极炭块沟槽位置对应，将阴极炭块沟槽与阴极钢棒筋板对应插接即完成组合。本实用新型与现有阴极炭块组相比，本实用新型提高了阴极炭块利用率、减少了阴极炭块无效用量、减少了阴极炭块开钢棒槽的机械加工量、减少了电解槽大修时阴极炭块废渣量、减少了阴极炭块中的水平电流、消除了现有阴极炭块组在组装和电解槽焙烧启动时由炭素糊产生的沥青烟害、增大了阴极炭块与阴极钢棒的铁碳接触面积、延长了电解槽寿命。

Description

一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连接构造

技术领域

本项发明属于铝生产技术领域。技术关键在于研发出一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒多槽插接的连接方法及构造。应用本项发明可取得较大的经济效益和环境效益。

背景技术

1.概述

目前世界上铝的工业生产方法为熔盐电解法，电解法制铝的关键设备是铝电解槽，铝电解槽主要由阴极和阳极两大部份组成。铝电解槽阴极通常根据槽电流强度大小由数十个阴极炭块组并排组合而成，例如：一台240kA电解槽有20组阴极炭块组，一台350kA电解槽有32组阴极炭块组。阴极炭块组则由阴极炭块1、阴极钢棒2、炭素糊3三部份组成，见图1。炭素糊起连接作用，通过人工捣固炭素糊可将阴极炭块和阴极钢棒组合成阴极炭块组。目前世界上工业应用的铝电解槽电流强度从不到100kA到最大500kA，各种槽型都采用这种方式的阴极炭块组组成铝电解槽阴极。

目前国标列出的铝电解槽阴极炭块组各材料截面尺寸(加工后)见下表：

阴极炭块的主要生产流程为：石油焦破碎-石油焦煅烧-煅后料加沥青混捏-挤压或振动成型-生炭块焙烧-炭块机械加工(铣炭块六面及钢棒槽)-炭块成品入库。

现有阴极炭块组的组装方式为：

①将阴极钢棒、阴极炭块分别预热，同时将炭素糊预热并用混捏锅搅拌均匀；

②将阴极钢棒用数个木楔固定在阴极炭块的钢棒槽中；

③将预热拌匀的炭素糊人工捣固在阴极钢棒和阴极炭块之间的钢棒槽中。

目前这种阴极炭块组的组装方式仍在国际国内工业铝电解槽上应用至今。

2.现有阴极炭块组存在的问题

本人认为目前铝工业一直应用的这种阴极炭块组有以下问题，为了便于说明，以目前用量最多的截面规格尺寸为515mm×450mm的阴极炭块组为例说明如下：

①阴极炭块利用率低，增加了设备投资，且污染环境

现有阴极炭块组总高度450mm中，阴极钢棒槽高度200mm，因此阴极炭块的最大有效使用高度为450-200＝250mm，见图1。炭块有效高度占总高度比率仅为250/450＝55.6％，该比率不高，这对阴极炭块是一种浪费。

阴极钢棒槽的高度增加，会使得电解槽内衬、槽壳、立柱母线的高度相应增加，即增加了电解槽设备投资，因此降低阴极钢棒槽高度可减少电解槽设备投资。

由于铝电解槽废旧内衬含有害成分(主要是F^-和少量的CN^-等)，按国标属具有浸出毒性的危险废物，其废弃物必须采取防渗渣场填埋处理。由于现有阴极炭块组中阴极炭块有效高度比率不高，则大修时废渣量高，因此现有阴极炭块组型式增大了环保投资。

②阴极炭块的阴极钢棒槽机械加工量较大

目前阴极炭块上的阴极钢棒槽采用将阴极炭块整体焙烧好后再机械加工开出阴极钢棒槽的生产方式，由于阴极钢棒槽截面积较大，因此开槽浪费了大量焙烧好的炭块，相应浪费焙烧炭块的能源，增加开槽机械加工成本，而且在机械加工中会产生的大量炭粉，污染生产操作环境和设备。

③阴极炭块组在组装和电解槽焙烧启动时对环境污染较大

目前阴极炭块组中，炭素糊重量约占阴极炭块重量的6％。这部分炭素糊含有沥青焦油，其挥发分含量大约9～13％(国标数值)，炭素糊捣固施工温度100℃左右，因此在阴极炭块组的组装时会产生一些沥青烟，造成组装操作处的环境污染；而更大量的沥青烟会在电解槽焙烧启动时从电解槽槽壳上阴极钢棒窗口处挥发出来，由于这部分沥青烟在电解槽密闭罩之外不易捕集，因此对启动初期电解生产环境污染较大。

④阴极炭块组水平电流分量相对较大

现有阴极炭块组工作时电流流经方式为：电流从阴极炭块上表面进入，从阴极钢棒导出。由于阴极炭块宽515mm，阴极钢棒合计宽度65×2＝130mm，因此宽度的差别必然会使炭块内有一定的水平电流分量存在，见图4。理论表明：电解槽内水平电流会导致铝液波动，造成电解生产不稳定。由于这部分水平电流距离铝液层较近，数值虽小却会造成铝液波动，影响电解生产稳定，因此减少阴极炭块内的水平电流对稳定生产有实际意义。

⑤阴极炭块组铁碳电压降较大

一般来说，两种材料交界面处的电阻要远高于两种材料内的电阻，电阻大则电压降也大。现有阴极炭块组电流路径为：阴极炭块-阴极炭块与炭素糊交界面-炭素糊与阴极钢棒交界面(该交界面电压常称为铁炭压降)-阴极钢棒，电流经历了两个交界面：这两个交界面会消耗较多的电压降，增加电解生产能耗。

铁碳压降是阴极压降的重要组成部分，增加铁碳接触面积可有效减少铁碳压降。而现有阴极炭块和阴极钢棒连接方式使得铁碳接触面积较小，分析如下：由于阴极钢棒与炭素糊的接触面积在阴极炭块组截面上表现为导电长度，经计算，现有阴极钢棒导电长度为(180×2+65)×2＝850mm，见图6。

⑥对电解槽寿命的影响

电解槽阴极均匀承载电流是保持电解槽长寿命的重要因素之一，而现有阴极炭块组的连接方式对电解槽寿命会有一定影响，分析如下：由于阴极炭块与阴极钢棒的连接是用炭素糊经人工用风锤分层捣固而成，人为不均匀因素较多，而且炭素糊在电解槽焙烧启动时还会产生一定量的收缩，造成阴极钢棒、炭素糊和阴极炭块接触不均，使得阴极电流在阴极炭块内分布不均，导致阴极炭块产生局部裂纹甚至破损。一旦阴极局部破损，电解槽阴极就要大修更换了。因此现有阴极炭块组连接方式造成电解槽阴极局部破损的几率较大。

发明内容    

本实用新型的目的是克服上述不足提供一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连接构造。

本发明技术方案如下：一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，阴极炭块与阴极钢棒通过插接方法构成，阴极炭块底部开有数个沟槽，阴极钢棒由底板和焊接在其上的数个筋板组成，筋板位置与阴极炭块沟槽位置对应，将阴极炭块沟槽与阴极钢棒筋板对应插接即完成组合。

上述阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，在阴极炭块沟槽与阴极钢棒间的缝隙处灌注石墨粉；还可以在阴极炭块底部设置有七个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有七个筋板；或者在阴极炭块底部设置有八个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有八个筋板；或者在阴极炭块底部设置有九个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有九个筋板。

组装后的阴极炭块组电流路径为：阴极炭块-阴极炭块与钢棒接合面-阴极钢棒。

本发明技术与现有技术比较

采用本发明技术可基本解决现有阴极炭块组的诸多问题，为了便于说明，仍以目前用量最多的截面尺寸为515mm×450mm的阴极炭块组为例说明如下：

①提高阴极炭块利用率，减少了设备投资，减少环保投资

本发明采用阴极炭块和阴极钢棒多沟槽插接方法和构造，降低了阴极钢棒槽高度，增大了阴极炭块有效高度，提高了阴极炭块利用率，见图2。本发明与现有技术比较如下表：

序号	名    称	现有技术	本发明	备注
					(1)	阴极碳块组总高mm	450	450
(2)	阴极钢棒槽顶面至阴极钢棒底面高度mm	200	94
					(3)	钢棒槽顶面至阴极炭块顶面mm	250	356	碳块有效高度
(4)	炭块有效高度比率	55.6％	79.1％	(3)÷(1)
					(5)	炭块总截面积mm2	195750.00	206005.75
(6)	炭块有效截面积(炭块顶面至钢棒槽顶面)mm2	128750.00	183340.00
					(7)	炭块无效截面积(钢棒槽顶面至炭块底面)mm2	67000.00	22665.75	未计炭素糊量
(8)	炭块无效截面积减少数量mm2	0.00	44334.25
					(9)	炭块无效截面积比率	34.2％	11.0％	(7)÷(5)

由上表看出，本发明减少了炭块无效面积，提高了炭块利用率。

如果保持阴极钢棒槽顶面至阴极碳块顶面距离250mm不变，则本发明可使阴极炭块组总高度减少365-250＝106mm，见图3。本发明与现有技术比较如下表：

序号	名    称	现有技术	本发明	备注
					(1)	阴极碳块组总高mm	450	344
(2)	阴极钢棒槽顶面至阴极钢棒底面高度mm	200	94
					(3)	钢棒槽至炭块顶面mm	250	250	碳块有效高度
(4)	有效高度比率	55.6％	72.7％	(3)÷(1)
					(5)	内衬、槽壳、立母线减少高度mm	0	106	降低投资
(6)	炭块总截面积mm2	195750.0	151415.75
					(7)	炭块有效截面积(炭块顶面至钢棒槽顶面)mm2	128750.0	128750.00
(8)	炭块无效截面积(钢棒槽顶面至炭块底面)mm2	67000.00	22665.75	未计炭素糊量
					(9)	炭块无效截面积比率	34.2％	15.0％	(8)÷(6)
(10)	无效面积减少数量mm2	0	44334.25
					(11)	炭块总截面积减少数量mm2	0	44334.25	降低投资

由上表看出，由于减少了炭块总截面积，减少了炭块总量，因此减少投资；由于炭块无效面积减少，因此可减少大修槽废渣，减轻了环保所需的渣场投资。

②对原阴极炭块中阴极钢棒槽机械加工量大的改进

现有阴极炭块组结构中阴极钢棒槽截面积与本发明技术比较如下表：

名    称	现有技术	本发明
			钢棒槽宽mm	90	16
钢棒槽高mm	200	58
			一个阴极炭块中钢棒槽数量	2	8
阴极炭块中钢棒槽面积mm2	36000	7424
			相当于现有钢棒槽截面积百分率	100％	20.6％

由此看出，本发明减少了阴极钢棒槽的加工量，降低了成本，减少了浪费。

③对原阴极炭块组在组装和电解槽焙烧启动时环境污染较大问题的解决

本发明采用阴极钢棒与阴极炭块多槽插接而成，不需要炭素糊那样的中间连接物，因此完全杜绝了原阴极炭块组组装时和电解槽焙烧启动时由炭素糊产生的沥青烟污染。

④对原阴极炭块组水平电流分量相对较大问题的改善

本发明将阴极钢棒分成数个筋板，使得阴极炭块中的电流几乎垂直向下进入阴极钢棒中，可基本消除阴极炭块中水平电流分量，见图4，图5。

阴极炭块边距钢棒边的平均距离比较如下表：

序号	名    称	现有技术	本发明	备注
					(1)	阴极炭块宽度mm	515	515
(2)	阴极钢棒顶面宽度mm	65	16
					(3)	阴极钢棒数量或插接点数量	2	8
(4)	炭块中钢棒顶面宽度以外的炭块尺寸合计mm	385	387	(1)-(2)×(3)
					(5)	炭块间隔数量	3	9
(6)	炭块边距钢棒边的平均距离mm	128.3	43.0	(4)÷(5)

由表中看出，本发明使得炭块边缘距钢棒边缘的平均水平距离有较大减少，因此减少了炭块中的水平电流。

⑤对阴极炭块组铁碳电压降较大问题的改进

铁碳压降是电解槽阴极电压降的重要组成部分，增加铁碳接触面积、减少不同材料交界面数量是减少铁碳压降的主要方法。本发明采用阴极炭块与阴极钢棒分散多槽插接而成，电流从阴极炭块顶面进入，从阴极钢棒流出只经过一个交界面(阴极炭块与阴极钢棒交界面)，比现有阴极炭块组的组合方式减少一个交界面。

本发明采用阴极炭块与阴极钢棒分散多槽插接而成，增加了铁炭接触面积，阴极钢棒在炭块截面上导电长度有所增加，见图6，图7。比较如下：

名    称	现有技术	本发明
			阴极炭块宽度mm	515	515
阴极钢棒高mm	180	50
			阴极钢棒宽mm	65	16
阴极钢棒数量或插接点数量	2	8
			钢棒在阴极炭块截面上导电长度mm	850	1187
备注		未计钢棒插接点顶面宽度

增加钢棒在炭块截面上的导电长度，相当于增加阴极钢棒和炭块的铁碳接触面积，一定程度上减少了阴极碳块组中的铁碳压降。

⑥关于延长电解槽寿命评述

电解槽寿命和许多因素有关，本发明使得阴极炭块电流分布更加均匀，减少了阴极炭块中水平电流分量，消除了人工捣固炭素糊易造成电解槽破损的不利因素，减少炭块大开槽导致的局部应力集中，因此从这些方面来说本发明可更有效的延长电解槽寿命。

附图说明

图1：

图中表示了现有阴极碳块组构造(截面规格515mm×450mm)。

1为阴极炭块，2为阴极钢棒，3为炭素糊。

图2：

图中表示了本发明阴极炭块组插接连接方法及构造(截面规格515mm×450mm)。

4为阴极炭块，5为阴极钢棒。

图3：

图中表示了本发明阴极炭块组插接连接方法及构造(截面规格515mm×344mm)。

4为阴极炭块，5为阴极钢棒。

图4：

图中表示了现有阴极碳块组中电流路径分布情况(截面规格515mm×450mm)。

1为阴极炭块，2为阴极钢棒，3为炭素糊。

图5：

图中表示了本发明阴极炭块组中电流路径分布情况(515mm×450mm截面规格)。

4为阴极炭块，5为阴极钢棒。

图6：

图中表示了现有阴极碳块组中钢棒导电长度(515mm×450mm截面规格)。

1为阴极炭块，2为阴极钢棒，3为炭素糊。

图7：

图中表示了本发明阴极炭块组中钢棒导电长度(515mm×450mm截面规格)。

4为阴极炭块，5为阴极钢棒。

具体实施方式

如图2、图3、图4、图5和图7所示的一种铝电解槽阴极炭块4和阴极钢棒5的连接构造，阴极炭块4与阴极钢棒5通过插接方法构成，阴极炭块4底部开有数个沟槽，阴极钢棒5由底板和焊接在其上的数个筋板组成，筋板位置与阴极炭块沟槽位置对应，将阴极炭块沟槽与阴极钢棒筋板对应插接即完成组合，在阴极炭块沟槽与阴极钢棒间的缝隙处灌注石墨粉。

本实用新型可以根据不同的炭块截面尺寸在阴极炭块底部铣出有七个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有七个筋板，还可以在阴极炭块底部铣出八个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有八个筋板，还可以在阴极炭块底部铣出九个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有九个筋板。

本发明阴极炭块组只涉及阴极炭块4和阴极钢棒5两部件，仍以截面尺寸515mm×450mm的阴极炭块组为例，两部件采购、加工及组装如下：

①阴极炭块

对于已投产使用的电解槽，由于需保持原阴极炭块组高度450mm不变，因此采购的阴极炭块截面尺寸应为515mm×414mm。

对于新建的电解槽，可采购515mm×308mm截面尺寸的阴极炭块。电解槽设计时可按此规格阴极炭块进行设计，可减少投资。

阴极炭块采购来后，可用宽度16mm、头部和根部带圆弧的铣刀在炭块铣床上将阴极炭块底部铣出8道沟槽(根据不同的炭块截面尺寸也可铣出7个或9个沟槽，依此类推)，每个沟槽应一次铣成型。

②阴极钢棒

阴极钢棒由1个底板和8个筋板焊接而成(根据不同的炭块截面尺寸也可采用7个或9个筋板，依此类推)，底板截面尺寸为515mm×36mm；筋板截面尺寸为50mm×16mm，筋板顶部倒角。筋板底部与底板采用焊接连接。

筋板与底板焊接前应按阴极炭块底部沟槽间距做好模具以保持筋板与底板焊接时位置的正确性。

③安装

将阴极炭块沟槽和阴极钢棒筋板对应位置插接即可，插接后注意应保持炭块底面与阴极钢棒底板均匀接触，插接后在沟槽顶部缝隙处可灌注少量石墨粉，以增强导电性。

Claims (5)

1.一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，其特征是：阴极炭块与阴极钢棒通过插接方法构成，阴极炭块底部开有数个沟槽，阴极钢棒由底板和焊接在其上的数个筋板组成，筋板位置与阴极炭块沟槽位置对应，将阴极炭块沟槽与阴极钢棒筋板对应插接即完成组合。

2.根据权利要求1所述的阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，其特征是：在阴极炭块沟槽与阴极钢棒间的缝隙处灌注石墨粉。

3.根据权利要求1或2所述的阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，其特征是：阴极炭块底部设置有七个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有七个筋板。

4.根据权利要求1或2所述的阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，其特征是：阴极炭块底部设置有八个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有八个筋板。

5.根据权利要求1或2所述的阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，其特征是：阴极炭块底部设置有九个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有九个筋板。

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