CN203065599U - 具有压缩装置的铝电解槽 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种铝电解槽。该铝电解槽包括：阳极，阴极组件，所述阴极组件包括阴极块、阴极块中的狭槽以及集流器子组件，其中，集流器子组件至少部分地安置于狭槽中；以及轴向压缩装置，所述轴向压缩装置与集流器子组件的端部相邻并适于向集流器子组件的端部上施加力，其中，通过轴向压缩装置使集流器子组件与狭槽相吻合。本实用新型提供的压缩装置用于向集流器子组件的端部施加力以改善接触，从而降低横跨阴极块与集流器子组件之间的界面上的联接部电阻。

Description

具有压缩装置的铝电解槽

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月12日提交的，名称为“具有压缩装置的铝电解槽和方法”的美国申请号No.61/533,307的优先权，其内容通过整体引用并入本申请中。

背景技术

在常规铝生产过程中，电流被供给到电解槽以驱动铝的生产。由于设计的低效率，当来自电解槽的电流转移出系统时，电解槽中电压出现损失，特别是在电接触部位。该电压损失就是通常人们熟知的阴极电压降、或者“CVD”。在阴极组件形成过程中和/或通过电解槽在极端条件(例如，高温)下连续运行所引起的接触不良导致了CVD。每个工厂每年电解槽工作时来自CVD的电压损失累计能达数百万美元。

实用新型内容

大体上，本实用新型涉及用于在电解槽中生产铝、同时降低CVD的系统和方法。具体来说，本实用新型涉及结合电解槽来使用压缩装置(有时称为轴向压缩装置或集流器棒压缩装置)。压缩装置压缩集流器棒的端部(或者集流器棒子组件的端部)以维持和/或改善各种电解槽部件(例如阴极集流器棒和阴极)之间的接触(例如，电接触)。在一些实施例中，压缩装置改善阴极组件子部件之间的接触，从而降低联接部电阻(即，横跨至少两个部件联接部的电阻)，由此导致电解槽中CVD的降低。

在一些实施例中，压缩装置促进阴极块的狭槽与集流器子组件(例如，具有可选的导电材料联接部/外套/盖的集流器棒)之间的接触。在一个实施例中，压缩装置附接至集流器子组件(或集流器棒)的至少一端上，以向集流器子组件的至少一端上施加力(或压力)。

在一些实施例中，当压缩装置压缩集流器子组件(例如，在轴向方向上)时，集流器子组件在横向方向上抵靠狭槽的表面膨胀并且接触该表面。在一个实施例中，集流器子组件当横向膨胀时使自身与狭槽的表面相吻合。因此，在一些实施例中，压缩装置增加了集流器子组件与阴极块的狭槽之间的接触表面积(并且降低了电阻)。在一个实施例中，当阴极块与集流器棒之间的共有表面积量增加时，联接部处的电阻下降。因此，在一些实施例中，压缩装置降低了电解槽中的CVD。

阴极组件中的联接部电阻可以归因于一种或多种机理和/或来源。阴极组件中的联接部电阻的来源的某些非限制性示例包括：蠕变、相变、间隔对峙(spacerstandoff)、空腔(void)、不吻合的表面、以及它们的组合。在多个实施例中，空腔、相变和蠕变分别出现在电解池(槽)启动之前、之间和之后。在一些实施例中，集流器棒和狭槽之间所产生的表面不吻合性具有在这些阶段的每个中产生的部分。本实用新型通过利用压缩装置向阴极组件的各部件施加应力来阻止、降低和/或消除联接部电阻(例如高电阻)，从而使阴极集流器棒子组件吻合。在一些实施例中，在槽冷时、开启过程中、或者在运行条件下(例如，高温高压)，对集流器棒施加应力促进了棒在阴极块狭槽内的变形(例如蠕变)，由此改善电解槽运行时在运行条件(例如升高温度)下的联接部。

在一些实施例中，压缩装置在下列情况时压缩(例如施加力)在集流器子组件上：(1)在电解槽空闲时；(2)在启动过程中；(3)在运行条件过程中，和/或(4)它们的组合。在一个或多个这些实施例中，压缩装置向集流器子组件的端部施加连续数量的力。在一个或多个实施例中，压缩装置向集流器子组件的端部施加大小可变的力(例如，基于反馈电路)。因此，在一个或多个实施例中，压缩装置：阻止了CVD增加，降低了CVD，和/或横跨阴极组件维持了低水平的CVD。在一些实施例中，联接部所导致的CVD(即，阴极集流器子组件/阴极狭槽联接部)被消除。

在一个实施例中，压缩装置在阴极集流器棒的外端部上(即，从电解槽延伸的端部)。在一个实施例中，压缩装置在阴极集流器棒的内端部上(即，靠近阴极块内侧/电解槽内侧的端部)。在一个实施例中，压缩装置在阴极集流器棒的外端部和内端部上。

在一些实施例中，压缩装置包括以下中的一种或多种：弹簧，螺杆，支撑件，支架，老虎钳，活塞，气球，隔膜，囊，夹钳，波纹管，杠杆，千斤顶，桩锤以及它们的组合。在一个实施例中，为了施加力，压缩装置紧固就位到集流器棒的至少一个端部上。在一个实施例中，压缩装置向集流器棒的至少一个端部提供弹性阻力。在一些实施例中，压缩装置基于压缩装置和/或电解槽部件的温度施加压缩力。

在一个实施例中，压缩装置包括至少一个弹簧(例如，弹性阻力装置)和支撑件。在上述实施例中，支撑件向压缩弹簧提供阻力，从而弹簧对从电解槽延伸的集流器棒的端部施加力。

在一个实施例中，压缩装置包括支架和螺杆组件。在该实施例中，通过螺杆/螺纹组件可动地调节支架，以使支架与集流器棒接触并施加力到集流器棒上。在一些实施例中，压缩装置包括液压活塞。在这种配置中，活塞向棒施加大小可变的力。

在一个实施例中，压缩装置是可膨胀构件(有时例如称之为可膨胀气球)。在一些实施例中，气球是金属材料(例如，金属的)。在一些实施例中，气球是铁/磁不锈钢，包括作为非限制性实例的304SS，304L，430，410，以及409。气球材料的一些非限制性实例包括：碳钢，不锈钢，石墨和钢，在一个实施例中，气球包括至少一个密封于内部空腔的壁。在各种实施例中，气球具有不同的形状，包括长方形，椭圆形，圆形，等等。在另一些实施例中，气球包括带圆边缘的两个基本上平坦的面。作为一些非限定的实例，气球的尺寸包括：长方形，正方形，多边形，椭圆形，和/或圆形。在一些实施例中，气球具有转角。在一些实施例中，气球具有圆边缘。

本实用新型的另一个方面，提供了一种方法。该方法包括：在内部空腔周围形成至少一个侧壁，以提供具有开口的金属主体；将可膨胀材料经由开口插入空腔中(例如，具有气体的预加压空腔)；闭合金属主体，因此完全包封其中具有可膨胀材料的空腔。

另一方面，提供了一种制作可膨胀构件的方法。该方法包括：使多个(至少两个)金属壁对齐以提供在其中的空腔；然后密封多个壁。

在一个实施例中，可膨胀构件通过模具浇铸而成。在一个实施例中，可膨胀构件通过挤压成型。在一个实施例中，可膨胀构件加工而成。在一个实施例中，可膨胀构件的各部分粘结在一起。在一个实施例中，可膨胀构件焊接在一起。在一个实施例中，可膨胀构件通过螺杆连接在一起。在一个实施例中，可膨胀构件通过螺栓连接在一起。在一个实施例中，可膨胀构件通过机械固定在一起。

在一个实施例中，该方法包括将材料(例如，气体，可膨胀材料，惰性材料)插入到空腔(有时称为内部空腔或中央区域)中。

在一些非限定性的实施例中，密封包括焊接，机械固定，粘接，铆接，螺栓连接，螺杆连接，等等。

在一些实施例中，壁厚变化。在一些实施例中，壁厚从头至尾是连续的。在一些实施例中，壁为：至少大约1/16”厚；至少大约1/8”厚；至少大约1/4”厚，至少大约1/2”厚，至少大约3/4”厚，或者至少大约1”厚。

在一些实施例中，壁为：不大于大约1/16”厚；不大于大约1/8”厚，不大于大约1/4”厚，不大于大约1/2”厚，不大于大约3/4”厚，或者不大于大约1”厚。

在一些实施例中，空腔填充有空气(例如大气成分的空气)。在一些实施例中，空腔包括气体(例如，纯的成分或混合成分)。在一些实施例中，空腔包括惰性材料(例如，在升高温度(例如低于1000℃)时不反应的材料)。在一些实施例中，空腔包括一定压力(例如高于大气压)下的气体。在一些实施例中，空腔包括至少两种下列物质的组合：空气(例如大气成分的空气)，气体(例如，纯的成分或混合成分)，可膨胀材料和/或惰性材料(即，填充材料)。在一些实施例中，空腔包括一定压力的气体(例如高于大气压)。在一些实施例中，空腔包括可膨胀材料。在一些实施例中，空腔包括所述物质的组合。

在一些实施例中，气球内部的压力(在启动之前/在环境压力和温度下)为：至少大约0PSIG；至少大约5PSIG；至少大约10PSIG；至少大约15PSIG；至少大约20PSIG；至少大约25PSIG；至少大约30PSIG；至少大约35PSIG；至少大约40PSIG；至少大约45PSIG；至少大约50PSIG；至少大约55PSIG；至少大约60PSIG；至少大约65PSIG；至少大约70PSIG；至少大约75PSIG；至少大约80PSIG；至少大约85PSIG和/或至少大约90PSIG。

在一些实施例中，气球内部的压力(在启动之前/在环境压力和温度下)为：不大于大约0PSIG；不大于大约5PSIG；不大于大约10PSIG；不大于大约15PSIG；不大于大约20PSIG；不大于大约25PSIG；不大于大约30PSIG；不大于大约35PSIG；不大于大约40PSIG；不大于大约45PSIG；不大于大约50PSIG；不大于大约55PSIG；不大于大约60PSIG；不大于大约65PSIG；不大于大约70PSIG；不大于大约75PSIG；不大于大约80PSIG；不大于大约85PSIG和/或不大于大约90PSIG。

在另一个实施例中，在运行之前对气球内部的腔室/空腔加压。例如，在适当的形成条件和密封操作下，可膨胀构件的内部条件可以为至少大约一个大气压，至少大约1.5ATM；至少大约2ATM，至少大约3ATM，至少大约4ATM，或者至少大约5ATM。例如，在适当的形成条件和密封操作下，可膨胀构件的内部条件可以为不大于大约一个大气压，不大于大约1.5ATM；不大于大约2ATM，不大于大约3ATM，不大于大约4ATM，或者不大于大约5ATM。

在一些实施例中，内部空腔占据可膨胀构件的容积的一部分。在一些实施例中，内部空腔为可膨胀构件容积的：至少大约5％；至少大约10％；至少大约15％；至少大约20％；至少大约25％；至少大约30％；至少大约35％；至少大约40％；至少大约45％；至少大约50％；至少大约55％；至少大约60％；至少大约65％；至少大约80％；至少大约85％；至少大约90％；至少大约95％；或者至少大约98％。

在一些实施例中，内部空腔为可膨胀构件容积的：不大于大约5％；不大于大约10％；不大于大约15％；不大于大约20％；不大于大约25％；不大于大约30％；不大于大约35％；不大于大约40％；不大于大约45％；不大于大约50％；不大于大约55％；不大于大约60％；不大于大约65％；不大于大约80％；不大于大约85％；不大于大约90％；不大于大约95％；或者不大于大约98％。

如此处使用的，可膨胀材料指的是在不同条件下膨胀或扩大的材料。作为非限定性的实例，膨胀归因于在不同温度或压力条件下的相变、分解和/或密度变化。在一个非限定性的实例中，可膨胀材料在升温时在气球内部膨胀。在另一个实例中，在升高温度下，可膨胀材料经历了相变(例如，固体变成气体)以在升高温度下增加了体积。

在一些实施例中，在温度升高时具有大气成分的气体(空气)存在于气球内部；空气中存在的至少一些氧气(O₂)被从系统中移除(例如腐蚀)，从而使空腔内部的压力在升高温度下(例如900℃)为大约3.2ATM。在一些实施例中，当气球膨胀时，气球内部的压力(例如空腔内)降低，因此基于材料膨胀性和蠕变性选择合适的可膨胀材料以容纳空腔内部的适当压力增加。在一些实施例中，由于氧气损失(例如，与气球发生表面反应，诸如腐蚀)导致空腔内部压力降低以及随后气球容积增加(例如金属膨胀)。

可膨胀材料的非限制性实例包括：MgCO₃(在350℃分解)；CaCO₃(方解石，在898℃分解)；或CaCO₃(霰石，在825℃分解)，其中，这些材料中的每一个在升高温度下均释放出二氧化碳。可膨胀材料的其它非限制性实例包括在升高温度时降解的任何化学物质，例如，超过大约800℃的温度(例如，电解槽运行温度，在至少大约900℃，或者在至少大约930℃)。

在一些实施例中，在气球内部升高温度和压力条件下，气球内部的气体和/或可膨胀材料膨胀，以向外推动气球壁。在一些实施例中，从环境温度升高至电解槽运行温度(例如900℃-930℃)使气球内部的内在绝对压力升高4倍。

在另一个实施例中，在可膨胀构件内使用惰性材料。在一个实施例中，惰性材料是多孔的和/或颗粒状的。作为非限制性的实例，惰性材料包括管状氧化铝，砾石，骨料，陶瓷材料等等，所述惰性材料填充腔室的一部分或者全部。在一些实施例中，通过使用惰性材料，腔室尺寸可以很大，而提供压力的气体数量(即，惰性材料未占据的体积)将会很小。采用这样的实施例，可以限制可膨胀构件中的蠕变，(在腔室膨胀以及压力降低时蠕变会变慢)。另外，采用这样的实施例，与整个空腔填充气体的实施例相比，减小了在电解槽运行过程中可能从可膨胀构件中喷出的气体数量。

在一些实施例中，通过一个或多个特性能够测量、关联和量化狭槽和集流器棒的界面处的接触改善。作为非限定性的实例，压缩装置导致电阻降低，阴极块狭槽和阴极电流子组件之间的表面积增加，集流器子组件的尺寸变化(例如从电解槽延伸的集流器棒的量)，以及它们的组合。

当通过减小的电阻来测量改善的接触时，所得界面包括足以使测量到的横跨电解槽的阴极电压降降低可测量数量的共有表面积。

在一些实施例中，界面处所产生的改善接触包括足以使测量到的阴极电压降(例如，横跨阴极组件)降低如下数量的共有表面积：至少大约10mV；至少大约20mV；至少大约30mV；至少大约40mV；至少大约50mV；至少大约60mV；至少大约70mV；至少大约80mV；至少大约90mV；至少大约100mV；至少大约120mV；至少大约140mV；或者至少大约160mV。

在一些实施例中，界面处所产生的改善接触包括足以使测量到的阴极电压降(例如，横跨阴极组件)降低如下数量的共有表面积：不大于大约10mV；不大于大约20mV；不大于大约30mV；不大于大约40mV；不大于大约50mV；不大于大约60mV；不大于大约70mV；不大于大约80mV；不大于大约90mV；不大于大约100mV；不大于大约120mV；不大于大约140mV；或者不大于大约160mV。

在一些实施例中，联接部处的电阻降低以下倍数：至少大约3；至少大约5；至少大约10；至少大约20；至少大约40；至少大约60；至少大约80；或者至少大约100。

在一些实施例中，联接部处的电阻降低至少以下倍数：不大于大约3；不大于大约5；不大于大约10；不大于大约20；不大于大约40；不大于大约60；不大于大约80；或者不大于大约100。

在一些实施例中，当通过阴极块和集流器子组件之间(或者，联接部材料/阴极块狭槽)的联接部或界面处增加的表面积来测量改善的接触时，表面积增加时测量到改善。这一般可以通过比较如下来描述：(a)图8A与图8B，(b)图9A与图9B，(c)图10A与图10B；和/或(d)图10C与图10D。

在一些实施例中，压缩装置增加如下数量的接触量(或共有表面积)：至少大约2％；至少大约4％；至少大约2％；至少大约6％；至少大约8％；至少大约10％；至少大约15％；至少大约20％；至少大约40％；至少大约50％；至少大约75％；或者至少大约100％(例如，当压缩装置就位/利用压缩力在集流器棒的端部上操作之前不存在接触时)。

在一些实施例中，压缩装置增加如下数量的接触量(或共有表面积)：不大于大约2％；不大于大约4％；不大于大约6％；不大于大约8％；不大于大约10％；不大于大约15％；不大于大约20％；不大于大约40％；不大于大约50％；不大于大约75％；或者不大于大约100％(例如，当压缩装置就位/利用压缩力在集流器棒的端部上操作之前不存在接触时)。

在一些实施例中，当集流器棒处于应力下的同时通过集流器棒的尺寸变化测量改善的接触时，由于集流器棒从电解槽壁上突出，因此通过集流器棒的尺度和/或长度的(例如沿着纵向方向)变化来测量阴极块和集流器棒之间的界面处的改善接触。通过在集流器棒的一端施加呈压缩应力形式的作用力，集流器棒当被压缩时长度减小，因此更大程度地进入电解槽。

在一些实施例中，棒的长度减小如下数量：至少大约0.1％；至少大约0.3％；至少大约0.5％；至少大约0.7％；至少大约1％；至少大约1.1％；至少大约1.3％；至少大约1.5％；至少大约1.7％；至少大约2％；或者至少大约2.5％。

在一些实施例中，棒的长度减小如下数量：不大于大约0.1％；不大于大约0.3％；不大于大约0.5％；不大于大约0.7％；不大于大约1％；不大于大约1.1％；不大于大约1.3％；不大于大约1.5％；不大于大约1.7％；不大于大约2％；或者不大于大约2.5％。

在一些实施例中，当棒的长度减小(例如自槽壁的突出减少)时，棒在宽度上(例如沿着横向方向)膨胀(即增加)以与狭槽的表面积接触更好。在一些实施例中，棒在纵向方向上长度减小，而在横向方向上宽度增加。

在一些实施例中，电接触的改善是指横向尺寸增加如下数量：至少大约0.1％；至少大约0.3％；至少大约0.5％；至少大约0.7％；至少大约1％；至少大约1.1％；至少大约1.3％；至少大约1.5％；至少大约1.7％；至少大约2％；或者至少大约2.5％。

在一些实施例中，电接触的改善是指横向尺寸增加如下数量：不大于大约0.1％；不大于大约0.3％；不大于大约0.5％；不大于大约0.7％；不大于大约1％；不大于大约1.1％；不大于大约1.3％；不大于大约1.5％；不大于大约1.7％；不大于大约2％；或者不大于大约2.5％。

在一个实施例中，界面处改善的接触通过棒在应力下尺寸的变化来测量，其在纵向方向上(即长度)不大于10％，并且在横向方向上(即宽度)不大于5％。

在一些实施例中，压缩装置向集流器子组件施加不同大小的压缩应力，包括：至少大约50psi；至少大约100psi；至少大约150psi；至少大约200psi；至少大约250psi；或者至少大约300psi。

在一些实施例中，压缩装置向集流器子组件施加不同大小的压缩应力，包括：不大于大约50psi；不大于大约100psi；不大于大约150psi；不大于大约200psi；不大于大约250psi；或者不大于大约300psi。

在一些实施例中，由压缩装置施加到集流器棒上的力的数量大到足以阻止、降低或消除集流器棒与阴极块之间的间隙。通过消除、降低和/或阻止间隙，压缩装置降低了横跨铝电解槽的CVD并且增加了电流自系统的有效移除。

在一些实施例中，压缩装置在纵向(轴向)方向上向集流器棒施加所产生的如下数量的应变：至少大约-0.01％；至少大约-0.02％；至少大约-0.03％；至少大约-0.04％；至少大约-0.05％；至少大约-0.06％；至少大约-0.07％；至少大约-0.08％；至少大约-0.09％；至少大约-0.1％。在一些实施例中，压缩装置在纵向(轴向)方向上向集流器棒施加如下数量的应变：至少大约-0.1％；至少大约-0.15％；至少大约-0.2％；至少大约-0.25％；至少大约-0.3％；至少大约-0.35％；至少大约-0.4％；至少大约-0.45％；至少大约-0.5％；至少大约-0.55％；至少大约-0.6％；至少大约-0.65％；至少大约-0.7％；至少大约-0.75％；至少大约-0.8％；至少大约-0.85％；至少大约-0.9％；至少大约-0.95％；或者至少大约-1％。

在一些实施例中，压缩装置在纵向(轴向)方向上向集流器棒施加所产生的如下数量的应变：不大于大约-0.01％；不大于大约-0.02％；不大于大约-0.03％；不大于大约-0.04％；不大于大约-0.05％；不大于大约-0.06％；不大于大约-0.07％；不大于大约-0.08％；不大于大约-0.09％；不大于大约-0.1％。在一些实施例中，压缩装置在纵向(轴向)方向上向集流器棒施加所产生的如下数量的应变：不大于大约-0.1％；不大于大约-0.15％；不大于大约-0.2％；不大于大约-0.25％；不大于大约-0.3％；不大于大约-0.35％；不大于大约-0.4％；不大于大约-0.45％；不大于大约-0.5％；不大于大约-0.55％；不大于大约-0.6％；不大于大约-0.65％；不大于大约-0.7％；不大于大约-0.75％；不大于大约-0.8％；不大于大约-0.85％；不大于大约-0.9％；不大于大约-0.95％；或者不大于大约-1％。

在一些实施例中，压缩装置在横向方向上向集流器棒施加所产生的如下数量的应变：至少大约0.01％；至少大约0.02％；至少大约0.03％；至少大约0.04％；至少大约0.05％；至少大约0.06％；至少大约0.07％；至少大约0.08％；至少大约0.09％；至少大约0.1％。在一些实施例中，压缩装置在横向方向上向集流器棒施加所产生的如下数量的应变：至少大约0.1％；至少大约0.15％；至少大约0.2％；至少大约0.25％；至少大约0.3％；至少大约0.35％；至少大约0.4％；至少大约0.45％；至少大约0.5％；至少大约0.55％；至少大约0.6％；至少大约0.65％；至少大约0.7％；至少大约0.75％；至少大约0.8％；至少大约0.85％；至少大约0.9％；至少大约0.95％；或者至少大约1％。

在一些实施例中，压缩装置在横向方向上向集流器棒施加所产生的如下数量的应变：不大于大约0.01％；不大于大约0.02％；不大于大约0.03％；不大于大约0.04％；不大于大约0.05％；不大于大约0.06％；不大于大约0.07％；不大于大约0.08％；不大于大约0.09％；不大于大约0.1％。在一些实施例中，压缩装置在横向方向上向集流器棒施加所产生的如下数量的应变：不大于大约0.1％；不大于大约0.15％；不大于大约0.2％；不大于大约0.25％；不大于大约0.3％；不大于大约0.35％；不大于大约0.4％；不大于大约0.45％；不大于大约0.5％；不大于大约0.55％；不大于大约0.6％；不大于大约0.65％；不大于大约0.7％；不大于大约0.75％；不大于大约0.8％；不大于大约0.85％；不大于大约0.9％；不大于大约0.95％；或者不大于大约1％。

在一个实施例中，压缩装置改造装配到已有的电解槽上。在一个实施例中，压缩装置是电解槽的部件或零件。可选地，压缩装置与槽壁、槽的电力母线(electrical bus work)、阴极组件和/或集流器子组件一体制造或者作为可附接或可拆卸的部件制造。

本实用新型的一个方面，提供了铝电解槽。铝电解槽包括：阳极；阴极组件；液体介质(例如熔融盐浴)；以及压缩装置。在一个实施例中，阴极组件包括：具有狭槽的阴极块和集流器子组件。在一个实施例中，集流器子组件至少部分被安置于阴极块的狭槽中。在一些实施例中，集流器子组件是棒或带有联接部材料的棒，所述联接部材料至少部分地包裹(例如覆盖)该棒。在一些实施例中，压缩装置附接至集流器子组件的一端，并被配置成使集流器子组件与阴极块的狭槽相吻合。因此，在狭槽处集流器子组件和阴极块之间的界面通过压缩装置来维持。

在一些实施例中，液体介质位于阳极和阴极组件之间。铝在电解槽中从液体介质(也称为熔融材料/电解池)中产生。在一些实施例中，铝金属在液体池与液态金属之间的界面上产生，并且液态铝当形成时积累在阴极块顶部上。

本实用新型的另一方面，提供了铝电解槽。在一个实施例中，铝电解槽包括：阳极；阴极组件；熔融盐浴，以及压缩装置(例如轴向压缩装置)。在一个实施例中，阴极组件包括具有狭槽的阴极块和集流器子组件。在一个实施例中，集流器子组件包括集流器棒和联接部材料。在一些实施例中，集流器子组件附接至阴极块的狭槽上。熔融盐浴(例如电解质)位于阴极和阳极块之间。

在一个实施例中，轴向压缩装置包括：支撑件和至少一个施力元件。在一个实施例中，施力元件被配置成附接至集流器棒的端部，而支撑件保持该元件就位。在一个实施例中，施力元件被配置成通过向集流器子组件施加轴向作用力而使集流器棒横向膨胀。作为一个非限制性的实例，横向膨胀处在与轴向(纵向)作用力的方向大致垂直的方向上。在一些实施例中，集流器棒的横向膨胀使集流器子组件与阴极块的狭槽相吻合。作为一个非限制性的实例，当集流器棒横向膨胀时，集流器棒维持了其自身与阴极块的狭槽之间的界面。在一个实施例中，施力元件使阴极块与集流器棒之间的接触改善多达大约2％。

在一个实施例中，压缩装置包括压缩检测器。在一些实施例中，压缩检测器位于支撑件和施力元件之间并且压缩检测器被配置成测量施加到集流器棒上的作用力。在一个实施例中，基于集流器棒从槽壁延伸的量来测量棒的压缩。在一个实施例中，压缩检测器测量集流器棒的长度(例如集流器棒从槽突出的量)。在一个实施例中，压缩检测器测量集流器棒的宽度(例如棒的横向膨胀量)。在一些实施例中，压缩检测器的测量结果送至槽操作系统(未显示)，(例如作为实时反馈电路)以改变压缩量。在一些实施例中，压缩基于测量的槽温被关联，所述槽温影响棒中可能的变形量(即，通过蠕变)。

本实用新型的另一方面，提供了生产铝的方法。在一个实施例中，生产铝的方法包括下列步骤：(a)在铝电解槽中生产铝；(b)向集流器子组件的至少一个端部施加力；以及(c)由于施力步骤，维持阴极块的狭槽和集流器子组件之间改善的接触。

在一些实施例中，生产步骤指的是将电流从阳极经由液体介质传输至阴极组件，以在电解槽中生产铝。在一些实施例中，施力步骤指的是通过压缩装置向集流器子组件的至少一个端部施加力或压力。

在一个实施例中，该方法包括：使集流器子组件与阴极块相吻合，以降低阴极电压降(CVD)大约10mV至100mV。在一个实施例中，该方法包括：通过施力步骤使集流器棒横向膨胀，以维持和/或改善集流器棒与阴极块的狭槽之间的电接触。在一些实施例中，由于压缩装置所产生的电阻小于最初电阻(即，在没有支撑件的力的情况下所测得)。在一个实施例中，该方法包括调节施加的作用力以在可变或连续的维持条件下增加、降低或者维持集流器棒的压缩。在一个实施例中，该方法包括确定在集流器子组件的端部上施加的作用力。

本技术的这些及其它方面、优点以及新特征将在下面的说明书中部分阐述，并且本领域技术人员在研究下面的说明书和附图之后，这些内容对其而言是显而易见的，或者通过实践本实用新型的实施例可获知。

附图说明

图1是根据本实用新型的具有压缩装置的铝电解槽的实施例的示意性侧面剖视图。

图2是示出根据本实用新型的具有压缩装置的铝电解槽的另一个实施例的示意性剖视图，所述压缩装置包括支撑件和施力元件。

图3是示出根据本实用新型的在集流器棒两端均有压缩装置的铝电解槽的另一个实施例的示意性局部剖视图，所述压缩装置包括在集流器子组件的内端部和外端部上的弹簧构件。

图4A-4C描述了示出阴极组件的各种实施例的局部示意图。图4A描述了根据本实用新型的在集流器棒两个端部上的压缩装置的实施例，其中外端部压缩有支撑件和弹簧，且内端部压缩有可膨胀构件(例如气球)。图4B描述了作用在集流器棒的两个端部上的压缩装置的另一个实施例，其中集流器棒延伸横跨阴极的宽度。图4C描述了阴极组件的另一个实施例，其中集流器子组件具有向阴极集流器子组件的内端部施加压缩力的压缩装置(例如弹簧构件或可膨胀气球)以及在阴极块外部的锚定件，从而将集流器棒维持在阴极狭槽中。

图5A-5B描述了膨胀之前和之后的具有气态空腔(5A)的可膨胀构件以及在膨胀之前和之后的具有包含可膨胀材料材料的气体(5B)的可膨胀构件。

图6描述了在两个集流器棒内端部之间的可膨胀构件的实施例，其中惰性材料位于集流器棒端部和可膨胀构件之间。

图7A-7E描述了集流器棒内端部上的压缩装置的不同实施例。图7A描述了包括气球的实施例，所述气球在其每个端部上具有固体材料(例如有时称为颗粒状基底和/或惰性材料)。图7B描述了包括多个(三个)气球的的实施例，所述多个(三个)气球彼此相邻以沿集流器棒之间的间隙延伸。图7C描述了包括在棒之间的多个压缩装置气球的实施例，其中气球被间隙之间的固体材料隔开。图7D描述了两个阴极集流器棒的实施例，其中单个气球位于两个阴极集流器棒的内端部之间。图7E描述了如下实施例：阴极集流器棒在集流器棒内端部处包括(例如，集成、一体形成或者附接)压缩装置(可膨胀构件)。

作为比较，图8A和8B描述了在至少一个压缩装置就位“之前”(左图)、与压缩装置就位“之后”(右图)阴极组件的狭槽的并排剖面图，其中图8A和8B描述了阴极集流器棒与阴极狭槽之间相吻合(由此导致槽部件的电接触增加)。

图9A和9B描述了根据本实用新型的在以下操作条件下的阴极组件部件之间的接触部位的侧视剖面图：不存在压缩装置向集流器棒施加力(图9A)，以及存在压缩装置向集流器棒施加力(图9B)。在图9B中，集流器棒内部的箭头表示由于压缩装置在集流器棒端部上施加的压力(或力)而导致棒内蠕变的方向(以及因此棒侧部的横向运动)。

图10A-10D描述了阴极狭槽与集流器棒之间的间隙种类在压缩装置就位之前和之后的其它实施例。每个图均描述了阴极块/阴极狭槽和集流器棒之间的一部分界面(例如边界)的特写视图。图10A和10B描述了块和棒之间较大的宏观间隙(例如，间隙大到肉眼可见)闭合的实施例，而图10C和10D描述了表面上较小尺寸的凹凸不平(例如，表面的轻微凸起，比如源自表面粗糙度或不平坦)之间接触的改善。图10A和10C描述了在使用压缩装置之前的阴极块和集流器棒的界面，而图10B和10D描述了在压缩装置已经向棒施加作用力以提高接触表面积之后的阴极块和集流器棒的界面。

图11描述了图4的铝电解槽的局部剖视图，其中用箭头表示电流沿某些槽部件的大致流向/路径。

图12描述了不同槽部件(比如碳阴极块、阴极与集流器子组件之间的联接部、集流器棒邻近(例如，埋入)碳阴极块(棒进入)的部分、以及集流器棒在碳阴极块外延伸直至电力母线部件将电流从槽移除(棒出去)的外端部)上的电压降。水平轴线表示在各种熔炉处槽生产线(pot lines)之间的变化。

图13描绘了集流器棒蠕变所需的应力如何随着温度升高而降低，被推断为槽运行温度。一年之内1％蠕变所需的应力(MPa)被为与温度(℃)比较。

图14A描述了不同阴极和集流器棒部件的热膨胀的差异，描绘为膨胀率(％)比温度(℃)。

图14B描述了所计算的阴极(阴极块)和集流器棒(铁和钢)之间产生的过盈的实例，描绘为距离(mm)对温度(℃)，负值表示间隙。

图14C描述了阴极和集流器组件的侧面剖视图，示出从集流器内端部(～900℃)过渡到集流器棒外端部(～800℃)的温度差异。

图15A描述了两个作为可膨胀构件的压缩装置，而图15B描述了处于膨胀状态的可膨胀气球，其中壁沿向外的方向膨胀。

图16描述了图17所述试验用的可膨胀球的示范性侧面剖视图。

图17描述了两个可膨胀气球的试验性运行，示出压力(PSIG)作为时间(天)的函数。

图18描述了第二次试验性运行的可膨胀构件的平面侧视图。

图19描述了作为时间(天)函数的所产生的压力(PSIG)和温度(℃)。

图20描述了在组装到测试装置之前实例5的部件，包括框架，气球(压缩装置)以及集流器棒部件。

图21描述了实例5在测试前的组装构型图。

图22描述了实例5在测试后的组装构型图。

图23描述了实例5中压力和温度比时间(单位为天)的曲线图。

可以将上述本文描述的各种创造性方面进行组合以产生电解槽和运行电解槽的方法，以在使用较少电力的同时有效并高效地生产铝，由此降低运行成本。

本实用新型的这些及其它方面、优点以及新特征将在下面的说明书部分做阐述，本领域技术人员在仔细研究下面的说明和附图之后，这些内容对其而言是显而易见的，或者通过实践本实用新型公开的实施例可以获悉。

具体实施方式

现在将详细参考附图，所述附图至少有助于说明本实用新型的各种相关实施例。

参考附图1和2，大致描述了电解槽的实施例。在铝的生产过程中，电解槽10在运行条件下生产铝(例如，商业纯铝)。在一些实施例中，电解槽10的部件被容纳在壁50(例如外壳)内，所述壁50在其内具有耐火砌块(或材料)42以隔绝系统并且保护外部环境不受热电解池和/或铝泄露的影响。在一些实施例中，电解槽10包括阳极12、阴极组件14、液体介质22、以及压缩装置24。

在一些实施例中，阴极组件14指的是集流器子组件20和阴极16。集流器子组件20指的是集流器棒、联接部材料和用于将电流从槽中传输出去的任何电气子组件。在一些实施例中，阴极16和集流器子组件20处于匹配的位置中，其中集流器子组件20至少部分地保持在阴极16的狭槽18中。在一些实施例中，集流器棒的端部从耐火件42和壁50向外延伸。阴极16指的是呈块状形式的碳阴极。作为非限制性的实例，阴极16位于铝电解槽10的基底处。在一些实施例中，阴极16传导电流并且通过电力母线(电力母线未显示)将电流传输(即，通过电流形式)离开槽10。在一些实施例中，电流自液体介质22(例如熔融的电解质)进入阴极16。在一些实施例中，电流在槽运行(铝生产)过程中从铝金属板36(即其形成在阴极16顶部上)进入阴极16。在运行过程中，铝36(例如金属板)在阴极16的表面上产生(参见，例如图1和2)。

在一些实施例中，铝电解槽10具有多于一个的集流器棒，例如二十、四十或八十个。在一些实施例中，阳极12发出电流，进入电解槽10并且进入液体介质22。作为非限制性的实例，液体介质22包括熔融的盐电解质，并且通常也指在氧化铝反应生成铝的整个过程中的任何中间物、副产物或产物。在一些实施例中，电解质包括冰晶石(Na₃AlF₆)和氧化铝(Al₂O₃)。从液体介质22起，电流在电解槽10中作用产生铝16。电流通过阴极组件14离开电解槽10。

在一些实施例中，阴极16由一种或多种已知的公认材料构成。在一个实施例中，阴极16为碳。在一些实施例中，阴极16包括狭槽18。在一些实施例中，狭槽18沿着阴极16的下表面预形成。在一些实施例中，狭槽18具有足够的尺寸大小，从而使集流器子组件20至少部分地装配进狭槽18内。在一些实施例中，狭槽基本上包封(包围)棒。在一些实施例中，狭槽包围棒的一部分(若干侧部但并非所有侧部)(例如底部暴露)。在一些实施例中，压缩装置24附接至(集流器子组件的)集流器棒的外端部和/或内端部。

在一些实施例中，压缩装置24向集流器棒52的至少一个端部施加力(或压力)，从而使集流器棒的端部被向内(例如沿轴向方向)推动。在一些实施例中，固体集流器棒52因此在横向方向上(例如大体上与作用力垂直的方向)膨胀。

参考图2，描述了作为轴向压缩装置28和施力元件34的压缩装置的实施例。在一些实施例中，轴向压缩装置28装配在集流器子组件20的端部上，并且具有足够的强度(例如，刚性)以允许施力元件34在集流器子组件20的端部和轴向压缩装置28之间膨胀。在一些实施例中，压缩装置位于集流器棒的外端部和内端部处。在一些实施例中，内端部被间隔材料62隔开。在一个实施例中，间隔材料包括在运行条件下不降解的非反应性材料。作为非限制性的实例，间隔材料可以包括陶瓷材料、耐火材料等等并且可以在阴极棒端部之间呈颗粒状或固体(块)的形式。

参考图3，集流器子组件20包括集流器棒52和联接部材料54(例如铜嵌件和/或联接部)。参考图3，集流器子组件20指的是棒52(例如，没有联接部材料覆盖)。图3描述了压缩装置24的实施例，其中压缩装置24包括位于集流器棒52的两个端部(内端部52a和外端部52b)上的弹簧32。在一个实施例中，在保持于阴极块的狭槽内的集流器棒的端部之间设有一个弹簧32。在一些实施例中，压缩装置24在不干扰电力母线(未显示)的位置附接至集流器棒52的端部的一部分。在图3中，外部弹簧32上的支撑件30未示出。

图4A描述了压缩装置的两个实施例，(1)在外端部上的弹簧32和支撑件30，以及(2)在内端部上的可膨胀气球。在一个实施例中，弹簧32和支撑件30结合两个集流器棒52一起使用，所述集流器棒52在位于阴极16的狭槽18内的端部之间具有可膨胀构件56(例如，气球或固体材料)。在一些实施例中，在集流器棒端部之间具有固体间隔材料(例如刚性材料)(例如，如图2所示)，所述固体间隔材料是其它联接部材料、耐火材料或非反应性材料。在一个实施例中，由于集流器棒从电解槽壁50突出，因此压缩装置24附接至集流器棒的外端部。

图4B描述了替代的阴极组件，其中集流器棒52从阴极16的一个端部延伸到阴极16的另一端部(即，集流器棒不具有“内端部”)。参考图4B，在集流器棒52的外端部上的压缩装置24是弹簧32和支撑件30。在替代的实施例中，一个外端部包括压缩装置，而另一个外端部包括锚定件70和/或支撑件30(即，限制轴向运动)。

参考图4C，描述了另一个实施例。图4C描述了阴极组件中的两个集流器棒，其中内端部与压缩装置(例如弹簧或可膨胀气球)相邻。在一些实施例中，集流器棒包括将棒52固定就位的锚定件70(例如，其中在外端部不存在任何压缩装置)。在一些实施例中，棒52的向外自由主体运动被锚定件70限制，所述棒52通过锚定件70附接至/锚定至电解槽内衬42上。如图4C所示，在一些实施例中，锚定件70在槽10内(即，在内衬42内)、但在阴极之外(即，远离热量)附接至集流器棒52。在另一些实施例中，锚定件70可以在槽壁50之外附接至集流器棒52的端部或者侧部。

参考图5A，描述了可膨胀构件(有时称之为金属本体或气球)。图5A描述了加热“之前”(左侧)与加热“之后”(右侧)的比较。图5A在内部空腔中包括气体，所述气体膨胀以沿向外的方向推动侧壁58。

参考图5B，可膨胀构件包括气体60和可膨胀材料64(左侧)。在加热后，可膨胀材料64膨胀(通过相变和/或化学分解)并且气体膨胀(例如，通过理想气体定律)，从而增加内部空腔的内部容积并且向外推动壁58。在一些实施例中，可膨胀材料64完全转变成气体(在加热之后空腔中没有固体/颗粒，如5B所示)。在一些实施例中，可膨胀材料64降解或转变为一种或多种成分，其中一些固体材料留在空腔中(例如，加热之后)。

参考图6，压缩装置30包括可膨胀构件56，所述可膨胀构件56置于两个阴极集流器棒52的端部之间。如图6所示，在可膨胀构件56的侧壁58与集流器棒52的端部之间设有固体间隔材料62。如图6所示，可膨胀气球包括可膨胀材料64(例如，呈固态颗粒形式)。在一些实施例中，衬底66包围间隔材料和/或可膨胀气球，以限制材料的表面相互作用，并且在槽关闭时允许可膨胀气球从用过的槽内衬容易移除。在一些实施例中，在间隔材料62是颗粒的情况下，衬底66保持颗粒62。

参考图7A至7E，描述了气球至棒的构型的各种实施例。图7A具有与图6相似的构型，除了内部空腔包括气体之外。图7B描述了多个可膨胀气球的构型，示出四个可膨胀气球58布置在集流器棒52的端部之间，其中外气球与集流器棒52的内端部直接连通。图7C描述了替代的构型，其中气球和阴极集流器棒的端部具有位于其表面之间的间隔材料62，从而气球58的侧壁与间隔材料62连通，并且间隔材料与棒连通。图7C也提供了位于两个可膨胀构件56之间并与两个可膨胀构件56连通的间隔材料62。图7D提供了可膨胀气球与集流器棒之间的小间隙，其中衬底66包围可膨胀气球56。在一些实施例中，用衬底66包围气球56允许在电解完成后气球与用过的槽内衬分开。图7E描述了作为集流器棒52的一部分(即，在集流器棒端部处)的可膨胀构件56。在一些实施例中，集流器棒与可膨胀气球在其端部处一体形成。在一些实施例中，可膨胀气球附接至集流器棒端部。在一些构型中，在集流器棒在其端部处包括可膨胀构件的情况下，集流器棒彼此直接接触、通过集流器棒(可膨胀构件)端部之间的衬底66彼此接触、和/或通过集流器棒(可膨胀构件)端部之间的间隔材料62彼此接触。

在一些实施例中，压缩装置24适于使集流器子组件20与阴极16的狭槽18相吻合。此处所用的“相吻合”是指使第一材料的形状和/或尺寸适于第二材料的形状和/或尺寸。例如，由于施加到集流器子组件20的端部上的轴向力的量增加，使集流器棒52与阴极16的狭槽18相吻合。

在一些实施例中，最初，集流器棒的一小部分与狭槽相接触，这导致槽的性能变差。在吻合后，集流器棒52的形状和/或尺寸更接近地匹配狭槽的形状和/或尺寸，从而导致集流器棒与狭槽之间的直接接触(接触部位)量增多。这种接触量的增加有利于改善槽10的性能。通过降低阴极电压降来测量集流器子组件20与狭槽18的吻合量。这指示了良好的附接/连接部位以及由此吻合。在一些实施例中，在铝电解槽10运行过程中阴极电压降通常在大约200mV至大约500mV的量级。据认为，至少大约高达100mV直接源自(阴极16的狭槽18和集流器棒52之间)较差(松散)的电接触。

在另一个实施例中，用于在集流器棒上推动的压缩装置包括可膨胀构件(例如呈囊、风箱或隔膜形式的加压气球)。根据理想气体定律，从环境温度升高至运行温度(20℃至900℃)导致气球内部气体的压力升高。结果，估计气球内部的压力为至少大约4个绝对大气压。然而，该压力可能由于氧气损失(例如，生锈)和随后气球容积增加(例如，金属膨胀)而降低。

在另一个实施例中，可通过提前对气球加压得到超过4个大气压的压力。在一个实施例中，气球是预加压到：至少大约5psig；至少大约10psig；至少大约15psig；至少大约20psig；至少大约25psig；至少大约30psig；至少大约35psig；至少大约40psig；至少大约45psig；至少大约50psig；至少大约55psig；至少大约60psig；至少大约65psig；至少大约70psig；至少大约75psig；至少大约80psig；至少大约85psig；至少大约90psig；或者至少大约100psig。

在另一个实施例中，可通过提前对气球加压得到超过4个大气压的压力。在一个实施例中，气球是预加压到：不大于大约5psig；不大于大约10psig；不大于大约15psig；不大于大约20psig；不大于大约25psig；不大于大约30psig；不大于大约35psig；不大于大约40psig；不大于大约45psig；不大于大约50psig；不大于大约55psig；不大于大约60psig；不大于大约65psig；不大于大约70psig；不大于大约75psig；不大于大约80psig；不大于大约85psig；不大于大约90psig；或者不大于大约100psig。

在另一个实施例中，少量材料密封在气球内部，其中材料在加热时增加了压力(例如，通过相变至气态)。例如，MgCO₃在350℃附近释放出CO₂。

在一些实施例中，气球与充填物62(有时称为颗粒状基底，或者惰性材料)一起使用，所述充填物62位于气球的侧部和/或集流器棒的内端部之间。充填物通常选自在升高温度下保持坚刚度(例如刚性)的固体材料。充填物的非限制性实例包括板状氧化铝、铜等等。在一些实施例中，气球焊接闭合，当然也可以使用其它密封气球的方法。

图8A-8B是狭槽18中的棒52的剖面侧视图。图8A描述了当压缩装置使集流器子组件(包括棒和联接部材料)与阴极16的狭槽18相吻合时，间隙或者小的联接部表面积/界面(图8A，左侧)与联接部中大的界面/表面面积(图8B，右侧)的比较。

图9A-9B是局部剖面主视图。图9A描述了间隙，而图9B描述了沿着棒52的纵向方向(点线)上的轴向压缩以及所产生的在大致垂直于纵向轴线的方向上的横向膨胀(箭头，从点线向外延伸)。在一些实施例中，压缩装置24基本上沿着集流器棒52的纵向轴线(与大致为矩形的长棒的轴线相平行)作用在集流器棒52上。在一些实施例中，当力施加在集流器子组件20的端部处时，集流器子组件20朝向槽10的内部被轴向向内压缩。在一些实施例中，随着在一个端部处被轴向压缩，集流器子组件20在大致垂直于纵向轴线的方向、即基本上横向于施加的力的方向上补偿和膨胀。因此，集流器子组件20横向膨胀以与阴极16的狭槽18更紧密地对齐并与狭槽18吻合。而且，压缩装置24充分设计成连续施加所需的力，以在运行条件下在铝电解槽内使集流器棒与狭槽18相吻合。

参考图9B，压缩检测器38与压缩装置24结合使用。压缩检测器38(例如，传感器)包括检测集流器子组件20的压缩量的位移计。在一些实施例中，当集流器棒52从电解槽10的壁突出时，通过测量集流器棒52的相对长度来完成这种测量。在一些实施例中，通过以下来检测压缩：测量压缩装置24施加到集流器子组件20的端部上的力，并且将所述力与压缩装置24的材料性质进行关联，以确定集流器子组件20内的压缩量。在一些实施例中，在施力元件是弹簧32的情况下，能够通过测量弹簧从松弛状态的压缩或压缩的变化来确定力的大小。

在一些实施例中，由压缩装置24引致的集流器棒52中的变形导致联接部中的相对表面之间的间隙部分地或者完全地闭合。增加阴极16的子部件之间的接触面积量降低了接触电阻，从而允许电流更容易地(即，电阻更小地)从一种材料流到另一种材料。

图10A和10B描述了阴极16与集流器棒52之间的较大宏观间隙之前和之后的视图。在这个实例中，一旦压缩装置就位，间隙看起来就被完全闭合。在另一个实例中，如图10C和10D所示，当表面不均匀时，阴极16和棒52之间的接触频率和/或程度在较小的凹凸不平之间增加，但是来自非均匀表面的小间隙未完全消除。在一些实施例中，界面处接触面积的增加发生在：(a)狭槽和联接部材料之间；(b)联接部材料和棒之间；(c)棒和狭槽之间(在没有联接部材料的情况下)；以及(d)它们的组合之间。

图11描述了来自阴极块的电流在向集流器棒的端部移动时的示例性路径。用箭头描述电流。在一些实施例中，集流器棒52收集来自电解槽10(通过阴极16)的电流并且将电流传输出槽10。在一些实施例中，集流器棒52由各种导电材料制成。作为一个实例，集流器棒52由导电的金属材料制成。在一些实施例中，集流器棒52包括沿着集流器棒52的一部分表面延伸的联接部材料54。联接部材料54指的是促进更好附接和电接触的导电材料。在一些实施例中，联接部材料位于集流器棒52的表面和阴极16的狭槽18之间。联接部材料54的非限制性实例包括：金属片，铸铁，铜，和/或粘合剂。在一些实施例中，集流器子组件20部分地安置于狭槽18内，从而能够从电解槽10中移除电流。

参考图1-4，集流器子组件20延伸出电解槽10的壁50，由此从槽10中移除电流。电流从集流器子组件20、并且因此通过电力母线(未显示)从铝电解槽10移除。

在一些实施例中，压缩装置24促进界面26(或表面)形成两种材料之间的普通边界。在一些实施例中，在集流器子组件20与狭槽18相吻合时，改善了集流器子组件20和阴极16的狭槽18的界面26，从而电流更有效地从阴极16传输至集流器子组件20(即，几乎对阴极电压降(CVD)没有贡献)。此处的“改善”意味着子组件和狭槽表面直接接触的面积量增加。

本实用新型还提供了一种生产铝的方法。在一个实施例中，方法包括下列步骤：在电解槽中生产铝，同时压缩集流器子组件(例如，施加力)。在电解槽运行之前或运行同时施加力。压缩步骤与铝的生产同时进行和/或顺序进行。在一些实施例中，施力步骤指的是使集流器棒横向膨胀。在一些实施例中，维持了棒和狭槽之间的界面。在一些实施例中，通过检测和/或确定压缩装置所施加的作用力来实现。在一些实施例中，如果压缩程度不连续的话，则通过增加和/或减少轴向(纵向)压缩的量来调整施加的作用力。该方法还包括使集流器子组件与阴极狭槽相吻合的步骤。

实例：阴极组件材料的蠕变和膨胀

为了确定在运行条件下使集流器棒产生合适蠕变所需最小的力，进行了实验以确定在施加外力的情况下集流器棒钢按比例缩小的样品在运行条件下在一定时间周期内的蠕变速率。

在一些实施例中，在槽运行条件下，过小的作用力可能无法导致足够降低CVD的形变，而过大的作用力可能导致棒变形到(碳)阴极块断裂的程度。在其他实施例中，作用力大小可与压缩装置的弹力/弹性进行折衷，这可允许棒在随后的工作/运行中脱离接触自由蠕变(即，不充分的压缩)。

图12描述了横跨不同部件的电压损失的模型结果，且联接部(接触)电阻被调整成匹配来自具有不同槽类型的不同工厂中的多个槽生产线的CVD的测量平均值。

图13描述了集流器棒蠕变所需的应力如何随着温度升高而降低，推断出电解槽运行温度，所述图描绘为应力比温度。

在检查的系统中，铝电解槽在高温下运行并且优选地具有较低蠕变速率。对于低蠕变速率和高温条件来说，Harper-Dorn位错攀移(dislocation climb)被认为是二级蠕变的良好模型。公式为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}=A_{\mathrm{HD}}\frac{\mathrm{Gb}}{\mathrm{kT}}{D}_0{e}^{-\frac{Q}{\mathrm{RT}}}\left(\frac{\mathrm{\σ}}{G}\right)$

在实验性运行条件下，方程中除了成比例的应力速率(ε)和压力(σ)之外，每一个几乎为常数。

图14A描述了阴极棒材料相对于集流器子组件材料(钢和铁)在不同温度下的不同热膨胀。图14B描述了计算的间隙(距离，以mm计)比温度(℃)的实例。图14C描述了在运行条件下，(所述构型的)集流器棒沿着长度方向呈现出不同的温度(例如，朝向内端部～900℃，以及朝向外端部(即，靠近棒离开阴极块、但仍在槽壁内的位置)～800℃)。

实例1：集流器棒材料上的蠕变的试验台测试

进行了试验台测试以确定某种载荷/作用力在集流器棒上产生的蠕变。在每个测试中，2英寸长、3/4英寸直径、1018钢的棒被加载50磅重(113psi)。进行了两次测试，其中一个样品在大约930℃下保持压缩一星期，另一个样品在大约930℃下保持压缩两星期。

所得到的测试样本变得稍短且稍宽。第一个样品的轴向应变速率为0.0015％/小时。第二个样品的轴向应变速率为0.0012％/小时。对于改善联接部所需的加宽率，第一个样品为0.0019％/小时，而第二个样品为0.00074％/小时。应该指出，在第一个测试中，直径测量精度更低，这可以解释在与第二个样品比较时的0.0019％/小时的高数值。这些结果表明，在集流器棒上施加合适大小的作用力时，可实现棒变宽并进入阴极块狭槽。因此，电流增加，联接部电阻减小，并且CVD降低。

实例2：压缩装置(可膨胀气球)的试验台测试

图15A和15B描述了并排示出的两个可膨胀构件(例如钢气球)的立体图。(尽管这些气球是长方形的，但也可以是其它形状)。图15A描述了膨胀之前的气球而图15B描述了膨胀之后的气球。

实例3：压缩装置(可膨胀气球)的试验台测试

构建了另一套可膨胀构件，均具有图16的剖面视图中所示的圆边缘。两个气球都有1克MgCO₃，所述MgCO₃可以在350℃至450℃之间释放CO₂从而导致压力增加。气球1由1/4”碳钢壁构成，而气球2由1/8”不锈钢壁构成。对于每个气球来说，壁都用焊接密封。图17是示出两个气球中的压力随着时间(延迟)变化的图。尽管气球2由于焊接不当而失败(未保持压力)，气球1在整个实验过程中保持了大部分的压力。

实例4：

参考图18和19，构建了另一个钢气球并经过16天的实验性测试。气球具有大约1/8英寸厚的壁并且气球由304不锈钢构建，如图18所示。气球面由平板构成，而圆形侧部由管的半段切割而成。面和边缘(例如，圆边缘)通过焊接连接。测试气球的标称外部尺寸为5×3.5×1.25英寸。它含有1克的MgCO₃，所述MgCO₃通过在升高的温度下释放CO₂气体而有助于内压。在测试过程中对测试气球进行部分限制，从而使气球“充气”厚度增加仅约3/8英寸。应当指出，位于测试气球顶部附近的测压孔仅仅用来测量测试件的内压，但是不向测试气球提供压力。

在整个测试过程中(两个星期的周期)，气球在大约900℃的温度下保持了显著的压力。未发现气球中有泄漏。据估计，在电解槽启动和/或运行条件下，这种结构会导致工作的电解槽中的集流器棒产生明显持久的变形，即阻止、降低和/或消除阴极集流器棒在阴极狭槽处的间隙。

参考图19，图表描绘了测试过程中(18天的周期)气球内压和温度与时间的函数关系。不局限于某种特定的机理或理论，据认为，温度(按照理想气体定律)和气球内一克MgCO₃粉末释放出的CO₂驱动压力初始增加至91PSIG的峰值，而随后压力降低被认为是由于测试件的体积膨胀所致，并且也可能是由于某些气体成分(可能是氮气)被钢吸收所致。观察到在测试的最后一周内(例如第7至16天)压力极其稳定在大约46-47psig(如图所示)。

应当指出，(在测试结束时)压力最终降低是由于温度下降所致(例如移除热源)，而不是由于泄漏。测试件在测试后维持了降低的正压力(例如，正如理想气体定律所预测的)。

实例5：利用可膨胀气球的棒变形

[00137]进行了实验以测试可膨胀构件(钢气球)是否能够提供足够的压缩，以使工业尺寸的集流器棒横断面变形。参考图20，试验台测试使用钢架(右侧)来限制钢气球(左侧)以及横截面为(3”×4.5”)的短(4.5”高度)集流器棒(中间)。测试前的组装件如图21所示，而测试后的组装件如图22所示。

为了读取实验过程中的压力，气球装配有通向压力计的管。(在真正的槽中，压力计将会被忽略)。气球包括4克MgCO₃，当装置加热至大约900℃的槽运行温度时，MgCO₃分解并释放出CO₂气体(约350℃)。气球内部产生的CO₂继而使气球加压，加压和升高的温度条件一起作用，导致气球的壁变形/向外弯曲并且将压力施加(压缩)在邻近的集流器棒和框架上。

图21描述了棒和气球的限制框架，其中棒和气球插入框架内。

热电偶放置在框架的顶部内部或底部附近。在气球至框架和棒至气球的接触点之间使用石墨织物，以阻止钢件在一定温度下接触并焊接在一起。装置被包装焦炭(packing coke)和吹氩清扫器(argon purge)包围，以阻止碳钢框架和集流器棒氧化。气球由304不锈钢板和304L不锈钢管构建，304不锈钢板和304L不锈钢管均标称为0.125”厚。气球外部尺寸为4”×5.5”×1.25”。

为了测量竖直变形，集流器棒装备有不锈钢钉。参考图22，尽管肉眼看起来棒的竖直压缩并不明显，但是在限制框架中产生的弯曲压力高到足以导致可见的变形。

图23描述了在测试过程中的平均温度和气球压力(描述为时间的函数，单位为天)。参考图23，温度在第一天内达到高达600℃，随后在第二天高达900℃，温度在900℃维持两周。参考图23，压力最高峰在250psig附近，之后迅速降低(开始时)，随后压力更缓地降低。在测试结束之前，压力大约为30psig。不局限于某种特定机理或理论，据认为由于所产生的CO₂与气球的内钢表面之间发生表面反应，气球内损失某些压力。

内侧和外侧钉间隔的测量和全棒高度的测量结果表明，在测试过程中在纵向方向上整个压缩应变(缩短)为大约0.14％，如下表1所示。这将对应于宽度上(横向方向)变粗为大约0.07％(大约为纵向方向上应变的一半)。

表1：高度的总变化和钉平均位置的变化的测量结果给出试验台测试过程中的总应变。钉以六个竖直对编号。

所有应变的平均值为                    -0.14％

参考表1，横跨棒的宽度的测量结果显示变粗(负的应变值指的是尺寸在纵向方向上减少，因而尺寸在横向方向上增加)。

通过将这些结果推断至工作槽(与槽运行温度下的炉对照)中的更大集流器棒(例如，大约4.25”宽)上，应变预期对应于棒在横向方向上大约0.003的变形(棒“变粗”)。这仅仅是所预计的0.07％的一半。不局限于某种特定机理或理论，这可以归因于“端部效应”，所述端部效应指在棒的一个端部处产生的变化和/或测量的有限次数。

不局限于任何机理或理论，棒的变形量据认为足以降低运行电解槽中的CVD。

不局限于任何机理或理论，这种变形量据认为比如下空气间隙大约小一个数量级：预计在用棒通沟(rodding)过程中(阴极集流器组件的成型过程中)由于棒的弯曲而在集流器棒的表面上形成所述空气间隙。

不局限于任何机理或理论，棒的变形量也被认为是过盈配合(interferencefit)的大约一半，这在铜芯集流器棒中产生介于无接触和完美电接触之间的差异。

因此，尽管变形越大(来自压力维持越久)会使CVD降低越多，但是利用这种装置所实现的变形量被认为是足以显著降低CVD。

而且，不局限于任何机理或理论，Harper-Dorn位错攀移指出一定温度下的蠕变速率与压缩应力成比例。根据上文所述，通过整合压力变化情况并且并入所测量的蠕变，可以提供用于蠕变速率的关系：

尽管已经详尽地描述了本实用新型的各种实施例，但是显而易见的是，本领域技术人员能够对这些实施例进行修正和变形。然而，应当清楚地知道，这种修正和变形均落入本实用新型的精神和范围内。

Claims (15)

1.一种铝电解槽，其特征在于，所述铝电解槽包括： 

阳极， 

阴极组件，所述阴极组件包括阴极块、阴极块中的狭槽以及集流器子组件，其中，集流器子组件至少部分地安置于狭槽中；以及 

轴向压缩装置，所述轴向压缩装置与集流器子组件的端部相邻并适于向集流器子组件的端部上施加力， 

其中，通过轴向压缩装置使集流器子组件与狭槽相吻合。 

2.如权利要求1所述的铝电解槽，其特征在于，轴向压缩装置包括： 

适于向集流器棒的端部上施加力的弹簧构件；以及 

适于在集流器棒的端部上将弹簧保持就位的支撑件。 

3.如权利要求1所述的铝电解槽，其特征在于，轴向压缩装置包括： 

具有螺杆和螺纹组件的可调式支架，其中，可调式支架适于装配到集流器子组件的外端部上。 

4.如权利要求1所述的铝电解槽，其特征在于，轴向压缩装置包括： 

具有至少一个壁的金属气球，其中壁包封填充有气体的空腔， 

其中金属气球与阴极集流器子组件的内端部相邻，且位于狭槽内。 

5.如权利要求1所述的铝电解槽，其特征在于，轴向压缩装置包括： 

具有至少一个壁的金属气球，其中壁包封在超过约100℃的温度下发生相变的材料； 

其中金属气球与阴极集流器子组件内端部相邻，且位于狭槽内。 

6.如权利要求1所述的铝电解槽，其特征在于，轴向压缩装置被构造为附接至铝电解槽的壁上。 

7.如权利要求1所述的铝电解槽，其特征在于，轴向压缩装置增加了阴极集流器子组件与阴极之间的电接触。 

8.如权利要求1所述的铝电解槽，其特征在于，界面包括足以使测量的阴极电压降降低至少约50mV的共有表面积。 

9.如权利要求1所述的铝电解槽，其特征在于，压缩装置将力施加在集流器子组件的端部上，以轴向压缩集流器子组件，从而维持集流器子组件和阴极 块的狭槽之间的界面。 

10.如权利要求1所述的电解槽，其特征在于，集流器子组件进一步包括棒、联接部材料以及它们的组合。 

11.一种铝电解槽，其特征在于，所述铝电解槽包括： 

阳极， 

具有至少一个狭槽的阴极块， 

至少一对集流器棒，其中每个集流器棒均部分地安置于狭槽中，以使得集流器棒中的每个的内端部在狭槽中彼此相对；以及 

轴向压缩装置，所述轴向压缩装置包括： 

至少一个金属气球，所述至少一个金属气球位于狭槽中且在两个阴极集流器棒的内端部之间，以及 

至少一个支撑件，所述至少一个支撑件适于邻近集流器棒的外端部装配在集流器棒中的每个上，其中支撑件被构造成向集流器棒的外端部上施加力。 

12.如权利要求11所述的铝电解槽，其特征在于，轴向压缩装置适于构造成向集流器棒的内端部和外端部施加轴向力，由此使集流器棒横向膨胀。 

13.如权利要求11所述的铝电解槽，其特征在于，轴向压缩装置使集流器棒与阴极块的狭槽相吻合以维持界面。 

14.如权利要求11所述的铝电解槽，其特征在于，施力元件使阴极块与集流器棒之间的界面增加高达大约2%。 

15.如权利要求11所述的铝电解槽，其特征在于，轴向压缩装置进一步包括： 

位于支撑件与施力元件之间的压缩检测器，其中压缩检测器被构造成测量施加到集流器棒上的力。 

Images