CN203569208U - 集流棒装置、系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供集流棒装置、系统及其使用方法。在一个实施例中电解池包括：阳极；阴极块；和配置为至少部分邻近阴极块设置并且与阴极块电联通的集流棒，其中该集流棒包括：至少一个侧壁；侧壁包围的内部空腔；和通过至少一个侧壁保留在内部空腔中的可膨胀材料，其中配置该可膨胀材料在集流棒的工作温度下向内部空腔的壁面施加压力，使得集流棒顺应阴极块。

Description

集流棒装置、系统及其使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年9月11日提交的US申请号61/699,645，名称为“可调集流棒及其使用方法”的优先权，在此其全部内容通过引用并入本申请。

技术领域

概括地说，本申请涉及在电解池中生产铝的系统和方法，而同时减少CVD和/或保持较低的CVD。更特别地，本申请涉及利用集流棒结合内部空腔中的可膨胀材料，在电解池运行期间该膨胀材料随温度升高(例如在预热期间和电解池运行期间)而膨胀以降低集流棒和阴极(例如阴极块)之间的电压降。

背景技术

在常规的铝生产期间，向电解池供给电流从而驱使铝的产生。由于设计中的低效率，特别是在电接触点处电解池的电流流出系统时，电解池中损失了电压。上述电压的损失通常被称为阴极电压降，或者“CVD”。在阴极组件形成过程中、电解池启动时和/或在极端条件下(例如高温)电解池连续运行期间，接触不良引起了CVD。每年每个工厂在电解池运行时因为CVD产生的电压损失的成本加起来达到数百万美元。

实用新型内容

概括地说，本申请涉及用于在电解池中生产有色金属(例如铝)而同时减少CVD的系统和方法。更特别地，本申请涉及利用与电解池相关的可调节的(可膨胀的)集流棒。在一些实施例中，通过膨胀集流棒的内部空腔，能够保持和/或改善不同电解池组件(例如阴极集流棒和阴极)之间的接触(例如电接触)。在一些实施例中，可膨胀的集流棒提高阴极组件子部件之间的接触，降低连结电阻(例如跨至少两个部件的连结电阻)，因此导致电解池中CVD降低。

一方面，本申请提供一种电解池，包括：阳极；至少一个阴极块；和配置为至少部分邻近阴极块设置并且与阴极块电联通的集流棒；其中集流棒包括：至少一个侧壁；侧壁包围的内部空腔；和通过该至少一个侧壁保留在内部空腔中的可膨胀材料，其中被配置为该可膨胀材料被配置为在集流棒的工作温度下向内部空腔的壁面施加压力，使得集流棒顺应阴极块。

一方面，本申请提供一种集流棒，包括：至少一个完全包围内部空腔的侧壁；和通过至少一个侧壁保留在内部空腔中的可膨胀材料，其中该可膨胀材料被配置为在至少约200℃的温度下向内部空腔的壁面施加压力，通过向内部空腔的壁面施加压力而使得至少一个侧壁变形。

在一些实施例中，可调节的集流棒提高了阴极块的槽与集流器子组件(例如集流棒，并且在一些实施例中，导电材料的外壳/盖/连结件)之间的接触。在一些实施例中，集流棒被配置为在阴极(例如槽)上施加力(或者压力)。

在一个实施例中，随着集流棒加压，它按压/顺应阴极(例如在横向上)，因为它在横向上膨胀而与槽的表面接触。在一个实施例中，随着集流棒横向膨胀，它使得本身与槽的表面相顺应。因此，在一些实施例中，集流棒增加了跨集流器子组件(例如本身和阴极块槽之间)的接触表面积(并且降低电阻)。在一个实施例中，随着阴极块和集流棒之间的共用的表面积增加，连结处的电阻降低。因此，在一些实施例中，可调节的(可加压的)集流棒降低了电解池中的CVD。

阴极组件的连结电阻可能归因于一个或多个机械结构和/或来源。阴极组件中连结电阻来源的一些非限制性的例子包括：蠕变、相变、间隔架空、空隙、不相顺应的表面及它们的组合。在不同的实施例中，空隙、相变和蠕变分别发生在电解罐(池)启动之前、期间和之后。在一些实施例中，集流棒和槽之间产生的不相顺应的表面具有在这些相的每一种中形成的成分。本申请通过利用可调节的阴极集流棒(例如可增压的)向阴极组件的部件施加压力，防止、降低和/或消除连结电阻(例如高电阻)，因此顺应阴极集流器子组件。在一些实施例中，当电解池是冷的、启动期间或是运行条件(例如高温和高压)下，集流棒向阴极槽施加压力，并且推动集流棒按照阴极块槽变形(例如蠕变)，使得电解池在工作条件(例如升高的温度)下运行期间改善接头的机械一致性和电连接性。

在一些实施例中，当(1)电解池闲置；(2)启动期间；(3)运行条件下和/或(4)它们的组合，在上述情况下，内部空腔膨胀并且在集流棒上施加压力，这膨胀/压缩到集流器子组件上的槽中(例如施加压力)。在这些实施例的一个或多个中，可调节的集流棒向阴极施加连续量的力。在一个或多个实施例中，集流棒向阴极施加可变量的力(例如基于反馈回路)。因此，在一个或多个实施例中，集流棒：防止阴极组件CVD的增加，降低跨阴极组件的CVD，和/或保持CVD的低电平。在一些实施例中，消除了连结头对CVD(例如阴极集流器子组件/阴极槽接头)的贡献。

在一个实施例中，其中可膨胀材料选自由下列材料组成的组中：气体、惰性气体、相变材料、MgCO₃、CaCO₃、Na₂CO₃、碳酸盐、硫酸盐、降解材料、分解材料及它们的组合。

在一些实施例中，可膨胀材料在下列温度下膨胀：至少约100℃、至少约150℃、至少约200℃、至少约250℃、至少约300℃、至少约350℃、至少约400℃、至少约500℃、至少约550℃、至少约600℃、至少约650℃、至少约700℃、至少约750℃、至少约800℃、至少约850℃、至少约900℃、至少约950℃、至少约1000℃或者更高。

在一些实施例中，可膨胀材料在下列温度下膨胀：不高于约100℃、不高于约150℃、不高于约200℃、不高于约250℃、不高于约300℃、不高于约350℃、不高于约400℃、不高于约500℃、不高于约550℃、不高于约600℃、不高于约650℃、不高于约700℃、不高于约750℃、不高于约800℃、不高于约850℃、不高于约900℃、不高于约950℃、不高于约1000℃或者更高。

在一个实施例中，可膨胀材料在超过约100℃的温度下发生相变。在一个实施例中，可膨胀材料大约如理想气体定律所描述的那样经历体积膨胀。

在一些实施例中，可膨胀材料包括：气体。在一些实施例中，可膨胀材料包括从固体材料中释放出的气体。在一些实施例中，集流棒还包括在预定温度下释放气体并且容纳所述气体的容器。在一些实施例中，该容器容纳在容器达到一定温度时释放出的加压气体(例如容器熔融或者容器具有内置出口，一旦压力达到一定的预定水平该出口释放气体)。

在一些实施例中，可膨胀材料在电解池升温期间膨胀。在一些实施例中，可膨胀材料在电解池工作期间膨胀。在一些实施例中，通过内部空腔中可膨胀材料的膨胀而增加集流棒的内部压力。在一些实施例中，通过集流棒的密封保持集流棒的内部压力。在一些实施例中，预热期间集流棒的内腔的压力增加5倍。在一些实施例中，通过至少一个侧壁密封内部空腔，从而保留在内部空腔中的气体不会从集流棒中排出。在一些实施例中，集流棒不具有排气孔。在一些实施例中，集流棒没有与大气相通以便排气和/或降低系统内部压力。

在一些实施例中，即使集流棒连续的膨胀和/或变形，也能保持集流棒内部空腔的压力增加。

在一个实施例中，空腔包含填充金属(例如非反应的金属和不发生膨胀的金属)。

在一些实施例中，空腔包括导电材料。在一些实施例中，导电材料具有比至少一个侧壁(例如铜和铜合金)更大的电导率。在一些实施例中，导电材料包括棒、板、杆、管(例如具有中心通孔)、多个凸垂物(tab)、多个散粒材料及它们的组合。

在一个实施例中，该电解池包括与集流棒端部相联通的锚定器，其中该锚定器被配置为限制集流棒纵向上(例如电解池的外部)的移动。在一些实施例中，该锚定器包括具有机械紧固件(例如螺钉)的刚性支架以固定集流棒的位置(例如，在可膨胀材料增加内部空腔壁面的压力之前)。在一些实施例中，该锚定器包括集流棒的阶梯结构，其与外壳协同作用以固定集流棒在阴极集流器子组件中的位置。

在一个实施例中，该可膨胀材料被配置为在电解池运行条件下，向内部空腔增加至少约50psig的压力。

在一个实施例中，在20-25℃的温度下，内部空腔包含至少约15PSIG的压力(例如预加压的)。

在一个实施例中，可调节集流棒使阴极与集流棒之间的阴极电压降减小至少约50mv。

在一个实施例中，内部空腔的横截面积百分比达到集流棒面积的至少约10％。在一个实施例中，内部空腔的横截面积占集流棒面积的百分比不大于约90％。

在一个实施例中，内部空腔的压力向集流棒的侧壁施加压力。在一个实施例中，集流棒施加到其至少一个侧壁上的压力使得侧壁横向膨胀到阴极块上，维持集流棒和阴极块之间的界面。

在一个实施例中，集流棒还包括：导电材料组成的连结材料，其设置在阴极和集流棒之间并形成电联通。在一些实施例中，连结材料包括铜。在一些实施例中，连结材料包括铸铁。在一些实施例中，连结材料包括糊料(例如导电材料)。

在一个实施例中，该装置还包括：与可调节集流棒相联通的并且测量集流棒的膨胀的膨胀检测器。

另一方面，本申请提供一种方法。制备原生金属(例如铝)的方法，包括：(a)通过温度至少约800℃的液体介质从阳极向阴极组件传送电流，其中阴极组件包括：与液体介质和金属垫层(通过电解生产的)中的至少一个电联通的阴极块，该集流器子组件邻近该阴极块并且与之电联通，其中该可调节的集流棒包括：至少一个包围具有可膨胀材料的内部空腔的侧壁；其中该可膨胀材料配置为在超过约800℃的温度下膨胀；(b)由于可膨胀材料的膨胀，通过向内部空腔增加压力，对内部空腔的壁面产生横向压力；和(c)由于膨胀步骤，保持阴极块的槽与集流器子组件的接触。

在一个实施例中，膨胀/压缩步骤(例如挤压集流棒的侧壁到阴极块的槽或界面)足以减少阴极组件两端的阴极电压降至少约50mV。

在一个实施例中，膨胀/压缩步骤还包括：使集流棒顺应阴极以降低电阻。

在一个实施例中，膨胀/压缩步骤还包括：使集流器子组件顺应阴极块以降低阴极电压降(CVD)约10mV-约100mV。

在一个实施例中，该方法还包括步骤：由膨胀检测器(传感器)检测通过集流棒施加的力。

在一些实施例中，集流棒包括具有可膨胀材料的内部空腔。在一个实施例中，为了施加压力，可调节的集流棒加压置于阴极中(例如在槽中)的位置中。在一些实施例中，在集流棒内面的压力和/或集流棒/电解池部件的温度基础上，使得集流棒的至少一个侧壁顺应阴极。在一个实施例中，可调节的集流棒是金属材料(例如含金属的)。在一些实施例中，集流棒是：碳钢、铁素体/磁性材料及它们的组合。上述材料的非限制性的例子包括：430、410和409。一些集流棒材料的非限制性的例子包括：碳钢、不锈钢(例如304、304L)和钢。在一个实施例中，集流棒包括在内部空腔密封的至少一个壁面。在各种实施例中，集流棒的形状是不同的，包括矩形、椭圆形、圆形等等。如一些非限制性的实施例，集流棒的维度包括：矩形形状、正方形形状、多边形形状、椭圆形形状和/或圆形形状。在一些实施例中，集流棒包括角。在一些实施例中，集流棒包括圆形边缘。

一方面，本申请提供一种铝电解池。该铝电解池包括：阳极(向电解池提供电流的阳极)；阴极(接收电流的)；和可调节的集流棒，其至少部分邻近阴极并与之电联通，其中可调节的集流棒包括：至少一个侧壁、侧壁包围的内部空腔和通过该至少一个侧壁保留在内部空腔中的可膨胀材料，其中可膨胀材料在电解池加热期间(例如在至少800℃的电解池工作条件下)膨胀使得内部空腔的内压力增加约5倍，从而在集流棒的该至少一个侧壁上施加压力，以使得集流棒顺应(例如横向膨胀)阴极。在一些实施例中，侧壁包括导电材料。在一些实施例中，侧壁包括钢、铸铁、碳等等。

另一方面，本申请提供一种制备可调节集流棒的方法。该方法包括：形成内部空腔周围的至少一个侧壁以提供具有开口的金属体；通过开口在内部空腔中插入可膨胀材料(例如用气体预加压的空腔)；封闭金属体，从而完全封闭具有可膨胀材料的空腔。

另一方面，提供一种制备可膨胀构件的方法。该方法包括：排列多个(至少两个)金属壁以在其中提供空腔；并且密封该多个壁。

在一个实施例中，集流棒由模具浇铸成型。在一个实施例中，集流棒挤压成型。在一个实施例中，集流棒是机械加工的。在一个实施例中，集流棒是轧制的。在一个实施例中，集流棒的各部分(例如侧面)贴合在一起。在一个实施例中，集流棒焊接在一起(例如为了保留材料)。在一个实施例中，集流棒旋拧在一起(例如为了保留材料)。在一个实施例中，集流棒用螺栓连接在一起(例如为了保留材料)。在一个实施例中，可膨胀构件用机械地紧固在一起(例如为了保留材料)。

在一个实施例中，该方法包括在空腔(有时称为内部空腔或中心区域)中插入材料(例如，气体、可膨胀材料、填充金属)。

在一个实施例中，封闭包括在内部空腔中用材料密封集流棒。

在一些非限制性的实施例中，密封包括：焊接、机械地固定、粘结、铆接、螺栓连接、螺纹连接等等。

在一些实施例中，集流棒的壁面足够厚至能够有效除去来自于电解池的电流(例如从阴极和/或金属垫层到母线的传输电流)。

在一些实施例中，集流棒的壁面足够薄至能够变形以顺应阴极(例如因为集流棒被加压和/或增大温度到至少约850℃的工作温度)。

在一个实施例中，空腔的横截面积占总集流棒(棒体加空腔)的百分比是：至少约10％；至少约15％；至少约20％；至少约25％；至少约30％；至少约35％；至少约40％；至少约45％；至少约50％；至少约55％；至少约60％；至少约65％；至少约70％；至少约75％；至少约80％；至少约85％；或者达到90％。

在一个实施例中，空腔的横截面积占总集流棒(棒体加空腔)的百分比是：不大于约10％；不大于约15％；不大于约20％；不大于约25％；不大于约30％；不大于约35％；不大于约40％；不大于约45％；不大于约50％；不大于约55％；不大于约60％；不大于约65％；不大于约70％；不大于约75％；不大于约80％；不大于约85％；或者达到90％。

在一些实施例中，壁厚是变化的。在一些实施例中，壁厚一直是连续的。在一些实施例中，壁厚是：至少约1/16”；至少约1/8”；至少约1/4”；至少约1/2”；至少约3/4”；至少约1”；至少约1.5”；至少约2”；至少约2.5”；或者至少约3”。

在一些实施例中，壁厚是：不大于约1/16”；不大于约1/8”；不大于约1/4”；不大于约1/2”；不大于约3/4”；不大于约1”；不大于约1.5”；不大于约2”；不大于约2.5”；或者不大于约3”。

在一些实施例中，在集流棒中的内部空腔的横截面为正方形。在一些实施例中，在集流棒中的内部空腔的横截面为矩形。一些实施例中，在集流棒中的内部空腔的横截面为I形。一些实施例中，在集流棒中的内部空腔的横截面为T形。

在一些实施例中，空腔填充空气(例如大气成分)。在一些实施例中，空腔含有气体(例如纯的或混合成分)。在一些实施例中，空腔含有填充材料(例如在高温(例如100℃以上)下不参与反应)。在一些实施例中，填充材料是固体的非反应的材料，其在超过约100℃的温度下不发生明显的膨胀(例如基本上是隋性的)。在一些实施例中，空腔含有一定压力(例如高于大气压)的气体。在一些实施例中，空腔含有下列至少两种成分的混合物：空气(例如大气成分)、气体(例如纯的或混合成分)、可膨胀材料和/或惰性材料(例如填充材料)。在一些实施例中，空腔含有一定压力(例如高于大气压)的气体。在一些实施例中，空腔含有可膨胀材料。在一些实施例中，空腔含有它们的混合物。

在一些实施例中，内部空腔占集流棒体积的一部分。在一些实施例中，内部空间占集流棒的体积为：至少约5％vol.；至少约10％vol.；至少约15％vol.；至少约20％vol.；至少约25％vol.；至少约30％vol.；至少约35％vol.；至少约40％vol.；至少约45％vol.；至少约50％vol.；至少约55％vol.；至少约60％vol.；至少约65％vol.；至少约80％vol.；至少约85％vol.；至少约90％vol.；至少约95％vol.；或者至少约98％vol.。

在一些实施例中，内部空腔占集流棒的体积为：不大于约5％vol.；不大于约10％vol.；不大于约15％vol.；不大于约20％vol.；不大于约25％vol.；不大于约30％vol.；不大于约35％vol.；不大于约40％vol.；不大于约45％vol.；不大于约50％vol.；不大于约55％vol.；不大于约60％vol.；不大于约65％vol.；不大于约80％vol.；不大于约85％vol.；不大于约90％vol.；不大于约95％vol.；或者不大于约98％vol.。

本文中，可调节集流棒是指在不同条件下膨胀或放大的物体(例如调节)。作为非限制性的实施例，压力的膨胀和/或增加归因于在不同温度或压力条件下的相变、分解和/或密度改变。在一个非限制性的实施例中，在温度升高的条件下集流棒内部压力增加。作为另一个实施例，在升高的温度下，内部可膨胀材料发生相变(例如固体至气体)从而增加体积。

在一些实施例中，集流棒内部存在具有大气成分的气体(空气)，并且升温后，空气中的至少一些氧气(O₂)从体系(例如铁锈)中除去，由此升温(例如900℃)后的空腔中的压力为约3.2ATM。在一些实施例中，集流棒(内部例如空腔)的压力因为棒膨胀而降低，因此在这些实施例中，选择可膨胀材料以创造适当量材料的膨胀(例如压力增加)驱动蠕变。在一些实施例中，由于损失氧气(例如集流棒表面反应，生锈)和随后集流棒体积的增加(例如金属膨胀)，内部压力降低。

可膨胀材料的非限制性的例子包括：MgCO₃(350℃分解)；CaCO₃(方解石，898℃分解)或者CaCO₃(霰石，825℃分解)，其中每种材料在升温后释放二氧化碳气体，并且可以单独或者混合使用。可膨胀材料的非限制性的其他例子包括任何在升高的温度下分解的化学物质；例如温度超过约800℃(例如电解池工作温度，至少约900℃，或者至少约930℃)。

在一些实施例中，在装配过程中集流棒中插入的辅助容器中，可膨胀材料是加压的气体。在一些实施例中，辅助容器被配置或者适于熔融和/或泄露(例如至少约100℃的升温下)释放加压的气体到集流棒的腔中。

在一些实施例中，集流棒内部的温度和压力升高的条件下，集流棒内部的气体和/或可膨胀材料膨胀压迫集流棒并且向外推压壁面。在一些实施例中，从环境温度到电解池工作温度(例如900℃-930℃)的上升，集流棒内部的绝对压力增加了4倍。

在另一个实施例中，集流棒内部使用填充材料(例如隋性材料)。在一个实施例中，填充材料是多孔的和/或颗粒的。作为非限制性的例子，填充材料包括金刚砂(tabular alumina)、沙砾、聚集物、陶瓷材料等等，其填充腔室的一部分或全部。在一些实施例中，通过利用填充材料，腔室的尺寸是大的，而产生压力的气体量(例如隋性材料不占体积)是小的。对于这样的实施例，可能限制集流棒中的蠕变，(慢慢腔室变大并且压力降低)。同样，对于这样的实施例，与全部填充气体的空腔的实施例相比，在罐(pot)运行期间集流棒可能喷出的气体量减少。

在一些实施例中，集流棒和槽上改善的界面接触通过一个或多个特性而可测量、相互关联和/或量化。作为非限制性的例子，集流棒导致电阻降低、表面积(阴极块槽和阴极电流组件之间)增加、集流器子组件的尺寸改变(例如从电解池中伸出的集流棒的量)以及它们的组合。

当通过降低的电阻来测量改善的接触时，最终的界面包括足以按可测量的量降低电解池中测得的阴极电压降的共有的表面积。

在一些实施例中，界面上最终的改善的接触包括共有的表面积足以降低测得的阴极电压降(例如阴极组件两端)：至少约10mV；至少约20mV；至少约30mV；至少约40mV；至少约50mV；至少约60mV；至少约70mV；至少约80mV；至少约90mV；100mV；至少约120mV；至少约140mV；或者至少约160mV。

在一些实施例中，界面上最终的改善的接触包括共有的表面积足以降低测得的阴极电压降(例如阴极组件两端)，为：不大于约10mV；不大于约20mV；不大于约30mV；不大于约40mV；不大于约50mV；不大于约60mV；不大于约70mV；不大于约80mV；不大于约90mV；100mV；不大于约120mV；不大于约140mV；或者不大于约160mV。

在一些实施例中，连结处的电阻降低的倍数为：至少约3倍；至少约5倍；至少约10倍；至少约20倍；至少约40倍；至少约60倍；至少约80倍；或者至少约100倍。

在一些实施例中，连结处的电阻降低的倍数为：不大于约3倍；不大于约5倍；不大于约10倍；不大于约20倍；不大于约40倍；不大于约60倍；不大于约80倍；或者不大于约100倍。

在一些实施例中，当通过连结处或者阴极块和集流器子组件(或者替换地，连结材料/阴极块槽)界面上增加的表面积来测量改善的接触时，改善作为表面积的增加来测量。这通常是通过比较：(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来表示的。

在一些实施例中，集流棒增加的接触量(或共有的表面积)为：至少约2％；至少约4％；至少约6％；至少约8％；至少约10％；至少约15％；至少约20％；至少约40％；至少约50％；至少约75％；或者至少约100％(例如，当集流棒加压和/或膨胀以顺应槽之前没有接触时)。

在一些实施例中，集流棒增加的接触量(或共有的表面积)为：不大于约2％；不大于约4％；不大于约6％；不大于约8％；不大于约10％；不大于约15％；不大于约20％；不大于约40％；不大于约50％；不大于约75％；或者不大于约100％。

在一些实施例中，当通过在压力下集流棒的尺寸改变来测量改善的接触时，按照集流棒从电解池的壁面伸出的其尺寸和/或长度(例如沿纵向的)的差值来计量阴极块和集流棒之间改善的界面接触。

在一些实施例中，当集流棒纵向被挤压，集流棒在宽度或者高度或两方面(例如沿横向)膨胀(即增大)，从而调整更好地与槽的表面区域相接触。在一些实施例中，集流棒显示出沿纵向的长度减少并且沿横向的宽度增大。

在一些实施例中，电接触的改善是指横向尺寸的增加：至少约0.1％；至少约0.3％；至少约0.5％；至少约0.7％；至少约1％；至少约1.1％；至少约13％；至少约1.5％；至少约1.7％；至少约2％；或者至少约2.5％。

在一些实施例中，电接触的改善是指横向尺寸的增加：不大于约0.1％；不大于约0.3％；不大于约0.5％；不大于约0.7％；不大于约1％；不大于约1.1％；不大于约1.3％；不大于约1.5％；不大于约1.7％；不大于约2％；或者不大于约2.5％。

在一个实施例中，按照在压力下集流棒的尺寸改变来测量改善的界面接触，即按照纵向尺寸(例如长度)不大于10％和横向尺寸(例如宽度)不大于5％。

在一些实施例中，内部空腔向集流棒施加压力，导致集流棒的至少一个侧壁压到/在阴极块上不同量的压力，包括：至少约50psi；至少约100psi；至少约150psi；至少约200psi；至少约250psi；或者至少约300psi。

在一些实施例中，集流棒的内部空腔膨胀使得集流棒的侧壁压到/在阴极块(例如槽)上不同量的压力，包括：不大于约50psi；不大于约100psi；不大于约150psi；不大于约200psi；不大于约250psi；或者不大于约300psi。

在一些实施例中，集流棒施加到阴极上的压力足够大以防止、降低或消除集流棒和阴极块之间的间隙。在一些实施例中，通过消除、降低和/或防止间隙，可调节的集流棒降低铝电解池两端的CVD并且增加体系中电流的有效输出。

在一些实施例中，集流棒在纵轴方向上给予的最终应变为：至少约-0.01％；至少约-0.02％；至少约-0.03％；至少约-0.04％；至少约-0.05％；至少约-0.06％；至少约-0.07％；至少约-0.08％；至少约-0.09％；至少约-0.1％。在一些实施例中，集流棒在纵(轴)向上给予的应变为：至少约-0.1％；至少约-0.15％；至少约-0.2％；至少约-0.25％；至少约-03％；至少约-0.35％；至少约-0.4％；至少约-0.45％；至少约-0.5％；至少约-0.55％；至少约-0.6％；至少约-0.65％；至少约-0.7％；至少约-0.75％；至少约-0.8％；至少约-0.85％；至少约-0.9％；至少约-0.95％；或者至少约-1％。

在一些实施例中，集流棒在纵轴方向上给予的最终应变为：不大于约-0.01％；不大于约-0.02％；不大于约-0.03％；不大于约-0.04％；不大于约-0.05％；不大于约-0.06％；不大于约-0.07％；不大于约-0.08％；不大于约-0.09％；不大于约-0.1％。在一些实施例中，集流棒在纵(轴)向上给予的应变为：不大于约-0.1％；不大于约-0.15％；不大于约-0.2％；不大于约-0.25％；不大于约-03％；不大于约-0.35％；不大于约-0.4％；不大于约-0.45％；不大于约-0.5％；不大于约-0.55％；不大于约-0.6％；不大于约-0.65％；不大于约-0.7％；不大于约-0.75％；不大于约-0.8％；不大于约-0.85％；不大于约-0.9％；不大于约-0.95％；或者不大于约-1％。

在一些实施例中，集流棒在横向上给予的最终应变为：至少约0.01％；至少约0.02％；至少约0.03％；至少约0.04％；至少约0.05％；至少约0.06％；至少约0.07％；至少约0.08％；至少约0.09％；至少约0.1％。在一些实施例中，集流棒在横向上给予的应变为：至少约0.1％；至少约0.15％；至少约0.2％；至少约0.25％；至少约0.3％；至少约0.35％；至少约0.4％；至少约0.45％；至少约0.5％；至少约0.55％；至少约0.6％；至少约0.65％；至少约0.7％；至少约0.75％；至少约0.8％；至少约0.85％；至少约0.9％；至少约0.95％；或者至少约1％。

在一些实施例中，集流棒在横向上给予的最终应变为：不大于约0.01％；不大于约0.02％；不大于约0.03％；不大于约0.04％；不大于约0.05％；不大于约0.06％；不大于约0.07％；不大于约0.08％；不大于约0.09％；不大于约0.1％。在一些实施例中，集流棒在横向上给予的应变为：不大于约0.1％；不大于约0.15％；不大于约0.2％；不大于约0.25％；不大于约0.3％；不大于约0.35％；不大于约0.4％；不大于约0.45％；不大于约0.5％；不大于约0.55％；不大于约0.6％；不大于约0.65％；不大于约0.7％；不大于约0.75％；不大于约0.8％；不大于约0.85％；不大于约0.9％；不大于约0.95％；或者不大于约1％。

一方面，本申请提供一种铝电解池。该铝电解池包括：阳极；阴极组件；液体介质(例如熔融盐浴)。在一个实施例中，阴极组件包括：具有槽的阴极块和集流器子组件。在一个实施例中，集流器子组件至少一部分设置在阴极块的槽中。在一个实施例中集流器子组件是可调节集流棒或者具有至少部分地包裹(例如覆盖)棒体的连结材料的可调节集流棒。在一些实施例中，通过在棒体中的材料的膨胀使得集流棒顺应阴极。因而，集流器子组件和在槽中的阴极块之间的界面通过集流棒来保持。

在一些实施例中，液体介质设置在阳极和阴极组件之间。在电解池中从液体介质(也称为熔融材料/电解质浴)中生产铝。在一些实施例中，金属铝在液体电解质浴和液体金属之间的界面上生成，并且当它形成时，液体铝在阴极块的顶部上积累。

在一个实施例中，阴极集流器子组件和/或可调节集流棒包括压缩检测器(例如位移检测器)。在一些实施例中，检测器位于阴极块和集流棒之间并且配置检测器以测量集流棒的膨胀。在一些实施例中，配置检测器以测量集流棒和阴极块之间的机械界面(例如顺应/压缩的量)。在一些实施例中，配置检测器以测量集流棒的横向膨胀(例如变肥)。在一些实施例中，配置检测器以测量集流棒的纵向膨胀(例如变长)。在一些实施例中，检测器测量值馈送到电解池操作系统(未示出)，例如，作为实时反馈回路以改变压缩量。在一些实施例中，压缩与测量的电解池温度相关，该温度可能影响集流棒的应变率(例如通过蠕变)。

另一方面，本申请提供制造铝的方法。在一个实施例中，制造铝的方法包括步骤：(a)在铝电解池中产生铝；(b)通过在集流棒中保留的可膨胀材料使可调节集流棒顺应阴极；和(c)由于施加力的步骤，保持阴极块的槽和集流器子组件之间改善的接触。

在一些实施例中，产生步骤是指通过液体介质从阳极向阴极组件输送电流从而在电解池中产生铝。在一个实施例中，该方法包括：使集流器子组件顺应阴极块以降低约10mV-约100mV的阴极电压降(CVD)。在一个实施例中，该方法包括：通过顺应步骤横向膨胀集流棒，从而保持和/或改善集流棒和阴极块(例如阴极槽)之间电接触。在一些实施例中，集流棒的最终电阻小于初始电阻(例如膨胀的集流棒未施加力时测量的电阻)。在一个实施例中，该方法包括调整施加的力(例如压力)的值以增加、减少或保持集流棒在阴极块槽中的挤压处于可变的或连续保持的条件下。在一个实施例中，该方法包括检测施加在集流器子组件端部的力。

在一个实施例中，集流棒的内部空腔(有时称为腔体)包含可膨胀材料，即气体。在一个实施例中，集流棒的内部空腔包含可膨胀材料，即气体，并且导体插入集流棒中。在一个实施例中，集流棒的内部空腔包含可膨胀材料即气体、导体插入物和填充材料。

在一个实施例中，集流棒的内部空腔包含可膨胀材料，即预加压的气体(例如在电解池预热/运行之前，空腔内的压力大于周围环境压力)。在一个实施例中，集流棒的内部空腔包含可膨胀材料，即预加压的气体，并且在集流棒中插入导体。在一个实施例中，集流棒的内部空腔包含可膨胀材料即预加压的气体、导体插入物和填充材料。

在一些实施例中，内部空腔包含可膨胀材料，即相变材料。在一些实施例中，内部空腔包含可膨胀材料即相变材料和导体插入物。在一个实施例中，集流棒的内部空腔包含可膨胀材料即相变材料、导体插入物和填充材料。

在一些实施例中，内部空腔包含至少两种不同的可膨胀材料(例如气体和相变材料)。在一些实施例中，内部空腔包含至少两种不同的可膨胀材料和导体插入物。在一些实施例中，内部空腔包含至少两种不同的可膨胀材料、导体插入物和填充材料。

在一个或多个上述实施例中，密封内部空腔以使气体不能逸出集流棒。在一个或多个上述实施例中，集流棒不具有排气口。在一个或多个上述实施例中，密封侧壁以完全包围和包住含有可膨胀材料的内部空腔。

在一些实施例中，配置可膨胀材料以降低连结电阻(例如阴极和集流棒之间的)导致的阴极电压降。在一些实施例中，配置导体插入物以降低电阻和/或增加纵向传导率(例如当电流流出电解池时)。

在一些实施例中，内部空腔壁面上由可膨胀材料施加的压力足以使集流棒变形。在一些实施例中，沿着至少一个侧壁方向上的壁厚是变化的使得变形被修整到期望的表面(例如沿着集流棒到阴极块的界面)。

本技术的上述或者其他方面、优势和非常规设计将部分地在下文中阐明，并且通过下文和附图的阅读或者通过实施本申请对本领域的技术人员来说是明显的。

附图说明

图1是本申请具有可调节集流棒的铝电解池的一个具体实施方式的截面示意图。

图2是本申请可调节集流棒的一个具体实施方式，该集流棒具有包含可膨胀材料(例如气体)的空腔。

图3是本申请可调节集流棒的另一个具体实施方式，该集流棒具有包含可膨胀材料(例如气体)和填充材料的空腔。

图4是本申请可调节集流棒的另一个具体实施方式，该集流棒具有包含两种类型可膨胀材料(例如气体和固体材料)的空腔。

图5是本申请可调节集流棒的另一个具体实施方式，该集流棒具有包含可膨胀材料(例如固体)的空腔。

图6是本申请可调节集流棒的另一个具体实施方式，该集流棒具有包含可膨胀材料(例如固体)和填充材料的空腔。

图7是本申请可调节集流棒的另一个具体实施方式，该集流棒具有包含两种类型可膨胀材料(例如气体和固体)和填充材料的空腔。

图8是本申请可调节集流棒的另一个具体实施方式，该集流棒具有包含可膨胀材料(例如固体)和导电材料的空腔。

图9是本申请可调节集流棒的另一个具体实施方式，该集流棒具有包含可膨胀材料(例如固体)、填充材料和导电材料的空腔。

图10是本申请可调节集流棒的另一个具体实施方式，该集流棒具有包含可膨胀材料(例如固体)和包围一部分固体材料的导电材料的空腔。

图11是本申请可调节集流棒的另一个具体实施方式，该集流棒具有包含两个区域的空腔，一个区域包含可膨胀材料(例如固体)和填充材料，一个区域包含可膨胀材料(例如固体)和导电材料。

图12A-12E是本申请可调节集流棒的各种配置。

图13A和13B是并列的阴极组件的槽的切面图，至少一个是调节/膨胀“前”的集流棒(左边)，和调节/膨胀“后”的集流棒(右边)作对比，其中图13A和13B显示出阴极集流棒对阴极槽的顺应(因此，电解池部件的电接触最终增加)。

图14A和14B是根据本申请在工作条件下阴极组件的部件之间接触点的切面图：集流棒调节/膨胀向阴极施加力之前(图14A)，和集流棒调节/膨胀向阴极施加力之后(图14B)。在图14B中，集流棒里面的箭头表示，由于集流棒内部空腔通过可膨胀材料施加压力(或者力)而发生蠕变导致的集流棒侧横向运动的方向。

图15A-15D是附加实施方式中集流棒调节/膨胀前后的阴极槽和集流棒之间的间隙的类型。每一幅图表示阴极块/阴极槽和集流棒之间的界面(例如接界处)的一部分的近视图。图15A和15B表示闭合阴极块和集流棒之间较大的宏观间隙(例如目视可见的足够大的间隙)的具体实施方式，而图15C和15D表示改善表面上较小范围的微凸结构(例如表面上微小的凸起，类似于表面粗糙或不均匀的情况)的接触。图15A和15C表示阴极块和集流棒界面在利用可膨胀集流棒之前的情况，而图15B和15D表示阴极块和集流棒界面在集流棒已经横向膨胀增加接触表面积之后的情况。

图16是显示通过电流箭头标记的铝电解池的局部截面图，箭头标记通过某些电解池部件的电流的总体流向/路径。

图17是不同电解池部件(碳阴极块、阴极和集流器子组件之间的连结、集流棒的邻近(例如嵌入)碳阴极块(棒入)的一部分和为了从电解池中引出电流到电流母线中(棒出)伸出到碳阴极块外部的集流棒的端部)的电压降。横轴表示不同熔炉的罐系列之间的变化。

图18是固体集流棒的蠕变所需的应力如何随温度升高而降低的图形化描述，外推到罐工作温度。绘制的是1年期间引起1％蠕变所需应力(应力(MPa))相对于温度(℃)的图形。

图19A是不同阴极和集流棒部件的热膨胀的差异，绘制的是膨胀(％)相对于温度(℃)的图形。

图19B是阴极(阴极块)和集流棒(铁&钢)之间干扰的计算结果的例子绘制成的距离(mm)相对于温度(℃)的图形，负值表示存在间隙。

图19C是阴极和集流器子组件的切面图，显示出从内部集流棒端部(～900℃)和到外部集流棒端部(～800℃)的过渡(邻近集流棒伸出电解池的位置)的温度差。

图20A是两种阴极棒材料的台架模型，该阴极棒中具有含可膨胀材料的内部空腔。图20B是在壁面向外膨胀的膨胀状态下的可膨胀集流棒。

图21是用于图22所示试验的可调节集流棒的不同配置的示例性的切面图。

图22是两个台架可调节集流棒的试运行，示出了压力(PSIG)与时间(天)的关系。

图23是第二个试运行的可调节集流棒的平面侧视图。

图24是最终压力(PSIG)和温度(℃)与时间(天)的关系图。

图25是实施例5的构件，包括边框、台架可调节的集流棒和另一个预先装配在测试配置中的构件。

图26是测试前实施例5装配的配置。

图27是测试后实施例5装配的配置。

图28是实施例5压力和温度相对于时间(天)的图形表示。

上文中提及的本实用新型的不同方面可以组合以得到在使用较少电能的情况下同样高效率和有效的电解池和操作方法，因此降低了运行成本。

本申请的上述或者其他方面、优势和非常规设计将部分地在下文中阐明，并且通过下文和附图的阅读或者通过实践本实用新型，这对本领域的技术人员来说将是明显的。

具体实施方式

现在将参考附图进行详细说明，这至少有助于说明本申请的相关的实施例。

参照图1和2，一般地描述了电解池的具体实施方式。在生产铝期间，电解池10在工作条件下生产铝(例如工业纯铝)。在一些实施例中，电解池10的构件都封装在壁50(例如外壳)中，其具有包含在其中的用于隔离系统并且保护外部环境避免热的电解浴和/或铝泄露的耐火砌块(或者材料)42。在一些实施例中，电解池10包括阳极12，具有可调节集流棒20的阴极组件14，和液体介质40。

在一些实施例中，阴极组件14是指集流器子组件20和阴极16。集流器子组件20是指集流棒22、连结材料50和任何用于向电解池(未示出)外部传送电力的电学组件。在一些实施例中，阴极16和集流器子组件20是处于配合位置的，其中集流器子组件20至少一部分地保留在阴极16的槽18中。在一些实施例中，集流棒20的端部从耐火砌块42和壁50伸出。作为非限制性的实施例，阴极16设置在铝电解池10的底部。在一些实施例中，阴极16传导电流并且通过电力母线(未示出)传输电流(例如通过它的形式)以退出电解池10。在一些实施例中，电流从液体介质40(例如熔融电解质)进入阴极16。在一些实施例中，电解池运行(铝生产)期间，电流从铝金属垫层36(例如已经在阴极16上形成)进入阴极16。在运行期间，铝36(例如金属垫层)在阴极16表面产生(参见，例如图1和2)。

在一些实施例中，铝电解池10具有多于一个的集流棒，例如，20、40或80个。在一些实施例中，阳极12发出电流进入电解池10并且进入液体介质40。作为非限制性的实施例，液体介质40包括熔盐电解质，并且一般还指通过氧化铝至铝的反应过程生成的任何中间产物、副产物或产品。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40中，电流作用而在电解池10中产生铝36。在一些实施例中，电流通过阴极组件14流出电解池10。

在一些实施例中，阴极16是由一种或多种已知的并且可接受的材料构成。在一个实施例中，阴极16是碳(例如以块状形式)。在一些实施例中，阴极16包括槽18。在一些实施例中，槽18沿阴极16的下表面预成型。在一些实施例中，槽18具有足够的尺寸大小，使得集流器子组件20至少一部分安装在槽18中。在一些实施例中，槽18基本上包围(围绕)集流棒22。在一些实施例中，槽18围绕集流棒22的一部分(一些但不是全部侧面)(例如露出底部)。在一些实施例中，由于集流棒内部空腔向外推压(例如在横向上)，可调节集流棒22在邻近阴极上施加力(或者压力)。在一些实施例中，集流棒22因此横向膨胀以顺应阴极槽并且降低阴极组件两端的电阻。

参照图1，在一些实施例中，两个集流棒的内端通过隔离材料48隔开。在一个实施例中，隔离材料48包括非反应性材料，其在工作条件下不会分解。作为非限制性的实施例，隔离材料48可以包括陶瓷材料、耐火材料等等，并且可能以颗粒或固体(块体)形态位于阴极棒端部之间。

参照图1，集流器子组件20包括集流棒22和连结材料52(例如铜嵌入件或连结件)。在一些实施例中，集流棒22从阴极16的一端延伸到阴极16的另一端。在一些实施例中，集流棒22的外端包括锚定器和/或钳架44(例如，以限制纵向移动)。

在一些实施例中，集流棒22包括锚定器44，其维持该集流棒22在其位置上(限制轴向/纵向移动)。在一些实施例中，集流棒22的向外(刚性体)移动受到锚定器44的限制，该锚定器时接/锚定在罐内衬42上。在另一个实施例中，锚定器44附接到集流棒22的端部或一侧，池壁50外部。

总体参照图2-12，示出根据本申请的可调节集流棒的不同实施例。在一些实施例中，可调节集流棒包括气体28和可膨胀材料30。加热之后，可膨胀材料30膨胀(例如通过相变和/或化学分解)并且气体28膨胀(例如通过理想气体定律)，增大内部空腔26的内部体积，并且向外推压集流棒的壁面24。在一些实施例中，可膨胀材料30完全转化为气体(例如加热之后空腔26中没有固体/颗粒)。在一些实施例中，可膨胀材料30分解或转化为一种或多种成分，其中一些固体材料留在空腔26中(例如在加热之后)。

在此使用的“顺应(conform)”是指第一构件的形状和/或尺寸适配于第二构件的形状和/尺寸。例如，由于集流棒的内部空腔26压力增大而向侧壁24施加增大的压力，集流棒22顺应阴极16的槽18。

在一些实施例中，最初集流棒22少量与槽18接触，这导致电解池性能差。在顺应之后，集流棒22的形状更紧密地与槽18的尺寸和/或形状相配，致使集流棒22和槽18之间的直接接触量(接触位点)增大。这种接触增加便于改善电解池10的性能(例如降低通过阴极到棒连结的电阻)。集流器子组件20的顺应槽18的量通过阴极电压降的降低来量度。这表明良好的附接连接位点，并且因此顺应。在一些实施例中，在铝电解池10运行期间，阴极电压降一般为约200mV至约500mV的量级。据认为，由电接触(阴极16的槽18和集流棒22之间)不良(宽松)直接导致阴极电压降至少高达100mV。

不限于特定的机制或理论，大约按照理想气体定律，从环境温度升至工作温度(从20℃到900℃)使得集流棒内部的气体压力增大。然而，由于氧气损失(例如生锈)有可能降低压力并且随后集流棒体积增大(例如金属膨胀)。

在一些实施例中，在经历升温(并且加压)前集流棒预加压(例如在室温下或者在低于电解池工作条件的温度下)。在一些实施例中，集流棒预加压到(例如集流棒初始内部压力)：至少约5psig；至少约10psig；至少约15psig；至少约20psig；至少约25psig；至少约30psig；至少约35psig；至少约40psig；至少约45psig；至少约50psig；至少约55psig；至少约60psig；至少约65psig；或者至少约70psig。在一些实施例中，集流棒预加压到(例如集流棒初始内部压力)：不大于约5psig；不大于约10psig；不大于约15psig；不大于约20psig；不大于约25psig；不大于约30psig；不大于约35psig；不大于约40psig；不大于约45psig；不大于约50psig；不大于约55psig；不大于约60psig；不大于约65psig；或者不大于约70psig。

在一些实施例中，集流棒预加压到：至少约5psig；至少约10psig；至少约15psig；至少约20psig；至少约25psig；至少约30psig；至少约60psig；至少约80psig；至少约100psig；至少约120psig；至少约140psig；至少约160psig；至少约180psig；至少约200psig；至少约220psig；至少约240psig；至少约260psig；至少约280psig；或者至少约300psig。

在一些实施例中，集流棒预加压到：不大于约5psig；不大于约10psig；不大于约15psig；不大于约20psig；不大于约25psig；不大于约30psig；不大于约60psig；不大于约80psig；不大于约100psig；不大于约120psig；不大于约140psig；不大于约160psig；不大于约180psig；不大于约200psig；不大于约220psig；不大于约240psig；不大于约260psig；不大于约280psig；或者不大于约300psig。

在另一个实施例中，少量可膨胀材料(例如气体28、固体可膨胀材料30)被密封在集流棒内部，其中该材料加入了当集流棒加热时集流棒内部的压力增加(例如通过相变至气体)。例如MgCO₃在接近350℃时放出CO₂气体。

在一些实施例中，集流棒与在集流棒内部和/或集流棒端部之间的填充材料34(有时称为颗粒基质或惰性材料)一起使用。填充材料34一般选自在升温时保持刚度(例如刚性)的固体材料和/或在电解池工作温度下不分解或降解的材料。填充料的非限制性例子包括：金刚砂、陶瓷、铜等等。在一些实施例中，集流棒是焊接密闭的，但是其他密封集流棒的方法也可以使用。

图13A-13B是在槽18中的集流棒22的切面图。图13A显示出间隙，或者低的结合表面积/界面(图13A，左图)，与之相比的是一旦集流棒顺应阴极16的槽18(图13B)，连结中的高界面/表面积(图13B，右图)。

图14A-14B是局部正面的切面图。图14A显示出间隙，而图14B显示出相对于纵轴大致垂直的方向。在一些实施例中，通过内部空腔中气体和/或材料的膨胀增加压力，可调节集流棒22将其自身压缩/顺应于阴极槽的表面上。在一些实施例中，集流棒22设计成能足以连续增压的，在铝电解池中工作条件下(例如至少约800℃)使得集流棒顺应槽18。

参照图14B，采用检测器/传感器38与锚定器44相连。该检测器38(例如传感器)包括位移计，其检测集流器子组件20的压缩量。在一些实施例中，当集流棒从电解池10的壁上伸出时，通过测量集流棒52的相对长度完成这种检测。在一些实施例中，集流棒到阴极的膨胀/压缩量是通过测量集流棒22施加在槽18上的力而获得的。在一些实施例中，集流棒22的诱导变形导致连结的相对表面之间的间隙部分或者全部闭合。在一些实施例中，随着阴极16子部件之间接触面积的增加，降低了接触电阻，允许电流从一种材料更容易地流入另一个(即，具有更小的电阻)。

图15A和15B显示出阴极16和集流棒22之间大的宏观间隙的“前”和“后”视图。在这个实施例中，一旦集流棒加压，几乎完全闭合间隙。在另一个实施例中，当表面是不均匀的，如图15C和15D所示，在这些更小的凹凸之间阴极16和集流棒22之间的接触频率和/或范围增加，但是不均匀表面之间的小间隙不能完全消除。在一些实施例中，接触面积的增加发生在以下界面之间：(a)槽和连结材料；(b)连结材料和集流棒；(c)集流棒和槽(不存在连结材料)；和(d)它们的组合。

图16显示出电流从阴极块16向集流棒22的端部流动的示例性的路径。电流用箭头表示。在一些实施例中，集流棒22从电解池10中(通过阴极16)汇集电流，并且向电解池10外部传送电流。在一些实施例中，集流棒22由各种导电材料制成。作为非限制性的实施例，集流棒22由金属材料(例如适合于导电的)制成。在一些实施例中，集流棒22包括沿集流棒22的一部分表面延伸的连结材料52。

所述“连结材料”52是指促使更好的附接和电接触的导电材料。在一些实施例中，连结材料位于集流棒22的表面和阴极16的槽18之间。作为连结材料52的非限制性的例子，包括：金属片、铸铁、铜和/或粘结剂。在一些实施例中，集流器子组件20部分地布置在槽18中，以确保从电解池10中移出电流。

在一些实施例中，可调节集流棒22促进界面46(或者表面)形成两种材料之间的共同边界。在一些实施例中，由于集流器子组件20顺应了槽18，集流器子组件20和阴极16的槽18之间的界面46得到改善，使得从阴极16到集流器子组件20传送的电流更高效(即极少贡献于阴极电压降(CVD))。“改善”是指增加了子组件和槽的表面直接接触的宏观的或微观的面积。

实施例：阴极组件材料的蠕变和膨胀

为了获得在工作条件下集流棒产生适当蠕变所必需的力的最小量，在工作条件下向按比例缩小的集流钢棒的样品施加外力一段时间，进行试验测定其蠕变率。

在一些实施例中，在电解池工作条件下，太小的力可能不会导致足够的变形从而降低CVD，而过大的力可能导致集流棒变形进而达到(碳)阴极块破裂的程度。

图17表示的是通过不同部件的电压损失的模拟试验结果，不同部件具有被调整为匹配来自于不同工厂中的具有不同类型的数个电解罐系列的平均测量的CVD值的连结(接触)电阻。

图18表示的是随温度升高集流棒蠕变所需应力如何降低，温度外推到电解池工作温度，绘制出应力相对于温度的曲线。

在所检查的系统中，铝电解池在高温下工作并且优选具有低蠕变率。对于低蠕变率和高温，Harper-Dorn位错攀移被认为是二次蠕变的良好模型。应变率的方程式，

是：

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

在试验的工作条件下，除了应变率

和应力(σ)，等式中的一切都是相当恒定的，并且在等式中这些是成比例的。

图19A表示的是在不同温度下阴极块材料相对于集流器子组件材料(钢和铁)的不同热膨胀系数。图19B表示计算的间隙(距离，单位为mm)相对于温度(℃)的例子。图19C表示在工作条件下，(所示结构的)集流棒沿其长度具有不同的温度(例如，～900℃趋向内端，～800℃趋向外端(即，接近集流棒离开阴极块的位置，但仍然在电解池壁之内))。

实施例1：集流棒材料蠕变的台架试验

进行台架试验以确定在集流棒上一定负载/力下的蠕变。在每个试验中，2英寸长、直径3/4英寸的1018钢棒上负载50磅重(113psi)。进行两个试验，其中一个样品在约930℃下保持受压一个星期，另一个样品在约930℃下保持受压两个星期。

最终试样变得稍微短而且宽。第一个样品轴向应变率为0.0015％hr。第二个样品轴向应变率为0.0012％hr。对于改善结合所需的变宽比率，第一个样品为0.0019％hr，第二个样品为0.00074％hr。应当指出，第一次试验中测定的直径精度较低，这可以解释与第二个样品相比为0.0019％hr的高位值。这些结果表明，在集流棒上施加适当的力，在阴极块的槽中集流棒变宽是可行的。值得注意的是，测试的集流棒是实心的(即不含有内部空腔)；因此，与实心金属棒相比，可以预计具有内部空腔的集流棒具有更大的变形。因此，增加了电接触，降低了连结电阻，并且降低了CVD。

实施例2：可调节集流棒的台架试验

图20A和20B表示的是两个具有内部空腔的台架规模的集流棒并排显示的透视图。(虽然这些集流棒是矩形的，但是其他形状也是可能的)。图20A显示的是膨胀之前的集流棒，图20B显示的是膨胀之后的集流棒。

实施例3：可调节集流棒的台架试验

构造另一组可调节集流棒，如图21的横截面所示两侧具有圆形边缘。两个集流棒含有1克的MgCO₃，其在350℃-450℃之间放出CO₂导致压力增加。集流棒1是由1/4”的碳钢壁构建的，而集流棒2是由1/8”的不锈钢壁构建的。对于每个集流棒，用焊接封闭壁面。图22是随着时间推移(延迟)两个集流棒中的压力图表。由于不适宜的焊接当集流棒2失效(没有保持压力)时，集流棒1在整个试验期间保持足够大的压力。

实施例4：

参照图23和24，构造另一个集流棒并进行为期16天的试验运行。集流棒具有大约1/8英寸厚的钢壁，并且集流棒由304不锈钢构建而成，如图23所示。集流棒的面由平板制成，而圆形侧面是从管的半截断切割的。面和边缘(例如圆形边缘)通过焊接进行附接。这种试验集流棒具有标称外尺寸5×3.5×1.25英寸。它含有1克的MgCO₃，在升温下放出CO₂而贡献于内部压力。在测试中试验集流棒部分受力变形，使得集流棒的“膨胀的”厚度仅仅增加约3/8英寸。值得注意的是，位于测试集流棒顶部附近的测压口仅用于测量试样的内部压力，并没有向测试集流棒施加压力。

在整个试验中(两个星期)集流棒在温度大约为900℃下维持有意义的压力。在集流棒中没有观察到泄露。据估计，在电解池启动和/或工作条件下，这种结构将导致集流棒在运行的罐中显著的(例如永久的)变形，以防止、减少和/或消除阴极集流棒和阴极槽之间的间隙。

参照图24，图表中绘出了测试期间(18天)，集流棒的内部压力和温度随时间的变化。不限于特定的机制或理论，据认为初始压力增加到91PSIG的峰值是通过温度(按照理想气体定律)和集流棒内部的1克的MgCO₃粉末释放出的CO₂两者的驱动，而随后降低了压力据认为是由于试样的体积膨胀以及可能还由于钢铁吸收了一些气体物质(也许是氮气)。可以观察到，在测试最后一周(例如7-16天)压力极端地稳定在大约46-47psig(如图所示)。

值得注意的是，最后压力的降低(在测试结束时)是由于温度下降(例如除去热量)，而不是由于泄露。在试验后试样保持在降低了的正压下，(例如正如理想气体定律所预期的)。

实施例5：钢架和块的棒变形

进行试验以测试可调节集流棒(例如钢制的)是否能提供足够的压力以使工业尺寸集流棒横截面(例如，钢和另一种钢架，同时保持压力(例如没有泄露))变形。参照图25，这个台架试验使用的钢架(右)约束可调节集流棒(左)和横截面为(3”×4.5”)的短(4.5”高)钢棒(中)。如图26所示为测试之前组装的构件，而如图27所示为测试后的组装的构件。

为了读取试验期间的压力，集流棒装有引出压力计的管。(在运行的电解池中，省略这种压力计)。集流棒含有4克的MgCO₃，据认为当结构加热到大约900℃的电解池工作温度时，能够分解并释放出CO₂气体(接近350℃)。产生的CO₂在集流棒内部进而向集流棒加压，这与升高的温度条件共同导致集流棒壁面变形/向外弯曲，并且向邻近的钢架和块施加压力(压缩/顺应)。图27表示的是集流棒和限制的钢架，集流棒和块插入钢架中。接近钢架顶部和底部的位置安装热电偶。使用石墨布作为集流棒-钢架和块-集流棒接触点之间接触点，以防止钢件在温度下接触并焊接在一起。该结构中填充焦炭并且吹氩清扫，以防止碳钢架和钢块棒氧化。集流棒是由304不锈钢板和304L不锈钢管构成的，两者的标称厚度为0.125”。集流棒的外部尺寸为4”×5.5”×1.25”。

钢块装有不锈钢插脚用于测量可调节集流棒导致的竖向变形。参照图27，虽然钢块竖向上的压缩/顺应是肉眼不明显，限制框架中足够高的弯曲应力导致可见的变形。

图28表示的是测试过程中平均温度和压力(随时间的变化，单位为天)。参照图28，温度第一天升至600℃，然后第二天升至900℃，保持两周。参照图28，压力峰值接近250psig，然后快速降低(首先)，接着压力更逐渐减少。到测试结束时，压力为约30psig。不限于特定的机制和理论，据认为集流棒内部损失了一些压力是由于产生的CO₂和集流棒内部钢表面之间的表面反应。

内侧和外侧插脚间距的测量以及全钢棒高度的测量表明，在测试过程中，如下表1所示纵向上有约0.14％的总压缩应变(变短)。这与宽度(横向)上变宽约0.07％(是大约纵向应变的一半)是相对应的。不限于特定的机制和理论，据认为，通过增加内部空腔的压力和施加压力使得集流棒向外变形，集流棒能够使本身变形直到阴极(例如槽)在横向上使得集流棒顺应阴极。

表1：总高度变化和平均插脚位置变化给出台架试验期间的总应变。插脚被编号为六个纵向对。

全部应变量的平均值-0.14％

参照表1，块宽度两端的测量表明块变宽(负应变值是指纵向尺寸减少，因此横向尺寸增加)。

这些结果外推到运行的电解池中更大的集流棒(例如，宽约4.25”)(相对于在电解池运行温度下的熔炉)，应变被预期为对应于块横向上大约0.003的变形(棒“变宽”)。这仅仅是大约预计的0.07％的一半。不限于特定机制或理论，这可能是由于“端部效应”，“端部效应”是指集流棒一端上发生改变和/或有限量的测量。

不限于特定机制或理论，集流棒的这种变形据认为足以降低运行电解池中的CVD。

不限于任何机制或理论，这种变形量据认为大约小于空气间隙一个数量级，该空隙预计是由于在导杆组装(集流器子组件形成)期间集流棒的弯曲变形而在集流棒表面上形成的。

不限于任何机制或理论，这种变形据认为大约为过盈配合(interference fit)一半的量，该过盈配合是在另一个集流棒应用中，金属与金属接触中不接触和良好电接触之间的差额。

因此，虽然更多的变形(源于保持更长时间的压力)将导致CVD更大的降低，但是这种结构达到的变形量被认为足以显著降低CVD。

此外，不限于任何机制或理论，Harper-Dorn位错攀移表明温度下的蠕变率与压缩应力成比例。鉴于上述情况，通过结合压力历史以及结合测得的蠕变，可以提供蠕变率的关系式：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\frac{-1.4\×{10}^{-6}}{\mathrm{psigday}}\×\mathrm{\σ}.$

虽然本申请的各个实施例进行了详细描述，但是显然本领域技术人员能够对那些实施方式进行改进和适应性变形。然而，可以清楚地理解这些改进和适应性变型包含在本申请的精神和范围内。

可以理解本申请还公开了一种制备金属的方法，包括：

(a)通过熔融的电解浴从阳极向阴极组件传送电流，其中所述阴极组件包括：

阴极块，与液体介质和金属垫层中的至少之一电联通；和

集流器子组件，包括：

集流棒，与所述阴极块邻近并与之电联通，其中所述集流棒包括：

至少一个侧壁，包围其中具有可膨胀材料的内部空腔，其中所述可膨胀材料被配置为在至少约300℃的温度膨胀；

(b)由于所述可膨胀材料的膨胀，通过所述内部空腔的压力的增加，在所述内部空腔的壁面上横向地施加压力，使得所述集流棒顺应所述阴极块；以及

(c)由于施加压力的步骤，所述阴极块的槽与所述集流器子组件之间保持接触。

在上述方法的一个实施例中，其中施加压力的步骤足以降低所述阴极组件两端的阴极电压降至少约50mV。

在上述方法的一个实施例中，其中施加压力的步骤还包括：使所述集流棒顺应所述阴极以降低电阻。

在上述方法的一个实施例中，其中施加压力的步骤还包括：使所述集流器子组件顺应所述阴极块以降低阴极电压降(CVD)约10mV-约100mV。

附图标记：

10  电解池

12  阳极

14  阴极组件

16  阴极

18  阴极槽

20  集流器子组件

22  集流棒

24  侧壁

26  内部空腔

28  可膨胀材料气体

30  可膨胀材料固体(例如相变)

32  导电材料

34  填充材料(非反应/非膨胀)

36  金属垫层(铝金属)

38  压缩检测器

40  电解浴

42  内衬(耐火内衬)

44  锚定器/钳架

46  界面(例如机械连接，电连接)

48  隔离材料(棒外，例如棒之间)

50  壁(外壳)

52  连结材料(例如阴极和集流棒之间)

54  附接端部(例如集流棒端部的顶盖)

56  附接部位(例如密封，集流棒的多个部分之间的机械连接)

Claims (15)

1.一种电解池，其特征在于包括： 

阳极； 

至少一个阴极块；和 

集流棒，被配置为至少部分邻近所述阴极块放置并且与所述阴极块电联通，其中所述集流棒包括： 

至少一个侧壁； 

被所述侧壁包围的内部空腔；和 

经由所述至少一个侧壁保留在所述内部空腔中的可膨胀材料， 

其中所述可膨胀材料被配置为在所述集流棒处于工作温度的同时向所述内部空腔的壁面施加压力，使得所述集流棒顺应所述阴极块。 

2.根据权利要求1的电解池，其特征在于所述可膨胀材料选自由下列材料组成的组中：气体、惰性气体、相变材料、MgCO₃、CaCO₃、降解材料及它们的混合物。 

3.根据权利要求2的电解池，其特征在于所述可膨胀材料在超过100℃的温度经历相变而析出气体。 

4.根据权利要求1的电解池，其特征在于所述至少一个侧壁包括密封件。 

5.根据权利要求4的电解池，其特征在于所述密封件包括焊接、机械紧固件、粘结剂、螺栓、铆钉及它们的组合。 

6.根据权利要求1的电解池，其特征在于所述内部空腔还包括导电材料，其中所述导电材料具有比所述至少一个侧壁大的导电性。 

7.根据权利要求6的电解池，其特征在于所述导电材料包括棒、管、多个凸垂物、多个散粒材料及它们的组合。 

8.根据权利要求1的电解池，其特征在于还包括与所述集流棒的端部联通的锚定器，其中所述锚定器被配置为限制所述集流棒沿纵向的移动。 

9.根据权利要求1的电解池，其特征在于所述可膨胀材料被配置为在电解池运行条件下向所述内部空腔增加至少50psig的所述压力。 

10.根据权利要求1的电解池，其特征在于在20-25℃的温度，所述内部空腔包含至少15PSIG的压力。 

11.根据权利要求1的电解池，其特征在于可调节的集流棒降低所述阴极和所述集流棒之间的阴极电压降至少50mV。 

12.根据权利要求1的电解池，其特征在于所述内部空腔相对所述集流棒的横截面积百分比从10％至90％。 

13.根据权利要求1的电解池，其特征在于所述内部空腔还包含填充材料。 

14.根据权利要求1的电解池，其特征在于所述集流棒还包括：导电材料组成的连结材料，其位于所述阴极和所述集流棒之间并与所述阴极和所述集流棒电联通。 

15.一种集流棒，其特征在于包括： 

至少一个侧壁，被配置为完全包围内部空腔；和 

可膨胀材料，通过所述至少一个侧壁保留在内部空腔中， 

其中所述可膨胀材料被配置为在所述集流棒处于至少200℃的温度的同时向所述内部空腔的壁面上施加压力，使得所述至少一个侧壁通过施加在所述内部空腔的所述壁面上的所述压力而变形。 

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