CN203878225U - 一种铝电解槽阴极结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体涉及一种铝电解槽阴极结构。包括阴极碳块和阴极钢棒，阴极碳块在电解槽内自烟道端至出铝端横向设置有一排多个，阴极碳块包括上表面设有凸台的异形阴极碳块和不设置凸台的普通阴极碳块，带凸台的异形阴极碳块上表面凸台的分布受电解槽流速场影响，铝液流速大的区域阴极碳块上表面凸台分布稠密，铝液流速小的区域阴极碳块上表面凸台分布稀疏，且带凸台的异形阴极碳块呈连续或间隔分布在电解槽内，相邻的阴极碳块上的凸台前后位置错开。本实用新型能减缓铝液流速、降低垂直磁场的影响、减小水平电流，提高电解槽的稳定性，提高电流效率，还能保证电解质正常流动，有利于槽内氧化铝浓度分布均匀，同时又避免氧化铝滞留沟槽内，成为炉底沉淀，达到整体节能降耗的目的。

Description

一种铝电解槽阴极结构

技术领域

本实用新型属于电解铝技术领域，具体涉及一种能减缓铝液流速、降低垂直磁场影响、减小水平电流的铝电解槽阴极结构。

背景技术

目前用于铝工业生产的 Hall-Heroult 电解槽使用碳素阳极和碳素阴极，通过电解熔融的氧化铝生产铝，电解质主要由冰晶石和氧化铝熔体组成，另外还有溶解在其中的氟化铝和其它氟化盐。电解析出的铝蓄积在槽底阴极炭块上部，形成铝液层，并作为阴极的一部分。由于电解槽内的铝液受到车间内电磁场的影响而运动，需要保持一定高度的铝液，减少与电解质接触界面的波动。目前工业电解槽保持的铝液水平通常为10~30cm之间，在此情况下，仍需要保持 4.5cm 左右的极距，极距的高低主要受到电解槽稳定性的影响，在现有电解槽的阴极结构和磁场条件下，进一步优化磁场分布提高电解槽的稳定性、进而降低极距已经不打可能。现有的铝电解槽都存在一个普遍的问题就是电能效率较低，一般在45～50％之间，造成电能效率低的主要原因就在于现有电解槽的垂直磁场造成的铝液波动，生产中需要保持较大的极距和较高的电压。

铝电解槽节能降耗的手段有两种，一种是提高电流效率，另一种就是降低极距，降低槽电压。现有的电解槽，电流效率大都在90～93％之间，提高电流效率的空间有限。现有电解槽的极距一般在4.5～5cm左右，极距带来的压降约为总能耗的40％，极距的降低给节能降耗提供了很大的空间，但是由于传统电解槽本身结构的限制（垂直磁场造成的铝液波动），不容易降低极距。减少铝液波动是降低极距的关键。

目前电解槽阴极总体上分为两种类型，一种是无凸台的阴极（一般称为平底阴极），另一种是有凸台的阴极（一般称为新型阴极），阴极的配置也分为全平底阴极和全新型阴极。而全平底阴极的电解槽，运行电压相对较高，吨铝直流电耗也相对较高，不利与节能生产。采用新型阴极是电解槽节能的方向之一。

现有的新型阴极有以下几种：

中国专利200910010078.0公开了一种铝电解槽的阴极结构，它包括槽壳和内衬，内衬包括阴极炭块、侧部内衬、底部内衬以及捣固糊，同一电解槽内的阴极炭块由高、低两种阴极炭块排列而成，使阴极上表面凹凸不平，阴极钢棒水平安装在阴极炭块的底部，阴极钢棒从电解槽的侧部穿出。该电解槽的阴极结构使得液态铝液被分割成若干小铝池，有效地束缚了铝液由于受到电磁力的作用而产生的流动和波动，提高了电解槽的稳定性，可以降低铝液高度和极距，提高电流效率，达到了节能降耗的目的。因而，该高低阴极交错布置的阴极结构，其优点是高阴极起到了阻挡铝液流动的效果，其缺点是通长阴极影响了电解质的正常流动，导致氧化铝不容易随电解质快速流动到电解槽四周，造成槽内氧化铝浓度分布不均。此外，该实用新型结构上优选在阴极表面增加沟槽，电解质流动有所改善，但氧化铝仍会滞留在沟槽内，成为炉底沉淀。

中国专利201110413660.9公开了一种网状沟槽阴极结构包括阴极炭块、阴极钢棒和间缝糊；阴极炭块表面或之间沿铝电解槽宽度方向开有梯形导流沟；沿铝电解槽长度方向阴极炭块中部上开有一条梯形汇流槽；梯形汇流槽与梯形导流沟相通；在铝电解槽的一端端头设有与梯形汇流槽相通的小蓄铝池，小蓄铝池是在铝电解槽端头的阴极炭块中部开的矩形或梯形沟槽结构。该网状沟槽阴极结构优点是起到了阻挡铝液流动的效果，其缺点是氧化铝会滞留在沟槽内，成为炉底沉淀。

中国专利200810143402.1公开了一种减少铝电解槽水平电流的曲面型阴极结构，每个阴极块表面至少有一个或多个曲面，每个曲表面以阴极钢棒轴心为圆心，由某一曲率半径的曲面组成；整个电解槽阴极为多块曲面型阴极经捣固糊或粘合剂连接而成，从而形成一个曲面型阴极结构铝电解槽。在实际阴极加工过程中，阴极曲面可用等N面形(N≥5)来替代。该发明的曲面型阴极结构基于等电位面原理，即从阴极表面至阴极钢棒的导电距离相等，有效地提高阴极电流分布的均匀性，减少电解槽铝液中水平电流的产生，从而减小垂直磁场，减缓电解槽内铝液的波动，提高金属铝液稳定性，减少铝的溶解损失，达到提高电流效率和降低极距的目的，实现铝电解的大幅度节能。阴极上表面为曲面结构，曲面可以是多边形、圆弧形。该曲面阴极结构优点是起到了阻挡铝液流动的效果，其缺点是氧化铝会滞留在阴极表面的沟槽内，成为炉底沉淀。

中国专利200710010523.4公开了一种异形阴极碳块结构铝电解槽，包括槽壳、设置在底部的耐火保温材料、阳极和阴极，阴极碳块为异形结构，即在阴极碳块的表面形成若干凸起，本发明的阴极结构铝电解槽可以减缓电解槽内阴极铝液的流动速度和降低铝液的波动高度，从而达到提高铝电解槽的金属铝液面的稳定性，减少铝的溶解损失，提高电流效率和减少极距，降低铝电解生产电能消耗。但是基于所有的阴极碳块均为异形结构，这样以来，相邻异形阴极碳块结构的凸起部分之间，以及当阴极碳块上表面的凸起部分有多个间断分布时，相邻凸起部分之间所形成的沟槽，仍起到了阻挡铝液流动的效果，从而还会影响电解质的正常流动，导致氧化铝不容易随电解质快速流动到电解槽四周，造成槽内氧化铝浓度分布不均，致命的缺点是大量氧化铝沉积在沟槽内，带来极大浪费。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题就是克服上述现有技术的不足，而提供一种结构设计合理，能减缓铝液流速、降低垂直磁场的影响、减小水平电流，同时保证电解质正常流动，带动氧化铝快速分散到电解槽四周，有利于保持氧化铝浓度分布均匀，又可避免氧化铝滞留在阴极表面沟槽内的铝电解槽阴极结构。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：

一种铝电解槽阴极结构，包括阴极碳块和阴极钢棒，所述阴极碳块在电解槽内自烟道端至出铝端横向设置有一排多个，所述阴极碳块包括上表面设有凸台的异形阴极碳块和不设置凸台的普通阴极碳块，所述带凸台的异形阴极碳块上表面凸台的分布受电解槽流速场影响，铝液流速大的区域阴极碳块上表面凸台分布稠密，铝液流速小的区域阴极碳块上表面凸台分布稀疏，且带凸台的异形阴极碳块呈连续或间隔分布在电解槽内，相邻的阴极碳块上的凸台前后位置错开。

所述带凸台的异形阴极碳块连续分布在电解槽内，该连续分布的异形阴极碳块的凸台部分呈多边形、圆形或椭圆形均匀分布。

所述带凸台的异形阴极碳块按一定间隔分布在电解槽内，该一定间隔分布的异形阴极碳块的凸台部分呈多边形、圆形或椭圆形均匀分布。

所述凸台的宽度与阴极碳块相同。

所述凸台的材质与阴极碳块相同，且为一体结构。

所述凸台的数量为一个，且设置在阴极碳块上表面的中部或两端中的任一端。

所述凸台的数量为两个，设置在阴极碳块上表面的中部和两端中的任一端，且凸台的大小和形状不同。

所述凸台的数量为多个，设置在阴极碳块上表面的中部和两端，且凸台的大小和形状各不同。

所述凸台为棱柱体、圆柱体、椭圆柱体、棱锥体、圆锥体、球冠体结构中的任选一种或其中任两者的组合体。

本实用新型技术方案的有益效果是：

1、在结构上，本实用新型铝电解槽阴极结构所含阴极碳块包括上表面设置凸台的异形阴极碳块和不设置凸台的普通阴极碳块，并且异形阴极碳块集中分布在铝电解槽铝液流速大的区域，呈连续或间隔分布，相邻的阴极碳块上的凸台前后错开设置，阴极炭块凸台的排列方式、疏密度与电解槽铝液流速密切相关，铝液流速大的地方多设置阴极凸台，铝液流速小的地方少设置或不设置阴极凸台，这样以来，不仅阻流效果好，能减缓铝液流速、降低垂直磁场的影响、减小水平电流，提高电解槽的稳定性，提高电流效率，还能保证电解质正常流动，有利于槽内氧化铝浓度分布均匀，同时又避免氧化铝滞留在阴极表面的沟槽内而成为炉底沉淀，达到整体节能降耗的目的。

2、在结构上，本实用新型所述凸台在阴极表面可以呈不规则图形，也可以呈规则图形中的矩形、圆形、椭圆形等排列，尤其所述凸台在阴极表面呈矩形、圆形、椭圆形等均匀分布时，可以避免铝液流动形成的漩涡和“滚铝”的发生，有利于电解槽的稳定运行和电流效率的提高。

3、在结构上，本实用新型所述凸台的宽度与阴极碳块相同，凸台的材质与阴极碳块相同，且为一体结构，加工方便，制造成本低；同时一体成型且等宽的凸台，也不容易被铝液冲刷掉、漂浮在电解质中，从而避免带来很大危害；此外，异形阴极碳块上的凸台数量可以相同也可以不同，大小及形状可以相同，也可以不同，其排列方式也呈规则图形分布，也可以呈不规则图形分布等等，结构形式灵活多样，实施例很多，便于推广实施。

4、综上，本实用新型铝电解槽阴极结构设计合理，能减缓铝液流速、降低垂直磁场的影响、减小水平电流，提高电解槽的稳定性，提高电流效率，还能保证电解质正常流动，有利于槽内氧化铝浓度分布均匀，同时又避免氧化铝滞留沟槽内，成为炉底沉淀，达到整体节能降耗的目的；此外，加工方便，制造成本低，且避免凸台被铝液冲刷掉、漂浮在电解质中，带来很大危害，以及结构形式灵活多样，实施例很多，因此，非常适于推广实施。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为本实用新型铝电解槽阴极结构的结构示意图之一；

图2为本实用新型铝电解槽阴极结构的结构示意图之二；

图3为本实用新型铝电解槽阴极结构的结构示意图之三；

图4为本实用新型铝电解槽阴极结构的结构示意图之四；

图5为本实用新型铝电解槽阴极结构的结构示意图之五；

图6为图1或2任一所示铝电解槽阴极结构的异形阴极碳块的结构示意图之一；

图7为图1至4任一所示铝电解槽阴极结构的异形阴极碳块的结构示意图之二；

图8为图5所示铝电解槽阴极结构的异形阴极碳块的结构示意图之三；

图9为图1或2所示铝电解槽阴极结构的异形阴极碳块的结构示意图之四；

图10为图1至5任一所示铝电解槽阴极结构的异形阴极碳块的结构示意图之五；

图11为图1至5任一所示铝电解槽阴极结构的异形阴极碳块的结构示意图之六；

图12为图1至5任一所示铝电解槽阴极结构的异形阴极碳块的结构示意图之七；

图中序号：1、阴极钢棒，2、异形阴极碳块，3、普通阴极碳块，4、凸台，5、烟道端，6、出铝端。

具体实施方式                                                         

实施例一：

参见图1、图6或7，图中，本实用新型铝电解槽阴极结构，包括阴极碳块和阴极钢棒1，所述阴极碳块在电解槽内自烟道端5至出铝端6横向设置有一排，每排有24块，所述阴极碳块包括上表面设有凸台4的异形阴极碳块2和不设置凸台的普通阴极碳块3，所述带凸台的异形阴极碳块相对集中分布在铝电解槽内的纵向两侧，且铝电解槽两侧异形阴极碳块上的凸台分布并不对称，根据实际生产情况，本实施例所述异形阴极碳块是从靠近烟道端第2块阴极碳块开始和从靠近出铝端的第3块阴极碳块开始呈连续分布，相邻阴极碳块上的凸台基本上前后错开设置。所述凸台的宽度与阴极碳块相同。所述凸台的材质与阴极碳块相同，且为一体结构。所述凸台的数量为1个或2个，且设置在阴极碳块上表面的中部或两端中的任一端。所述凸台为长方体。

实施例二：

参见图2、6或7，本实施例与实施例一结构上近似，其图中相同编号部分代表意义相同，在此不再重述，其区别在于：根据实际生产情况，本实施例所述带凸台的异形阴极碳块从靠近烟道端第2块阴极碳块开始呈连续分布，从靠近出铝端的第3块阴极碳块开始连续分布。长方体的凸台的棱边采用圆弧过渡。

实施例三：

参见图3、7或9，本实施例与实施例一结构上近似，其图中相同编号部分代表意义相同，在此不再重述，其区别在于：铝电解槽两侧异形阴极碳块上的凸台呈对称分布，根据实际生产情况，本实施例所述带凸台的异形阴极碳块从靠近烟道端和出铝端第3块阴极碳块开始呈连续分布；且该连续分布的异形阴极碳块的凸台部分呈矩形均匀分布；异形阴极碳块上的凸起数量为1~3，且分别设置在阴极碳块的中部和两端。

实施例四：

参见图4、7，本实施例与实施例三结构上近似，其图中相同编号部分代表意义相同，在此不再重述，其区别在于：根据实际生产情况，本实施例所述带凸台的异形阴极碳块从靠近烟道端和出铝端第4块阴极碳块开始呈连续分布；且该连续分布的异形阴极碳块的凸台部分沿同一个椭圆均匀分布；所述异形阴极碳块上凸起部分数量均为2个，且靠近异形碳块的中部设置。

实施例五：

参见图5、8，本实施例与实施例四结构上近似，其图中相同编号部分代表意义相同，在此不再重述，其区别在于：本实施例所述连续分布的异形阴极碳块的凸台部分分布沿前后两个椭圆均匀分布；且各连续分布的异形阴极碳块上凸起部分数量均有2个或4个。

实施例六-七：

参见图9，本实施例六-七分别与实施例一-二结构上近似，其图中相同编号部分代表意义相同，在此不再重述，其区别在于：本实施例所述凸台的数量所述凸台的数量为三个，设置在阴极碳块上表面的中部和两端，且凸台的大小各不同。

实施例八-十二：

参见图10，本实施例八-十二分别与实施例一-五结构上近似，其图中相同编号部分代表意义相同，在此不再重述，其区别在于：本实施例中所述凸台的顶部边缘采用圆弧过渡。

实施例十三-十七：

参见图11，本实施例十三-十七分别与实施例一-五结构上近似，其图中相同编号部分代表意义相同，在此不再重述，其区别在于：本实施例中所述凸台为球冠体结构。

实施例十八-二十二：

参见图12，本实施例十八-二十二分别与实施例一-五结构上近似，其图中相同编号部分代表意义相同，在此不再重述，其区别在于：本实施例中所述凸台为圆锥与圆柱或棱锥与棱柱的组合结构。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本实用新型构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，譬如：改变凸台的大小或形状，即形状由棱柱体，或球冠体，或者，棱锥与棱柱或棱锥与棱柱的组合结构更改为圆柱体、椭圆柱体或其组合结构等，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (9)

1.一种铝电解槽阴极结构，包括阴极碳块和阴极钢棒，其特征是：所述阴极碳块在电解槽内自烟道端至出铝端横向设置有一排多个，所述阴极碳块包括上表面设有凸台的异形阴极碳块和不设置凸台的普通阴极碳块，所述异形阴极碳块上表面凸台的数量至少有一个，所述异形阴极碳块上表面凸台在铝液流速大的区域分布稠密，在铝液流速小的区域分布稀疏，并且带凸台的异形阴极碳块呈连续或间隔分布在电解槽内，相邻阴极碳块上的凸台前后错开设置。

2.根据权利要求1所述的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述带凸台的异形阴极碳块连续分布，且连续分布的异形阴极碳块的凸台部分呈多边形、圆形或椭圆形均匀设置。

3.根据权利要求1所述的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述带凸台的异形阴极碳块按一定间隔分布，该一定间隔分布的异形阴极碳块的凸台部分呈多边形、圆形或椭圆形均匀设置。

4.根据权利要求1至3任一所述的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述凸台的宽度与阴极碳块相同。

5.根据权利要求1至3任一所述的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述凸台的材质与阴极碳块相同，且为一体结构。

6.根据权利要求1至3任一所述的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述凸台的数量为一个，且设置在阴极碳块上表面的中部或两端中的任一端。

7.根据权利要求1至3任一所述的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述凸台的数量为两个，设置在阴极碳块上表面的中部和两端中的任一端，且凸台的大小和形状不同。

8.根据权利要求1至3任一所述的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述凸台的数量为多个，设置在阴极碳块上表面的中部和两端，且凸台的大小和形状各不同。

9.根据权利要求1至3任一所述的铝电解槽阴极结构，其特征是：所述凸台为棱柱体、圆柱体、椭圆柱体、棱锥体、圆锥体、球冠体结构中的任选一种或其中任两者的组合体。