CN219470219U - 一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒 - Google Patents

Abstract

一种电解铝用低应力高品质Fe‑Cu复合阴极棒，属于电解铝技术领域，解决阴极棒应力集中和铜导体易氧化的技术问题，解决方案为：电解铝用低应力高品质Fe‑Cu复合阴极棒包括钢棒和铜棒，沿钢棒的轴线方向设置封闭的空腔，铜棒安装于空腔中，铜棒一侧端面与空腔相对的侧壁接触，铜棒另一侧端面与空腔相对的侧壁之间设置膨胀缝隙，并且在膨胀缝隙内填充活性材料；铜棒的长度大于阴极棒总长度的4/5，膨胀缝隙宽度为铜棒长度的0.12%‑1.6%，填充的活性材料的体积占膨胀缝隙体积的0.5%‑20%。本实用新型即可降低电解槽内铝液水平电流，又能降低炉底压降，结构简单、产品质量高，便于大规模工业化生产。

Description

一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒

技术领域

本实用新型属于电解铝技术领域，具体涉及的是一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒。

背景技术

铝是仅次于钢铁的第二大金属材料，在国民经济中占有不可替代的作用。熔盐电解法是唯一商业化的原铝生产方法，但其能量利用率不到50%，较好的电解铝也需耗电13500kW.h/t，节能一直是电解铝工作者努力的方向。

降低铝电解槽内铝液水平电流，提高铝液稳定性是实现电解铝节能的重要方向之一。提高阴极钢棒的导电能力可以达到降低铝电解槽内铝液水平电流的目的，加大阴极钢棒截面，选用低碳含量的阴极钢棒材料已成为共识。铜的导电性能比普通阴极钢棒材料的导电性能高出约8倍，因而铜材逐渐为铝电解科技工作者所关注。铁包铜或铜嵌入式铁铜复合阴极钢棒逐渐成为继续提高阴极钢棒导电性能，进一步实现铝电解节能降耗的方向。

R. von Kaenel等在2015年发表了嵌铜阴极钢棒对铝电解影响的论文，该阴极钢棒可以降低槽电压，提高电解槽稳定性和延长槽寿命。加拿大GéniSim Inc的Marc Dupuis在2017年提出新的节能电解槽设计思路，该设计思路包括：一是采用铁包铜阴极钢棒，在500kA电解槽上，使用截面25×16cm铜阴极集流棒，阴极压降可以降低到130mV；二是简化母线结构，补偿母线结构的压降从310降至134mV，直流电耗可降至11200kW.h/t。这为铝电解的持续节能打开了空间。

中国专利文献“一种有效抑制水平电流的阴极钢棒及其制造方法”（公开号：CN108360019A），公开了阴极钢棒在阴极钢棒的中心沿轴向设置有钻孔，在钻孔中置入等径的铜芯，所述铜芯用以提高阴极钢棒的导电率；所述铜芯与所述阴极钢棒紧密电接触，并且铜芯的长度是阴极钢棒长度的1/2至4/5，最好为3/4。该专利文献公开的技术方案对降低铝液水平电流有效，但对降低炉底压降的效果较弱。

中国专利文献“一种复合、高导电阴极钢棒”（公开号：CN109666953A），公开了在导电基体内设有开口的腔体，腔体内设有高导电体，腔体开口处设有密封体，在腔体内高导电体、导电基体和密封体之间设有非导电区域，高导电体与导电基体和密封体的接触部分为导电区域。中国专利文献“一种新型嵌入式高导电阴极钢棒”（公告号：CN217052440U），公开了钢棒本体的内部设置有孔道，所述孔道内装有高导电材料，所述孔道的数量为至少一个，所述孔道为通孔或分段式孔道。上述两篇专利文献的不足在于结构相对复杂。

我们知道，钢材与铜材具有不同的热膨胀系数，且铜材一般大于200℃时很容易氧化。铝电解槽使用的阴极钢棒槽外部分，温度一般大于250℃，槽内部分，温度可大于900℃。因而如何解决阴极棒高温使用条件下，因热膨胀量不同带来的热应力，以及因铜材表面氧化导致铁铜界面电阻，成为制约铁铜复合阴极钢棒质量的重要问题，尤其是采用嵌入铜材的复合阴极钢棒时，问题会更加严重。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术中的不足，解决阴极棒存在应力集中和铜导体易氧化的技术问题，本实用新型提供一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒，实现阴极棒高品质的生产，有效延长阴极棒寿命和降低阴极压降。

本实用新型的原理在于：阴极棒内嵌入的铜棒的长度与阳极炭块投影相当时，具有良好的降低水平电流的作用；阴极棒嵌入的铜棒长度继续延长至阳极投影外，特别是延伸到槽外时，对阴极压降的降低效果更加明显，此结果表明，嵌入阴极棒内的铜棒长度越接近阴极棒的总长度，其使用效果越好。阴极棒嵌入的铜棒用量越大，降低水平电流和炉底压降的效果越好。模拟仿真结果表明：当铜棒长度为1.5米时，在温度900℃使用条件下，铜棒的热膨胀量将比阴极棒的膨胀量大3mm以上。如果没有预留合理的膨胀空间，则会导致包裹铜棒的周围钢材内部产生极大的应力，产生裂纹，导致铁铜复合阴极棒的性能发生变化。

铜在空气中90℃条件下即开始氧化，随着温度的升高，氧化会越严重。而铜棒嵌入钢材内部时，除了预留的膨胀缝隙外，难免会有小的间歇，如果铜棒氧化，必将影响铁铜复合阴极棒导电的均匀性和电流分布的均衡性。某企业曾经在阴极棒与阴极母线软带连接处采用了铜片压接的方式，虽然施工中非常重视压接质量，虽然其使用温度低于250℃，依然出现因铜片氧化，导致其接触压降的大幅增加，最后不得不改回传统的焊接连接方式。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒，它包括钢棒和铜棒，其中：沿所述钢棒的轴线方向设置封闭的空腔，所述铜棒安装于空腔中，并且铜棒与空腔为过盈配合，铜棒底部的端面与空腔的底面接触，铜棒顶部的端面与空腔的顶面之间设置膨胀缝隙，并且在膨胀缝隙内填充块状或者颗粒状的活性材料，活性材料的活性大于铜元素；

所述铜棒的长度大于阴极棒总长度的4/5，膨胀缝隙宽度为铜棒长度的0.12%-1.6%，填充的活性材料的体积占膨胀缝隙体积的0.5%-20%。

进一步地，所述钢棒的材质为含碳量小于0.06%的低碳钢，并且20℃温度条件下电阻率≤14ⅹ10^-8Ωm。

进一步地，所述活性材料为Al或者Mg。

与现有技术相比本实用新型的有益效果为：

1）采用本实用新型技术后，高温下阴极棒的应力大幅降低，分布更为均匀，应力降低80%以上。

2）相较传统阴极棒而言，采用本实用新型后，阴极棒的导电性大幅提高，依据铜棒用量的不同，可实现铝液水平电流降低18%-90%，电解槽阴极压降降低20mV-200mV，有利于电解槽槽电压降低和电流效率提高，大幅提高铝电解的技术经济指标。

3）本实用新型的阴极棒组装过程简单、易操作、产品质量高的特点，便于实现大规模工业化生产。

附图说明

图1为本实用新型主视剖视结构示意图。

图中，1为钢棒，2为铜棒，3为膨胀缝隙，4为活性材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

如图1所示的一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒，它包括钢棒1和铜棒2，钢棒1的材质为含碳量小于0.06%的低碳钢，并且20℃温度条件下电阻率≤14ⅹ10^-8Ωm，其中：沿所述钢棒的轴线方向设置封闭的空腔，所述铜棒2安装于空腔中，并且铜棒2与空腔为过盈配合，铜棒2底部的端面与空腔的底面接触，铜棒2顶部的端面与空腔的顶面之间设置膨胀缝隙3，并且在膨胀缝隙3内填充块状或者颗粒状的活性材料4，活性材料4的活性大于铜元素（即Al或者Mg）；所述铜棒2的长度大于阴极棒总长度的4/5，膨胀缝隙3宽度为铜棒2长度的0.12%-1.6%，填充的活性材料4的体积占膨胀缝隙3体积的0.5%-20%。

本实用新型中电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒的制备过程包括以下步骤：

首先，在钢棒1的轴线方向设置一端开口的空腔；

其次，将铜棒2插入空腔的底部，铜棒2的长度大于阴极棒总长度的4/5，并且使铜棒2与空腔的底面接触；

再次，在空腔内位于铜棒2的外侧端面位置处添加块状或者颗粒状活性材料4；

最后，真空状态下封闭空腔的开口，使铜棒2的外侧端面与空腔相对的侧壁之间保留密封的膨胀缝隙3，制得电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒。

实施例1

一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒，它包括钢棒1和铜棒2，钢棒1材质为Q195钢，20℃温度条件下电阻率≤14ⅹ10^-8Ωm，其中：沿所述钢棒1的轴线方向设置封闭的空腔，所述铜棒2安装于空腔中，并且铜棒2与空腔为过盈配合。铜棒2长度为1.6m，垂直于铜棒2轴线方向的截面积为21cm²。钢棒1的长度为2.05m，垂直于钢棒1轴线方向的截面积为162cm²，铜棒2的位置基本达到阴极炭块投影到阴极钢棒的位置。

铜棒2底部的端面与空腔的底面接触，铜棒2顶部的端面与空腔的顶面之间设置膨胀缝隙3，膨胀缝隙3的宽度为7mm，在膨胀缝隙3内填充颗粒状的金属镁，其体积约占膨胀缝体积的20%。

应用场景：400kA电解槽，阴极炭块长度为3.95m，阴极棒长度2.05m，阴极采用50%石墨质阴极炭块。

电解槽运行效果：炉底压降245mV，运行槽电压3.85V，电流效率93%，直流电耗12336kW.h/t。

实施例2

一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒，它包括钢棒1和铜棒2，钢棒1的材质为1006型钢，并且20℃温度条件下电阻率≤14ⅹ10^-8Ωm，其中：沿所述钢棒1的轴线方向设置封闭的空腔，所述铜棒2安装于空腔中，并且铜棒2与空腔为过盈配合。铜棒2长度为1.9m，垂直于铜棒2轴线方向的截面积为21cm²，阴极炭块的长度为3.95m，阴极棒长度为2.05m，钢棒1的长度为2.05m，垂直于钢棒1轴线方向的截面积为162cm²，阴极采用50%石墨质阴极炭块。铜棒2与钢棒1的长度比为0.92。

铜棒2底部的端面与空腔的底面接触，铜棒2顶部的端面与空腔的顶面之间设置膨胀缝隙3，膨胀缝隙3的宽度为12mm。在膨胀缝隙3内填充颗粒状的金属铝，其体积约占膨胀缝体积的35%。应用场景与实施例1相同，即400kA电解槽，阴极炭块长度为3.95m，阴极棒长度2.05m，采用50%石墨质阴极炭块。

电解槽运行效果：炉底压降190mV，运行槽电压3.8V，电流效率93.2%，直流电耗12150kW.h/t。

对比实施例1和实施例2的实验结果表明：嵌入阴极棒内的铜棒2长度与钢棒1长度比为0.92时，炉底压降和电解槽节能效果比铜棒2与钢棒1长度比为0.78明显。

实施例3

一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒，它包括钢棒1和铜棒2，钢棒1的材质为1006型钢，并且20℃温度条件下电阻率≤14ⅹ10^-8Ωm，其中：沿所述钢棒1的轴线方向设置封闭的空腔，所述铜棒2安装于空腔中，并且铜棒2与空腔为过盈配合。铜棒2长度为1.95m，垂直于铜棒2轴线方向的截面积为60cm²。阴极棒的长度为2.15m，垂直于阴极棒轴线方向的截面积为162cm²，铜棒2与钢棒1的长度比为0.91。

铜棒2底部的端面与空腔的底面接触，铜棒2顶部的端面与空腔的顶面之间设置膨胀缝隙3，膨胀缝隙3的宽度为14mm。在膨胀缝隙3内填充颗粒状的金属镁，其体积约占膨胀缝体积的45%。

应用场景：500kA电解槽，阴极炭块长度为3.95m，阴极棒长度2.15m。采用50%石墨质阴极炭块。

电解槽运行效果：炉底压降170mV，运行槽电压3.70V，电流效率93.5%，直流电耗11792kW.h/t。

实施例4

一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒，它包括钢棒1和铜棒2，钢棒1的材质为1006型钢，并且20℃温度条件下电阻率≤14ⅹ10^-8Ωm，其中：沿所述钢棒1的轴线方向设置封闭的空腔，所述铜棒2安装于空腔中，并且铜棒2与空腔为过盈配合。铜棒2的长度为1.9m，垂直于铜棒2轴线方向的截面积为120cm²；阴极棒的长度为2.15m，垂直于阴极棒轴线方向的截面积为162cm²；铜棒2与钢棒1的长度比约0.91。

铜棒2底部的端面与空腔的底面接触，铜棒2顶部的端面与空腔的顶面之间设置膨胀缝隙3，膨胀缝隙3的宽度为20mm。在膨胀缝隙3内填充颗粒状的金属镁，其体积约占膨胀缝体积的40%。

应用场景：500kA电解槽，阴极炭块长度为3.95m，阴极棒长度2.15m。采用50%石墨质阴极炭块。

电解槽运行效果：炉底压降130mV，运行槽电压3.6V，电流效率94%，直流电耗11412kW.h/t。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒，它包括钢棒和铜棒，其特征在于：

沿所述钢棒的轴线方向设置封闭的空腔，所述铜棒安装于空腔中，并且铜棒与空腔为过盈配合，铜棒底部的端面与空腔的底面接触，铜棒顶部的端面与空腔的顶面之间设置膨胀缝隙，并且在膨胀缝隙内填充块状或者颗粒状的活性材料，活性材料的活性大于铜元素；

所述铜棒的长度大于阴极棒总长度的4/5，膨胀缝隙宽度为铜棒长度的0.12%-1.6%，填充的活性材料的体积占膨胀缝隙体积的0.5%-20%。

2.根据权利要求1所述的一种电解铝用低应力高品质Fe-Cu复合阴极棒，其特征在于：所述活性材料为Al或者Mg。