TW200925328A - Composite collector bar - Google Patents

Description

200925328 九、發明說明：

發明領域 5 ❹ 10 15 ❹ 本發明關於用於生產鋁的電解還原電池，特別地關於 形成該電池一部分的集極棒。 I：先前技術】 發明背景 銘金屬一般藉由通常稱作霍爾—赫魯特(Hall H0roult) 的方法從礬土(ai2o3)中電解萃取。這個方法為從事鋁工業 者所熟知，所以於此處並無詳述的必要。 本發明並不是直接針對該方法本身，相反地，本發明 的焦點係在操作該電解方法的容器或電池。電池的上（陽極) 部分典型上由—個以上的電流攜帶（通常為碳質的）塊所組 成，利用這些電流攜帶塊想要使電流橫過覆於另一層熔化 呂之上的層淺炼化冰晶石液體層而平均地分布（淺意味 著八水平方向上的尺寸遠大於其垂直深度方向上的尺寸）。 電池的下（陰極)部分於収材制形成的腔室中物理 地3有熔化的冰晶石層與㉟，且腔室的下表面再次地由導 電(-般為碳質的)材料組成。該導電材料通常形成為串聯的 大型塊(陰極塊），金屬電流導體(集極棒)埋入此大型塊内以 提供電流離開電池的一路徑總成。 藉由匯流棒系統使數個此種電池彼此連接在一起 1聯電路料常的作業方式，如此使得電流能經由電池 的％極部分依切人每個電池，提供能量給在陰極部分中 20 200925328 之液體冰晶石及鋁層内進行的電解方法，而且最終經由集 - 極棒離開電池。 - 當電流橫向穿過電池時，其自然會尋求通過電池組件 之最小阻抗的路徑，藉此將最大集中度的電流指引朝向集 5極棒離開陰極塊的連接點。這種不均句電流的分布具有顯 著地增加在最高電流集中度地帶中之陰極塊消耗（通常藉 由腐蝕方法）的有害影響。 〇 習知技藝顯示藉由使祕合集極棒橫過陰極塊的電流 分布可被顯著地改善，該複合集極棒由包圍著高導電(典型 10上為銅)核心之-外鋼鞘組成，該外鋼鞘構成複合集極棒長 度的-部分。此種電流分布的改善已知顯著地增進陰極塊 的操作壽命。 雖然這些改良的集極棒使得陰極的腐蝕降低，並因此 增進陰極塊的操作壽命，然而這些優點必須與建造材料及 15複合集極棒排列總成之複雜性有關的高製造成本一併衡 ❿ 量。所以 ’依然需要一種複合集極棒之排列，其具有互補 材料排列的優點，而且相當容易製造，因而顯著地降低製 造成本。 c 明内容】 20 發明概要 於本發明之一面向中，提供一種一種用於生產鋁之串 聯電池中的電解電池，包括： 一殼及一耐火排列，其形成用以容納高溫液體的工作 腔室； 200925328 一導電陰極，其包括形成該工作腔室基底的數個陰極 塊； 至少一陽極，其懸浮於該電池内且接觸該工作腔室中 的南溫液體， 5 至少一集極棒，其容納於形成於該陰極之至少一陰極 塊中的凹部内，該至少一集極棒，其被置於該陰極塊中以 不會直接地接觸該工作腔室中的液體；及 一電流匯流棒系統，其位於該殼的外部以從該電池的 集極棒轉送電流至該串聯電池中之次一個電池的陽極； 10 其中該集極棒包括一第一導體及至少一第二導體，該 第一導體電氣連接至該電氣匯流棒系統，該第一導體具有 電氣連接至該陰極塊的一外表面或多數外表面，該第二導 體具有小於該第一導體的電阻，該第二導體被置於該第一 導體的至少一外表面上而與該第一導體電氣接觸。 15 依據本發明之第二面向，本發明提供一種用以電氣連 接至電解電池之匯流棒系統的集極棒，該集極棒容納於該 電解電池陰極之陰極塊中的凹部内； 其中該集極棒包括一第一導體及至少一第二導體，該 第一導體電氣連接至該匯流棒系統，該第一導體具有電氣 20 接觸該陰極塊的一外表面或多數外表面及該至少一第二導 體具有小於該第一導體的電阻，該第二導體被置於該第一 導體之至少一外表面上而與該第一導體電氣接觸。 本發明的複合集極棒可具有機械地或化學地黏結至該 第一導體的該第二導體。於一本發明較佳型式中，橫截面 200925328 積較佳地比第二導體為大的該第一導體，當其固定進^ - 極塊時’形成複合集極棒的下外表面。 陰 - 複合集極棒的第一導體較佳地由相當低導熱性及導 性的材料(諸如鋼)產生。低導熱性降低經由集極棒端部，$ 5及特別是關於外部電流攜帶者排列的熱漏失。 u 與第一導體相反，複合集極棒的第二導體較佳地由相 W同導熱性及導電性的材料（諸如銅）產生。所以相較於第— ❹導體，第二導體具有較高的導熱性及/或導電性。第二導體 較高的導電性提供穿過集極棒之大約一致的電位，藉此在 10陰極塊表面處促使達成一致的電流密度。此外，第二導體 較高的導電性於陰極塊及外部電流攜帶者之間提供—較低 的電阻路徑，藉此減少穿過陰極塊總成的電壓下降。-或者，複合集極棒的第一導體可為通道形狀或具有形 1成於其中的凹部，且第二導體黏結進入該凹部中。於此例 15巾’集極棒可被安裝進人陰極塊中，其中該第-導體位於 Ο 最上方(於此例中，所有複合集極棒的側邊被保護而免於陰 極的化學性作用）或是該第二導體位於最上方(於此例中，一 額外的絕緣層位於第二導體的外表面及陰極塊之間）。 雖然其他橫戴面（如圓形橫截面）係可能的，然而複合集 β秦之兩個導體的橫截面形狀通常上為多邊形最普遍的 疋長方形或通道形。於任一例中，第二（高導電）導體將形成 、極棒之—外表面的至少—部分。集極棒的兩個導體將牢 固地彼此黏結以確保良好的電氣接觸。 複合集極棒之第一及第二導體的橫截面面積被設計使 200925328 5 ❹ 10 15 ❹ 得穿過複合集極棒流出的電流及熱達到最佳的狀態。雖然 集極棒之第一及第二導體的面積比例依陰極及耐火性設 计的細節而不同，但是考量到成本的因素，複合集極棒之 第二（咼導電）導體的橫截面面積較佳地包括小於整個集極 棒橫截面的5〇%。數學模型可被用來計算複合集極棒之兩 個導體相對於陰極塊的最佳位置以最小化熱漏失及最佳化 橫過陰極塊外表面的電流分布。 為進一步闡明本發明，沿著電解電池的長度方向，於 陰極中隨後的陰極塊内，該集極棒之第一及第二導體的相 對橫截面面積可以變化。隨後之陰極塊總成間之集極棒導 體中相對橫戴面面積的變化，可以被用為有益地改變電流 密度場域的分布以及整個穿過電池的電流流動。 可被用以製作複合集極棒的黏結技術係習知技藝所熟 知者’且包括（但不限於)過盈配合(interference朽⑻、交鎖 附接、鉚接、爆性黏結或軋輥黏結。習知技藝也教示，藉 著於複合集極棒的兩個導體之間引入一中間層，此等適合 的黏結可以被加速進行以化學地或是機械地增進黏結強 度。萬一使用此種中間黏結層時，該中間黏結層不應該對 於複合集極棒的兩個導體之間的電氣接觸有不利的影響。 圖式簡單說明 第1圖顯示於陰極塊中之本發明一實施例的集極棒； 第2圖顯示含有本發明之集極棒之電解電池的橫截面 圖； 第3圖為於陰極塊中之第二實施例的集極棒的橫截面 20 200925328 圖；及 第4圖為於陰極塊中之第三實施例之集極棒的橫馘面 圖。

【實施方式；J 5 較佳實施例之詳細說明 參考以上的圖式，本發明的較佳實施例現將描述於下。 參考第1圖，其顯示依據本發明實施例的一集極棒。— 陰極塊10具有一集極棒，其安裝在形成於陰極塊1〇中的凹 部内。集極棒包括典型上為鋼體的第一導體u與典型上由 10高度導電金屬（諸如銅)形成的第二導體12,第二導體12安裝 入第一導體11内的凹部中。於本發明實施例中，容納導電 插入物的集極棒部分整個位於陰極塊内。集極棒的橫截段 A-A(第1圖）顯示第二導體12遠較第一導體u為薄。第二導 體12位於第一導體n上外表面内，如此使得帶有第二導體 15的外表面暴露於陰極。與集極棒之使用相一致，第一與第 二導體兩者的長度方向的大小大於第一第二導體兩者的言 度或寬度位向的大小，因此第一與第二導體呈長條形。所 以，長條形的集極棒安裝至形成於陰極塊的長條形通道内。 於本發明之另一較佳實施例中（第3圖）’第二導體如機 20械或化學地黏結入第一導體31中。於此第二實施例中，比 第二導體具有較大橫截面面積的第一導體，當其被安裝入 陰極塊時，形成集極棒下表面。於此實施例中，第二導體 被安裝入形成於第一導體外表面33中的凹部32内而且备 設置時，不會被陰極塊圍住。於此實施例中，第二 一"等體未 200925328 暴露於或直接接觸陰極塊，而且預期上於正常操作狀況下 係财用的。 5 10 15 ❹ 於本發明又一實施例中（第4圖），第二導體40機械或化 學地黏結至第一導體41之一外表面。第二導體4〇可具有與 第一導體41相同的長度及寬度，藉此完全地覆蓋第一導體 的一側。此實施例可與包括集極棒下方最外表面的第二導 體一起使用。 然而，當本發明之此實施例使用於陰極塊中時，較佳 者係高導電的第二導體40為集極棒的最下表面，如此只有 少許的第二導體的侧邊區域暴露於陰極塊。 於所有實施例中’通常第二導體佔據的面積小於整個 集極棒橫截面面積的50%。 可用以製造依據本發明之複合集極棒的黏結技術係習 於此藝者所熟知者，而且包括（但不限於)過盈配合、交鎖附 接、鉚接、爆性黏結或軋輥黏結。習於此藝者將了解，藉 由於複合棒的兩導體之間引入中間層以化學或機械地協助 兩導體之間的黏接強度可加速此等黏接。當使用此種中間 黏結層時，此種層不應反面地影響複合集極棒的兩導體之 間的電性接觸，即本發明需要於集極棒第_與第二導體之 間建立及保持良好的電性傳導。 第2圖為含有依據第1圖所示實施例之集極棒的電解電 池的橫截面圖。電解電池典型上為以霍爾—赫魯特方法生 產鋁之生產槽線中之串聯電池的一者。電解電池包括形成 用以容納高溫液體之工作腔室的殼及耐火排列。於生產鋁 20 200925328 5 Ο 10 15 Ο 20 時’這些液體為熔化的液體冰晶石與熔化的鋁。電池包括 一陰極’其包括數個形成工作腔室之基底的陰極塊。每個 陰極塊橫向延伸通過電解電池。形成陰極的陰極塊於其等 之端部與下方為耐火磚及填充材料13所圍繞。於使用期 間，陰極的頂部覆有熔化的鋁14與熔化的冰晶石15。依據 本發明，於電解電軸部，第二導體12顯示被黏結在集極 棒11之第—導體内。軸該導電的插人物12顯示為整個位 於陰極塊_ ’於本發明之其他實施射，這些插入物可 佔有集極棒之-表面的整個長度。如第2@所示，可以結合 超過一個集極棒而穿過整個陰極塊長度是一般的操作方 法，於此方法中，集極棒在其等之内端部為絕緣材料16所 隔離。 在用於由單一材料（諸如鋼）製成之集極棒的數學模型 中，橫過一定比例之陰極塊的電位係高的，且朝著集極棒 至匯流棒系統的連接處不規則地下降。於此例中，橫過陰 極塊上表面的電位差異約為1〇〇_15〇mV。用於此種集極棒 (如第2圖所示之構形）的數學模型顯示’雖然沿著陰極塊之 最上層表面的電位一開始就很高，但是橫過陰極塊高度的 電位幾乎是不規則地下降。橫過陰極塊上表面的電位差異 較10 mV遠遠為小。這顯示出複合集極棒於陰極塊内部有效 地提供-等電位表面’藉此當使用本發明之集極棒時，確 保橫過陰極塊之電流分布更加—致，如此可以提供橫過陰 極塊之更為一致的耗損。 此處所使用之術語”包括"與其變化諸如，，包含，，及，，含 12 200925328 有"並不意味排除其他添加物、組件、元件或步驟。 應了解者，本說明書所揭露及界定之本發明係擴張至 内文或圖式所提及或顯示之二或多個個別特徵的所有交互 組合。所有這些不同的組合構成本發明各種不同的面向 【圖式簡單說明】 第1圖顯示於陰極塊中之本發明一實施例的集極棒. 圖 第2圖顯示含有本發明之集極棒之電解電池的蟥戴面

10 圖 第3圖為於陰極塊中之第二實施例的集極棒的橋哉 及 、面 圖 第4圖為於陰極塊中之第三實施例之集極棒的蟥馘 面

【主要元件符號說明】 10…陰極塊 30…第二導體 11."第一導體 31…第一導體 12…第二導體 32…凹部 13…填充材料 33…外表面 14…鋁 40…第二導體 15..·溶彳匕的冰晶石 41…第一導體 16…絕緣材料 13

Claims (1)

1. 200925328 十、申請專利範圍： 1. 一種用於生產鋁之串聯電池中的電解電池，包括： 一殼及一耐火排列，其形成用以容納高溫液體的工作腔 室； 5 一導電陰極，其包括形成該工作腔室基底的數個陰極塊； 至少一陽極，其懸浮於該電池内且接觸該工作腔室中的 高溫液體； 至少一集極棒，其容納於形成在該陰極之至少一陰極塊 中的凹部内，該至少一集極棒被置於該陰極塊中以不會 10 直接地接觸該工作腔室中的液體；及 一電流匯流棒系統，其位於該殼的外部以從該電池的集 極棒轉送電流至該串聯電池中之次一個電池的陽極； 其中該集極棒包括一第一導體及至少一第二導體，該第 一導體電氣連接至該電氣匯流棒系統，該第一導體具有 15 電氣連接至該陰極塊的一外表面或多數外表面，該第二 導體具有小於該第一導體的電阻，該第二導體被置於該 第一導體的至少一外表面上而與該第一導體電氣接觸。 2. 如申請專利範圍第1項的電解電池，其中該第二導體機 械地或化學地黏結至該第一導體。 20 3.如申請專利範圍第1項的電解電池，其中該第一導體的 橫截面面積大於該第二導體的橫截面面積。 4. 如申請專利範圍第1項的電解電池，其中該第二導體的 橫截面面積小於該整個集極棒的50%。 5. 如申請專利範圍第1項的電解電池，其中該第二導體沿 14 200925328 著該第一導體的縱向外表面置放。 - 6.如申請專利範圍第4項的電解電池，其中該第一導體形 - 成該複合集極棒的下外表面。 7·如申請專利範圍帛i項的電解電池，其中該第二導體的 5 導電性較該第一導體為高。 8. 如申請專利範圍第1項的電解電池，其中該第一導體呈 冑道形狀或於其外表面中備置有—凹部，而且該第二導 ❹ 體黏結進入該通道或凹部中。 9. 如申請專利範圍第2項的電解電池，其中該第二導體形 1〇 成該複合集極棒之外表面的至少一部分。 10·—種用以電氣連接至電解電池之匯流棒系統的集極 棒’該集極棒容納於該電解電池陰極之陰極塊中的凹部 内； Μ 其中該集極棒包括H體及至少-第二導體，該第 導體電氣連接至該匯流棒系統，該第一導體具有電氣 ❹. 接觸該陰極塊的一外表面或多數外表面及該至少一第二 導體具有小於該第-導體的電阻，該第二導體被置於該 第-導體之至少-外表面上而與該第—導體電氣接觸。 11·如中請專職圍第陶賴極棒，其中該第二導體機械 地或化學地黏結至該第一導體。 12.如申請專利範圍第10項的集極棒，其中該第一導體的橫 截面面積大於該第二導體的橫截面面積。 以如申請專利範園第H)項的集極棒，其中該第二導體的橫 截面面積小於該整個集極棒的50〇/^ 15 200925328 14. 如申請專利範圍第10項的集極棒，其中該第二導體沿著 該第一導體的縱向外表面置放。 15. 如申請專利範圍第13項的集極棒，其中該第一導體形成 該複合集極棒的下外表面。 5 16.如申請專利範圍第10項的集極棒，其中該第二導體的導 電性較該第一導體為高。 17.如申請專利範圍第10項的集極棒，其中該第一導體呈通 道形狀或於其外表面中備置有一凹部，而且該第二導體 黏結進入該通道或凹部中。 10 18.如申請專利範圍第11項的集極棒，其中該第二導體形成 該複合集極棒之外表面的至少一部分。 ❹ 16