CN101760760A - 一种槽底出电铝电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种槽底出电铝电解槽，具有多块阴极，其特征在于，每一块阴极由水平阴极钢棒垂直阴极钢棒组成；或者，每一块阴极由一个水平的扁平阴极钢块和一个或多个垂直阴极钢棒组成；所述的水平阴极钢棒或扁平阴极钢块与垂直阴极钢棒组成T型或π型结构；所述的垂直阴极钢棒的底端与电解槽的阴极母线相连接；电解槽的阴极母线部分集中在电解槽底部，部分分布于电解槽端部。该电解槽采用独特的阴极结构和母线配置，使得铝电解槽的铝液与阴极电流分布均匀、水平电流与垂直磁场小且阴极表面铝液稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于铝电解槽领域，特别涉及一种槽底出电铝电解槽。
背景技术
传统霍尔-埃鲁特法(Hall-Héroult)铝电解工艺一直是工业炼铝的唯一方法，尽管如此，其高能耗是Hall-Héroult工艺存在的主要缺点之一。导致能耗高的主要原因有：一是现行阴极块表面各点到阴极钢棒的距离不等，使得阴极电流分布不均，边角部电流难以从阴极碳块向阴极钢棒直接流出，容易在电解槽中产生水平电流，造成铝液波动，铝液二次反应导致了电流效率的降低；二是由于铝液层垂直磁场绝对值过大及其水平梯度分布不均，导致电解槽稳定不佳，电解槽被迫在高极距下运行，因此很大一部分能耗浪费在这上面。
由此看出，电解槽的出电方式直接影响着阴极电流分布的均匀性、水平电流的产生以及阴极表面上的铝液稳定性。现行铝电解的出电方式几乎都是从水平阴极钢棒的两个端头出电，这种传统铝电解出电方式存在的弊端：因碳块表面为水平面，阴极碳块上表面靠近槽中中心线部分至阴极钢棒间导电距离不等，使得阴极电流分布不均，容易产生水平电流和垂直磁场，加剧了阴极水平表面上的铝液波动，铝的二次反应损失增大，从而导致铝电解电流效率下降和能耗的上升，并且电解槽的槽间距等都受到相应的影响。因此，铝电解传统出电方式不利于铝电解的稳定生产、节能和槽寿命的延长。
发明内容
本发明的目的在于针对现行铝电解中存在的铝液和阴极电流分布不均、垂直磁场大、阴极水平表面铝液波动剧烈等缺陷，提供一种槽底出电铝电解槽，该电解槽采用独特的阴极结构和母线配置，使得铝电解槽的铝液与阴极电流分布均匀、水平电流与垂直磁场小且阴极表面铝液稳定性好。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种槽底出电铝电解槽，具有多块阴极，其特征在于，每一块阴极由水平阴极钢棒垂直阴极钢棒组成；或者，每一块阴极由一个水平的扁平阴极钢块和一个或多个垂直阴极钢棒组成；所述的水平阴极钢棒或扁平阴极钢块与垂直阴极钢棒组成T型或π型结构；所述的垂直阴极钢棒的底端与电解槽的阴极母线相连接；电解槽的阴极母线部分集中在电解槽底部，部分分布于电解槽端部。
所述的阴极母线包括立柱母线、出电侧槽外母线、用于连接垂直阴极钢棒的软母线、槽底连接阴极母线和设置在槽体底面周边的槽体磁场补偿母线；电解槽两端的立柱母线经槽体磁场补偿母线与软母线连接，其余的立柱母线经出电侧槽外母线与软母线连接
电解槽的阴极母线配置呈对称分布。
所述的水平阴极钢棒和垂直阴极钢棒采用压接或焊接方式进行连接。
所述的垂直阴极钢棒与电解槽的阴极母线之间采用螺栓压接或者焊接方式连接。
每一个所述的水平阴极钢棒或扁平阴极钢块上等间距且相对于水平阴极钢棒或水平的扁平阴极钢块的水平长度方向的中心对称设有2N根垂直阴极钢棒；N为自然数。
垂直阴极钢棒长度为伸出槽底面300-500mm，水平阴极钢棒或扁平阴极钢块的端部和电解槽的阴极炭块端部对齐。
槽底出电铝电解槽的结构特点在于每个阴极钢棒由一根水平钢棒(对于非通长钢棒，则是两根水平钢棒)和两根或2n根垂直钢棒组成，垂直钢棒与水平钢棒的连接位置可以在水平钢棒的等分处，垂直钢棒在槽底经软母线连接至汇集母线中，配合相应的阴极母线，构成槽底出电铝电解槽。所述的铝电解槽的每个阴极的软母线在电解槽底部中心线进行汇集，并连接到阴极汇集母线中，再连接至阴极母线中。所述的电解槽的母线配置呈对称分布，其中在补偿阴极母线配置呈较分散配置，经端部绕行至靠近铝液面进行磁场修正，保证电解槽磁场的优化。所述的电解槽采用6根立柱母线，电解槽的电流强度为400kA级。
发明的有益效果：
本发明的优点在于：
1.本发明提供的槽底出电铝电解槽，电流从铝液面至阴极钢棒的导电距离比传统出电更加合理，故从等电位原理及现有曲面型阴极的应用效果可知，该种方案可以提高铝液和阴极电流分布均匀性，减少水平电流的产生，从而减小垂直磁场对铝液的干扰，降低铝液的波动高度，以提高电解质-铝液界面稳定性，减少铝的溶解损失，有利于提高电流效率和降低槽电压，达到铝电解节能降耗的目的。
2.本发明提供的槽底出电铝电解槽及其阴极母线配置，其垂直磁场绝对值的平均值和最大值可以大幅度降低，母线用量也没有增加，并且垂直钢棒的连接位置为水平阴极钢棒1/4处和3/4两个地方，这是基于电流分布最优化原则设置的，可以减缓电解槽内阴极铝液的垂直波动幅度，提高阴极表面上铝液的稳定性，有利于降低极距，从而降低电解槽能耗。
本发明采用T型或π型阴极钢棒组合将使电解槽中电流分布更加合理，水平电流密度进一步降低；所采用补偿母线系统能够大幅度降低电解槽垂直磁场，从而减少电磁力的影响，将更有利于电解槽的稳定；母线配置的对称性，则有利于施工和物理场规律性；水平钢棒与垂直钢棒的连接采用焊接或压接都有利于施工的进行；当使用更多的垂直钢棒时候，能更有效地均化电流，提高槽稳定性。
附图说明
图1为本发明的槽底出电铝电解槽大面截面示意图：1为钢制槽壳、2为石棉板、3为侧部内衬、4为捣固糊、5为阴极炭块、6a为水平阴极钢棒、6b为垂直阴极钢棒，7为耐火材料和保温材料、8为浇注料。
图2为图1中铝电解槽A-A剖面图，其中：每根水平阴钢棒装有两根垂直阴极钢棒。
图3为图1中铝电解槽A-A剖面图，其中：每根水平阴钢棒装有四根根垂直阴极钢棒。
图4为本发明的平板阴极槽底出电铝电解槽大面截面示意图：1为钢制槽壳、2为石棉板、3为侧部内衬、4为捣固糊、5为阴极炭块、14板式水平阴极、6b垂直阴极钢棒，7为耐火材料和保温材料、8为浇注料。
图5为本发明的400kA级槽底出电阴极母线结构示意图：9为立柱母线，10为出电侧槽外母线，11为连接垂直阴极钢棒的阴极软母线，12为槽底连接阴极母线，13为槽体磁场补偿母线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本发明的新型阴极结构铝电解槽由钢制槽壳1、石棉板2、侧部内衬3、捣固糊4、阴极炭块5、水平阴极钢棒6a、垂直阴极钢棒6b、耐火材料和保温材料7以及浇注料8组成。其中，一根水平通长阴极钢棒配置有两根垂直阴极钢棒(如图2所示)，垂直阴极钢棒与水平阴极钢棒的连接的位置选取是通过物理场计算确定，本例中最佳连接点为水平钢棒的1/4～3/4处。该结构因阴极表面至阴极钢棒导电距离比较均匀，电解过程中阴极电流分布均匀，因而可以减少电解槽水平电流的产生，从而减小垂直磁场对铝液的干扰，提高电流效率，降低槽电压，可以实现铝电解的节能降耗。该方案于400kA的铝电解槽上，母线配置见图5所示，该种母线配置主要由立柱母线9，出电侧槽外母线10，连接垂直阴极钢棒的阴极软母线11，槽底连接阴极母线12和槽体磁场补偿母线13组成，其中，槽体补偿母线能够将电解槽的磁场补偿到非常理想的水平，亦为本专利最关键的特色之一。
实施例2
如图1所示，本发明的新型阴极结构铝电解槽由钢制槽壳1、石棉板2、侧部内衬3、捣固糊4、阴极炭块5、水平阴极钢棒6a、垂直阴极钢棒6b、耐火材料和保温材料7以及浇注料8组成。其中，一根水平通长阴极钢棒配置有四根垂直阴极钢棒(如图3所示)，垂直阴极钢棒与水平阴极钢棒的连接的位置选取是通过物理场计算确定，本例中最佳连接点为水平钢棒的1/5～2/5与3/5～4/5处。该结构因阴极表面至阴极钢棒导电距离更均匀，因而可以减少电解槽水平电流的产生。该方案于400kA的铝电解槽上，母线配置采用图5所示母线结构。
实施例3
如图4所示，本发明的新型阴极结构铝电解槽由钢制槽壳1、石棉板2、侧部内衬3、捣固糊4、阴极炭块5、板式水平阴极14、垂直阴极钢棒6b、耐火材料和保温材料7以及浇注料8组成。其中，阴极钢棒底部配置有一块水平阴极钢板，每块水平阴极钢块可配置有两根或四根垂直阴极钢棒(如图2、图3所示)，垂直阴极钢棒与水平阴极钢棒的连接位置选取可通过计算确定最佳连接点。该结构因阴极表面至阴极钢棒块导电距离为等距导电，因而其水平电流将会比实施例1和实施例2更小。该方案于400kA的铝电解槽上，母线配置如图5所示。
Claims (7)
1.一种槽底出电铝电解槽，具有多块阴极，其特征在于，每一块阴极由水平阴极钢棒垂直阴极钢棒组成；或者，每一块阴极由一个水平的扁平阴极钢块和一个或多个垂直阴极钢棒组成；所述的水平阴极钢棒或扁平阴极钢块与垂直阴极钢棒组成T型或π型结构；所述的垂直阴极钢棒的底端与电解槽的阴极母线相连接；电解槽的阴极母线部分集中在电解槽底部，部分分布于电解槽端部。
2.根据权利要求1所述的槽底出电铝电解槽，其特征在于，所述的阴极母线包括立柱母线、出电侧槽外母线、用于连接垂直阴极钢棒的阴极软母线、槽底连接阴极母线和设置在槽体底面周边的槽体磁场补偿母线；电解槽两端的立柱母线经槽体磁场补偿母线与阴极软母线连接，其余的立柱母线经出电侧槽外母线与阴极软母线连接。
3.根据权利要求2所述的槽底出电铝电解槽，其特征在于，电解槽的阴极母线配置呈对称分布。
4.根据权利要求1所述的槽底出电铝电解槽，其特征在于，所述的水平阴极钢棒和垂直阴极钢棒采用压接或焊接方式进行连接。
5.根据权利要求1所述的槽底出电铝电解槽，其特征在于，所述的垂直阴极钢棒与电解槽的阴极母线之间采用螺栓压接或者焊接方式连接。
6.根据权利要求1所述的槽底出电铝电解槽，其特征在于，每一个所述的水平阴极钢棒或扁平阴极钢块上等间距且相对于水平阴极钢棒或水平的扁平阴极钢块的水平长度方向的中心对称设有2N根垂直阴极钢棒；N为自然数。
7.根据权利要求1～6任一项所述的槽底出电铝电解槽，其特征在于，垂直阴极钢棒长度为伸出槽底面300-500mm，水平阴极钢棒或扁平阴极钢块的端部和电解槽的阴极炭块端部对齐。
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