CN103243350B - 一种降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构,通过安装使用水平或倾斜的导电的侧部阴极钢棒可大幅降低铝液中水平电流的大小。此种阴极根据实际槽型设计确定结构参数，应用于铝电解槽时可以显著的减小铝液中的水平电流，同时优化铝液中水平电流的分布及降低阴极电压降，从而起到削弱铝液的垂直波动以及稳定熔体水平运动的作用，使电解可以在低电压下平稳运行，实现大幅降低能耗。本发明加工简便、易于实现、价格低廉、对电解槽内衬寿命影响小。

Description

一种降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构

技术领域

本发明涉及一种铝电解槽，特别是涉及一种降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构。

背景技术

霍尔-埃鲁特法（Hall-Héroult）铝电解工艺自问世一百多年以来，一直是工业炼铝唯一经济可行的方法。在该工艺中，电流依次流经铝导杆、阳极钢爪、阳极、电解质、铝液、阴极炭块、钢棒及母线系统，从整体上来看，电流的流经路线在铝液、阴极炭块和阴极钢棒中发生了90度的转折，并且由于铝液的电阻远远小于阴极炭块，因此电流的偏转很大一部分发生在铝液层中，从而导致铝液中的水平电流分量的产生。该水平电流不仅会显著增大垂直磁场，而且其与垂直磁场交互作用，影响槽内磁流体的稳定性。传统的铝电解槽阴极结构中阴极钢棒皆布置于阴极底部，导致铝液水平电流往往偏大，而过大的水平电流引起过大的电磁力，进而引起铝液剧烈的波动及电解质-铝液界面的严重变形，电解过程必须要在较高的极距条件下进行，由此引起大量的无用能耗。

因此，对于如何减小存在于铝液中的水平电流，不仅对于铝电解行业实现节能降耗的良好发展具有重要意义，同时也是一项解决磁流体稳定性的根本性手段。当前，关于降低铝液水平电流的结构基本为对阴极钢棒本身结构或捣固糊的改良，如中国专利200710158715.X提出底部出电的阴极结构，尽管能一定程度降低水平电流，但在电解槽内衬结构设计和建造提出了更高的要求，目前工业实验效果并不理想；中国专利200610200265.1及中国专利201110089796.9皆提出通过改变阴极钢棒结构来实现降低水平电流目的，但钢棒结构改变会导致钢棒与炭块间应力及导电性能的改变，给槽寿命带来一定的安全和槽寿命隐患。因此，在不影响电解槽寿命的前提下，实现铝液水平电流降低显得较为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种显著减小铝液中的水平电流，易于实现低极距生产，大幅度降低槽电压，且低电压工作稳定性强，电流效率高，综合能耗低，且不对槽寿命和安全产生影响的降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构,包括阴极炭块、底部阴极钢棒和钢棒炭糊，所述的阴极炭块的两侧分别设有至少一根侧部阴极钢棒，所述的侧部阴极钢棒和所述的底部阴极钢棒通过所述的钢棒炭糊与所述的阴极炭块连接。

所述的底部阴极钢棒的材质与现行普通阴极钢棒一致，所述的底部阴极钢棒的高度和现行钢棒保持一致或略高，长度为通长或非通长，数量为1根或多根在所述的阴极炭块的底部并排布置。

所述的侧部阴极钢棒为通长或非通长，所述的侧部阴极钢棒为水平布置或倾斜布置，倾斜布置时所述的倾斜布置方式为水平高度由中心至所述的阴极炭块端部逐步降低。

所述的侧部阴极钢棒的截面为多边形，且所述的截面的大小保持一致或沿所述的侧部阴极钢棒长度方向变化。

所述的侧部阴极钢棒的截面的多边形为矩形、梯形或三角形。

采用上述技术方案的降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构，阴极结构整体外形不变，保持与传统阴极一致的进电与出电模式，并且组成部分与传统阴极基本一致，包括有阴极炭块、钢棒炭糊、阴极钢棒，其区别在于阴极钢棒数量和位置有所改变，因此不会引起除阴极外的铝电解槽其他部位的重新设计及加工，也不会显著影响阴极部分的生产及安装。

本发明是针对现行铝电解槽所采用的传统阴极结构会在铝液层中形成很大的水平电流的缺点，提供的一种基于传统阴极结构的改进阴极结构，该阴极结构使用底部阴极钢棒和侧部阴极钢棒与阴极炭块连接构成，可使整个阴极结构的电场得到优化，从而显著减小铝液中的水平电流，所以采用此结构的电解槽工作时铝液及电解质垂直波动小，易于实现低极距生产，使得槽电压大幅度降低，且低电压工作稳定性强，电流效率高，综合能耗低，且不对槽寿命和安全产生影响。

本发明由于采用上述结构，与现有阴极结构及异性阴极炭块相比具备如下优点：

采用普通钢棒结构铝电解槽阴极结构，短轴铝液中水平电流影响较大，其最大的区域一般出现在铝液层的中间偏边部的位置。根据此种分布形态，本发明中，由于使用了导电的侧部阴极钢棒和底部阴极钢棒，因此在阴极结构内部优化了电压分布状况，侧部阴极钢棒部分则更容易吸引侧部电流更快更垂直导出，而阴极侧部的电流由于距离阴极钢棒距离较大，容易造成偏转，因此本发明从趋势上减小了电流在水平方向的偏转，可大幅减小铝液中的水平电流。由于水平电流的减少，则水平电流与垂直磁场的产生的水平电磁力也更小。由于水平电磁力是引起铝液波动的重要原因已经得到公认，因此电磁力的减小会弱化铝液的垂直波动以及稳定铝液的水平流动，则电解可以在较低的极距下进行，槽电压可以大幅降低，减小铝电解的能耗。

另一方面，本结构对于炭块改动发生在炭块内部，且幅度较小，通过捣固糊将侧部、底部钢棒与阴极炭块连接后，阴极重新成为一个整体，因此不存在各类异型阴极所带来的阴极内衬寿命受影响的隐患。此外，钢棒与炭块导电面积分布更为均匀，避免了钢棒与阴极接触区域的热应力与发热集中的隐患。因此本发明能最大程度的保证槽寿命不受影响。

综上所述，本发明是一种显著减小铝液中的水平电流，易于实现低极距生产，大幅度降低槽电压，且低电压工作稳定性强，电流效率高，综合能耗低，且不对槽寿命和安全产生影响的降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构。

附图说明

图1是本发明所针对的传统的铝电解槽半阴极结构的立体示意图。

图2是采用通长并且水平布置的侧部阴极钢棒的铝电解槽半阴极结构的立体示意图。

图3是图2的截面图。

图4是沿图3中A-A线剖视图。

图5采用通长并且倾斜布置的侧部阴极钢棒的铝电解槽半阴极结构的立体示意图。

图6是沿图5中C-C线剖视图。

图7是沿图5中B-B线剖视图。

图8是采用底部单钢棒、侧部通长并且水平布置侧部等截面阴极钢棒的铝电解槽半阴极结构立体示意图。

图9是图8的截面图。

图10是沿沿图9中D-D线剖视图。

图11是采用底部单钢棒、侧部通长并且水平布置侧部非等截面阴极钢棒的铝电解槽半阴极结构的俯视图。

图12是沿图11中E-E线剖视图。

图13是沿图11中F-F线剖视图。

图14是沿图11中G-G线剖视图。

图15是图11的俯视图。

图16是采用底部单钢棒、侧部通长并且倾斜布置侧部非等截面阴极钢棒的铝电解槽半阴极结构的侧视图。

图17是沿图16中H-H线剖视图。

图18是沿图16中I-I线剖视图。

图19是沿图16中J-J线剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本作进一步说明。

实施例1：

如图2、图3和图4所示是本发明的采用通长并且水平布置的侧部阴极钢棒的铝电解槽半阴极结构的示意图，由阴极炭块1、底部阴极钢棒2、侧部阴极钢棒3和钢棒炭糊4组成。本实施例中，阴极炭块1的总长度3000～4000mm，宽400～800mm，高400～700mm；阴极炭块1底部开两条等截面平行燕尾槽，与之对应每条燕尾槽内嵌一根等截面的通长或非通长的底部阴极钢棒2，底部阴极钢棒2宽50mm～90mm，高50mm～200mm，其材质、加工和安装方法与传统阴极钢棒一样；阴极炭块1的两个侧部沿长度方向均开有一条等截面燕尾槽，与之对应每条燕尾槽内嵌一根等截面的通长的侧部阴极钢棒3，侧部阴极钢棒3的截面为矩形，侧部阴极钢棒3宽50mm～200mm，高50mm～200mm，侧部阴极钢棒3的加工按照侧部阴极钢棒3的尺寸进行，具体工艺与传统钢棒一致。侧部阴极钢棒3和底部阴极钢棒2通过钢棒炭糊4与阴极炭块1连接。此种结构使炭块结构更加扎实，在保证底部内衬寿命的前提下，使阴极炭块1的中边部的电流更容易流入侧部阴极钢棒3，从而大幅度降低铝液中的水平电流，弱化铝液的垂直波动及稳定水平流动，提高电解槽稳定性，并大幅降低电压，最终使电解槽降低能耗。

参见图1、图2、图3和图4，本发明的阴极结构整体外形不变，保持与传统阴极一致的进电与出电模式，并且组成部分与传统阴极基本一致，包括有阴极炭块、钢棒炭糊、阴极钢棒，其区别在于阴极钢棒数量和位置有所改变，因此不会引起除阴极外的铝电解槽其他部位的重新设计及加工，也不会显著影响阴极部分的生产及安装。

实施例2：

如图5、图6和图7所示是本发明的采用通长并且倾斜布置的侧部阴极钢棒的铝电解槽半阴极结构的剖视图，由阴极炭块1、底部阴极钢棒2、侧部阴极钢棒3和钢棒炭糊4组成。本实施例中，阴极炭块1的总长度3000mm～4000mm，宽400mm～800mm，高400mm～700mm；阴极底部开两条等截面燕尾槽，与之对应每条燕尾槽内嵌一根等截面的通长或非通长的底部阴极钢棒2，底部阴极钢棒2宽50mm～90mm，高50mm～200mm，其材质、加工和安装方法与传统阴极钢棒一样；阴极炭块1的两个侧部沿长度方向均开有一条倾斜的等截面燕尾槽，倾斜角度为5度～10度，与之对应每条燕尾槽内嵌一根等截面的倾斜通长的侧部阴极钢棒3，侧部阴极钢棒3的截面为梯形，侧部阴极钢棒3宽50mm～200mm，高50mm～200mm，侧部阴极钢棒3的加工按照侧部钢棒的尺寸进行，具体工艺与传统钢棒一致。侧部阴极钢棒3和底部阴极钢棒2通过钢棒炭糊4与阴极炭块1连接。此种结构使炭块结构扎实，在保证底部内衬寿命的前提下，使阴极炭块1的中边部的电流更容易流入侧部阴极钢棒3，且同时是靠近槽中部的电流个更容易以垂直的方式导出，从而大幅度降低铝液中各方向的水平电流，弱化铝液的垂直波动及稳定水平流动，提高电解槽稳定性，并大幅降低电压，最终使电解槽降低能耗。

实施例3：

如图8、图9和图10所示是本发明的采用底部单钢棒、侧部通长并且水平布置等截面侧部阴极钢棒的铝电解槽半阴极结构立体示意图和剖视图，由阴极炭块1、底部阴极钢棒2、侧部阴极钢棒3和钢棒炭糊4组成。本实施例中，阴极炭块1的总长度3000mm～4000mm，宽400mm～800mm，高400mm～700mm；阴极炭块1的底部开1条等截面燕尾槽，该燕尾槽内嵌1根等截面的通长或非通长的底部阴极钢棒2，底部阴极钢棒2宽50mm～90mm，高50mm～200mm，其材质、加工和安装方法与传统阴极钢棒一样；阴极炭块1的两个侧部沿长度方向均开有一条水平的等截面燕尾槽，与之对应每条燕尾槽内嵌一根等截面的倾斜通长的侧部阴极钢棒3，侧部阴极钢棒3的截面为三角形，侧部阴极钢棒3宽50mm～200mm，高50mm～200mm，侧部阴极钢棒3的加工按照侧部钢棒的尺寸进行，具体工艺与传统钢棒一致。侧部阴极钢棒3和底部阴极钢棒2通过钢棒炭糊4与阴极炭块1连接。此种阴极结构扎实，在保证底部内衬寿命的前提下，使炭块中不同区域的电流分别进入底部阴极钢棒2和侧部阴极钢棒3，从而实现大幅度降低铝液中各方向的水平电流，提高电解槽稳定性，并大幅降低电压，最终使电解槽降低能耗。

实施例4：

如图11、图12、图13、图14和图15所示是本发明的采用底部单钢棒、侧部通长并且水平布置非等截面侧部阴极钢棒的铝电解槽半阴极结构侧视图和俯视图，由阴极炭块1、底部阴极钢棒2、侧部阴极钢棒3和钢棒炭糊4组成。本实施例中，阴极炭块1的总长度3000mm～4000mm，宽400mm～800mm，高400mm～700mm；阴极炭块1的底部开1条等截面燕尾槽，该燕尾槽内嵌1根等截面的通长或非通长的底部阴极钢棒2，底部阴极钢棒2宽50mm～90mm，高50mm～200mm，其材质、加工和安装方法与传统阴极钢棒一样；阴极炭块1的两个侧部沿长度方向均开有一条水平的线性或非线性变化的非等截面燕尾槽，该燕尾槽靠近阴极端部较浅、靠近槽中心则较深，与之对应每条燕尾槽内嵌一根非等截面的倾斜通长的侧部阴极钢棒3，侧部阴极钢棒3的截面为矩形，侧部阴极钢棒3宽50mm～200mm，高50mm～200mm，侧部阴极钢棒3的加工按照侧部钢棒的尺寸进行，具体工艺与传统钢棒一致。侧部阴极钢棒3和底部阴极钢棒2通过钢棒炭糊4与阴极炭块1连接。此种阴极结构扎实，在保证底部内衬寿命的前提下，使阴极炭块1中部区域的更加容易垂直地进入底部阴极钢棒2和侧部阴极钢棒3，从而实现大幅度降低铝液中各方向的水平电流，提高电解槽稳定性，并大幅降低电压，最终使电解槽降低能耗。

实施例5：

如图16、图17、图18和图19所示是本发明的采用底部单钢棒、侧部通长并且倾斜布置侧部非等截面导电阴极钢棒的铝电解槽半阴极结构侧视图，由阴极炭块1、底部阴极钢棒2、侧部阴极钢棒3和钢棒炭糊4组成。该实施例除了侧部阴极钢棒3为倾斜布置，即阴极炭块1的两个侧部沿长度方向均开有一条倾斜的可为线性或非线性变化的非等截面燕尾槽，倾斜角度为5度～10度，与之对应每条燕尾槽内嵌一根非等截面的倾斜通长的侧部阴极钢棒3，其余部分与实施例4一致。该实施例能更好的实现铝液水平电流的降低，但钢棒形状稍作改变，对于施工及槽内衬寿命略有影响。

Claims (4)

1.一种降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构,包括阴极炭块(1)、底部阴极钢棒(2)和钢棒炭糊(4)，所述的阴极炭块(1)的两侧分别设有至少一根侧部阴极钢棒(3)，所述的侧部阴极钢棒(3)和所述的底部阴极钢棒(2)通过所述的钢棒炭糊(4)与所述的阴极炭块(1)连接,其特征是：所述的底部阴极钢棒(2)的材质与现行普通阴极钢棒一致，所述的底部阴极钢棒(2)的高度和现行钢棒保持一致或略高，长度为通长或非通长，数量为1根或多根在所述的阴极炭块(1)的底部并排布置。

2.根据权利要求1所述的降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构,其特征是：所述的侧部阴极钢棒(3)为通长或非通长，所述的侧部阴极钢棒(3)为水平布置或倾斜布置，倾斜布置时所述的倾斜布置方式为水平高度由中心至所述的阴极炭块(1)端部逐步降低。

3.根据权利要求1或2所述的降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构,其特征是：所述的侧部阴极钢棒(3)的截面为多边形，且所述的截面的大小保持一致或沿所述的侧部阴极钢棒(3)长度方向变化。

4.根据权利要求3所述的降低铝液水平电流的铝电解槽侧部导电阴极结构,其特征是：所述的侧部阴极钢棒(3)的截面的多边形为矩形、梯形或三角形。