CN108396333A - 一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构 - Google Patents
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Abstract
一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构，包括阴极炭块和阴极导电棒，阴极炭块底面设有一个贯通槽或两个同轴且对称的长槽，顶面设有凹槽；每个阴极导电棒由棒体、导电爪和爪头组成；导电爪固定安装在棒体的顶端，每个导电爪上安装有3个以上爪头位于凹槽内，凹槽与爪头之间填充有导电体。本发明的结构设计中各爪头可均匀分摊来自阴极炭块的电流，使电流分布更均匀，减少水平电流，熔体界面稳定性好，有利于通过降低极距来降低槽电压，实现能耗降低。
Description
技术领域
本发明属于铝电解技术领域，特别涉及一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构。
背景技术
目前，工业电解炼铝所用电解质为冰晶石-氧化铝熔盐体系，电解装置为电解槽，电解槽由阳极、阴极以及母线等组成；在一个电解槽中，直流电由立柱母线、阳极横母线进入，并分配到各并联的阳极组，包括阳极铝导杆、阳极钢爪、阳极炭块，然后进入电解质熔体，电解质层之下为熔融铝液层，电流经由铝液层进入阴极炭块，然后由各阴极炭块连接的阴极钢棒导出到阴极母线，最后串联到下一台电解槽的立柱母线。
在铝电解过程中，实际阴极反应在铝液面上进行，但人们通常将阴极炭块以及阴极钢棒称为阴极，阴极起到盛装铝液与电解质熔体以及将电流导入到阴极母线的作用。
现行工业电解槽中，每个阴极炭块下方沿长度方向设有开槽，用于安装阴极钢棒；通常每个阴极炭块安装2根或4根阴极钢棒；阴极钢棒沿长度方向插入到阴极炭块开槽中，其与阴极炭块靠炭糊或磷铁导电体连接，以保证有良好的导电能力；阴极钢棒另一端伸出阴极炭块外，与电解槽外的阴极母线相连；因此，阴极钢棒的最大作用是将电流从阴极炭块导入到阴极母线。
现行工业电解槽的这种阴极结构，导致阴极炭块两端部分的电流密度较高，阴极炭块中部的电流密度较低，使得铝液内的电流为避免通过较长的阴极钢棒而向阴极炭块端头偏移，这导致距离出电端较近的铝液的电流密度较大，而远离出电端的铝液电流密度较小，最终表现出铝液内存在较大的水平电流；这种水平电流在垂直磁场作用下，产生电磁力，导致铝液/电解质界面波动；水平电流越大，铝液越不稳定，电流效率越低；故而在当前铝电解槽操作中，通常保持较高的极距才能维持较高的电流效率。
发明内容
本发明的目的是提出一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构，通过在不同阴极导电棒上设置导电爪并安装爪头，采用多个爪头与阴极炭块连接的方式，使多个爪头用于分散电流，从根源上减少铝液所受电磁力，实现阴极铝液高稳定性。
本发明的降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构包括阴极炭块和阴极导电棒，阴极炭块外形为长方体，底面沿轴向设有阴极槽，阴极槽为一个贯通槽或由两个同轴且对称的长槽组成，阴极槽的顶面设有若干凹槽；两个阴极导电棒或两对阴极导电棒位于一个贯通槽内，或者分别位于两个长槽内；每个阴极导电棒由棒体、导电爪和爪头组成；棒体位于阴极槽内的一端为顶端，位于阴极槽外的一端为尾端；导电爪固定安装在棒体的顶端，每个导电爪上安装有3个以上爪头，各爪头分别位于阴极槽顶面的各凹槽内，凹槽与该凹槽内的爪头之间填充有导电体；当一个阴极槽内有两对阴极导电棒时，每对阴极导电棒中的每个阴极导电棒上的爪头沿阴极炭块的轴向排成1排；当一个阴极槽内只有两个阴极导电棒时，每个阴极导电棒上的爪头沿阴极炭块的轴向排成1排或2排；其中每对阴极导电棒中的两个阴极导电棒棒体的顶端位于阴极槽轴线的两侧。
上述结构中，同一阴极导电棒上的棒体、导电爪和爪头为一体结构；每个阴极导电棒的各爪头通过支杆与主杆连接，主杆和支杆以及两者之间的连接部分共同构成导电爪。
上述结构中，当阴极槽内设有两对阴极导电棒时，同一对的两个阴极导电棒之间有至少3cm的间隙；阴极槽内的阴极导电棒的棒体和导电爪与阴极炭块侧壁之间有至少4cm的间隙。
上述结构中，同一排爪头中相邻两个爪头的间距与阴极炭块长度的比例为1:(3～20)；当爪头沿阴极炭块的轴向排成2排时，两排爪头的间距与阴极槽的宽度比例为1:(1.5～5)。
上述的导电体是采用碳质糊、TiB2粉或磷铁为原料，通过扎固、捣固或熔体浇铸的方式填充在爪头和凹槽之间的物料。
上述结构中，爪头和凹槽之间的距离在2～60mm，优选10～40mm。
上述结构中，当阴极槽内设有两对阴极导电棒时，同一对的两个阴极导电棒的棒体尾端与同一个电解槽外的阴极母线连接。
上述结构中，各爪头沿阴极炭块的轴线均匀分布。
上述结构中，凹槽的水平截面为圆形、方形、椭圆形或带有圆角的矩形。
上述结构中，阴极导电棒之间以及阴极导电棒和阴极炭块之间设置填充材料；阴极导电棒之间的填充材料的电阻率高于阴极导电棒，阴极导电棒和阴极炭块之间的填充材料的电阻率高于阴极炭块。
本发明的结构设计中各阴极导电棒的爪头可均匀分摊来自阴极炭块的电流，使得阴极炭块的电流分布更均匀，同时减少了铝液内的水平电流，因此铝液所受的电磁力很小，铝液/电解质熔体界面稳定性好，铝电解生产可获得较高的电流效率，也有利于通过降低极距来降低槽电压，最终实现铝电解能耗的大幅度降低。
附图说明
图1为本发明实施例1中降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构的半剖面结构示意图；
图2为图1的B-B向结构示意图；
图3为图1的A-A向结构示意图；
图4为图3中阴极炭块部分的剖面结构示意图；
图5为本发明实施例2中降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构的半剖面结构示意图；
图6为图5的B-B向结构示意图；
图7为图5的A-A向结构示意图；
图8为本发明实施例3中的导电爪结构示意图；
图9为图8的俯视图；
图10为本发明实施例4中的导电爪结构示意图；
图11为图10的俯视图；
图12为本发明实施例5中的导电爪结构示意图；
图13为图12的俯视图；
图中，1、阴极炭块，2、阴极导电棒Ⅰ(棒体)，3、阴极导电棒Ⅱ(棒体)，4、阴极导电棒(单个)，5、主杆，6、横杆，7、支杆，8、导电体，9、长槽，10、凹槽，11、爪头，12、二级横杆，13、二级主杆，14、贯通槽。
具体实施方式
本发明实施例中，阴极导电棒的棒体横截面为矩形。
本发明实施例中，插入凹槽内的部分为爪头。
本发明实施例中。主杆和支杆为圆柱状。
本发明实施例中，每个阴极炭块设有1～2个阴极槽，全部阴极导电棒分成2～8组，各组分别与槽外阴极母线相连。
本发明实施例中，阴极导电棒的材质为钢。
本发明中阴极槽的侧面与阴极炭块外侧壁的距离为5～300mm。
本发明中当阴极槽为两个对称的长槽时，两个长槽的间距为10～300mm。
本发明的阴极炭块为长方体，长Lc为1500～4500mm，宽Dc为350～800mm，高Hc为240～800mm。
本发明实施例中，凹槽深度为5～200mm。
下面结合实施例进一步说明本发明，而不用于限制本发明；以下为本发明优选实施例。
实施例1
降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构如图1所示，B-B向结构如图2所示，A-A向结构如图3所示，图3中阴极炭块部分的剖面结构如图4所示，包括阴极炭块(1)和阴极导电棒，阴极炭块外形为长方体，底面沿轴向设有阴极槽，阴极槽由两个同轴且对称的长槽(9)组成，阴极槽的顶面设有16个凹槽(10)；两对阴极导电棒分别位于两个长槽(9)内；
每对阴极导电棒由阴极导电棒Ⅰ(2)和阴极导电棒Ⅱ(3)组成；
每个阴极导电棒由棒体、导电爪和爪头(11)组成；棒体位于阴极槽内的一端为顶端，位于阴极槽外的一端为尾端；导电爪固定安装在棒体的顶端，每个导电爪上安装有4个爪头(11)，各爪头(11)分别位于阴极槽顶面的各凹槽(10)内，凹槽(10)与该凹槽(10)内的爪头(11)之间填充有导电体(8)；
每个阴极导电棒上的爪头(11)沿阴极炭块的轴向排成1排；两个阴极导电棒棒体的顶端位于阴极槽轴线的两侧；
阴极导电棒上的棒体、导电爪和爪头(11)为一体结构；各爪头(11)通过支杆(7)与主杆(5)连接，主杆(5)和支杆(7)以及两者之间的连接部分即横杆(6)共同构成导电爪；
同一对的两个阴极导电棒之间有至少8cm的间隙；阴极导电棒的棒体和导电爪与阴极炭块侧壁之间有至少5cm的间隙；
两排爪头的间距与阴极槽的宽度的比例为1:1.8；同一排爪头中相邻两个爪头的间距与阴极炭块长度的比例为1:9；
阴极炭块内的各爪头的顶面位于同一水平面上；
导电体是采用磷铁为原料，通过熔体浇铸的方式填充在爪头和凹槽之间的物料；
爪头和凹槽之间的距离20mm；
当阴极槽内设有两对阴极导电棒时，同一对的两个阴极导电棒的棒体尾端与同一个电解槽外的阴极母线连接；
各爪头沿阴极炭块的轴线均匀分布；
凹槽的水平截面为圆形；
经过实验和计算，上述结构可以显著地降低电解槽阴极铝液内的水平电流，提高铝电解槽的电流效率，并降低铝电解槽的电能消耗。
实施例2
降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构如图5所示，B-B向结构如图6所示，A-A向结构如图7所示，结构同实施例1，不同点在于：
(1)阴极槽为一个贯通槽(14)，阴极槽的顶面设有6个凹槽；两个阴极导电棒对称设置在一个贯通槽内；每个导电爪上安装有3个爪头(11)；每个阴极导电棒上的爪头沿阴极炭块的轴向排成1排；
(2)每个阴极导电棒的各爪头(11)通过支杆(7)与主杆(5)连接，主杆(5)和支杆(7)以及两者之间的连接部分即横杆(6)共同构成导电爪；
(3)相邻两个爪头的间距与阴极炭块长度的比例为1:7；
(4)导电体是采用碳质糊为原料，通过捣固的方式填充在爪头和凹槽之间的物料；
(5)爪头和凹槽之间的距离10mm；
(6)凹槽的水平截面为椭圆形；
经过实验和计算，上述结构可以显著地降低电解槽阴极铝液内的水平电流，提高铝电解槽的电流效率，并降低铝电解槽的电能消耗。
实施例3
降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构同实施例1，不同点在于：
(1)阴极槽为一个贯通槽；两个阴极导电棒对称设置于一个贯通槽内；每个导电爪上安装有8个爪头(11)；每个阴极导电棒上的爪头(11)沿阴极炭块的轴向排成2排；
(2)每个阴极导电棒的各爪头(11)通过支杆(7)与主杆(5)连接，支杆(7)位于X型二级横杆(12)的端部，二级横杆(12)的中部与横杆(6)的端部连接，横杆(6)的中部下方连接主杆(5)，主杆(5)、横杆(6)、二级横杆(12)和支杆(7)共同构成导电爪；阴极导电棒的结构如图8所示，俯视图如图9所示；
(3)两排爪头的间距与阴极槽的宽度的比例为1:4；同一排爪头中相邻两个爪头的间距与阴极炭块长度的比例为1:9；
(4)导电体是采用TiB2粉为原料，通过扎固的方式填充在爪头和凹槽之间的物料；
(5)爪头和凹槽之间的距离40mm；
经过实验和计算，上述结构可以显著地降低电解槽阴极铝液内的水平电流，提高铝电解槽的电流效率，并降低铝电解槽的电能消耗。
实施例4
降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构同实施例1，不同点在于：
(1)每个导电爪上安装有6个爪头(11)；每个阴极导电棒上的爪头(11)沿阴极炭块的轴向排成2排；
(2)每个阴极导电棒的各爪头(11)通过支杆(7)与主杆(5)连接，支杆(7)位于X型横杆(6)的端部，横杆(6)的中部下方连接主杆(5)，主杆(5)、横杆(6)和支杆(7)共同构成导电爪；阴极导电棒的结构如图10所示，俯视图如图11所示；
(3)爪头沿阴极炭块的轴向排成2排，两排爪头的间距与阴极槽的宽度比例为1:3；同一排爪头中相邻两个爪头的间距与阴极炭块长度的比例为1:12；
(4)爪头和凹槽之间的距离30mm；
经过实验和计算，上述结构可以显著地降低电解槽阴极铝液内的水平电流，提高铝电解槽的电流效率，并降低铝电解槽的电能消耗。
实施例5
降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构同实施例1，不同点在于：
(1)每个导电爪上安装有8个爪头(11)，爪头沿阴极炭块的轴向排成2排；
(2)每个阴极导电棒的各爪头(11)通过支杆(7)与主杆(5)连接，支杆(7)位于X型二级横杆(12)的端部，二级横杆(12)的中部与二级主杆(13)的顶端连接，二级主杆(13)的底部与横杆(6)的端部连接，横杆(6)的中部下方连接主杆(5)，主杆(5)、横杆(6)、二级主杆(13)、二级横杆(12)和支杆(7)共同构成导电爪；阴极导电棒的结构如图12所示，俯视图如图13所示；
(3)爪头沿阴极炭块的轴向排成2排，两排爪头的间距与阴极槽的宽度比例为1:4；同一排爪头中相邻两个爪头的间距与阴极炭块长度的比例为1:15；
经过实验和计算，上述结构可以显著地降低电解槽阴极铝液内的水平电流，提高铝电解槽的电流效率，并降低铝电解槽的电能消耗。
Claims (7)
1.一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构，包括阴极炭块和阴极导电棒，阴极炭块外形为长方体，底面沿轴向设有阴极槽，阴极槽为一个贯通槽或由两个同轴且对称的长槽组成，阴极槽的顶面设有若干凹槽；其特征在于：两个阴极导电棒或两对阴极导电棒位于一个贯通槽内，或者分别位于两个长槽内；每个阴极导电棒由棒体、导电爪和爪头组成；棒体位于阴极槽内的一端为顶端，位于阴极槽外的一端为尾端；导电爪固定安装在棒体的顶端，每个导电爪上安装有3个以上爪头，各爪头分别位于阴极槽顶面的各凹槽内，凹槽与该凹槽内的爪头之间填充有导电体；当一个阴极槽内有两对阴极导电棒时，每对阴极导电棒中的每个阴极导电棒上的爪头沿阴极炭块的轴向排成1排；当一个阴极槽内只有两个阴极导电棒时，每个阴极导电棒上的爪头沿阴极炭块的轴向排成1排或2排；其中每对阴极导电棒中的两个阴极导电棒棒体的顶端位于阴极槽轴线的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极导电棒上的棒体、导电爪和爪头为一体结构；每个阴极导电棒的各爪头通过支杆与主杆连接，主杆和支杆以及两者之间的连接部分共同构成导电爪。
3.根据权利要求1所述的一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构，其特征在于当阴极槽内设有两对阴极导电棒时，同一对的两个阴极导电棒之间有至少3cm的间隙；阴极槽内的阴极导电棒的棒体和导电爪与阴极炭块侧壁之间有至少4cm的间隙。
4.根据权利要求1所述的一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构，其特征在于同一排所述的爪头中相邻两个爪头的间距与阴极炭块长度的比例为1:(3～20)；当爪头沿阴极炭块的轴向排成2排时，两排爪头的间距与阴极槽的宽度的比例为1:(1.5～5)。
5.根据权利要求1所述的一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的导电体是采用碳质糊、TiB2粉或磷铁为原料，通过扎固、捣固或熔体浇铸的方式填充在爪头和凹槽之间的物料。
6.根据权利要求1所述的一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的爪头和凹槽之间的距离在2～60mm，优选10～40mm。。
7.根据权利要求1所述的一种降低水平电流改善电流分布的铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的凹槽的水平截面为圆形、方形、椭圆形或带有圆角的矩形。
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