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CN111809202B - 一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构 - Google Patents

一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构，包括嵌入至阴极炭块底部的阴极钢棒，阴极钢棒的一端靠近铝电解槽中心，阴极钢棒另一端延伸至超出阴极炭块对应侧侧面，阴极钢棒切出两道L型狭缝将阴极钢棒分为三部分，两道L型狭缝的竖直段上端位于阴极钢棒顶部，第一道L型狭缝的水平段端部、第二道L型狭缝的水平段端部分别延伸至阴极钢棒超出阴极炭块侧面的一端，每道L型狭缝中分别填充有绝缘材料。本发明大幅降低铝液层水平电流密度；仅调整阴极钢棒结构，保留传统阴极的其他构造。

Description

一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构
技术领域
本发明涉及铝电解设备领域，具体是一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构。
背景技术
上世纪以来，随着铝合金的广泛使用，铝的需求愈发扩大，大容量的铝电解槽逐渐成为实际生产的主力设备。霍尔-赫劳尔特电解炼铝法作为工业制铝最主要的方法，其实际电解过程发生在高温大电流的工况环境中，电流经由阳极母线输入阳极钢爪和阳极炭块后，流过高阻值的电解质和液态金属铝层，最后通过阴极炭块和阴极钢棒输出至阴极母线。
但铝电解槽整体结构中，电流趋于流经整体阻值最小的路径，因此铝电解槽阴极炭块以及阴极钢棒靠近电解槽壳的区域成为最优路径，电流趋于该路径进而发生方向偏转，导致水平电流分量的产生。水平电流与外加的垂直磁场作用产生电磁力，影响电解质和铝液在垂直方向上的波动；此外，电流聚集的区域产生焦耳热，与铝液冲蚀共同作用加速电解槽磨损，降低电解槽寿命。
因此，如何减小铝液中的水平电流成为电解铝的研究重点。当前针对铝电解槽水平电流的优化以调整阴极区域结构为主。有团队通过调整阴极炭块表面倾角降低铝液整体水平电流分布，或者调整阴极钢棒外形，间接达到降低水平电流的效果。
但针对阴极钢棒外形的调整往往需要同时修改阴极炭块与阴极钢棒尺寸参数，导致阴极钢棒结构应力或导电性的改变，而且阴极区域的大幅改进，对材料的属性和结构的稳定性都有要求。因此，如何保持传统阴极钢棒结构不变的前提下，优化调整出降低铝液水平电流的阴极钢棒结构很有意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构，在保持电解槽阴极炭块结构不变，仅改变阴极钢棒的铝电解槽阴极钢棒结构的基础上，实现大幅降低铝液水平电流密度。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构，包括设置于铝电解槽中并嵌入至阴极炭块底部的阴极钢棒，阴极钢棒的一端位于阴极炭块中靠近铝电解槽中心的位置，阴极钢棒另一端延伸至超出阴极炭块对应侧侧面，位于阴极炭块中的阴极钢棒部分顶面与阴极炭块相接触，其特征在于：所述阴极钢棒切出两道L型狭缝将阴极钢棒分为三部分，其中第一道L型狭缝的竖直段上端位于阴极钢棒顶部靠近铝电解槽中心位置，第二道L型狭缝的竖直段上端位于阴极钢棒顶部靠近零电位面的位置，第一道L型狭缝的水平段端部、第二道L型狭缝的水平段端部分别延伸至阴极钢棒超出阴极炭块侧面的一端，且第一道L型狭缝的水平段位于第二道L型狭缝的水平段下方，每道L型狭缝中分别填充有绝缘材料。
所述的一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：所述绝缘材料为碳化纤维/聚四氟乙烯生料带编织填料。
所述的一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：位于第二道L型狭缝水平段上方的阴极钢棒部分的厚度，小于第一道L型狭缝、第二道L型狭缝水平段之间的阴极钢棒部分的厚度；第一道L型狭缝、第二道L型狭缝水平段之间的阴极钢棒部分的厚度，小于第一道L型狭缝水平段下方的阴极钢棒部分的厚度。
所述的一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：第一道L型狭缝竖直段与阴极钢棒靠近铝电解槽中心的一端之间的阴极钢棒部分的长度，小于两道L型狭缝竖直段之间的阴极钢棒部分的长度；两道L型狭缝竖直段之间的阴极钢棒部分的长度，小于第二道L型狭缝竖直段与阴极钢棒超出阴极炭块侧面一端之间的阴极钢棒部分的长度。
本发明从降低铝液中水平电流密度，优化铝液到阴极区域的电流分布这一角度出发，保持铝电解槽的传统结构，提出仅仅改善阴极钢棒结构的设计方案：阴极钢棒可通过L型狭缝划分为三部分钢棒，三部分钢棒镶嵌排布，且相邻钢棒之间的L型狭缝分别填充有绝缘材料。
本发明的原理：
本发明的阴极钢棒结构改变了阴极钢棒区域的电阻分布，使靠近零电位区域的阴极钢棒部分电阻值大，靠近铝电解槽中心区域的阴极钢棒部分电阻值小，迫使中间区域的电流避开靠近铝电解槽槽壳的路径，趋于从两道L型狭缝竖直段之间的阴极钢棒部分垂直分布出电；靠近铝电解槽中心区域的阴极钢棒部分电阻值小，但其与阴极炭块接触面小，既保证了该区域的电流垂直分布，也避免铝液中间区域电流流经该层。
利用三部分阴极钢棒的设置，可以有效降低铝液中间区域电流向两侧区域扩散的情况，全面降低铝液水平电流。此阴极钢棒结构保持阴极区域的整体性，仅针对阴极钢棒进行调整，无需改善阴极炭块，加工简单且维修方便。
与现有其他技术相比，本发明的优点为：
本发明大幅降低铝液层水平电流密度；仅调整阴极钢棒结构，保留传统阴极的其他构造，因此结构稳定且导电性变化小；其次对阴极钢棒的分层设计有利于维修更换钢棒；不同层的阴极钢棒部分可以采用导电性稍有差异的材料，如上层钢棒电阻率大，下层钢棒电阻率小，进一步降低水平电流密度及电压降。
附图说明
图1是本发明实例中采用分层钢棒结构以及在各层钢棒狭缝内填充绝缘材料的阴极钢棒结构全剖示意图。
图2是本发明实例中采用分层钢棒结构以及在各层钢棒狭缝内填充绝缘材料的阴极钢棒结构右视示意图。
图3是本发明实例中采用分层钢棒结构以及在各层钢棒狭缝内填充绝缘材料的阴极钢棒结构立体示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图3所示，一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构，包括设置于铝电解槽中并嵌入至阴极炭块6底部的阴极钢棒，阴极钢棒的左端位于阴极炭块6中靠近铝电解槽中心的位置，阴极钢棒的右端延伸至超出阴极炭块6右侧面，位于阴极炭块6中的阴极钢棒部分顶面与阴极炭块6相接触，阴极钢棒切出两道L型狭缝将阴极钢棒6分为三部分1、2、3，其中第一道L型狭缝5的竖直段上端位于阴极钢棒6顶部靠近铝电解槽中心位置，第二道L型狭缝4的竖直段上端位于阴极钢棒6顶部靠近零电位面的位置，第一道L型狭缝5的水平段端部、第二道L型狭缝4的水平段端部分别延伸至阴极钢棒6右端，且第一道L型狭缝5的水平段位于第二道L型狭缝4的水平段下方，每道L型狭缝中分别填充有绝缘材料。
绝缘材料为碳化纤维/聚四氟乙烯生料带编织填料。本实施例中的绝缘材料是JB/T8560-2013标准的碳化纤维/聚四氟乙烯生料带编织填料，或者是JB/T6371-1992标准的碳化纤维/聚四氟乙烯生料带编织填料。
位于第二道L型狭缝4水平段上方的阴极钢棒部分3的厚度，小于第一道L型狭缝5、第二道L型狭缝4水平段之间的阴极钢棒部分2的厚度；第一道L型狭缝5、第二道L型狭缝4水平段之间的阴极钢棒部分2的厚度，小于第一道L型狭缝5水平段下方的阴极钢棒部分1的厚度。
第一道L型狭缝5竖直段与阴极钢棒靠近铝电解槽中心的左端之间的阴极钢棒部分1的长度，小于两道L型狭缝4、5竖直段之间的阴极钢棒部分2的长度；两道L型狭缝竖直段4、5之间的阴极钢棒部分2的长度，小于第二道L型狭缝4竖直段与阴极钢棒超出阴极炭块6侧面右端之间的阴极钢棒部分3的长度。
本实施中，阴极炭块6高度为400~500mm，在阴极钢棒中间设置一条厚度为5~10mm的第二道狭缝4，第二狭缝4内使用绝缘材料填充。三部分阴极钢棒中，左端靠近电解槽中心的阴极钢棒部分1的出电端竖直方向厚度为30~50mm，其上部与阴极炭块6接触面长度为100~200mm。阴极钢棒部分2的出电面厚度为30~40mm，其上部与阴极炭块6接触面长度为800~900mm。靠近出电端的阴极钢棒部分3的出电面厚度为20~30mm，其上部与阴极炭块6接触面长度为1100~1300mm。此阴极钢棒结构可以降低铝液中水平电流，削弱铝液的波动，使铝电解槽能够在低极距条件下稳定生产，降低吨铝能耗。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (3)

1.一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构，包括设置于铝电解槽中并嵌入至阴极炭块底部的阴极钢棒，阴极钢棒的一端位于阴极炭块中靠近铝电解槽中心的位置，阴极钢棒另一端延伸至超出阴极炭块对应侧侧面，位于阴极炭块中的阴极钢棒部分顶面与阴极炭块相接触，其特征在于：靠近零电位区域的阴极钢棒部分电阻值大，靠近铝电解槽中心区域的阴极钢棒部分电阻值小，所述阴极钢棒切出两道L型狭缝将阴极钢棒分为三部分，其中第一道L型狭缝的竖直段上端位于阴极钢棒顶部靠近铝电解槽中心位置，第二道L型狭缝的竖直段上端位于阴极钢棒顶部靠近零电位面的位置，第一道L型狭缝的水平段端部、第二道L型狭缝的水平段端部分别延伸至阴极钢棒超出阴极炭块侧面的一端，且第一道L型狭缝的水平段位于第二道L型狭缝的水平段下方，每道L型狭缝中分别填充有绝缘材料；第一道L型狭缝竖直段与阴极钢棒靠近铝电解槽中心的一端之间的阴极钢棒部分的长度，小于两道L型狭缝竖直段之间的阴极钢棒部分的长度；两道L型狭缝竖直段之间的阴极钢棒部分的长度，小于第二道L型狭缝竖直段与阴极钢棒超出阴极炭块侧面一端之间的阴极钢棒部分的长度。
2.根据权利要求1所述的一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：所述绝缘材料为碳化纤维/聚四氟乙烯生料带编织填料。
3.根据权利要求1所述的一种降低铝电解槽中铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：位于第二道L型狭缝水平段上方的阴极钢棒部分的厚度，小于第一道L型狭缝、第二道L型狭缝水平段之间的阴极钢棒部分的厚度；第一道L型狭缝、第二道L型狭缝水平段之间的阴极钢棒部分的厚度，小于第一道L型狭缝水平段下方的阴极钢棒部分的厚度。
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