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CN109763145A - 一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构 - Google Patents

一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构 Download PDF

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CN109763145A CN201910170978.5A CN201910170978A CN109763145A CN 109763145 A CN109763145 A CN 109763145A CN 201910170978 A CN201910170978 A CN 201910170978A CN 109763145 A CN109763145 A CN 109763145A
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章凯羽
张子剑
江娜
王纯贤
吴喆
刘婷
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Hefei University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,包括设于铝电解槽中的阴极炭块,阴极炭块两对称侧分别设有狭缝,每个狭缝中分别填充有绝缘材料,阴极炭块底部设有阴极电极部,阴极电极部分为远离电解槽中心和靠近电解槽中心的两段,远离电解槽中心的一段阴极电极部为阴极钢棒,靠近电解槽中心的另一段阴极电极部为另一种导电材料制成,靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部设为多级阶梯面。本发明阴极结构可以促使电流比较垂直且均匀的从铝液进入阴极炭块,全面显著的减小铝液中的水平电流,降低阴极压降,从而削弱铝液的波动,提高了电解槽生产的稳定性,减少了吨铝能耗。

Description

一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构
技术领域
本发明涉及铝电解装置领域,具体是一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构。
背景技术
目前,工业铝生产采用Hall-Héroult铝电解工艺,且朝着铝电解槽大型化发展。在铝电解槽中,电流依次经过阳极炭块和熔融的电解质,铝液和阴极炭块,再通过阴极钢棒后从电解槽的两侧流出,汇集导入阴极母线中。这种传统的铝电解槽阴极结构的缺点是:由于电流总是流经电阻最小的路径,因此靠近电解槽外部的阴极炭块和钢棒负载了大部分电流,使得电流不能垂直的进入铝液,因而使铝液中产生非常大的水平电流。该水平电流与磁场共同作用,产生的电磁力会引起铝液的波动,导致电解槽生产不稳定,增加能耗。另外,铝液中水平电流分布沿阴极炭块的长度方向分布不均匀,使得阴极炭块的两侧端部处电流密度最大,会降低电解槽的寿命,不利于电解槽的保护。
目前,现有技术减弱铝电解槽水平电流的方法主要是在对阴极炭块或者对阴极钢棒的改进。这从单一方面改变阴极的局部特征,可以优化局部电阻分布,从而在一定程度上达到减少铝液中局部水平电流的效果,但其对水平电流的削弱能力还需进一步提高。
发明内容 本发明的目的是提供一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,以解决现有技术铝电解槽中阴极结构对水平电流削弱能力有限的问题。
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水平电流的阴极结构,包括设于铝电解槽中的阴极炭块,其特征在于:阴极炭块两对称侧分别设有狭缝,每个狭缝中分别填充有绝缘材料,阴极炭块底部设有至少一个用于连接阴极母线的阴极电极部,所述阴极电极部分为远离电解槽中心和靠近电解槽中心的两段,其中远离电解槽中心的一段阴极电极部为钢材料制成的阴极钢棒,靠近电解槽中心的另一段阴极电极部为另一种导电材料制成,阴极电极部的两段连接为一体,且靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部设为多级阶梯面,对应多级阶梯面位置的阴极炭块底部设计为多级阶梯槽,该多级阶梯槽与多级阶梯面形状匹配并用于容纳多级阶梯面。
所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:所述的绝缘材料为耐火砖、碳化硅、高温水泥中的任意一种组成。
所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:所述的导电材料为电导率大于阴极炭块电导率的材料。
所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部的多级阶梯面中,阶梯级数为3个或4个。
所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部的多级阶梯面中,每个阶梯的凸出拐角处的直角可加工为圆角或分段斜坡。
所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:所述阴极电极部中的两段之间用连接扎糊连接。
所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:所述阴极炭块底部与整个阴极电极部浇铸或扎固为一体,扎固时采用扎糊连接阴极炭块和整个阴极电极部。
本发明在阴极炭块两侧端部各设置一条狭缝,狭缝内用绝缘材料填充。阴极炭块下部浇铸或扎固阴极钢棒,其中每根钢棒靠近电解槽中心的部分用另一种导电材料替换。并使用连接扎糊连接阴极炭块、阴极钢棒和导电材料。此阴极结构可以改变电流从铝液进入到阴极炭块的路径,大幅度的降低铝液中的水平电流,优化铝液中的电流分布,降低阴极电压降,削弱铝液的波动,减小能耗,提高电解槽生产的稳定性。
本发明能够进一步减少铝液中水平电流,优化整体电流分布的目标出发,提出综合改善阴极炭块和钢棒的结构的新设计:使用另一种导电材料替换靠近电解槽中心的部分钢棒,并且在阴极炭块侧部各设置一条狭缝,狭缝内用绝缘材料填充。
与现有技术相比,本发明的优点为:
本发明综合改善阴极炭块和钢棒的整体结构:使用了截面为阶梯状的导电材料替换每根钢棒靠近电解槽中心的部分,并且在阴极炭块侧部设置狭缝,狭缝内填充绝缘材料。此阴极结构可以促使电流比较垂直且均匀的从铝液进入阴极炭块,全面显著的减小铝液中的水平电流,降低阴极压降,从而削弱铝液的波动,提高了电解槽生产的稳定性;减少了吨铝能耗,具有良好的节能效果;应用本发明不需要对现有电解槽结构进行太大改变,加工简单,价格低廉。
附图说明
图1是本发明第一实例中采用三段阶梯式导电材料以及在阴极炭块端部狭缝内填充绝缘材料的阴极结构示意图。
图2是本发明第二实例中采用四段阶梯式导电材料以及在阴极炭块端部狭缝内填充绝缘材料的阴极结构示意图。
图3是本发明第三实施例中三段阶梯式导电材料的阶梯凸出拐角处采用圆角的阴极结构示意图。
图4是本发明第三实施例中三段阶梯式导电材料的阶梯凸出拐角处采用分段斜坡式的阴极结构示意图。
图5为传统铝电解槽中阴极结构产生的电流路径示意图。
图6为本发明铝电解槽中阴极结构产生的电流路径示意图。
图中标号:1-阴极炭块;2-狭缝;3-绝缘材料;4-扎糊;5-阴极钢棒;6-导电材料;7-圆角;8-分段斜坡;9-阳极炭块;10-熔融电解质;11-铝液。
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4所示,一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,包括设于铝电解槽中的阴极炭块1,阴极炭块1两对称侧分别设有狭缝2,每个狭缝2中分别填充有绝缘材料3,阴极炭块1底部设有至少一个用于连接阴极母线的阴极电极部,阴极电极部分为远离电解槽中心和靠近电解槽中心的两段,其中远离电解槽中心的一段阴极电极部为钢材料制成的阴极钢棒5,靠近电解槽中心的另一段阴极电极部为另一种导电材料6制成,阴极电极部的两段连接为一体,且靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部设为多级阶梯面,对应多级阶梯面位置的阴极炭块1底部设计为多级阶梯槽,该多级阶梯槽与多级阶梯面形状匹配并用于容纳多级阶梯面。
绝缘材料3为耐火砖、碳化硅、高温水泥中的任意一种组成。
导电材料6为电导率大于阴极炭块电导率的材料。
本发明中,导电材料6优选铜锆合金或铬铜合金,其中铜锆合金的电导率为46MS/m,铬铜合金的电导率为43MS/m,因此均大于阴极炭块电导率。
靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部的多级阶梯面中,阶梯级数为3个或4个。
靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部的多级阶梯面中,每个阶梯的凸出拐角处的直角可加工为圆角7或分段斜坡8。
阴极电极部中的两段之间用连接扎糊连接。
阴极炭块1底部与整个阴极电极部浇铸或扎固为一体,扎固时采用扎糊4连接阴极炭块1和整个阴极电极部。
实施例1:
图1为本发明所采用的三段阶梯式导电材料以及在阴极炭块两侧端部狭缝内填充绝缘材料的阴极结构示意图。
如图1所示,阴极结构包括阴极炭块1,狭缝2内填充的绝缘材料3,连接扎糊4,阴极钢棒5和导电材料6。本实施例中,阴极炭块1的高度为400~600mm,在阴极炭块1两侧端部各设置一条长度为100~200mm,高度为5~20mm的狭缝2,狭缝2上表面距离阴极炭块1上表面为100~150mm,狭缝2内使用绝缘材料3填充。在阴极炭块1下部浇铸或扎固阴极钢棒5,所述阴极钢棒5的一侧伸出阴极炭块1,伸出长度为300~450mm,高度为120~180mm。每根钢棒靠近电解槽中心的部分用另一种导电材料6替换。导电材料6的总高为240~360mm,其截面呈阶梯状:每段阶梯的长度为280~320mm,单个阶梯高度为40~60mm。使用连接扎糊3连接阴极炭块1、阴极钢棒5和导电材料6。此阴极结构可以全面显著的减少铝液中水平电流,削弱铝液的波动,使电解槽能够在低极距条件下稳定生产,降低吨铝能耗。
实施例2:
图2为本发明所采用的四段阶梯式导电材料以及在阴极炭块两侧端部狭缝内填充绝缘材料的阴极结构示意图。
如图2所示,阴极结构包括阴极炭块1,狭缝2内填充的绝缘材料3,连接扎糊4,阴极钢棒5和导电材料6。本实施例中,阴极炭块1的高度为400~600mm,在阴极炭块1两侧端部各设置一长度为100~200mm,高度为5~20mm的狭缝2,狭缝2上表面距离阴极炭块1上表面为100~150mm,狭缝2内使用绝缘材料3填充。在阴极炭块1下部浇铸或扎固阴极钢棒5,所述阴极钢棒5一侧伸出阴极炭块1,伸出长度为300~450mm,高度为120~180mm。每根钢棒靠近电解槽中心的部分用另一种导电材料6替换。导电材料6的总高为240~360mm,其截面呈阶梯状:每段阶梯的长度为210~240mm,单个阶梯高度为30~45mm。使用连接扎糊3连接阴极炭块1、阴极钢棒5和导电材料6。这种阴极结构促使电流比较垂直且均匀的从铝液进入阴极炭块中,显著的降低了铝液中的水平电流。
实施例3:
如图3所示,为本发明所采用在三段阶梯式导电材料的阶梯凸出拐角处采用圆角的阴极结构示意图。图4为三段阶梯式导电材料的阶梯凸出拐角处采用分段斜坡式的阴极结构示意图。
本实施例中,阴极炭块1的高度为400~600mm,在阴极炭块1两侧端部各设置一条长度为100~200mm,高度为5~20mm的狭缝2,狭缝2上表面距离阴极炭块1上表面为100~150mm,狭缝2内使用绝缘材料3填充。在阴极炭块1下部浇铸或扎固阴极钢棒5,所述阴极钢棒5一侧伸出阴极炭块1,伸出长度为300~450mm,高度为120~180mm。每根钢棒靠近电解槽中心的部分用另一种导电材料6替换。导电材料6的总高为240~360mm,其截面呈阶梯状,每段阶梯的长度为280~320mm,单个阶梯高度为40~60mm。其中图3导电材料6的阶梯凸出拐角使用的圆角7半径大小为45~55mm。图4导电材料6的阶梯凸出拐角使用分段斜坡8的斜面长为60~150mm,坡角为25~45°。使用连接扎糊3连接阴极炭块1、阴极钢棒5和导电材料6。
图5为传统铝电解槽中阴极结构产生的电流路径示意图。图6为本发明铝电解槽中阴极结构产生的电流路径示意图。从电流路径示意图可以看出,本发明的阴极结构中使用截面呈阶梯状的导电材料增大了阴极炭块中部的电导率,同时在阴极炭块侧部设置的狭缝内填充绝缘材料,增大了阴极炭块两侧端部电阻,优化了阴极整体的电阻分布,促使电流在电解液和铝液中的分布较垂直且均匀,达到了减少铝液中水平电流的目的。

Claims (7)

1.一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,包括设于铝电解槽中的阴极炭块,其特征在于:阴极炭块两对称侧分别设有狭缝,每个狭缝中分别填充有绝缘材料,阴极炭块底部设有至少一个用于连接阴极母线的阴极电极部,所述阴极电极部分为远离电解槽中心和靠近电解槽中心的两段,其中远离电解槽中心的一段阴极电极部为钢材料制成的阴极钢棒,靠近电解槽中心的另一段阴极电极部为另一种导电材料制成,阴极电极部的两段连接为一体,且靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部设为多级阶梯面,对应多级阶梯面位置的阴极炭块底部设计为多级阶梯槽,该多级阶梯槽与多级阶梯面形状匹配并用于容纳多级阶梯面。
2.根据权利要求1所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:所述的绝缘材料为耐火砖、碳化硅、高温水泥中的任意一种组成。
3.根据权利要求1所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:所述的导电材料为电导率大于阴极炭块电导率的材料。
4.根据权利要求1所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部的多级阶梯面中,阶梯级数为3个或4个。
5.根据权利要求1所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部的多级阶梯面中,每个阶梯的凸出拐角处的直角可加工为圆角或分段斜坡。
6.根据权利要求1所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:所述阴极电极部中的两段之间用连接扎糊连接。
7.根据权利要求1所述的一种降低铝电解槽中水平电流的阴极结构,其特征在于:所述阴极炭块底部与整个阴极电极部浇铸或扎固为一体,扎固时采用扎糊连接阴极炭块和整个阴极电极部。
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