專利名稱：組合的陰極集流桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了用于Hall-Heroult鋁還原槽的陰極組件。這種陰極組件包括一個陰極塊，一個集流桿配合在陰極塊中。尤其是，本發(fā)明涉及了具有多件集流桿的陰極組件。
一般在已確立的Hall-Heroult設(shè)計的電解槽中通過一個熔化過程來生產(chǎn)鋁。稱為熔槽和如

圖1所示的常規(guī)Hall-Heroult電解槽包括一個槽C，它確定了一個容納碳質(zhì)陽極A的空腔H。陽極A懸掛在包含氧化鋁和其他材料的電解液池B中。通過陽極桿組件R把電流供應(yīng)到陰極A，提供電子源把氧化鋁還原成鋁，鋁堆積成熔化的鋁墊層P。熔化鋁墊層P形成一個液態(tài)金屬陰極。一個陰極組件CA，如在從它下側(cè)看的圖2中詳細(xì)表示，定位在空腔H底部并且成為槽C的陰極部分。陰極組件CA包括一個碳質(zhì)陰極塊CB，它具有支持熔化鋁墊層P的上表面和確定了在陰極塊CB兩端之間延伸的凹槽S的下表面。通常由熱軋或鑄造低碳鋼形成的一個集流桿BA容納在凹槽S內(nèi)，并且用一層如鑄鐵、碳質(zhì)膠、搗實碳質(zhì)膏之類的導(dǎo)電材料CM，固定在凹槽S中。導(dǎo)電材料層CM沿著凹槽S的整個長度設(shè)在集流桿BA和陰極塊CB之間。集流桿BA比陰極塊CB長，伸出在空腔H之外。集流桿BA的露出端通過一條母線(圖中未示)以常規(guī)方式與電源連接來接通電路。陰極組件CA可以包括一對對著的集流桿BA，如圖2所示，它們被填充集流桿BA之間間隙的填充材料F隔開。填充材料F可以是可擠壓材料或者通常稱為接縫混合物或搗實膏的一片碳膏或碳質(zhì)膏(無煙煤或石墨以及無煙煤和瀝青結(jié)合劑的未焙燒混合物)，或者它們的組合。
這些電解槽通常在高溫(約940到980℃)下工作，如果與電解液的腐蝕性質(zhì)結(jié)合，將造成一個嚴(yán)酷的環(huán)境。集流桿一般由熱軋或鑄造低碳鋼形成。低碳鋼與鋁相比具有較差的導(dǎo)電率，但具有高熔點和較低成本。陰極塊歷來由無煙煤和瀝青結(jié)合劑的混合物形成，具有較高的電阻率、高的鈉脹性、低的抗熱沖擊性和高的耐磨性。因為鋁制造者追求增加生產(chǎn)率，已經(jīng)增加了這種電解槽的工作電流強度；因而增加了在熔化過程中降低功率損失的需求。在降低電阻率的努力中，已經(jīng)用石墨替代了陰極塊中某些無煙煤，但伴隨著損失了耐磨性，增加了磨蝕率和提高了成本。另外，高石墨含量的陰極塊和承受石墨化過程的陰極塊沿著陰極塊長度方向受到不均勻的陰極電流分布，以及高的局部磨蝕率。
通過一個物體的電流自然流入最小電阻的路徑。在Hall-Heroult槽的情形中，可以認(rèn)為是通過陰極塊CB的外面三分之一。在圖1中的線D描繪了通過陰極塊CB電流的不均勻分布，以及通過陰極塊CB外面三分之一的電流高度集中。陰極CB中電流高度集中造成了該部分陰極塊CB中局部磨蝕率增加。
因此，需要一個裝置和方法來改進(jìn)Hall-Heroult電解槽的陰極塊中的電流分布，它容許高石墨含量和石墨化的陰極塊以改進(jìn)的熔槽預(yù)期壽命在高電流強度下工作。
本發(fā)明的陰極組件滿足了這個需求，它被設(shè)計用于生產(chǎn)鋁的Hall-Heroult電解槽。槽包括一個確定了一個空腔的外殼、一個容納在空腔中的陽極，以及位于外殼之外并與陰極組件連接的一條母線。
本發(fā)明的陰極組件包括一個在空腔中位于陽極之下的陰極塊，陰極塊確定了至少兩個第一凹槽和至少一個第二凹槽。第一和第二凹槽從陰極塊外端延伸到陰極塊的內(nèi)部。一個主集流桿容納在每個第一凹槽中，并且具有與陰極塊電連接的主對接面。一個次集流桿容納在第二凹槽中，并且具有與陰極塊電連接的次對接面。兩個主對接面組合的尺寸大于(具有較大表面積)次對接面。最好是，每個主對接面大于次對接面。更好是，主集流桿的截面積大于次集流桿的截面積，并且每個主集流桿的寬度大于其高度。主對接面包括一個與陰極塊電連接的主集流桿外表面的一個連接部分，而主集流桿外表面的一個不連接部分與陰極塊不作電連接。次對接面包括一個次集流桿的外表面，它基本上沿著容納在第二凹槽中的次集流桿部分的全長延伸。此時，電流可以從陰極塊通到整個次集流桿，但電流只可以從陰極塊通到在陰極塊內(nèi)部的主集流桿上。
沿著靠近陰極塊內(nèi)部的主集流桿外表面和沿著容納在第二凹槽中次集流桿的基本上整個外表面包括了一層導(dǎo)電材料，最好地達(dá)到了這種設(shè)置。導(dǎo)電材料可以是鑄鐵、碳質(zhì)膠或搗實碳質(zhì)膏之類。最好是，主集流桿外表面的連接部分在陰極塊內(nèi)部和一個與陰極塊外端相隔開的位置之間延伸。更好是，連接部分沿著第一凹槽的約三分之二長度延伸。
本發(fā)明的陰極組件特別有用于在一個槽中生產(chǎn)鋁，槽具有一個空腔，包含一個電解池和一個懸掛在池中的陽極，其中通過陰極組件的電流分布是均勻的。按照本發(fā)明生產(chǎn)鋁的方法包括如下步驟(a)在空腔中陽極之下提供一個陰極組件，陰極組件具有(1)一個陰極塊，確定了至少兩個第一凹槽和至少一個第二凹槽，第一和第二凹槽從陰極塊一個外端延伸到陰極塊的內(nèi)部，(2)至少兩個主集流桿，每個主集流桿容納在一個第一凹槽中，并且具有與陰極塊電連接的主對接面，以及(3)至少一個次集流桿，容納在第二凹槽中并且具有與陰極塊電連接的次對接面，其中主對接面的組合大于次對接面；以及(b)把來自陽極的電流通到陰極組件，由此相對于通到次集流桿的電流量，控制了通到主集流桿的電流量。
把來自陽極的電流通到靠近陰極塊內(nèi)部的主集流桿外表面的僅有連接部分，以及通到次集流桿的基本上所有外表面，可以達(dá)到均勻的電流分布。這個方法還包括如下步驟把次集流桿的基本上所有外表面電連接到陰極塊，以及把主集流桿外表面的連接部分電連接到陰極塊。此時，防止電流從陰極塊通到靠近陰極塊外端的主集流桿外表面。
根據(jù)以下結(jié)合附圖的描述，可以得到對本發(fā)明的全面理解，其中相同的編號表示相同的部分。
圖1是先前技術(shù)的鋁電解還原槽一部分的剖視圖，采用具有集流桿的常規(guī)陰極塊；
圖2是圖1所示陰極塊和集流桿下側(cè)的平面視圖；圖3是按照本發(fā)明的陰極組件下側(cè)透視圖，具有一個陰極塊和多件集流桿；圖4是圖3所示陰極組件的平面視圖；圖5是圖3所示陰極塊的透視圖；圖6是取自線6-6的圖4所示陰極組件的剖視圖；圖7是取自線7-7的圖4所示陰極組件的剖視圖；圖8是按照本發(fā)明陰極組件的第二實施例的透視圖；圖9是按照本發(fā)明陰極組件的第三實施例的透視圖；圖10是按照本發(fā)明陰極組件的第四實施例的透視圖；圖11是取自線11-11的圖10所示陰極組件的剖視圖；圖12是取自線12-12的圖11所示陰極組件的剖視圖；以及圖13是取自線13-13的圖11所示陰極組件的剖視圖。
為了以下的描述，名詞“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“冰平”、“頂”、“底”及其派生詞是指本發(fā)明在附圖中的方位。但是，可以理解到，本發(fā)明可以設(shè)想各種可替代的變化和步驟的順序，除非特意作相反規(guī)定。也可以理解到，在附圖中表明的，以及在以下說明書中描述的具體裝置和過程僅是本發(fā)明實施舉例。因此，與這里公布的實施例有關(guān)的具體尺寸和其他物理特征不作為限制。
如圖3所示，本發(fā)明的陰極組件2設(shè)想用于生產(chǎn)鋁的Hall-Heroult電解槽，包括一個陰極塊4和一個多件集流桿組件6。為了描述方便，圖3-7表示了從陰極組件2的下側(cè)看的本發(fā)明陰極組件及其各部分。
在圖5所示的實施例中，陰極塊4確定了至少兩個在陰極塊4兩個外端之間延伸的第一凹槽8和至少一個，最好是兩個第二凹槽10，它在陰極塊4的一個外端和陰極塊4的內(nèi)部之間延伸。如圖3和4所示，一個主集流桿12容納在每個第一凹槽8中，一個次集流桿14容納在每個第二凹槽10中。每個多件集流桿組件6包括兩個主集流桿12和一個次集流桿14。主、次集流桿12和14伸出陰極塊4之外，每個具有一個與公共件16連接的露出端，公共件16再以常規(guī)方式與一條母線連接。在使用中，主、次集流桿12和14的露出端以及公共件16均位于電解槽的空腔之外，以常規(guī)方式通過一條母線(圖中未示)連接到電源。
每個主集流桿12具有一個電連接到陰極塊4的主對接面，次集流桿14具有一個電連接到陰極塊4的次對接面?？捎靡韵旅枋龅母鞣N機理達(dá)到電連接。各主對接面組合一起的尺寸大于次對接面。此時，在所有主集流桿12和陰極塊4之間達(dá)到的電接觸表面積大于在次集流桿14和陰極塊4之間達(dá)到的表面積。
達(dá)到組合主對接面和次對接面的這種尺寸關(guān)系的一個優(yōu)選方式如圖4，6和7所示，其中主集流桿12大于次集流桿14。由此意味著主集流桿12的截面積和/或長度大于次集流桿14。更好地，每個主集流桿12具有的截面積至少與次集流桿14的截面積一樣大，容納在凹槽8中的主集流桿12部分比容納在凹槽10中的次集流桿14部分長。
主、次集流桿12和14的截面積小于相應(yīng)的第一、第二凹槽8和10的截面積。為了把主、次集流桿12和14固定在第一、第二凹槽8和10內(nèi)，一層導(dǎo)電材料18位于每個主集流桿12和陰極塊4之間，以及次集流桿14和陰極塊4之間。在該實施例中，層18構(gòu)成了主集流桿12和陰極塊4之間電連接的主對接面以及次集流桿14和陰極塊4之間的次對接面。導(dǎo)電層18最好由鑄鐵、碳質(zhì)膠或搗實碳質(zhì)膏形成，并且把陰極塊4電連接到主、次集流桿12和14。但是，只有主集流桿12的連接部分20通過導(dǎo)電層18固定到陰極塊4，并與之電連接。
如圖3所示，連接部分20最好延伸在靠近陰極塊4中心的主集流桿12一端和一個編號為22的位置(在陰極塊4中心和陰極塊4一端之間)之間。選擇位置22來使電流沿陰極塊4長度均勻化。當(dāng)連接部分20延伸到主集流桿12長度的一半左右時，位置22在從陰極塊4中心沿第一凹槽8約三分之二距離上。參照圖4，與陰極塊4電斷開的主集流桿12的非電連接部分24通過在非電連接部分24和陰極塊4之間的一層絕緣材料26與陰極塊4絕緣。絕緣材料可以是耐火泥漿或纖維絕緣氈，或者其他合適的不導(dǎo)電材料。最好是，沿著垂直于陰極塊4縱軸的方向，電連接部分20的一端對準(zhǔn)次集流桿14的一端。次集流桿14基本上完全與導(dǎo)電材料層18固定；雖然緊靠陰極塊4一端的次集流桿14部分可以通過導(dǎo)電材料不固定到陰極塊4。
可以相信，如果從陰極塊4到多件集流桿6的電連接在陰極塊4兩端為最小，則將迫使電流比常規(guī)陰極組件更均勻地沿陰極塊4長度方向散布。由于選擇主集流桿12和陰極塊4之間的主對接面組合大于在次集流桿14和陰極塊4之間的次對接面，本發(fā)明達(dá)到了這個目的。更多的電流將自然地流到比次對接面大的組合主對接面。由于防止電流通過陰極塊4的外端到主集流桿12，但容許電流通過陰極塊4外端到次集流桿14，盡量減小了通過陰極塊4外端的電流量。因此，選擇容納在第一、第二凹槽8和10的主、次集流桿12和14的每一個截面積和長度，以及主、次對接面的相對尺寸來提供通過陰極組件2的均勻電流分布。由于采用比主集流桿12截面積小的次集流桿14截面積，盡管存在次集流桿14，陰極組件2端部的電流負(fù)載可以最小。此時，不是所有的電流均不通過陰極塊4的外端。在陰極組件2外端上，容許一個受控的電流量通過次集流桿14流經(jīng)陰極塊4，以便均勻了沿陰極塊4長度上的電流分布。
在本發(fā)明的一個實施例中，最好如圖6和7所示，主集流桿12的寬度比高度大。在該實施例中，本發(fā)明的主集流桿12約150mm寬和約120mm高，次集流桿14約80mm寬和約120mm高。盡量小的主、次集流桿12和14的高度容許在集流桿12和14之上的陰極塊4的可用部分變厚(變高)，相應(yīng)延長了陰極塊4的磨耗壽命。這些尺寸僅是舉例；本發(fā)明包含了陰極組件2的其他尺寸。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，較寬的主集流桿(如上所述)需要陰極塊4具有環(huán)繞凹槽8和10的較薄部分，特別是在陰極塊4的外縱向邊。這些薄邊可能易于開裂，因而在某些環(huán)境下主、次集流桿12和14的其他尺寸可能更適合。
圖3和4所示實施例包括本發(fā)明的一個陰極塊4，確定了兩個平行隔開的第一凹槽8和一個位于第一凹槽8之間在陰極塊4每一端的第二凹槽10。這種設(shè)置容許采用一個對著的成對多件集流桿組件6。每個凹槽8容納一對主集流桿12。在單個第一凹槽8中的兩個主集流桿12通過常規(guī)的填充材料30保持隔開，如上所述。這并不意味著有限制，因為本發(fā)明的陰極組件包括其他設(shè)置。
例如，在圖8所示的本發(fā)明第二實施例中，一個陰極組件102包括了沿著陰極塊4全長上延伸的主集流桿112?；蛘呤?，可以采用同樣沿著陰極塊全長延伸的單個次集流桿(圖中未示)。
在圖9所示的第三實施例中，一個陰極組件202包括一個由塊204a、204b形成的分開的陰極塊，在陰極塊之間有一層接縫混合物或搗實膏230。分開陰極塊204a、204b的每一個容納一對主集流桿12和一個次集流桿14。填充材料30位于兩個主集流桿12端部之間以及層230和每個陰極塊204a、204b中的主集流桿12之間。另外，在上述的每個實施例中，把集流桿連接到陰極塊的導(dǎo)電材料也可以沿著凹槽長度位于隔開的位置上。
上述每個實施例利用了位于陰極塊和主、次集流桿之間的某類導(dǎo)電材料。在本發(fā)明的第四實施例中，也可以避免在陰極塊凹槽中采用導(dǎo)電材料，把主集流桿的連接部分和基本上所有次集流桿配合在凹槽內(nèi)。該第四實施例的陰極組件302表示在圖10-13中。陰極組件302包括一個陰極塊304，凹槽被確定在其中成為孔308、310。最好是，每個孔308、310具有圓截面。主集流桿312容納在每個孔308內(nèi)，次集流桿314容納在每個孔310中。主、次集流桿312和314最好也為圓截面。相似于前三個實施例，每個主集流桿312包括一個連接部分322和一個不連接部分324。使連接部分322的尺寸配合在孔308內(nèi)，由此把連接部分電連接到陰極塊304。在使用時加熱陰極組件302，主集流桿312膨脹，保證沿著連接部分322與陰極塊304電接觸?？?08包括一個放大的直徑部分，造成了間隙326。間隙326的尺寸使得在不連接部分324和陰極塊304之間沒有電接觸?；旧纤写渭鳁U314配合在孔310內(nèi)，同樣在使用時膨脹，保證與陰極塊304電連接。對于本發(fā)明的其他實施例，采用不同幾何形狀的孔和集流桿，以及采用如上述的分開陰極塊或全長主集流桿，也可以修改陰極組件302。
對于熟悉該技術(shù)的人員易于理解到，對本發(fā)明可以作出修改而不偏離以上描述中公布的概念。這種修改應(yīng)該認(rèn)為包括在以下權(quán)利要求中，除非權(quán)利要求用其語言特意地另作說明。因此，這里詳細(xì)描述的特定實施例僅為示例性，并不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明范圍給出所附權(quán)利要求及其任何和所有相當(dāng)內(nèi)容的整個廣度。
權(quán)利要求
1.在一個生產(chǎn)鋁的電解槽中，槽包括一個確定了空腔的外殼和一個容納在空腔中的陽極，改進(jìn)包括一個在空腔中位于陽極之下的陰極塊，陰極塊確定了至少兩個第一凹槽和至少一個第二凹槽；至少兩個主集流桿，每個主集流桿容納在一個上述第一凹槽中，并且具有與上述陰極塊電連接的主對接面；以及至少一個次集流桿，容納在上述第二凹槽中并且具有與上述陰極塊電連接的次對接面，其中上述至少兩個主對接面的組合大于上述次對接面。
2.權(quán)利要求1中申請的電解槽，其中上述主對接面包括上述主集流桿外表面的一個連接部分，上述連接部分與上述陰極塊電連接，使得在電解槽工作時電流可以從上述陰極塊通到上述連接部分，以及其中上述主集流桿外表面的一個不連接部分與上述陰極塊電斷開。
3.權(quán)利要求2中申請的電解槽，其中上述主集流桿外表面的上述連接部分靠近上述陰極塊的一個內(nèi)部，上述主集流桿外表面的上述不連接部分靠近上述陰極塊的一個外端。
4.權(quán)利要求2中申請的電解槽，其中上述次對接面包括上述次集流桿的外表面，基本上沿著上述第二凹槽延伸，并且電連接到上述陰極塊。
5.權(quán)利要求4中申請的電解槽，還包括一層位于上述主集流桿外表面的上述連接部分上的導(dǎo)電材料，以及一層位于上述第二集流桿外表面上的導(dǎo)電材料。
6.權(quán)利要求5中申請的電解槽，還包括一個設(shè)在上述每個第一凹槽中的不導(dǎo)電填充材料，沿著上述主集流桿外表面的不連接部分。
7.權(quán)利要求2中申請的電解槽，其中上述連接部分沿著上述第一凹槽的約三分之二長度延伸。
8.權(quán)利要求1中申請的電解槽，其中上述第二集流桿位于上述主集流桿之間。
9.一個為用于生產(chǎn)鋁的Hall-Heroult電解槽而構(gòu)成的陰極組件，上述組件包括一個確定了至少兩個第一凹槽和至少一個第二凹槽的陰極塊；至少兩個主集流桿，每個主集流桿容納在一個上述一個第一凹槽中，并且具有與上述陰極塊電連接的主對接面；以及至少一個次集流桿，容納在上述第二凹槽中并且具有與上述陰極塊電連接的次對接面，其中上述至少兩個主對接面的組合大于上述次對接面。
10.權(quán)利要求9中申請的陰極組件，其中上述第一和第二凹槽確定在上述陰極塊的一個下表面中。
11.權(quán)利要求9中申請的陰極組件，其中上述第一和第二凹槽每個包括一個確定在上述陰極塊中的孔。
12.權(quán)利要求9中申請的陰極組件，其中上述主集流桿每個截面積至少與上述次集流桿截面積一樣大。
13.權(quán)利要求9中申請的陰極組件，其中上述主對接面包括一個與上述陰極塊電連接的上述主集流桿外表面的連接部分，另外其中上述主集流桿外表面的不連接部分與上述陰極塊電斷開，從而當(dāng)電流作用于上述陰極塊時，電流從上述陰極塊通到上述連接部分。
14.權(quán)利要求13中申請的陰極組件，其中上述主集流桿外表面的上述連接部分靠近上述陰極塊的一個內(nèi)部，上述主集流桿外表面的上述不連接部分靠近上述陰極塊的一個外端。
15.權(quán)利要求14中申請的陰極組件，其中上述次對接面包括上述次集流桿的外表面，它基本上沿著上述的第二凹槽的長度，并且電連接到上述陰極塊，使得當(dāng)電流作用于上述陰極塊時，電流從上述陰極塊通到上述次集流桿。
16.權(quán)利要求15中申請的陰極組件，還包括一層位于上述主集流桿外表面的上述連接部分上的導(dǎo)電材料，以及一層位于上述次集流桿外表面上的導(dǎo)電材料。
17.權(quán)利要求16中申請的陰極組件，還包括一個不導(dǎo)電充填材料，沿著上述主集流桿外表面的不連接部分，設(shè)在上述每個第一凹槽中。
18.權(quán)利要求17中申請的陰極組件，其中上述連接部分延伸約上述第一凹槽長度的三分之二。
19.權(quán)利要求9中申請的陰極組件，其中上述第二集流桿位于上述主集流桿之間。
20.權(quán)利要求9中申請的陰極組件，其中每個上述主集流桿寬度大于高度。
21.在一個電解槽中生產(chǎn)鋁的方法，槽具有一個空腔，包括一個電解池和一個在池中懸掛的陽極，上述方法包括在空腔中陽極之下提供一個陰極組件，陰極組件具有(1)一個具有一個外端的陰極塊，陰極塊確定了至少兩個第一凹槽和至少一個第二凹槽；(2)至少兩個主集流桿，每個主集流桿容納在一個第一凹槽中，并且具有與陰極塊電連接的主對接面，以及(3)至少一個次集流桿，容納在第二凹槽中并且具有與陰極塊電連接的次對接面，其中至少兩個主對接面的組合大于次對接面；以及把來自陽極的電流通到陰極組件，由此相對于通到次集流桿的電流量，控制通到主集流桿的電流量。
22.權(quán)利要求21中申請的方法，其中把來自陽極的電流通到陰極組件的上述步驟還包括把來自陽極的電流通到靠近陰極塊內(nèi)部的主集流桿外表面的僅有連接部分，以及次集流桿的基本上所有外表面。
23.權(quán)利要求22中申請的方法，還包括把次集流桿的基本上所有外表面電連接到陰極塊；以及把主集流桿外表面的連接部分電連接到陰極塊，從而防止電流從陰極塊通到靠近陰極塊外端的主集流桿外表面。
全文摘要
一個用于Hall－Heroult電解槽的陰極組件(2)，組件包括一個陰極塊(4)，陰極塊容納了兩個主陰極集流桿(12)和一個設(shè)在主集流桿之間的次陰極集流桿(14)。主集流桿(12)每個具有一個與陰極塊(4)的電對接面，尺寸等于或大于次集流桿(14)和陰極塊(4)之間的電對接面。主集流桿(12)僅沿著陰極塊的一個內(nèi)部電連接到陰極塊，以及次集流桿(14)完全連接到陰極塊。由于盡量減少通過陰極塊兩端的電流量，這種設(shè)置改進(jìn)了通過陰極組件的電流分布。
文檔編號C25C3/00GK1545571SQ01823613
公開日2004年11月10日 申請日期2001年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月9日
發(fā)明者克洛德·戈捷, 克洛德·弗拉代, 馬克·普普伊斯, 達(dá)尼埃爾·里夏爾, 弗拉代, 克洛德 戈捷, 爾 里夏爾, 普普伊斯 申請人:阿爾科公司