集流棒裝置、系統及其使用方法

2023-10-22 11:52:22 2

集流棒裝置、系統及其使用方法
【專利摘要】本申請提供集流棒裝置、系統及其使用方法。在一個實施例中電解池包括：陽極；陰極塊；和配置為至少部分鄰近陰極塊設置並且與陰極塊電聯通的集流棒，其中該集流棒包括：至少一個側壁；側壁包圍的內部空腔；和通過至少一個側壁保留在內部空腔中的可膨脹材料，其中配置該可膨脹材料在集流棒的工作溫度下向內部空腔的壁面施加壓力，使得集流棒順應陰極塊。
【專利說明】集流棒裝置、系統及其使用方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求於2012年9月11日提交的US申請號61/699，645，名稱為「可調集流棒及其使用方法」的優先權，在此其全部內容通過引用併入本申請。
【技術領域】
[0003]概括地說，本申請涉及在電解池中生產鋁的系統和方法，而同時減少CVD和/或保持較低的CVD。更特別地，本申請涉及利用集流棒結合內部空腔中的可膨脹材料，在電解池運行期間該膨脹材料隨溫度升高(例如在預熱期間和電解池運行期間)而膨脹以降低集流棒和陰極(例如陰極塊)之間的電壓降。
【背景技術】
[0004]在常規的鋁生產期間，向電解池供給電流從而驅使鋁的產生。由於設計中的低效率，特別是在電接觸點處電解池的電流流出系統時，電解池中損失了電壓。上述電壓的損失通常被稱為陰極電壓降，或者「CVD」。在陰極組件形成過程中、電解池啟動時和/或在極端條件下(例如高溫)電解池連續運行期間，接觸不良引起了 CVD。每年每個工廠在電解池運行時因為CVD產生的電壓損失的成本加起來達到數百萬美元。

【發明內容】

[0005]概括地說，本申請涉及用於在電解池中生產有色金屬(例如鋁)而同時減少CVD的系統和方法。更特別地，本申請涉及利用與電解池相關的可調節的(可膨脹的)集流棒。在一些實施例中，通過膨脹集流棒的內部空腔，能夠保持和/或改善不同電解池組件(例如陰極集流棒和陰極)之間的接觸(例如電接觸)。在一些實施例中，可膨脹的集流棒提高陰極組件子部件之間的接觸，降 低連結電阻(例如跨至少兩個部件的連結電阻)，因此導致電解池中CVD降低。
[0006]一方面，本申請提供一種電解池，包括:陽極；至少一個陰極塊；和配置為至少部分鄰近陰極塊設置並且與陰極塊電聯通的集流棒；其中集流棒包括:至少一個側壁；側壁包圍的內部空腔；和通過該至少一個側壁保留在內部空腔中的可膨脹材料，其中被配置為該可膨脹材料被配置為在集流棒的工作溫度下向內部空腔的壁面施加壓力，使得集流棒順應陰極塊。
[0007]—方面，本申請提供一種集流棒，包括:至少一個完全包圍內部空腔的側壁；和通過至少一個側壁保留在內部空腔中的可膨脹材料，其中該可膨脹材料被配置為在至少約200°C的溫度下向內部空腔的 壁面施加壓力，通過向內部空腔的壁面施加壓力而使得至少一個側壁變形。
[0008]在一些實施例中，可調節的集流棒提高了陰極塊的槽與集流器子組件(例如集流棒，並且在一些實施例中，導電材料的外殼/蓋/連結件)之間的接觸。在一些實施例中，集流棒被配置為在陰極(例如槽)上施加力(或者壓力)。[0009]在一個實施例中，隨著集流棒加壓，它按壓/順應陰極(例如在橫向上)，因為它在橫向上膨脹而與槽的表面接觸。在一個實施例中，隨著集流棒橫向膨脹，它使得本身與槽的表面相順應。因此，在一些實施例中，集流棒增加了跨集流器子組件(例如本身和陰極塊槽之間)的接觸表面積(並且降低電阻)。在一個實施例中，隨著陰極塊和集流棒之間的共用的表面積增加，連結處的電阻降低。因此，在一些實施例中，可調節的(可加壓的)集流棒降低了電解池中的CVD。
[0010]陰極組件的連結電阻可能歸因於一個或多個機械結構和/或來源。陰極組件中連結電阻來源的一些非限制性的例子包括:蠕變、相變、間隔架空、空隙、不相順應的表面及它們的組合。在不同的實施例中，空隙、相變和蠕變分別發生在電解罐(池)啟動之前、期間和之後。在一些實施例中，集流棒和槽之間產生的不相順應的表面具有在這些相的每一種中形成的成分。本申請通過利用可調節的陰極集流棒(例如可增壓的)向陰極組件的部件施加壓力，防止、降低和/或消除連結電阻(例如高電阻)，因此順應陰極集流器子組件。在一些實施例中，當電解池是冷的、啟動期間或是運行條件(例如高溫和高壓)下，集流棒向陰極槽施加壓力，並且推動集流棒按照陰極塊槽變形(例如蠕變)，使得電解池在工作條件(例如升高的溫度)下運行期間改善接頭的機械一致性和電連接性。
[0011]在一些實施例中，當⑴電解池閒置；(2)啟動期間；(3)運行條件下和/或(4)它們的組合，在上述情況下，內部空腔膨脹並且在集流棒上施加壓力，這膨脹/壓縮到集流器子組件上的槽中(例如施加壓力)。在這些實施例的一個或多個中，可調節的集流棒向陰極施加連續量的力。在一個或多個實施例中，集流棒向陰極施加可變量的力(例如基於反饋迴路)。因此，在一個或多個實施例中，集流棒:防止陰極組件CVD的增加，降低跨陰極組件的CVD，和/或保持CVD的低電平。在一些實施例中，消除了連結頭對CVD (例如陰極集流器子組件/陰極槽接頭)的貢獻。
[0012]在一個實施例中， 其中可膨脹材料選自由下列材料組成的組中:氣體、惰性氣體、相變材料、MgC03、CaCO3> Na2CO3、碳酸鹽、硫酸鹽、降解材料、分解材料及它們的組合。
[0013]在一些實施例中，可膨脹材料在下列溫度下膨脹:至少約100°C、至少約150°C、至少約200°C、至少約250°C、至少約300°C、至少約350°C、至少約400°C、至少約500°C、至少約550°C、至少約600°C、至少約650°C、至少約700°C、至少約750°C、至少約800°C、至少約850°C、至少約900°C、至少約950°C、至少約1000°C或者更高。
[0014]在一些實施例中，可膨脹材料在下列溫度下膨脹:不高於約100°C、不高於約150°C、不高於約200°C、不高於約250°C、不高於約300°C、不高於約350°C、不高於約400°C、不高於約500°C、不高於約550°C、不高於約600°C、不高於約650°C、不高於約700°C、不高於約750°C、不高於約800°C、不高於約850°C、不高於約900°C、不高於約950°C、不高於約1000°C或者更高。
[0015]在一個實施例中，可膨脹材料在超過約100°C的溫度下發生相變。在一個實施例中，可膨脹材料大約如理想氣體定律所描述的那樣經歷體積膨脹。
[0016]在一些實施例中,可膨脹材料包括:氣體。在一些實施例中，可膨脹材料包括從固體材料中釋放出的氣體。在一些實施例中，集流棒還包括在預定溫度下釋放氣體並且容納所述氣體的容器。在一些實施例中，該容器容納在容器達到一定溫度時釋放出的加壓氣體(例如容器熔融或者容器具有內置出口，一旦壓力達到一定的預定水平該出口釋放氣體)。[0017]在一些實施例中，可膨脹材料在電解池升溫期間膨脹。在一些實施例中，可膨脹材料在電解池工作期間膨脹。在一些實施例中，通過內部空腔中可膨脹材料的膨脹而增加集流棒的內部壓力。在一些實施例中，通過集流棒的密封保持集流棒的內部壓力。在一些實施例中，預熱期間集流棒的內腔的壓力增加5倍。在一些實施例中，通過至少一個側壁密封內部空腔，從而保留在內部空腔中的氣體不會從集流棒中排出。在一些實施例中，集流棒不具有排氣孔。在一些實施例中，集流棒沒有與大氣相通以便排氣和/或降低系統內部壓力。[0018]在一些實施例中，即使集流棒連續的膨脹和/或變形，也能保持集流棒內部空腔的壓力增加。
[0019]在一個實施例中，空腔包含填充金屬(例如非反應的金屬和不發生膨脹的金屬)。
[0020]在一些實施例中，空腔包括導電材料。在一些實施例中，導電材料具有比至少一個偵_ (例如銅和銅合金)更大的電導率。在一些實施例中，導電材料包括棒、板、杆、管(例如具有中心通孔)、多個凸垂物(tab)、多個散粒材料及它們的組合。
[0021]在一個實施例中，該電解池包括與集流棒端部相聯通的錨定器，其中該錨定器被配置為限制集流棒縱向上(例如電解池的外部)的移動。在一些實施例中，該錨定器包括具有機械緊固件(例如螺釘)的剛性支架以固定集流棒的位置(例如，在可膨脹材料增加內部空腔壁面的壓力之前)。在一些實施例中，該錨定器包括集流棒的階梯結構，其與外殼協同作用以固定集流棒在陰極集流器子組件中的位置。
[0022]在一個實施例中，該可膨脹材料被配置為在電解池運行條件下，向內部空腔增加至少約50psig的壓力。
[0023]在一個實施例中，在20_25°C的溫度下，內部空腔包含至少約15PSIG的壓力(例如預加壓的)。
[0024]在一個實施例中，可調節集流棒使陰極與集流棒之間的陰極電壓降減小至少約50mvo
[0025]在一個實施例中，內部空腔的橫截面積百分比達到集流棒面積的至少約10%。在一個實施例中，內部空腔的橫截面積佔集流棒面積的百分比不大於約90%。
[0026]在一個實施例中，內部空腔的壓力向集流棒的側壁施加壓力。在一個實施例中，集流棒施加到其至少一個側壁上的壓力使得側壁橫向膨脹到陰極塊上，維持集流棒和陰極塊之間的界面。
[0027]在一個實施例中，集流棒還包括:導電材料組成的連結材料，其設置在陰極和集流棒之間並形成電聯通。在一些實施例中，連結材料包括銅。在一些實施例中，連結材料包括鑄鐵。在一些實施例中，連結材料包括糊料(例如導電材料)。
[0028]在一個實施例中，該裝置還包括:與可調節集流棒相聯通的並且測量集流棒的膨脹的膨脹檢測器。
[0029]另一方面，本申請提供一種方法。製備原生金屬(例如鋁)的方法，包括:(a)通過溫度至少約800°C的液體介質從陽極向陰極組件傳送電流，其中陰極組件包括:與液體介質和金屬墊層(通過電解生產的)中的至少一個電聯通的陰極塊，該集流器子組件鄰近該陰極塊並且與之電聯通，其中該可調節的集流棒包括:至少一個包圍具有可膨脹材料的內部空腔的側壁；其中該可膨脹材料配置為在超過約800°C的溫度下膨脹；(b)由於可膨脹材料的膨脹，通過向內部空腔增加壓力，對內部空腔的壁面產生橫向壓力；和(c)由於膨脹步驟，保持陰極塊的槽與集流器子組件的接觸。
[0030]在一個實施例中，膨脹/壓縮步驟(例如擠壓集流棒的側壁到陰極塊的槽或界面)足以減少陰極組件兩端的陰極電壓降至少約50mV。
[0031]在一個實施例中，膨脹/壓縮步驟還包括:使集流棒順應陰極以降低電阻。
[0032]在一個實施例中，膨脹/壓縮步驟還包括:使集流器子組件順應陰極塊以降低陰極電壓降(CVD)約IOmV-約IOOmV。
[0033]在一個實施例中，該方法還包括步驟:由膨脹檢測器(傳感器)檢測通過集流棒施加的力。
[0034]在一些實施例中，集流棒包括具有可膨脹材料的內部空腔。在一個實施例中，為了施加壓力，可調節的集流棒加壓置於陰極中(例如在槽中)的位置中。在一些實施例中，在集流棒內面的壓力和/或集流棒/電解池部件的溫度基礎上，使得集流棒的至少一個側壁順應陰極。在一個實施例中，可調節的集流棒是金屬材料(例如含金屬的)。在一些實施例中，集流棒是:碳鋼、鐵素體/磁性材料及它們的組合。上述材料的非限制性的例子包括:430,410和409。一些集流棒材料的非限制性的例子包括:碳鋼、不鏽鋼(例如304、304L)和鋼。在一個實施例中，集流棒包括在內部空腔密封的至少一個壁面。在各種實施例中，集流棒的形狀是不同的，包括矩形、橢圓形、圓形等等。如一些非限制性的實施例，集流棒的維度包括:矩形形狀、正方形形狀、多邊形形狀、橢圓形形狀和/或圓形形狀。在一些實施例中，集流棒包括角。在一些實施例中，集流棒包括圓形邊緣。
[0035]一方面，本申請提供一種鋁電解池。該鋁電解池包括:陽極(向電解池提供電流的陽極)；陰極(接收電流的)；和可調節的集流棒，其至少部分鄰近陰極並與之電聯通，其中可調節的集流棒包括:至少一個側壁、側壁包圍的內部空腔和通過該至少一個側壁保留在內部空腔中的可膨脹材料，其中可膨脹材料在電解池加熱期間(例如在至少800°C的電解池工作條件下)膨脹使得內部空腔的內壓力增加約5倍，從而在集流棒的該至少一個側壁上施加壓力，以使得集流棒順應(例如橫向膨脹)陰極。在一些實施例中，側壁包括導電材料。在一些實施例中，側壁包括鋼、鑄鐵、碳等等。
[0036]另一方面，本申請提供一種製備可調節集流棒的方法。該方法包括:形成內部空腔周圍的至少一個側壁以提供具有開口的金屬體；通過開口在內部空腔中插入可膨脹材料(例如用氣體預加壓的空腔)；封閉金屬體，從而完全封閉具有可膨脹材料的空腔。
[0037]另一方面，提供一種製備可膨脹構件的方法。該方法包括:排列多個(至少兩個)金屬壁以在其中提供空腔；並且密封該多個壁。
[0038]在一個實施例中，集流棒由模具澆鑄成型。在一個實施例中，集流棒擠壓成型。在一個實施例中，集流棒是機械加工的。在一個實施例中，集流棒是軋制的。在一個實施例中，集流棒的各部分(例如側面)貼合在一起。在一個實施例中，集流棒焊接在一起(例如為了保留材料)。在一個實施例中，集流棒旋擰在一起(例如為了保留材料)。在一個實施例中，集流棒用螺栓連接在一起(例如為了保留材料)。在一個實施例中，可膨脹構件用機械地緊固在一起(例如為了保留材料)。
[0039]在一個實施例中，該方法包括在空腔(有時稱為內部空腔或中心區域)中插入材料(例如，氣體、可膨脹材料、填充金屬)。
[0040]在一個實施例中，封閉包括在內部空腔中用材料密封集流棒。[0041]在一些非限制性的實施例中，密封包括:焊接、機械地固定、粘結、鉚接、螺栓連接、螺紋連接等等。
[0042]在一些實施例中，集流棒的壁面足夠厚至能夠有效除去來自於電解池的電流(例如從陰極和/或金屬墊層到母線的傳輸電流)。
[0043]在一些實施例中，集流棒的壁面足夠薄至能夠變形以順應陰極(例如因為集流棒被加壓和/或增大溫度到至少約850°C的工作溫度)。
[0044]在一個實施例中，空腔的橫截面積佔總集流棒(棒體加空腔)的百分比是:至少約10% ;至少約15% ;至少約20% ;至少約25% ;至少約30% ;至少約35% ;至少約40% ；至少約45% ;至少約50% ;至少約55% ;至少約60% ;至少約65% ;至少約70% ;至少約75% ;至少約80% ;至少約85% ;或者達到90%。
[0045]在一個實施例中，空腔的橫截面積佔總集流棒(棒體加空腔)的百分比是:不大於約10% ;不大於約15% ;不大於約20% ;不大於約25% ;不大於約30% ;不大於約35% ；不大於約40% ;不大於約45% ;不大於約50% ;不大於約55% ;不大於約60% ;不大於約65% ;不大於約70% ;不大於約75% ;不大於約80% ;不大於約85% ;或者達到90%。
[0046]在一些實施例中，壁厚是變化的。在一些實施例中，壁厚一直是連續的。在一些實施例中，壁厚是:至少約I / 16」；至少約I / 8」；至少約I / 4」；至少約1/2」；至少約3/4」 ；至少約I」 ;至少約1.5」 ;至少約2」 ;至少約2.5」 ;或者至少約3」。
[0047]在一些實施例中，壁厚是:不大於約I / 16」;不大於約I / 8」;不大於約I / 4」；不大於約I / 2」；不大於約3 / 4」；不大於約I」；不大於約1.5」；不大於約2」；不大於約
2.5」；或者不大於約3」。
[0048]在一些實施例中，在集流棒中的內部空腔的橫截面為正方形。在一些實施例中，在集流棒中的內部空腔的橫截面為矩形。一些實施例中，在集流棒中的內部空腔的橫截面為I形。一些實施例中，在集流棒中的內部空腔的橫截面為T形。
[0049]在一些實施例中，空腔填充空氣(例如大氣成分)。在一些實施例中，空腔含有氣體(例如純的或混合成分)。在一些實施例中，空腔含有填充材料(例如在高溫(例如100°C以上)下不參與反應)。在一些實施例中，填充材料是固體的非反應的材料，其在超過約100°C的溫度下不發生明顯的膨脹(例如基本上是惰性的)。在一些實施例中，空腔含有一定壓力(例如高於大氣壓)的氣體。在一些實施例中，空腔含有下列至少兩種成分的混合物:空氣(例如大氣成分)、氣體(例如純的或混合成分)、可膨脹材料和/或惰性材料(例如填充材料)。在一些實施例中，空腔含有一定壓力(例如高於大氣壓)的氣體。在一些實施例中，空腔含有可膨脹材料。在一些實施例中，空腔含有它們的混合物。
[0050]在一些實施例中，內部空腔佔集流棒體積的一部分。在一些實施例中，內部空間佔集流棒的體積為:至少約5% vol.;至少約10%vol.;至少約15%vol.;至少約20%vol.；至少約25% vol.;至少約30% vol.;至少約35% vol.;至少約40% vol.;至少約45%vol.;至少約50% vol.;至少約55% vol.;至少約60% vol.;至少約65% vol.;至少約80% vol.;至少約85% vol.;至少約90% vol.;至少約95% vol.;或者至少約98% vol.。
·[0051]在一些實施例中，內部空腔佔集流棒的體積為:不大於約5% vol.;不大於約10%vol.;不大於約15% vol.;不大於約20% vol.;不大於約25% vol.;不大於約30% vol.；不大於約35% vol.;不大於約40% vol.;不大於約45% vol.;不大於約50% vol.;不大於約55% vol.;不大於約60% vol.;不大於約65% vol.;不大於約80% vol.;不大於約85% vol.;不大於約90% vol.;不大於約95% vol.;或者不大於約98% vol.。
[0052]本文中，可調節集流棒是指在不同條件下膨脹或放大的物體(例如調節)。作為非限制性的實施例，壓力的膨脹和/或增加歸因於在不同溫度或壓力條件下的相變、分解和/或密度改變。在一個非限制性的實施例中，在溫度升高的條件下集流棒內部壓力增加。作為另一個實施例，在升高的溫度下，內部可膨脹材料發生相變(例如固體至氣體)從而增加體積。
[0053]在一些實施例中，集流棒內部存在具有大氣成分的氣體(空氣)，並且升溫後，空氣中的至少一些氧氣(O2)從體系(例如鐵鏽)中除去，由此升溫(例如900°C)後的空腔中的壓力為約3.2ATM。在一些實施例中，集流棒(內部例如空腔)的壓力因為棒膨脹而降低，因此在這此實施例中，選擇可膨脹材料以創造適當量材料的膨脹(例如壓力增加)驅動蠕變。在一些實施例中，由於損失氧氣(例如集流棒表面反應，生鏽)和隨後集流棒體積的增加(例如金屬膨脹)，內部壓力降低。
[0054]可膨脹材料的非限制性的例子包括=MgCO3(350°C分解)；CaCO3(方解石，898°C分解)或者CaCO3 (霰石，825°C分解)，其中每種材料在升溫後釋放二氧化碳氣體，並且可以單獨或者混合使用。可膨脹材料的非限制性的其他例子包括任何在升高的溫度下分解的化學物質；例如溫度超過約800°C (例如電解池工作溫度，至少約900°C，或者至少約930°C )。
[0055]在一些實施例中，在裝配過程中集流棒中插入的輔助容器中，可膨脹材料是加壓的氣體。在一些實施例中，輔助容器被配置或者適於熔融和/或洩露(例如至少約100°c的升溫下)釋放加壓的氣體到集流棒的腔中。
[0056]在一些實施例中，集流棒內部的溫度和壓力升高的條件下，集流棒內部的氣體和/或可膨脹材料膨脹壓迫集流棒並且向外推壓壁面。在一些實施例中，從環境溫度到電解池工作溫度(例如900°C -930°C )的上升，集流棒內部的絕對壓力增加了 4倍。
[0057]在另一個實施例中，集流棒內部使用填充材料(例如惰性材料)。在一個實施例中，填充材料是多孔的和/或顆粒的。作為非限制性的例子，填充材料包括金剛砂(tabularalumina)、沙碌、聚集物、陶瓷材料等等,其填充腔室的一部分或全部。在一些實施例中，通過利用填充材料，腔室的尺寸是大的，而產生壓力的氣體量(例如惰性材料不佔體積)是小的。對於這樣的實施例，可能限制集流棒中的蠕變，(慢慢腔室變大並且壓力降低)。同樣，對於這樣的實施例，與全部填充氣體的空腔的實施例相比，在罐(pot)運行期間集流棒可能噴出的氣體量減少。
[0058在一些實施例中，集流棒和槽上改善的界面接觸通過一個或多個特性而可測量、相互關聯和/或量化。作為非限制性的例子，集流棒導致電阻降低、表面積(陰極塊槽和陰極電流組件之間)增加、集流器子組件的尺寸改變(例如從電解池中伸出的集流棒的量)以及它們的組合。
[0059]當通過降低的電阻來測量改善的接觸時，最終的界面包括足以按可測量的量降低電解池中測得的陰極電壓降的共有的表面積。
[0060]在一些實施例中，界面上最終的改善的接觸包括共有的表面積足以降低測得的陰極電壓降(例如陰極組件兩端):至少約IOmV ;至少約20mV ;至少約30mV ;至少約40mV ;至少約50mV ;至少約60mV ;至少約70mV ;至少約80mV ;至少約90mV ； IOOmV ;至少約120mV ;至少約140mV ;或者至少約160mV。
[0061]在一些實施例中，界面上最終的改善的接觸包括共有的表面積足以降低測得的陰極電壓降(例如陰極組件兩端)，為:不大於約IOmV ;不大於約20mV ;不大於約30mV ;不大於約40mV ;不大於約50mV ;不大於約60mV ;不大於約70mV ;不大於約80mV ;不大於約90mV ；IOOmV ;不大於約120mV ;不大於約140mV ;或者不大於約160mV。
[0062]在一些實施例中，連結處的電阻降低的倍數為:至少約3倍；至少約5倍；至少約10倍；至少約20倍；至少約40倍；至少約60倍；至少約80倍；或者至少約100倍。
[0063]在一些實施例中，連結處的電阻降低的倍數為:不大於約3倍；不大於約5倍；不大於約10倍；不大於約20倍；不大於約40倍；不大於約60倍；不大於約80倍；或者不大於約100倍。
[0064]在一些實施例中，當通過連結處或者陰極塊和集流器子組件(或者替換地，連結材料/陰極塊槽)界面上增加的表面積來測量改善的接觸時，改善作為表面積的增加來測量。這通常是通過比較:(a)圖8A與圖8B，(b)圖9A與圖9B ； (c)圖1OA與圖1OB ;和/或(d)圖1OC與圖1OD來表示的。
[0065]在一些實施例中，集流棒增加的接觸量(或共有的表面積)為:至少約2% ;至少約4% ;至少約6% ;至少約8% ;至少約10% ;至少約15% ;至少約20% ;至少約40% ;至少約50% ;至少約75% ;或者至少約100% (例如，當集流棒加壓和/或膨脹以順應槽之前沒有接觸時)。
[0066]在一些實施例中，集流棒增加的接觸量(或共有的表面積)為:不大於約2% ;不大於約4% ;不大於約6% ;不大於約8% ;不大於約10% ;不大於約15% ;不大於約20% ；不大於約40% ;不大於約50% ;不大於約75% ;或者不大於約100%。
[0067]在一些實施例中，當通過在壓力下集流棒的尺寸改變來測量改善的接觸時，按照集流棒從電解池的壁面伸出的其尺寸和/或長度(例如沿縱向的)的差值來計量陰極塊和集流棒之間改善的界面接觸。
[0068]在一些實施例中，當集流棒縱向被擠壓，集流棒在寬度或者高度或兩方面(例如沿橫向)膨脹(即增大)，從而調整更好地與槽的表面區域相接觸。在一些實施例中，集流棒顯示出沿縱向的長度減少並且沿橫向的寬度增大。
[0069]在一些實施例中，電接觸的改善是指橫向尺寸的增加:至少約0.1 % ;至少約0.3%;至少約0.5%;至少約0.7%;至少約1%;至少約1.1%;至少約1.3%;至少約1.5%;至少約1.7% ;至少約2% ;或者至少約2.5%。
[0070]在一些實施例中，電接觸的改善是指橫向尺寸的增加:不大於約0.1% ;不大於約
0.3% ;不大於約0.5% ;不大於約0.7% ;不大於約1% ;不大於約1.1 % ;不大於約1.3% ；不大於約1.5% ;不大於約1.7% ;不大於約2% ;或者不大於約2.5%。
[0071]在一個實施例中，按照在壓力下集流棒的尺寸改變來測量改善的界面接觸，即按照縱向尺寸(例如長度)不大於10%和橫向尺寸(例如寬度)不大於5%。
[0072]在一些實施例中，內部空腔向集流棒施加壓力，導致集流棒的至少一個側壁壓到/在陰極塊上不同量的壓力，包括:至少約50psi ;至少約IOOpsi ;至少約150psi ;至少約200psi ;至少約250psi ;或者至少約300psi。
[0073]在一些實施例中 ，集流棒的內部空腔膨脹使得集流棒的側壁壓到/在陰極塊(例如槽)上不同量的壓力，包括:不大於約50psi ;不大於約IOOpsi ;不大於約150psi ;不大於約200psi ;不大於約250psi ;或者不大於約300psi。
[0074]在一些實施例中，集流棒施加到陰極上的壓力足夠大以防止、降低或消除集流棒和陰極塊之間的間隙。在一些實施例中，通過消除、降低和/或防止間隙，可調節的集流棒降低鋁電解池兩端的CVD並且增加體系中電流的有效輸出。[0075]在一些實施例中，集流棒在縱軸方向上給予的最終應變為:至少約-0.01% ;至少約-0.02% ;至少約-0.03% ;至少約-0.04% ;至少約-0.05% ;至少約-0.06% ;至少約-0.07%;至少約-0.08%;至少約-0.09%;至少約-0.1 %。在一些實施例中，集流棒在縱(軸)向上給予的應變為:至少約-0.1%;至少約-0.15%;至少約-0.2%;至少約-0.25%;至少約-0.3% ;至少約-0.35% ;至少約-0.4% ;至少約-0.45% ;至少約-0.5 % ;至少約-0.55%;至少約-0.6%;至少約-0.65%;至少約-0.7%;至少約-0.75%;至少約-0.8%；至少約-0.85% ;至少約-0.9% ;至少約-0.95% ;或者至少約-1%。
[0076]在一些實施例中，集流棒在縱軸方向上給予的最終應變為:不大於約-0.01% ；不大於約-0.02 % ;不大於約-0.03 % ;不大於約-0.04 % ;不大於約-0.05 % ;不大於約-0.06%;不大於約-0.07%;不大於約-0.08%;不大於約-0.09%;不大於約-0.1 %。在一些實施例中，集流棒在縱(軸)向上給予的應變為:不大於約-0.1%;不大於約-0.15%;不大於約-0.2%;不大於約-0.25%;不大於約-0.3%;不大於約-0.35%;不大於約-0.4%;不大於約_0.45% ;不大於約-0.5% ;不大於約-0.55% ;不大於約-0.6% ;不大於約-0.65% ；不大於約-0.7 % ;不大於約-0.75 % ;不大於約-0.8 % ;不大於約-0.85 % ;不大於約-0.9%;不大於約-0.95% ;或者不大於約-1%。
[0077]在一些實施例中，集流棒在橫向上給予的最終應變為:至少約0.01% ;至少約
0.02% ;至少約0.03% ;至少約0.04% ;至少約0.05% ;至少約0.06% ;至少約0.07% ;至少約0.08% ;至少約0.09% ;至少約0.1 %。在一些實施例中，集流棒在橫向上給予的應變為:至少約0.1% ;至少約0.15% ;至少約0.2% ;至少約0.25% ;至少約0.3% ;至少約
0.35% ;至少約0.4% ;至少約0.45% ;至少約0.5% ;至少約0.55% ;至少約0.6% ;至少約0.65% ;至少約0.7% ;至少約0.75% ;至少約0.8% ;至少約0.85% ;至少約0.9% ;至少約0.95% ;或者至少約1%。
[0078]在一些實施例中，集流棒在橫向上給予的最終應變為:不大於約0.01%;不大於約
0.02% ;不大於約0.03% ;不大於約0.04% ;不大於約0.05% ;不大於約0.06% ;不大於約
0.07 % ;不大於約0.08 % ;不大於約0.09 % ;不大於約0.1%。在一些實施例中，集流棒在橫向上給予的應變為:不大於約0.1% ;不大於約0.15% ;不大於約0.2% ;不大於約0.25% ；不大於約0.3% ;不大於約0.35% ;不大於約0.4% ;不大於約0.45% ;不大於約0.5% ;不大於約0.55% ;不大於約0.6% ;不大於約0.65% ;不大於約0.7% ;不大於約0.75% ;不大於約0.8% ;不大於約0.85% ;不大於約0.9% ;不大於約0.95% ;或者不大於約1%。
[0079]—方面，本申請提供一種鋁電解池。該鋁電解池包括:陽極；陰極組件；液體介質(例如熔融鹽浴)。在一個實施例中，陰極組件包括:具有槽的陰極塊和集流器子組件。在一個實施例中，集流器子組件至少一部分設置在陰極塊的槽中。在一個實施例中集流器子組件是可調節集流棒或者具有至少部分地包裹(例如覆蓋)棒體的連結材料的可調節集流棒。在一些實施例中，通過在棒體中的材料的膨脹使得集流棒順應陰極。因而，集流器子組件和在槽中的陰極塊之間的界面通過集流棒來保持。
[0080]在一些實施例中，液體介質設置在陽極和陰極組件之間。在電解池中從液體介質(也稱為熔融材料/電解質浴)中生產鋁。在一些實施例中，金屬鋁在液體電解質浴和液體金屬之間的界面上生成，並且當它形成時，液體鋁在陰極塊的頂部上積累。
[0081]在一個實施例中，陰極集流器子組件和/或可調節集流棒包括壓縮檢測器(例如位移檢測器)。在一些實施例中，檢測器位於陰極塊和集流棒之間並且配置檢測器以測量集流棒的膨脹。在一些實施例中，配置檢測器以測量集流棒和陰極塊之間的機械界面(例如順應/壓縮的量)。在一些實施例中，配置檢測器以測量集流棒的橫向膨脹(例如變肥)。在一些實施例中，配置檢測器以測量集流棒的縱向膨脹(例如變長)。在一些實施例中，檢測器測量值饋送到電解池作業系統(未示出)，例如，作為實時反饋迴路以改變壓縮量。在一些實施例中，壓縮與測量的電解池溫度相關，該溫度可能影響集流棒的應變率(例如通過蠕變)。
[0082]另一方面，本申請提供製造鋁的方法。在一個實施例中，製造鋁的方法包括步驟:(a)在鋁電解池中產生鋁；(b)通過在集流棒中保留的可膨脹材料使可調節集流棒順應陰極；和(C)由於施加力的步驟，保持陰極塊的槽和集流器子組件之間改善的接觸。
[0083]在一些實施例中，產生步驟是指通過液體介質從陽極向陰極組件輸送電流從而在電解池中產生鋁。在一個實施例中，該方法包括:使集流器子組件順應陰極塊以降低約IOmV-約IOOmV的陰極電壓降(CVD)。在一個實施例中，該方法包括:通過順應步驟橫向膨脹集流棒，從而保持和/或改善集流棒和陰極塊(例如陰極槽)之間電接觸。在一些實施例中，集流棒的最終電阻小於初始電阻(例如膨脹的集流棒未施加力時測量的電阻)。在一個實施例中，該方法包括調整施加的力(例如壓力)的值以增加、減少或保持集流棒在陰極塊槽中的擠壓處於可變的或連續保持的條件下。在一個實施例中，該方法包括檢測施加在集流器子組件端部的力。
[0084]在一個實施例中，集流棒的內部空腔(有時稱為腔體)包含可膨脹材料，即氣體。在一個實施例中，集流棒的內部空腔包含可膨脹材料，即氣體，並且導體插入集流棒中。在一個實施例中，集流棒的內部空腔包含可膨脹材料即氣體、導體插入物和填充材料。
[0085]在一個實施例中，集流棒的內部空腔包含可膨脹材料，即預加壓的氣體(例如在電解池預熱/運行之前，空腔內的壓力大於周圍環境壓力)。在一個實施例中，集流棒的內部空腔包含可膨脹材料，即預加壓的氣體，並且在集流棒中插入導體。在一個實施例中，集流棒的內部空腔包含可膨脹材料即預加壓的氣體、導體插入物和填充材料。
[0086]在一些實施例中，內部空腔包含可膨脹材料，即相變材料。在一些實施例中，內部空腔包含可膨脹材料即相變材料和導體插入物。在一個實施例中，集流棒的內部空腔包含可膨脹材料即相變材料、導體插入物和填充材料。
[0087]在一些實施例中，內部空腔包含至少兩種不同的可膨脹材料(例如氣體和相變材料)。在一些實施例中，內部空腔包含至少兩種不同的可膨脹材料和導體插入物。在一些實施例中，內部空腔包含至少兩種不同的可膨脹材料、導體插入物和填充材料。 [0088]在一個或多個上述實施例中，密封內部空腔以使氣體不能逸出集流棒。在一個或多個上述實施例中，集流棒不具有排氣口。在一個或多個上述實施例中，密封側壁以完全包圍和包住含有可膨脹材料的內部空腔。[0089]在一些實施例中，配置可膨脹材料以降低連結電阻(例如陰極和集流棒之間的)導致的陰極電壓降。在一些實施例中，配置導體插入物以降低電阻和/或增加縱向傳導率(例如當電流流出電解池時)。
[0090]在一些實施例中，內部空腔壁面上由可膨脹材料施加的壓力足以使集流棒變形。在一些實施例中，沿著至少一個側壁方向上的壁厚是變化的使得變形被修整到期望的表面(例如沿著集流棒到陰極塊的界面)。
[0091]本技術的上述或者其他方面、優勢和非常規設計將部分地在下文中闡明，並且通過下文和附圖的閱讀或者通過實施本申請對本領域的技術人員來說是明顯的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0092]圖1是本申請具有可調節集流棒的鋁電解池的一個【具體實施方式】的截面示意圖。
[0093]圖2是本申請可調節集流棒的一個【具體實施方式】，該集流棒具有包含可膨脹材料(例如氣體)的空腔。
[0094]圖3是本申請可調節集流棒的另一個【具體實施方式】，該集流棒具有包含可膨脹材料(例如氣體)和填充材料的空腔。
[0095]圖4是本申請可調節集流棒的另一個【具體實施方式】，該集流棒具有包含兩種類型可膨脹材料(例如氣體和固體材料)的空腔。
[0096]圖5是本申請可調節集流棒的另一個【具體實施方式】，該集流棒具有包含可膨脹材料(例如固體)的空腔。
[0097]圖6是本申請可調節集流棒的另一個【具體實施方式】，該集流棒具有包含可膨脹材料(例如固體)和填充材料的空腔。
`[0098]圖7是本申請可調節集流棒的另一個【具體實施方式】，該集流棒具有包含兩種類型可膨脹材料(例如氣體和固體)和填充材料的空腔。
[0099]圖8是本申請可調節集流棒的另一個【具體實施方式】，該集流棒具有包含可膨脹材料(例如固體)和導電材料的空腔。
[0100]圖9是本申請可調節集流棒的另一個【具體實施方式】，該集流棒具有包含可膨脹材料(例如固體)、填充材料和導電材料的空腔。
[0101]圖10是本申請可調節集流棒的另一個【具體實施方式】，該集流棒具有包含可膨脹材料(例如固體)和包圍一部分固體材料的導電材料的空腔。
[0102]圖11是本申請可調節集流棒的另一個【具體實施方式】，該集流棒具有包含兩個區域的空腔，一個區域包含可膨脹材料(例如固體)和填充材料，一個區域包含可膨脹材料(例如固體)和導電材料。
[0103]圖12A-12E是本申請可調節集流棒的各種配置。
[0104]圖13A和13B是並列的陰極組件的槽的切面圖，至少一個是調節/膨脹「前」的集流棒(左邊)，和調節/膨脹「後」的集流棒(右邊)作對比，其中圖13A和13B顯示出陰極集流棒對陰極槽的順應(因此，電解池部件的電接觸最終增加)。
[0105]圖14A和14B是根據本申請在工作條件下陰極組件的部件之間接觸點的切面圖:集流棒調節/膨脹向陰極施加力之前(圖14A)，和集流棒調節/膨脹向陰極施加力之後(圖14B)。在圖14B中，集流棒裡面的箭頭表示，由於集流棒內部空腔通過可膨脹材料施加壓力(或者力)而發生蠕變導致的集流棒側橫向運動的方向。
[0106]圖15A-1?是附加實施方式中集流棒調節膨脹前後的陰極槽和集流棒之間的間隙的類型。每一幅圖表示陰極塊/陰極槽和集流棒之間的界面(例如接界處)的一部分的近視圖。圖15A和15B表示閉合陰極塊和集流棒之間較大的宏觀間隙(例如目視可見的足夠大的間隙)的【具體實施方式】，而圖15C和I?表示改善表面上較小範圍的微凸結構(例如表面上微小的凸起，類似於表面粗糙或不均勻的情況)的接觸。圖15A和15C表示陰極塊和集流棒界面在利用可膨脹集流棒之前的情況，而圖15B和I?表示陰極塊和集流棒界面在集流棒已經橫向膨脹增加接觸表面積之後的情況。
[0107]圖16是顯示通過電流箭頭標記的鋁電解池的局部截面圖，箭頭標記通過某些電解池部件的電流的總體流向/路徑。
[0108]圖17是不同電解池部件(碳陰極塊、陰極和集流器子組件之間的連結、集流棒的鄰近(例如嵌入)碳陰極塊(棒入)的一部分和為了從電解池中引出電流到電流母線中(棒出)伸出到碳陰極塊外部的集流棒的端部)的電壓降。橫軸表示不同熔爐的罐系列之間的變化。
[0109]圖18是固體集流棒的蠕變所需的應力如何隨溫度升高而降低的圖形化描述，外推到罐工作溫度。繪製的是I年期間引起I %蠕變所需應力(應力(MPa))相對於溫度(°C)的圖形。
[0110]圖19A是不同陰極和集流棒部件的熱膨脹的差異，繪製的是膨脹)相對於溫度(0C)的圖形。
[0111]圖19B是陰極(陰極塊)和集流棒(鐵&鋼)之間幹擾的計算結果的例子繪製成的距離(_)相對於溫度(V )的圖形，負值表示存在間隙。
[0112]圖19C是陰極和集 流器子組件的切面圖，顯示出從內部集流棒端部(~900°C )和到外部集流棒端部(~800°C)的過渡(鄰近集流棒伸出電解池的位置)的溫度差。
[0113]圖20A是兩種陰極棒材料的臺架模型，該陰極棒中具有含可膨脹材料的內部空腔。圖20B是在壁面向外膨脹的膨脹狀態下的可膨脹集流棒。
[0114]圖21是用於圖22所示試驗的可調節集流棒的不同配置的示例性的切面圖。
[0115]圖22是兩個臺架可調節集流棒的試運行，示出了壓力(PSIG)與時間(天)的關係O
[0116]圖23是第二個試運行的可調節集流棒的平面側視圖。
[0117]圖24是最終壓力(PSIG)和溫度(V )與時間(天)的關係圖。
[0118]圖25是實施例5的構件，包括邊框、臺架可調節的集流棒和另一個預先裝配在測試配置中的構件。
[0119]圖26是測試前實施例5裝配的配置。
[0120]圖27是測試後實施例5裝配的配置。
[0121]圖28是實施例5壓力和溫度相對於時間(天)的圖形表示。
[0122]上文中提及的本發明的不同方面可以組合以得到在使用較少電能的情況下同樣高效率和有效的電解池和操作方法，因此降低了運行成本。
[0123]本申請的上述或者其他方面、優勢和非常規設計將部分地在下文中闡明，並且通過下文和附圖的閱讀或者通過實踐本發明，這對本領域的技術人員來說將是明顯的。【具體實施方式】
[0124]現在將參考附圖進行詳細說明，這至少有助於說明本申請的相關的實施例。
[0125]參照圖1和2，一般地描述了電解池的【具體實施方式】。在生產鋁期間，電解池10在工作條件下生產鋁(例如工業純鋁)。在一些實施例中，電解池10的構件都封裝在壁50 (例如外殼)中，其具有包含在其中的用於隔離系統並且保護外部環境避免熱的電解浴和/或鋁洩露的耐火砌塊(或者材料)42。在一些實施例中，電解池10包括陽極12，具有可調節集流棒20的陰極組件14，和液體介質40。
[0126]在一些實施例中，陰極組件14是指集流器子組件20和陰極16。集流器子組件20是指集流棒22、連結材料50和任何用於向電解池(未示出)外部傳送電力的電學組件。在一些實施例中，陰極16和集流器子組件20是處於配合位置的，其中集流器子組件20至少一部分地保留在陰極16的槽18中。在一些實施例中，集流棒20的端部從耐火砌塊42和壁50伸出。作為非限制性的實施例，陰極16設置在鋁電解池10的底部。在一些實施例中，陰極16傳導電流並且通過電力母線(未示出)傳輸電流(例如通過它的形式)以退出電解池10。在一些實施例中，電流從液體介質40 (例如熔融電解質)進入陰極16。在一些實施例中，電解池運行(鋁生產)期間，電流從鋁金屬墊層36(例如已經在陰極16上形成)進入陰極16。在運行期間，鋁36(例如金屬墊層)在陰極16表面產生(參見，例如圖1和2)。
[0127]在一些實施例中，鋁電解池10具有多於一個的集流棒，例如，20、40或80個。在一些實施例中，陽極12發出電流進入電解池10並且進入液體介質40。作為非限制性的實施例，液體介質40包括熔鹽電 解質，並且一般還指通過氧化鋁至鋁的反應過程生成的任何中間產物、副產物或產品。在一些實施例中，電解質包括冰晶石(Na3AlF6)和氧化鋁(Al2O3)15從液體介質40中，電流作用而在電解池10中產生鋁36。在一些實施例中，電流通過陰極組件14流出電解池10。
[0128]在一些實施例中，陰極16是由一種或多種已知的並且可接受的材料構成。在一個實施例中，陰極16是碳(例如以塊狀形式)。在一些實施例中，陰極16包括槽18。在一些實施例中，槽18沿陰極16的下表面預成型。在一些實施例中，槽18具有足夠的尺寸大小，使得集流器子組件20至少一部分安裝在槽18中。在一些實施例中，槽18基本上包圍(圍繞)集流棒22。在一些實施例中，槽18圍繞集流棒22的一部分(一些但不是全部側面)(例如露出底部)。在一些實施例中，由於集流棒內部空腔向外推壓(例如在橫向上)，可調節集流棒22在鄰近陰極上施加力(或者壓力)。在一些實施例中，集流棒22因此橫向膨脹以順應陰極槽並且降低陰極組件兩端的電阻。
[0129]參照圖1，在一些實施例中，兩個集流棒的內端通過隔離材料48隔開。在一個實施例中，隔離材料48包括非反應性材料，其在工作條件下不會分解。作為非限制性的實施例，隔離材料48可以包括陶瓷材料、耐火材料等等，並且可能以顆粒或固體(塊體)形態位於陰極棒端部之間。
[0130]參照圖1，集流器子組件20包括集流棒22和連結材料52 (例如銅嵌入件或連結件)。在一些實施例中，集流棒22從陰極16的一端延伸到陰極16的另一端。在一些實施例中，集流棒22的外端包括錨定器和/或鉗架44(例如，以限制縱向移動)。[0131]在一些實施例中，集流棒22包括錨定器44，其維持該集流棒22在其位置上(限制軸向/縱向移動)。在一些實施例中，集流棒22的向外(剛性體)移動受到錨定器44的限制，該錨定器附接/錨定在罐內襯42上。在另一個實施例中，錨定器44附接到集流棒22的端部或一側，池壁50外部。
[0132]總體參照圖2-12，示出根據本申請的可調節集流棒的不同實施例。在一些實施例中，可調節集流棒包括氣體28和可膨脹材料30。加熱之後，可膨脹材料30膨脹(例如通過相變和/或化學分解)並且氣體28膨脹(例如通過理想氣體定律)，增大內部空腔26的內部體積，並且向外推壓集流棒的壁面24。在一些實施例中，可膨脹材料30完全轉化為氣體(例如加熱之後空腔26中沒有固體/顆粒)。在一些實施例中，可膨脹材料30分解或轉化為一種或多種成分，其中一些固體材料留在空腔26中(例如在加熱之後)。
[0133]在此使用的「順應(conform) 」是指第一構件的形狀和/或尺寸適配於第二構件的形狀和/尺寸。例如，由於集流棒的內部空腔26壓力增大而向側壁24施加增大的壓力，集流棒22順應陰極16的槽18。
[0134]在一些實施例中，最初集流棒22少量與槽18接觸，這導致電解池性能差。在順應之後，集流棒22的形狀更緊密地與槽18的尺寸和/或形狀相配，致使集流棒22和槽18之間的直接接觸量(接觸位點)增大。這種接觸增加便於改善電解池10的性能(例如降低通過陰極到棒連結的電阻)。集流器子組件20的順應槽18的量通過陰極電壓降的降低來量度。這表明良好的附接連接位點，並且因此順應。在一些實施例中，在鋁電解池10運行期間，陰極電壓降一般為約200mV至約500mV的量級。據認為，由電接觸(陰極16的槽18和集流棒22之間)不良(寬鬆)直接導致陰極電壓降至少高達100mV。
[0135]不限於特定的機制或理論，大約按照理想氣體定律，從環境溫度升至工作溫度(從20°C到900°C )使得集流棒內部的氣體壓力增大。然而，由於氧氣損失(例如生鏽)有可能降低壓力並且隨後集流棒體積增大(例如金屬膨脹)。
[0136]在一些實施例中，在經歷升溫(並且加壓)前集流棒預加壓(例如在室溫下或者在低於電解池工作條件的溫度下)。在一些實施例中，集流棒預加壓到(例如集流棒初始內部壓力):至少約5psig ;至少約IOpsig ;至少約15psig ;至少約20psig ;至少約25psig ；至少約30psig ;至少約35psig ;至少約40psig ;至少約45psig ;至少約50psig ;至少約55psig ;至少約60psig ;至少約65psig ;或者至少約70psig。在一些實施例中，集流棒預加壓到(例如集流棒初始內部壓力):不大於約5psig ;不大於約IOpsig ;不大於約15psig ；不大於約20psig ;不大於約25psig ;不大於約30psig ;不大於約35psig ;不大於約40psig ；不大於約45psig ;不大於約50psig ;不大於約55psig ;不大於約60psig ;不大於約65psig ；或者不大於約70psig。
[0137]在一些實施例中，集流棒預加壓到:至少約5psig ;至少約IOpsig ;至少約15psig ;至少約20psig ;至少約25psig ;至少約30psig ;至少約60psig ;至少約80psig ;至少約IOOpsig ;至少約120psig ;至少約140psig ;至少約160psig ;至少約180psig ;至少約200psig ;至少約220psig ;至少約240psig ;至少約260psig ;至少約280psig ;或者至少約300psig。
[0138]在一些實施例中，集流棒預加壓到:不大於約5psig ;不大於約IOpsig ;不大於約15psig ;不大於約20ps·ig ;不大於約25psig ;不大於約30psig ;不大於約60psig ;不大於約80psig ;不大於約IOOpsig ;不大於約120psig ;不大於約140psig ;不大於約160psig ；不大於約180psig ;不大於約200psig ;不大於約220psig ;不大於約240psig ;不大於約260psig ;不大於約280psig ;或者不大於約300psig。
[0139]在另一個實施例中，少量可膨脹材料(例如氣體28、固體可膨脹材料30)被密封在集流棒內部，其中該材料加入了當集流棒加熱時集流棒內部的壓力增加(例如通過相變至氣體)。例如MgCO3在接近350°C時放出CO2氣體。
[0140]在一些實施例中，集流棒與在集流棒內部和/或集流棒端部之間的填充材料34 (有時稱為顆粒基質或惰性材料)一起使用。填充材料34 —般選自在升溫時保持剛度(例如剛性)的固體材料和/或在電解池工作溫度下不分解或降解的材料。填充料的非限制性例子包括:金剛砂、陶瓷、銅等等。在一些實施例中，集流棒是焊接密閉的，但是其他密封集流棒的方法也可以使用。
[0141]圖13A-13B是在槽18中的集流棒22的切面圖。圖13A顯示出間隙，或者低的結合表面積/界面(圖13A，左圖)，與之相比的是一旦集流棒順應陰極16的槽18 (圖13B)，連結中的高界面/表面積(圖13B，右圖)。
[0142]圖14A-14B是局部正面的切面圖。圖14A顯示出間隙，而圖14B顯示出相對於縱軸大致垂直的方向。在一些實施例中，通過內部空腔中氣體和/或材料的膨脹增加壓力，可調節集流棒22將其自身壓縮/順應於陰極槽的表面上。在一些實施例中，集流棒22設計成能足以連續增壓的，在鋁電解池中工作條件下(例如至少約800°C)使得集流棒順應槽18。
[0143]參照圖14B，採用檢測器/傳感器38與錨定器44相連。該檢測器38(例如傳感器)包括位移計，其檢測集流器子組件20的壓縮量。在一些實施例中，當集流棒從電解池10的壁上伸出時，通過測量集流棒52的相對長度完成這種檢測。在一些實施例中，集流棒到陰極的膨脹/壓縮量是通過測量集流棒22施加在槽18上的力而獲得的。在一些實施例中，集流棒22的誘導變形導致連結的相對表面之間的間隙部分或者全部閉合。在一些實施例中，隨著陰極16子部件之間接觸面積的增加，降低了接觸電阻，允許電流從一種材料更容易地流入另一個(即，具有更小的電阻)。
[0144]圖15A和15B顯示出陰極16和集流棒22之間大的宏觀間隙的「前」和「後」視圖。在這個實施例中，一旦集流棒加壓，幾乎完全閉合間隙。在另一個實施例中，當表面是不均勻的，如圖15C和MD所示，在這些更小的凹凸之間陰極16和集流棒22之間的接觸頻率和/或範圍增加，但是不均勻表面之間的小間隙不能完全消除。在一些實施例中，接觸面積的增加發生在以下界面之間:(a)槽和連結材料；(b)連結材料和集流棒；(C)集流棒和槽(不存在連結材料)；和(d)它們的組合。
[0145]圖16顯示出電流從陰極塊16向集流棒22的端部流動的示例性的路徑。電流用箭頭表示。在一些實施例中，集流棒22從電解池10中(通過陰極16)匯集電流，並且向電解池10外部傳送電流。在一些實施例中，集流棒22由各種導電材料製成。作為非限制性的實施例，集流棒22由金屬材料(例如適合於導電的)製成。在一些實施例中，集流棒22包括沿集流棒22的一部分表面延伸的連結材料52。
[0146]所述「連結材料」52是指促使更好的附接和電接觸的導電材料。在一些實施例中，連結材料位於集流棒22的表面和陰極16的槽18之間。作為連結材料52的非限制性的例子，包括:金屬片、鑄鐵、銅和/或粘結劑。在一些實施例中，集流器子組件20部分地布置在槽18中，以確保從電解池10中移出電流。
[0147]在一些實施例中，可調節集流棒22促進界面46 (或者表面)形成兩種材料之間的共同邊界。在一些實施例中，由於集流器子組件20順應了槽18，集流器子組件20和陰極16的槽18之間的界面46得到改善，使得從陰極16到集流器子組件20傳送的電流更高效(即極少貢獻於陰極電壓降(CVD))。「改善」是指增加了子組件和槽的表面直接接觸的宏觀的或微觀的面積。
[0148]實施例:陰極組件材料的蠕變和膨脹
[0149]為了獲得在工作條件下集流棒產生適當蠕變所必需的力的最小量，在工作條件下向按比例縮小的集流鋼棒的樣品施加外力一段時間，進行試驗測定其蠕變率。
[0150]在一些實施例中，在電解池工作條件下，太小的力可能不會導致足夠的變形從而降低CVD，而過大的力可能導致集流棒變形進而達到(碳)陰極塊破裂的程度。
[0151]圖17表示的是通過不同部件的電壓損失的模擬試驗結果，不同部件具有被調整為匹配來自於不同工廠中的具有不同類型的數個電解罐系列的平均測量的CVD值的連結(接觸)電阻。
[0152]圖18表示的是隨溫度升高集流棒蠕變所需應力如何降低，溫度外推到電解池工作溫度，繪製出應力相對於溫度的曲線。
[0153]在所檢查的系統中，鋁電解池在高溫下工作並且優選具有低蠕變率。對於低蠕變率和高溫，Harper-Dorn位錯攀移被認為是二次蠕變的良好模型。應變率的方程式，々是:
【權利要求】
1.一種電解池，包括: 陽極； 至少一個陰極塊；和 集流棒，被配置為至少部分鄰近所述陰極塊放置並且與所述陰極塊電聯通，其中所述集流棒包括: 至少一個側壁； 被所述側壁包圍的內部空腔；和 經由所述至少一個側壁保留在所述內部空腔中的可膨脹材料， 其中所述可膨脹材料被配置為在所述集流棒處於工作溫度向所述內部空腔的壁面施加壓力，使得所述集流棒順應所述陰極塊。
2.根據權利要求1的電解池,其中所述可膨脹材料選自由下列材料組成的組中:氣體、惰性氣體、相變材料、MgC03、CaCO3>降解材料及它們的混合物。
3.根據權利要求2的電解池，其中所述可膨脹材料在超過約100°C的溫度經歷相變而析出氣體。
4.根據權利要求1的電解池，其中所述至少一個側壁包括密封件。
5.根據權利要求4的電解池，其中所述密封件包括焊接、機械緊固件、粘結劑、螺栓、鉚釘及它們的組合。
6.根據權利要求1的電解池,其中所述內部空腔還包括導電材料,其中所述導電材料具有比所述至少一個側壁大的導電性。
7.根據權利要求6的電解池，其中所述導電材料包括棒、管、多個凸垂物、多個散粒材料及它們的組合。
8.根據權利要求1的電解池，還包括與所述集流棒的端部聯通的錨定器，其中所述錨定器被配置為限制所述集流棒沿縱向的移動。
9.根據權利要求1的電解池，其中所述可膨脹材料被配置為在電解池運行條件下向所述內部空腔增加至少約50psig的所述壓力。
10.根據權利要求1的電解池，其中在20-25°C的溫度，所述內部空腔包含至少約15PSIG的壓力。
11.根據權利要求1的電解池，其中可調節的集流棒降低所述陰極和所述集流棒之間的陰極電壓降(CVD)至少約50mV。
12.根據權利要求1的電解池，其中所述內部空腔相對所述集流棒的橫截面積百分比從大約10%至大約90%。
13.根據權利要求1的電解池,其中所述內部空腔還包含填充材料(例如該填充材料不反應且不經歷膨脹)。
14.根據權利要求1的電解池，其中所述集流棒還包括:導電材料組成的連結材料，其位於所述陰極和所述集流棒之間並與所述陰極和所述集流棒電聯通。
15.一種集流棒，包括: 至少一個側壁，被配置為完全包圍內部空腔；和 可膨脹材料，通過所述至少一個側壁保留在內部空腔中， 其中所述可膨脹材料被配置為在至少約200°C的溫度向所述內部空腔的壁面上施加壓力，使得所述至少一個側壁通過施加在所述內部空腔的所述壁面上的所述壓力而變形。
16.—種製備金屬的方法,包括:(a)通過熔融的電解浴從陽極向陰極組件傳送電流，其中所述陰極組件包括: 陰極塊，與液體介質和金屬墊層中的至少之一電聯通；和 集流器子組件，包括: 集流棒，與所述陰極塊鄰近並與之電聯通，其中所述集流棒包括: 至少一個側壁，包圍其中具有可膨脹材料的內部空腔，其中所述可膨脹材料被配置為在至少約300°C的溫度膨脹； (b)由於所述可膨脹材料的膨脹，通過所述內部空腔的壓力的增加，在所述內部空腔的壁面上橫向地施加壓力，使得所述集流棒順應所述陰極塊；以及(c)由於施加壓力的步驟，所述陰極塊的槽與所述集流器子組件之間保持接觸。
17.根據權利要求15的方法，其中施加壓力的步驟足以降低所述陰極組件兩端的陰極電壓降至少約50mV。
18.根據權利要求15的方法，其中施加壓力的步驟還包括:使所述集流棒順應所述陰極以降低電阻。
19.根據權利要求15的方法，其中施加壓力的步驟還包括:使所述集流器子組件順應所述陰極塊以降低陰 極電壓降(CVD)約IOmV-約100mV。
【文檔編號】C25C3/16GK103668338SQ201310637121
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2012年9月11日
【發明者】R·M·比勒, L·E·達斯託爾夫 申請人:美鋁公司