一種含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構的製作方法

2023-05-29 12:53:31

一種含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，通過在陰極內部預設陰極集流體骨架，將形狀不同的陰極集流體骨架預置於陰極炭塊中，使得陰極結構可對鋁液中水平電流分布和大小進行重新分配，並能夠提高陰極的機械性能，提高陰極壽命。此種陰極可根據實際槽型設計確定的結構參數和材料種類，可以明顯減少鋁液在電解槽長軸和短軸方向的水平電流密度，從而弱化鋁液-電解質界面的垂直波動幅度及維持合適的熔體水平運動，使電解槽可以在低極距下平穩運行，實現節能降耗，且該結構加工較簡單，易於實現。
【專利說明】—種含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電解槽複合陰極結構，特別是涉及一種含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構。
【背景技術】
[0002]在傳統霍爾-埃魯特(Hall-H6roUlt)鋁電解槽中，電流從立柱進入陽極母線，再經鋁導杆流入槽內並從槽側部流出，宏觀上看電流的方向在鋁液與陰極中進行了 90度方向的轉折，鑑於鋁液的電阻率遠小於電解質以及陰極炭塊，造成了鋁液中的水平電流的存在，而該水平電流不僅 會影響垂直磁場，還與垂直磁場共同作用，影響槽內磁流體的穩定性。而過大的水平電流引起會鋁液劇烈的波動及電解質-鋁液界面的嚴重變形，電解過程必須要在較高的極距條件下進行，由此引起大量的無用能耗。因此，對於鋁液中的水平電流的降低，不僅對於鋁電解行業實現節能降耗的良好發展具有重要意義，同時也是一項解決磁流體穩定性的根本性手段。
[0003]目前，在陰極結構上實現水平電流的一些研究主要集中在對陰極鋼棒的改變上，包括鋼棒開槽、雙鋼棒和異形陰極鋼棒等，這些結構都能夠在一定程度上降低水平電流，但未能夠從根本上解決水平電流以及由於新結構帶來的槽破損的風險。

【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題是提供一種能顯著減小電解槽內鋁液中的水平電流，從而實現電解槽在低極距下穩定運行的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明提供的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，包括陰極炭塊，在所述的陰極炭塊內嵌入有至少一組在陰極製作過程中通過陰極的振動成型與焙燒實現二者緊密結合的陰極集流體骨架。
[0006]所述的陰極集流體骨架在所述的陰極炭塊中為階梯傾斜布置，所述的陰極集流體骨架在槽端部更靠近陰極炭塊底部，而在槽中心則更靠近陰極炭塊頂部。
[0007]所述的陰極集流體骨架的材質是高導電金屬或金屬合金材料。
[0008]所述的陰極集流體骨架的截面為圓形或方形。
[0009]所述的陰極集流體骨架為人字形陰極集流體骨架。
[0010]所述的人字形陰極集流體骨架的相鄰兩個分叉的角度為90~120°。
[0011]當所述的人字形陰極集流體骨架的截面為方形時，所述的人字形陰極集流體骨架的分支骨架截面為20mmX 20mm~50mmX 50mm,所述的人字形陰極集流體骨架的主幹骨架截面大小為40mmX 40mm~80mmX 80mm ;當所述的人字形陰極集流體骨架的截面為圓形時，所述的人字形陰極集流體骨架的分支骨架截面半徑為20_~60mm,所述的人字形陰極集流體骨架主幹骨架截面半徑為40mm~90mm。
[0012]所述的陰極集流體骨架為十字形導電集流體骨架。
[0013]所述的十字形導電集流體骨架的十字形分叉分支長度為50~100mm,相鄰的所述的十字形導電集流體骨架經骨架的分支相互連接，所述的十字形導電集流體骨架的主幹的長度為1500~2000_ ;所述的十字形導電集流體骨架的當截面為方形時,所述的十字形導電集流體骨架的分支骨架截面為20mmX20mm~50mmX 50mm,所述的十字形導電集流體骨架的主幹骨架截面大小為40mmX40mm~80mmX80mm ;當所述的十字形導電集流體骨架的截面為圓形時，所述的十字形導電集流體骨架的分支骨架截面半徑為20_~60mm,所述的十字形導電集流體骨架的主幹骨架截面半徑為40mm~90mm。
[0014]採用上述技術方案的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，陰極結構整體外形不變，保持與傳統陰極一致的進電與出電模式，其陰極材質與傳統陰極一致，但在陰極系統的組成上與傳統有差別，不同於傳統陰極(均含有陰極炭塊和矩形狀陰極鋼棒)，本發明取消了傳統的陰極鋼棒，取而代之的是具有更高導電特性的網狀骨架集流體即陰極集流體骨架，因此不會引起除陰極炭塊外的鋁電解槽其他部位的重新設計及加工，也不會顯著影響陰極部分的生產及安裝。該陰極集流體骨架使用高導電的材料做成網格狀導電系統，通過在陰極加工成型過程中將其預埋至陰極內部，保證了陰極的完整性，同時可使得整個陰極結構的電場得到優化，因此可以顯著減小鋁液中的水平電流，並且優化鋁液中水平電流的分布，所以採用此結構的電解槽工作時鋁液波動小、容易實現低極距條件下的生產，使得槽電壓低、工作穩定性強，綜合能耗低。陰極集流體骨架的形狀可根據電解槽大小、陰極尺寸調整。
[0015]本發明與現有陰極結構相比具備如下優點:
[0016](I)應用本發明的複合陰極結構可以大幅度降低鋁液層的水平電流。採用普通鋼棒結構鋁電解槽陰極結構，水平電流密度出現在鋁液層的中間偏邊部的位置。根據此種分布形態，本發明結構 中，由於網狀集流體具有良好的導電性，網格狀的集流體則更容易吸引電流經其匯集，從趨勢上即減小了電流在水平方向的偏轉，所以減小了鋁液中的水平電流，則水平電流與垂直磁場的作用力也更小，從而弱化鋁液的垂直波動以及穩定鋁液的水平流動，則電解可以在較低的極距下進行，槽電壓可以大幅降低，減小鋁電解的能耗。
[0017](2)應用本發明可以對鋁液中的電流分布進行優化。由於本發明的網狀集流體在陰極內部的位置、集流體電導率的可控可調，因此可以針對不同型號的電解槽、不同母線配置的電解槽進行電流分布的優化，從而實現對鋁液中水平電流的可控與優化。
[0018](3)本發明的複合陰極對對槽壽命影響小。由於本發明的複合陰極通過將網狀集流體在陰極炭塊成型過程中嵌入到陰極中，因此網狀集流體與陰極的結合緊密，且陰極炭塊可以同時將這些網狀集流體視為陰極炭塊的骨架，從而大幅度提高炭塊的機械性能。使用該複合陰極對槽壽命影響小甚至有助於提高槽壽命。
[0019]綜上所述，本發明是一種能顯著減小電解槽內鋁液中的水平電流，並且能優化鋁液中水平電流的分布，從而實現電解槽在低極距下穩定運行的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是傳統的鋁電解槽陰極結構的半剖面示意圖。
[0021]圖2是本發明實施例1中的採用人字形陰極集流體骨架的複合陰極半剖面示意圖。[0022]圖3是本發明實施例1中的採用人字形陰極集流體骨架的複合陰極示意圖。
[0023]圖4是本發明實施例2中的採用十字形導電集流體骨架的複合陰極示意圖。
[0024]圖中:1-陰極炭塊，2-人字形陰極集流體骨架，3-陰極鋼棒，4-陰極鋼棒糊，5-十字形導電集流體骨架。
【具體實施方式】
[0025]參見圖1，在傳統鋁電解槽中，鋁電解槽複合陰極結構由陰極炭塊1、陰極鋼棒3和陰極鋼棒糊4組成，電流從立柱進入陽極母線，再經鋁導杆流入槽內並從槽側部流出，宏觀上看電流的方向在鋁液與陰極中進行了 90度方向的轉折，鑑於鋁液的電阻率遠小於電解質以及陰極炭塊，造成了鋁液中的水平電流的存在，而該水平電流不僅會影響垂直磁場，還與垂直磁場共同作用，影響槽內磁流體的穩定性。
[0026]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步說明。
[0027]實施例1:
[0028]如圖2和圖3所示是本發明的採用人字形陰極集流體骨架2的複合陰極，主要由陰極炭塊I和人字形陰極集流體骨架2組成，人字形陰極集流體骨架2在陰極製作過程中，預先嵌入在陰極炭塊I內，通過陰極的振動成型與焙燒實現二者的緊密結合。本實施例1中，陰極炭塊I的總長度3000~4000mm，寬400~700mm，高400~600mm ;陰極炭塊I內嵌至少兩組人字形陰極集流體骨架2，人字形陰極集流體骨架2上的人字形分叉分支長度為50~100mm，相鄰兩個分叉的角度為90~120°，主幹的長度為1500~2000mm ;人字形陰極集流體骨架2的截面為圓形或方形，當人字形陰極集流體骨架2的截面為方形時，人字形陰極集流體骨架2的分支骨架截面為20mm X 20mm~50mm X 50mm,人字形陰極集流體骨架2的主幹骨架截面大小為40mmX40mm~80mmX80mm ;當人字形陰極集流體骨架2的截面為圓形時，人字形陰極集流體骨架2的分支骨架截面半徑為20_~60mm,人字形陰極集流體骨架2的主幹骨架截面半徑為40mm~90mm ;人字形陰極集流體骨架2的加工按照從對應於陰極炭塊I邊緣位置以及對應於中間位置向最高點階梯狀加高，即人字形陰極集流體骨架2在陰極炭塊I中為階梯傾斜布置，人字形陰極集流體骨架2在槽端部更靠近陰極炭塊I的底部，而在槽中心則更靠近陰極炭塊I的頂部。此種結構使鋁液中的電流更容易流入與之相鄰的人字形陰極集流體骨架2的分支中，再匯集並導入到下一臺槽，由於人字形陰極集流體骨架2均勻布置在電解槽中，從而大幅度降低鋁液中的水平電流，弱化鋁液的垂直波動及穩定水平流動，提高電解槽穩定性，並較大的降低極距，最終使電解槽降低能耗。
[0029]實施例2:
[0030] 如圖4所示是本發明的採用十字形導電集流體骨架的複合陰極，主要由陰極炭塊I和十字形導電集流體骨架5組成，十字形導電集流體骨架5在陰極製作過程中，預先嵌入在陰極炭塊I內，通過陰極的振動成型與焙燒實現二者的緊密結合。本實施例中，陰極炭塊I的總長度3000~4000mm,寬400~700mm,高400~600mm ;陰極炭塊I內嵌至少兩組十字形導電集流體骨架5,十字形導電集流體骨架5上的十字形分叉分支長度為50~100mm,相鄰的十字形導電集流體骨架5經骨架的分支相互連接，十字形導電集流體骨架5的主幹的長度為1500~2000_ ;十字形導電集流體骨架5的截面為圓形或方形，當十字形導電集流體骨架5的截面為方形時,十字形導電集流體骨架5的分支骨架截面為20mmX20mm~50mmX 50mm,十字形導電集流體骨架5的主幹骨架截面大小為40mm X 40mm~80mm X 80mm ；當十字形導電集流體骨架5的截面為圓形時，十字形導電集流體骨架5的分支骨架截面半徑為20mm~60mm,十字形導電集流體骨架5的主幹骨架截面半徑為40mm~90mm ;十字形導電集流體骨架5的加工按照從對應於陰極炭塊I邊緣位置以及對應於中間位置向最高點階梯狀加高，即十字形導電集流體骨架5在陰極炭塊I中為階梯傾斜布置，十字形導電集流體骨架5在槽端部更靠近陰極炭塊I的底部，而在槽中心則更靠近陰極炭塊I的頂部。此種結構使鋁液中的電流更容易流入與之相鄰的十字形導電集流體骨架5的分支中，匯集成一個電流網絡後，再導入到下一臺槽，從而大幅度降低鋁液中的水平電流，弱化鋁液的垂直波動及穩定水平流 動，提高電解槽穩定性，並較大的降低極距，最終使電解槽降低能耗。
【權利要求】
1.一種含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，包括陰極炭塊(1)，其特徵是:在所述的陰極炭塊(I)內嵌入有至少一組在陰極製作過程中通過陰極的振動成型與焙燒實現二者緊密結合的陰極集流體骨架。
2.根據權利要求1所述的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，其特徵是:所述的陰極集流體骨架在所述的陰極炭塊(I)中為階梯傾斜布置，所述的陰極集流體骨架在槽端部更靠近陰極炭塊底部，而在槽中心則更靠近陰極炭塊頂部。
3.根據權利要求1或2所述的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，其特徵是:所述的陰極集流體骨架的材質是高導電金屬或金屬合金材料。
4.根據權利要求1或2所述的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，其特徵是:所述的陰極集流體骨架的截面為圓形或方形。
5.根據權利要求3所述的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，其特徵是:所述的陰極集流體骨架的截面為圓形或方形。
6.根據權利要求1或2所述的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，其特徵是:所述的陰極集流體骨架為人字形陰極集流體骨架(2)。
7.根據權利要求6所述的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，其特徵是:所述的人字形陰極集流體骨架(2)的相鄰兩個分叉的角度為90~120°。
8.根據權利要求6所述的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，其特徵是:當所述的人字形陰極集流體骨架(2)的截面為方形時，所述的人字形陰極集流體骨架(2)的分支骨架截面為20mm X 20mm~50mm X 50mm,所述的人字形陰極集流體骨架(2)的主幹骨架截面大小為40mmX40mm~80mmX80mm ;當所述的人字形陰極集流體骨架(2)的截面為圓形時，所述的人字形陰極集流體骨架(2)的分支骨架截面半徑為20mm~60mm,所述的人字形陰極集流體骨架(2)主幹骨架截面半徑為40mm~90mm。
9.根據權利要求1或2所述的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，其特徵是:所述的陰極集流體骨架為十字形導電集流體骨架(5)。
10.根據權利要求1或2所述的含高導電骨架網絡的鋁電解槽複合陰極結構，其特徵是:所述的十字形導電集流體骨架(5)的十字形分叉分支長度為50~100mm,相鄰的所述的十字形導電集流體骨架(5)經骨架的分支相互連接，所述的十字形導電集流體骨架(5)的主幹的長度為1500~2000mm ;所述的十字形導電集流體骨架(5)的當截面為方形時,所述的十字形導電集流體骨架(5)的分支骨架截面為20mmX 20mm~50mmX 50mm,所述的十字形導電集流體骨架(5)的主幹骨架截面大小為40mmX40mm~80mmX80mm ;當所述的十字形導電集流體骨架(5)的截面為圓形時，所述的十字形導電集流體骨架(5)的分支骨架截面半徑為20mm~60mm,所述的十字形導電集流體骨架(5)的主幹骨架截面半徑為40mm~90mm;.
【文檔編號】C25C3/08GK103981540SQ201410229280
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】張紅亮, 李劼, 楊帥, 呂曉軍, 江南 申請人:中南大學