用於在Hall‑Héroult類型電解槽中生產鋁的電解過程中使用的陽極以及製造該陽極的方法與流程

2023-04-28 10:11:46

本發明涉及陽極以及製造該陽極的方法。特別地，本發明涉及用於在hall-héroult類型的電解槽中電解生產鋁的預焙陽極。

背景技術：

通常，預焙陽極被固定到形成陽極懸架的一部分的銷釘。碳基陽極塊具有預形成的孔，所述預形成的孔允許銷釘進入到所述孔中。通過將熔化的鑄鐵傾倒入每個單獨的銷釘和陽極中對應的孔之間的環形空間中，執行銷釘和陽極之間的固定。陽極懸架還包括具有銷釘的陽極軛爪，所述陽極軛爪進一步被陽極杆懸掛，所述陽極杆在其上部被附接到陽極梁。在陽極杆和軛爪之間常常存在有雙金屬的連接件。

使用熔化的鑄鐵對熔模(例如能夠熔化鑄鐵的烘箱)和對應的分配系統和傾倒系統有一些影響。對於陽極，銷釘在一些技術中被預熱。

由於預焙陽極所包括的碳材料的消耗，通常在電解槽中約30天後預焙陽極磨損。然後必須替換所述預焙陽極。磨損的陽極(端部)被轉移到這樣的設備，在所述設備處通過將陽極的剩餘材料與鑄鐵殘餘物一起移除來清潔陽極懸架的銷釘。通常，通過使用機械翻新工具來執行。

裝配新的陽極以及移除磨損陽極的端部的操作是耗時並且昂貴的。

us4574019涉及通過使用粘合體將兩個陽極塊附接到陽極懸掛裝置的過程，所述陽極懸掛裝置包括兩個鏟片或者兩個銷釘。該粘合體應當具有強的機械性能並且至少在900℃至1000℃之間具有良好的導電性能。粘合體可以是固體的混合物、粘合劑和硬化劑。所述固體可以由金屬粉末(比如鐵、銅或鋁)來體現。金屬的顆粒尺寸應當最大為5mm。這種類型的接觸體在ep0027534中被進一步描述。

技術實現要素：

根據本申請人所擁有的ep2242976a1，所施加的導電顆粒僅在電流引導部和陽極中的煅燒的碳質材料之間作為填充材料存在。僅使用導電顆粒而不使用硬化基體有助於導電顆粒的再利用。所述專利文獻也已經闡述了，對於根據該解決方案的插接(rodded)的陽極，電阻降低。

通過本發明，由於軛爪的新穎設計，陽極壓降被進一步降低。

首先，在一個實施例中，軛爪包括至少兩個三角形的懸掛板，其中所述懸掛板的上部部分、中間部分被附接在陽極杆的下部部分處。所述懸掛板的下部部分以及插接板在碳質陽極塊的上部部分中形成的凹部中被附接，並且所述懸掛板的下部部分以及插接板能夠在一個實施例中根據如ep2242976a1中所示的相同的原理而被插接。可以說，通過其中導電插接材料僅包括導電顆粒的組合，電流引導部和煅燒碳質材料的本體被各種機械固定裝置所連接。

軛爪的板可以是覆層材料或複合材料，優選地與夾層結構的材料類似，所述覆層材料或複合材料還能夠降低壓降並且還維持不同的熱性能。重要的優點是，這可以導致更少的熱量損失和更低的壓降。可能以這樣的方式設計軛爪，所述方式使得當替換通常使用的軛爪時，使得軛爪相對於電解槽中的熱平衡是「中性」的。

在另一個實施例中，軛爪包括在陽極杆和插接板之間的水平定向的懸掛板。類似地，該懸掛板能夠至少部分地是覆層材料或複合材料，優選地與夾層結構的材料類似，所述覆層材料或複合材料還能夠降低壓降並且還維持不同的熱性能。由於更少的突出元件，懸掛板還允許利用陽極覆蓋材料(acm)的更容易的覆蓋。

與上述設計有關的重要的優點是，所述設計可以導致更少的熱量損失以及更低的壓降。可能以這樣的方式設計軛爪，所述方式使得當替換通常使用的軛爪時，使得軛爪相對於電解槽中的熱平衡是「中性」的。

更進一步地，根據本發明的軛爪將具有良好的機械性能並且維持極好的穩定性。

附圖說明

這些優點和另外的優點將會通過如附帶的權利要求中所限定的本發明而獲得。

下面將通過附圖和示例來進一步描述本發明，其中；

圖1公開了具有軛爪和陽極杆的陽極懸架的第一實施例的透視圖，

圖2公開了從一側觀察的圖1的陽極懸架，

圖3公開了在正視圖中觀察的圖1的陽極懸架，

圖4公開了被裝配到碳陽極塊中的如圖3的陽極懸架，

圖5公開了在橫截面視圖中從一側觀察的被裝配到碳陽極塊中的如圖4的陽極懸架，

圖6公開了從上面觀察的，如圖5所示的被裝配到碳陽極塊中的陽極懸架的俯視圖，

圖7部分地對應於如圖6中a所表示的圓圈區域的放大視圖，

圖8部分地公開了如圖4中b所表示的圓圈區域的放大視圖，

圖9公開了在透視圖中觀察的完整的陽極組件，

圖10公開了在橫截面視圖中從一個端部觀察的機械固定裝置的替代設計，

圖11是從上面觀察的如圖10的相同的替代設計，

圖12是在橫截面視圖中從一側觀察的如圖10和圖11中的相同的替代設計，

圖13公開了根據本發明的一個陽極以及現有技術的陽極的對比壓降測試，

圖14公開了在透視圖中觀察的具有軛爪的陽極懸架的第二實施例，所述軛爪包括水平的懸掛板和豎直的插接板，

圖15公開了用於與軛爪插接的加工的和準備的陽極塊，

圖16公開了具有軛爪的陽極懸架的透視圖，所述軛爪包括插接到陽極塊的一個水平的懸掛板，

圖17公開了根據本發明的具有水平的懸掛板的一個陽極的壓降測試。

具體實施方式

如圖1所示，公開了具有軛爪(yoke)2和陽極杆3的陽極懸架1的透視圖。陽極杆通常由鋁或鋁合金製成，所述陽極杆優選地具有矩形的橫截面。

軛爪原則上可以包括四個部件，兩個三角形的懸掛板4、4』和兩個插接板(roddingplate)5、5』，所述兩個插接板分別與所述懸掛板相互連接。懸掛板4、4』和插接板5、5』可以由合適品質的鋼板製成，所述懸掛板和所述插接板通過焊接或者通過任何其他合適的方式而被相互連接。

然而在一個實施例中，通過合適的加工，比如切割和可能地彎曲(未示出)，插接板5和懸掛板4能夠由一片金屬板(例如鋼板)製成。

應理解的是，在本文中使用術語插接板和懸掛板同樣可以涉及如下完整板的部件，或者由如上所述的一個板製造，或者由兩個板製造，即懸掛板4與插接板5結合到一起。由任一方式製造的完整的軛爪板由54、54』所表示。

突出部8、8」被布置在插接板5處用來與陽極頂部中形成的凹部相互作用。還形成有允許插接板插入到陽極頂部中的凹部。這將會在下面解釋。類似的突出部被布置在插接板5』處(未示出)。

還公開的是，懸掛板4、4』的上部部分被附接到陽極杆3的下部部分。為了保證在陽極杆3和軛爪2之間的低壓降，可以將具有良好導電性的連接部件6、6』布置成與陽極杆3和懸掛板4、4』中的每個懸掛板電接觸。

在圖2中，從一側示出陽極懸架1。陽極杆3經由若干連接部件6、6』、7、7』、7」、9被連接到懸掛板4。連接部件7、7』、7」可以是雙金屬或三金屬的鋼板部件，因為其面對著由鋼製成的懸掛板4、4』。連接部件6、6』優選地是鋁的以便增加鋁的陽極懸架3和雙金屬或三金屬的連接件之間的接觸面積。連接部件9用作由雙金屬或三金屬構成的鋁部件。在三金屬的情況中，由鈦的薄片材所代表的結合板額外地布置在連接部件9和連接部件7之間(類似地布置在3和7」的結合點以及在6』和7』的結合點處)。

連接部件優選地具有良好的導電性和一定的機械強度。

原則上雙金屬部件將具有由分別與陽極杆3中的材料和懸掛板4、4』的材料相容的材料構成的兩個接觸區域。三金屬連接部件將額外地包括能夠使連接件在高溫下合適地運行的第三金屬。

例如，三金屬連接部件可以由基於鋼-鈦-鋁材料的部件構成。

另外，附圖更詳細地公開了插接板5中的突出部8、8』，布置所述突出部用於與陽極頂部中的對應的凹部相互作用。該突出部能夠基本地具有矩形或圓形的橫截面形狀。

在圖3中，以正面視圖示出了圖1的陽極懸架1，其中具有相應插接板5、5』的兩個懸掛板4、4』被附接到陽極杆3。連接部件6』被示出為處於這些部件之間的接觸區域。在插接板5、5』的下部部分中示出有突出部8、8』。在該示例中這些突出部具有矩形形狀並且可以按所述突出部在插接板的外部和內部處突出的方式穿過插接板5、5』。

在圖4中公開了裝配到碳陽極塊20中的如圖3所示的陽極懸架1，其中首先是在陽極塊的長度方向上定向的、加工的凹部(槽、槽口)13、13』，所述凹部能夠在一定的插入深度處接收插接板5、5』。另外，布置在插接板5、5』處的突出部8、8』與陽極塊20中的對應的凹部10、10』相匹配。關於在b處的圓圈區域的細節將根據圖8進一步解釋。

陽極塊可以具有朝下開口的槽21、22用於陽極氣體的排出，所述陽極塊在其拐角區域處具有懸臂式外部表面23。

圖5公開了從一側觀察的、圖4所示的被裝配到碳陽極塊20的陽極懸架1的橫截面視圖，其中陽極杆3被附接到具有插接板5的懸掛板4，突出部8、8』接合在陽極塊20中形成的對應的底切凹部10、10』中。插接板5進入到凹部13中。陽極塊具有懸臂式表面23、23』。關於突出部8」和凹部10」的細節示出在圖6和圖7中。

圖6公開了從上面觀察的、如圖5中所示的被裝配到碳陽極中的陽極懸架，其中陽極20設置有凹部10、10」、10』、10」』。軛爪部件具有已經進入到凹部中的突出部8、8』、8」、8」』。通過運用圓形銑削工具(例如所述圓形銑削工具形成為具有軸向和徑向多晶金剛石刀具(pcd)的小「鋸片」)能夠製造所述凹部，將所述圓形銑削工具進一步布置在足夠長的軸上，所述軸允許該工具通過第一步驟的朝下運動來加工孔並且在隨後的加工步驟中(其中該工具沿陽極塊(20)的長度軸線移動)加工底切凹部。

在圖7中，所述附圖示出了圖6中由a表示的圓圈區域的放大細節，具有突出部8」的插接板5首先接合到陽極塊20的凹部10」的頂部開口部分11」中，然後所述插接板水平地移動並且進一步接合到陽極塊20的凹部10」的頂部閉合部分或者底切部分中。這使得陽極塊20將能夠經由底切凹部10、10』、10」、10」』和突出部8、8』、8」、8」』而被軛爪所懸掛。這意味著陽極塊20的重量由這些機械固定裝置所承擔。

圖8部分地對應於圖4中由b表示的圓圈區域的放大視圖並且示出了凹部13和凹部10的更多的細節。附圖包括與圖7中所示的頂部開口部分或孔類似的第一頂部開口部分或孔11，已經在凹部13的合適的位置處加工所述第一開口部分或孔。另外，凹部10是底切的並且具有兩個凸緣12、12』。當如附圖所示插接板5已經進入到凹部13中、布置在插接板5處的突出部8已經朝下進入到孔11中並且已經在凹部的底切部分(頂部閉合部分)內部進一步移動時，所述插接板將被擱置在該位置並且能夠經由在陽極塊中形成的凸緣12、12』來承擔陽極塊20所代表的豎直負載。同時，突出部8、8』、8」』將分別進入它們所對應的凹部10、10』、10」』，見圖5和圖6。

圖9公開了具有陽極杆3、懸掛板4和4』、插接板5和5』、凹部13和13』、(部分的)孔11和11」以及陽極塊20的陽極組件。

在第一插接步驟之後，將導電顆粒填充到插接板和陽極塊中的凹部之間的空隙中，可以將軸環件施加到陽極頂部處的金屬部件上，以作為抵抗腐蝕作用的保護(未示出)。

在上面示例中的突出部8、8」、8』、8」』可以由圓柱形杆構成，所述圓柱形杆通過插接板進入到孔中。這些杆能夠通過壓配合布置而固定並且布置為容易移除和互換。

替代地，突出部的形狀可以是平坦的，即所述突出部具有抵靠陽極中的凹部作用的更為延展的平面表面。這會將陽極塊的負載分配到更大的面積上。在一個實施例中，突出部可以包括焊接到相應插接板的外部和/或內部的銷釘。

圖10公開了在橫截面視圖中從一個端部觀察的機械固定裝置的替代設計，其中陽極塊20在其底部分中具有槽21、22，其中凹部100、100』形成在所述陽極塊的頂部部分中。在凹部中，已經分別插入兩個插接板5、5』，已經施加螺栓14、15以便將軛爪板固定到陽極塊。螺栓14、15通過插接板5、5』中的孔並且被固定到陽極塊中預形成的凹部或孔中。螺栓可以有螺紋，對應的螺紋可以布置在插接板中和/或陽極塊20的孔中。

另外，懸掛板4、4』在其上部部分中具有導電性更好的額外的板材料16、17，比如銅或合適的銅合金，這將顯著地降低組件中的壓降。額外的板材料可以是覆層材料或者是通過其他方式與軛爪板電學整合到一起的材料。額外的板材料還可以用於優化軛爪的熱量損失。

另外，示出了懸掛板4、4』和陽極杆3之間的連接的細節。附圖示出了能夠優選地焊接到懸掛板4、4』的兩個增強部件27、28。增強部件優選地是金屬材料(比如鋼)並且將提高軛爪的橫向穩定性。所述增強部還將降低陽極杆和軛爪之間的壓降。

另外，示出了布置在懸掛板4、4』和陽極杆3之間的三金屬板18、19、26，與根據圖2所解釋的類似。

圖11是從上面觀察的如圖10所示的相同的替代設計，其中插接板5、5』通過螺栓14、14』、14」和15、15』、15」被固定到陽極塊20.

圖12是與圖10和圖11相同的替代設計，其是從一側以橫截面視圖觀察的情形，其中陽極塊20在其底部部分具有槽21，從頂部側插入插接板5。通過螺栓14、14』、14」固定插接板。覆層板材料在懸掛板4處示出為附圖標記16，陽極杆示出為附圖標記3。

三金屬連接件示出為附圖標記18、19、26。

懸掛板和插接板的尺寸取決於所替換的軛爪。

例如，與具有四個直徑180mm支腳的軛爪相比，本發明的軛爪與碳的接觸面積是兩倍。20mm厚度的插接板將降低50％的導熱鋼橫截面。

這意味著降低熱量損失犧牲了壓降，但是因為軛爪和碳之間的接觸面積增加了100％以及更大的雙金屬橫截面，所述壓降仍然比支腳軛爪的壓降低。

板橫截面的增加將增加熱量損失並且減小壓降，這兩者都可以有益於電解槽的電流量的增加。

尺寸的降低將會減少熱量損失並且增大壓降，並且所述尺寸的降低有益於減小兩極之間的空間。

在懸掛板部件中沒有覆層材料或者複合材料的情況下，懸掛板可以是鋼材料並且具有35mm的厚度。插接板可以是具有20mm厚度的相同的材料。

在一個實施例中，覆層cu材料的厚度可以是8mm，同時鋼的懸掛板的厚度是20mm。插接板的厚度可以是20mm。

具有比懸掛板的厚度更小厚度的插接板的軛爪已經展現出具有經由陽極軛爪降低熱量損失的積極效果。

在未公開的實施例中，可以施加多於兩個的軛爪板，所述軛爪板具有在陽極頂部中的對應槽。例如，可以施加中央軛爪板，所述中央軛爪板布置在附圖中所示的兩個軛爪板之間。

圖13公開了根據上述實施例的、具有兩個懸掛板/插接板(命名為雙置式)的一個陽極(下部曲線)和現有技術的參考陽極(上部曲線)的對比壓降試驗，所述現有技術的參考陽極的軛爪具有支腳，並且其中在陽極頂部形成孔以及插接板由鑄鐵製成。在附圖中，已經使曲線更適合於由手動繪圖輔助的列印。在陽極杆處和陽極頂部處的對應位置處完成壓降測量。

曲線示出了在電解槽中啟動後壓降(豎直軸線)與時間的關係。

將可以從上部曲線(所述曲線為參考陽極)觀察到的是，當電流通量已經穩定時，壓降可以取平均值為約200mv。

從下部曲線(所述曲線是根據本發明的陽極)中，壓降被穩定到約120mv的水平。

已經執行了在根據如上所述的本發明(雙置式)的8個陽極與8個標準陽極之間的對比試驗，其中已經對持續期間(從新的陽極到損耗的陽極)中的平均電阻測量並且取平均值。見表1。

表1.雙置式陽極與參考陽極的電阻的對比

本發明的另一個實施例在圖14中示出，其中在透視圖中觀察到具有水平定向的懸掛板104和五個插接板105、105』、105」、105」』、105」」的陽極懸架101。插接板105」」具有兩個突出部108」和108」』。類似地，插接板105也具有像這樣的兩個突出部108、108』(未示出)。這四個突出部將匹配陽極塊中對應的凹部並且能夠懸掛所述陽極塊。

如圖1所示，公開了在陽極杆和懸掛板之間的連接部件106、106』、106」。連接部件可以是雙金屬類型和/或三金屬類型。

此外，公開了陽極杆103和懸掛板104之間的間隔物144。該間隔物是有利的，在於其將連接部件與電解過程中發出的熱量和腐蝕性氣體間隔開。間隔物144能夠由金屬材料(比如鋼)製成並且能夠被焊接到懸掛板。然而，在一個實施例中，懸掛板能夠經由連接部件連接到陽極杆，而不具有任何的間隔物144(未示出)。在另一個實施例中(未示出)，間隔物144能夠由若干導電材料的板製成並且被進一步按照使板限定氣體密封空隙的方式所布置，所述氣體密封空隙能夠填充絕熱材料。在第一示例中類似的構造可以施加到懸掛板4、4』。該解決方案的一個優點是降低並且可能消除了利用陽極覆蓋材料來覆蓋陽極頂部的必要性。

圖15公開了陽極塊120的透視圖，加工和準備所述陽極塊用於與陽極懸架101插接。在陽極塊120中，存在被加工的五個凹部113、113』、113」、113」』、113」」，所述五個凹部能夠接收上述的對應的插接板。此外，與圖7中所示的類似，示出/指出了孔111、111』、111」、111」』和底切凹部110、110』、110」、110」』，用於在外插接板105、105」」處接收對應的突出部108、108』、108」、108」』以便承載陽極塊120的重量。

圖16公開了具有陽極懸架的陽極的透視圖，所述陽極懸架包括一個陽極杆103、連接部件106、106』、106」、間隔物144、與陽極塊120插接的懸掛板104。

應當理解的是，通過將插接板(105、105」」)與陽極塊(120)相互連接的銷針、螺栓等，陽極塊被固定到電流引導部。

在插接步驟期間，導電顆粒被填充到插接板和陽極塊中的凹部之間的空隙中，軸環件可以被施加到陽極頂部處的金屬部分，以作為抵抗腐蝕作用的保護(未示出)。

在上面示例中的突出部108、108」、108』、108」』可以包括通過插接板進入孔中的圓柱形杆。這些杆能夠通過壓配合布置來固定並且布置所述杆用於容易地移除和互換。

替代地，突出部的形狀可以是平坦的，即所述突出部具有抵靠陽極中的凹部作用的更延展的平面表面。這將使陽極塊的負載分配在更大的面積上。在一個實施例中，突出部可以包括被焊接到相應插接板的外部和/或內部的銷釘。

圖17公開了根據本發明的具有水平懸掛板的一個陽極(下部曲線)與通常的標準陽極(上部曲線)相比的壓降測試。能夠觀察到的是，相對於通常的標準陽極，壓降能夠降低約12微歐姆(下部曲線)。

此外，施加在懸掛板(多個懸掛板)的覆層材料和複合板材料可以由護罩或者任何其他合適的裝置所保護以避免劣化。覆蓋覆層材料或者複合材料的由鋼板製成的護罩是合適的。

應當理解的是，用於插接板的在陽極頂部中的凹部的主部分可以在陽極處於其未加工狀態時(即，在煅燒所述陽極之前)形成。凹部的主部分還能夠由陽極插入設備所形成，例如如本申請人所擁有的公開專利ep1781441a1中所示的那樣。

在這之後，凹部然後被旋轉加工工具所校準，所述旋轉加工工具具有與凹部的最終形狀互補的形狀或者具有比最終形狀的尺寸更小的尺寸。能夠布置所述工具以便配合cnc工具機或者類似物，從而將以自動的方式執行加工(處理)。在加工過程中，形成頂部開口凹部，隨後沿陽極頂部內的凹部移動相同的工具或者任何其他合適的工具，以便形成具有負載承載凸緣12、12』的頂部閉合的凹部。

應當理解的是，導電固體或者導電顆粒可以是任何合適的金屬(比如鋼、鐵、銅、鋁等)或者所述金屬的合金。此外，該固體的形狀可以是球形、卵形或者橢圓形、薄片形或者具有任何合適的形狀。尺寸和顆粒的分配可以變化。最大尺寸將主要由待填充的空間所限制。顆粒尺寸的不均勻的分配可以方便地獲得儘可能緊湊的填充，其中顆粒之間只有很少的空間。

除了具有良好的導電性能，所施加的材料應該具有良好的機械性能(壓碎性能)並且能夠承受高溫。出於在端部處理站中回收的原因，磁性特性可能是有利的。

此外，所述固體的尺寸可以從0.1毫米開始並且接近於插接板和陽極塊中凹部的壁之間的最小開口(空隙)。通常，該尺寸可以上至10毫米。

導電顆粒可以儲存在比待填充的陽極中的凹部更高的高度處的容器或者合適的儲存器中。被固定到該容器並且具有閥門和朝向槽的開口的管道可以調節進入到槽中的顆粒的正確量。因此可以由重力供給來執行運輸和分配。在填充時，可以施加振動以便獲得更緊湊的填充。陽極塊和/或軛爪板條可以振動。替代地，可以在填充有導電顆粒的凹部中施加振動棒，以便直接產生填充材料的振動。

此外，通常用於陽極或者其他保護物的軸環粘合劑可以用於在導電顆粒的頂部處形成封裝和保護層。

磨損的陽極通常可以在插接站中處理，在所述插接站處(在移除任何陽極覆蓋材料之後)從軛爪移除端部。優選地，端部以這樣的方式破裂：所述端部沿其固定的方向主要以分開的很少的大片的形式掉落。否則，可以從陽極懸架壓碎或敲落所述端部。該端部常規地被放置在傳送帶上。

在已經施加磁性導電顆粒作為填充材料的情況中，陽極軛爪優選地通過合適的方式所磁化，因此在端部移除期間顆粒將被吸引到軛爪。

在端部已經被移除之後，軛爪優選地被移動到插接站的另一部分用於恢復填充材料。然後能夠對軛爪去磁化以便讓顆粒脫落。隨著顆粒容易地脫落，能夠通過簡單的機械方法(比如刮擦)來移除在軛爪的先前嵌入部分上的任何殘留顆粒。

作為最終的清潔步驟，能夠優選地通過與實際的填充材料相同或者相容的顆粒(比如鐵、鋼或者任何其他的導電材料)噴吹(例如通過噴砂)軛爪的先前嵌入部分。除此之外，可以由砂、鋁或者任何其他的合適材料來實施噴吹。

應當理解的是，也可以恢復和再利用非磁性填充材料，即便分離技術和恢復技術會與上述的技術有些不同。可以施加一種篩網來從填充材料分離端部。

被恢復的填充材料可以如顆粒群那樣脫落。這些群可能需要被碾碎成或多或少的單一顆粒以便作為由待填充的實際凹部的開口所確定的填充材料而被再利用。可以通過調整常規設備來完成所述壓碎。