電解槽及其操作方法

2023-05-01 11:36:11

專利名稱：電解槽及其操作方法
技術領域：
本發明涉及一種電自及，怍方法的改進，特別地本發明涉及生產鋁的 霍爾-赫魯型槽中的電流分布。
背景技術：
為了很好的理解本發明，首先應該i5^鋁的工業生產是通it^Mt中電解而
實施的，這些槽以串聯的形式被電連接，並JIii過橫穿過槽的電流的熱效應使 得在熔融水晶石中的氧^4呂驗的溫度典型脈940和980°C之間。
每個槽由棘的平^^面體鋼絲構成，該絲支撐包賴焙碳塊的陰極， 預焙碳塊中密封有一些通常所說的陰極電流集電棒的《晰奉，其從該槽的每個長 側 常大約50%的電流導出該槽。陰極電流集電粘超'J將電^A該陰極導 向後一槽的陽極的作用的母線系統連接。由碳、鋼和鋁組成的陽極系統固定在 所謂的"陽極框架"上，具有高度可調整的陽極杆並電連接到前一槽的陰極杆。
電解液，也#>^1在940-980。C下熔融冰晶石混合物中的氧化鋁溶液，位於
陽極系統和陰極之間。產生的鋁沉積在陰極表面上， 一層液態鋁7^久地##在
陰招腺爐的底部。因為該熔爐;l矩形的，支撐陽極的陽^ L框架大體上與它的大 側面平行，而陰極杆平行於它的小側面，即通常所說的槽頭。
槽中的主磁場由陽旨陰極系統中的電流產生。所有其它的電流將對該產 生的iyF茲場引起擾動。
槽是按排布置的，並且可以以並排(side-by-side)的方向橫向排列，它們 的短邊平行於電解槽系列的軸；也可以在首4^目連(end-by-end)的方向上縱 向排列，它們的^ii平行於電解槽系列的軸。通常， 一個電^ft系列由兩排槽
表示，在該兩排槽中電^Jr有相反的方向。這些槽以串聯的方式電連接，該系
列的末端連接到電力整^^控制變電站的正負輸出端。橫穿^Ft傳導元件陽 極、電解液、液態金屬、陰才脈連#^的電流產生大磁場。這些》茲場與在液 體電解質和金屬中的電流~^形#包含於熔爐中的該電解液和該液態金屬中 的磁流體動力學(MHD)行為的^i^出。引起電解液和金屬流動的所謂拉普##(LaPlace)力對槽的穩定運行(穩定性)也是有害的。jH^卜，槽的設計和它的 母線配置^^^響橫穿該槽的電^^怎#^布的。應當理解本發明可實施於並 排以及首4^目連布置的槽。
通常，穿過陽極系統的電流分布主M槽中陽極布置、以及陽極吊架的短 線(stub)配置的設計和它們與單個陽極的接口的影響。
當^'J陰極系統時，它通常以集電棒以7JC平方式^A單個陰極塊的方式而 設計。考慮熔融物或電解液穿過陰極系統的滲漏問題，該工藝方法已經被證明 是非常可靠的。jH^卜，集電棒由包裹的高度耐高溫和儲蝕侵蝕的陰tot料(碳 ^i^料)保護。通常，母線匯集陰極槽殼外面的電流。這種J財技術的一^: 點是陰極系統內的電流分布在陰極塊的外圍比其它地方更密集。Jtb^卜，基於在 陰極塊的底面形成的狹槽中的集電棒的同種^A的才脈，將產生這#""個結果 沿著集電棒在內部向陰極塊的另一端的電流分布，隨著離母線收集器的距離以 相當比例^W少。因此，電流應該有利地以預先i議的方式iMt陰極系統更適 當的區^^布，以獲得均勻的電流分布。
在開發竟爭性的鋁^f、技術中，鋁生產槽的陰極電流分布和相應的母線系 統的設計7/HA^f化了更具資質的關鍵行為之一。
設計者在開發最佳陰極系統的過程中應該具有一些自由度，利用技能選擇 配置(拓樸)，這可產生最佳的電流分布。
乂/H人如果電流可起源於在預先選擇的點或區域的陰極系統，那麼通過計算 和才勤^t助，應該可f談高陰極系統中的電流分布。但是，這將意味著陰極系 統應該至少部分地自下而上^MAf透，並且^it過電流引線或插頭連接到水 平的電流集電棒。到今天為止沒有伶阿實現具有在陰to部的豎直電流輸出端 這樣構思的已證實的解決方法。
美國專利US3，470，083, 1964年10月提出，>2^了一種具有豎直插入的電 流#的電解槽陰才跳部。圓柱形的接頭插入陰極的豎直孔中，通過洗鑄材料 而包埋。建議的材料可包^fi—的含碳物質或可為固化的洗^r屬:H失。該專 利所描述的解決方法尋求解決通常與集電棒相關的問題，涉及由於碳材#鐵 導軌(集電棒)不同的熱膨^^斤導致的那些問題導致了相當大的引起碳塊中橫
向裂紋形成的才;l^i力。因此，該解決方法M於用多個具有相對小直徑的接
頭對水平集電棒的替換。在上述專利申請提出的時候，需要100，000安培電流的#^皮稱為大槽。 ， 一個槽如果它需要那些電流量的大約2.5倍才通常被稱為 大槽。因此，由於接頭^4^目對小的面積，即使^^)了相當大量的接頭，秘 在每個單個接頭和陰極之間具有抑制的高電流密度。進一步地，除了一^H。圖 4"6所示的規則的、對稱的圖案涉及132接頭的應用夕卜，該專利不定義怎樣用最 佳的方式布置接頭以獲得均勻的電流分布。更進一步地，由於熱誘導力和膨脫 收縮，才娥該專利^ll豎直布置接頭的解決方法，將由於上述有限的電流傳遞 面積和相應的高點電流密度而受到增大的阻力。在碳塊中豎直布置的孔能夠起 到削弱可以^Li^L形成的點，並增加接頭的數目以解決旨大槽的電流需求 的作用，^*#妙惡化該情況。

發明內容
才娥本發明可敏上述鐵泉。本發明包括具有優化設計的豎直電流引線的 應用。進一步地，該電流引線(電^ 出端)可有利地電連接到可部分M全 部地伸展穿過陰極塊的7jc平集電棒構件。在後者中，它的最外端可連接到槽的 母線系統。考慮到通常具有電流引導金屬的集電棒構件的膨脹和彎曲，已經證 明優i&lf縮(楔形或圓錐形)的電流引線設計^J:佳的。漸縮輸出端的角度的 選擇AJ^於4鹹強度、電壓,熱損失的考慮，並JMW目對於豎直平面在5-15。 範圍內。
絲的陰極電流分布將取決於母線系統的棒I"生。它可以完全不同， 一方面 用於改ii^發明的已有的母線系統，另一方面用於新的母線系統設計。因此， M豎直輸出端的電流導出量在20-100 %範圍內，100 %代^^具有豎直輸出 端的設計。
電流引線的數量可以相對低些，例如在一個M實施方式中使用通常用的 水平集電棒的數量。才M居本發明，可改善電,中的MHD^1,並對可能 通過減d、它的重量而簡化所述槽的母線設計，從而減'J、投資成本。
根椐如所附的權利要求書所定義的本發明，可實現最佳的陰極電流分配系 統以克月MJ^技術設計的主M泉。此外，所附的權利要求書定義了一種M 具有M的陰極電流分布的槽的方法。


下面艦過圖和實施例描ii^發明，其中
圖1公開了一種底部具有電沭輸出端的電,的集電棒設計，
圖2公開了關於豎直集電棒渝出端的細節；
圖3a-3e ^Hf 了集電##列的糾配置。
^^實施方式
欣卞1
平緩的電流分布。與常規的集電棒設計相比，相應的集電棒設計HM^有可能簡 化母線系統(更小重量且由此更便宜)。成功的關鍵因素是圍繞豎直電流輸出 端的細節。操怍期間，陰極塊將彎曲和向上M^。接著一定JH^:直集電栲也 向上滑動，否則該豎直輸出端#^脫離水平集電棒。
根提圖l，其顯示了具有陽極排列2、 3和陰極塊4的電,1的集電棒設 計。該圖公開了在槽底部的電流輸出端。如本發明的該具體實施方式
所示，該 槽可具有兩個水平的電流輸出端5、 5'和豎直的電流輸出端6、 6'。
根據圖2，公開了與豎直集電棒輸出端相關的細節。如圖所示，該輸出端具 有一個與槽的母線系統(未圖示)連接的豎直輸出端25。豎直輸出端25連接一 ^h^A—個陰極塊4的水平集電部分23。該豎直^^亥水平部分可例:fet過鑄造 製成一塊，或可通it^接或確保優良電傳導'&貢的類似連接方法互連兩個分離 的部分而製造，這些部分可由鋼或任意其它適當的材料構成。
如圖所示，豎直輸出端穿過陰極結構的底部。該陰極結構包括(自上而下) 一個陰極塊4、兩層或更多層具有適當熱和化學'htt的磚20-21、以Aii常由鋼 板製成的電解槽殼22。該電,殼在輸出端的區域可具有比較低的部分(未圖 示)。該豎直輸出端經過一個孑LiUi道穿過^ft層。在可具有漸縮形狀的豎直 輸出端的夕卜部，布置有具有優良耐電解質和電解質M產物的含碳材料27的保
質和電解質反應產物的化學腐蝕的可鑄材料26。
關於豎直輸出端設計的一個重^徵是電;綠出端被含^27封閉，該含 27幫助該輸出端填滿了可鑄材料的孑Uil通道中豎直滑動。
在圖3a-3e中公開了樹集電棒設計。
在圖3a中，示意地顯示了一個陰極塊4，公開了三個集電棒30、 31和32,it^個集電^A該陰極塊4中，有兩個水平輸出端30'、 31'和一個豎直輸出端 33。
在圖3b中，顯示了兩個集電棒35、 36^A陰極塊4中，該集電#*有7片 平輸出端35'和36'。 jrt^卜，集電棒36具有一豎直輸出端37。
在圖3c中，顯示了四個集電棒40、 41、 43和45，這四個集電棒^v碳塊 4中。集電棒45和40分別具有一個7JC平輸出端45，和40'。集電棒41和43分別 具有豎直輸出端42和44。
在圖3d中顯示了僅僅一個集電棒50，該集電褲^^一個碳塊4中。該集 電禱^_有一個水平輸出端50 '和一個豎直輸出端51。
圖3e/i^f了集電棒設計，其中集電棒60^A陰極塊4中。該集電棒60具 有兩個7jC平輸出端61 '、 61 "和一個在中心布置的豎直輸出端62。
應當理,照本發明的教導，可實現7JC平和豎直集電^出端的進一步的 組^p布置。
通過如上所述的布置，有可育化每個單個的陰極塊中4^地或部分地以這 樣的方式布置集電棒以在該槽的陰極結構中實現均勻電流分布的有利方式，
將豎直和水平電^ir出端相結合。
分布穿過單個輸出端的電流量可預先計算並jui過設計軟體和ai正"^的 幫助最佳化。
權利要求
1、一種操作電解槽的方法，其中使電流經由布置在該電解槽的上部的陽極結構被引導到該電解槽中，通過導電的電解液並進一步通過基本上水平的陰極(4)，其特徵在於利用至少一個基本上豎直布置的電流輸出端(25)將電流引出該電解槽。
2、 才^^M']^求1所述的方法，^f^l4於利用所述電a^出端(25)的一個內側水平伸展部分(23)將 電流匯集於陰極。
3、 才賺45U，J要求1所述的方法，其中陰極包括至少一個結合在該陰極中的 集電棒，其中利用所述集電棒的至少一個水平端將電流導出該陰極，膽棘於在該至少一個豎直輸出端處導出陰極的電流量是集電棒的水平端的導出電 流量的預先計算的~~^分。
4、 才財居權利要求1-3所述的方法， 其特棘於導出豎直輸出端的電流量佔總電流的20-100%，其中100%表示只具有豎 直輸出端的i殳計。
5、 關於電解槽的 說，包括由導電材辨'J成的1^上水平的陰才媳構，並 進一步有M電流引線如水平集電才^A其中，該電自進一步包4辨線系統，細雄於所述p月才膽構包括至少一個l^^上豎直的連接到該母線系統上的電^ir出端(25)。
6、 ##權利要求5的艦， 其特棘於所述電^W出端iO:有與陰極材料(4)電接觸的至少一個水平電流引線部 分(23)。
7、 樹居權利要求6的 說， 其特棘於所i^少一個水平電流引線部^fi^胡劑材料或類似物^AJ'J在陰^t料 中預先形成的狹槽中。
8、 條糊要求6的她 絲絲於所^少一個水平電流引線部刺申出陰^^料以外，並it一步電連接到母 線系Ui。
9、 條糊要求8的組， 絲棘於該7JC平電流^j線部分的兩個端部伸出該陰極材料以外，所述兩個端部都電 連接到母線系肚。
10、 才^^M'J要求8或9的^， 絲棘於所^7K平電流引線部分以小的延伸量伸出陰^1#料以外，從而允許輕易地 移R^^換陰極槽殼中的陰極。
11、 才 權利要求10的 ， 絲棘於所ii7K平電流？ 1線部^if過柔性的電聯##連接到母線系*AJi。
12、 才M居權利要求10的 說， 細雄於母線系統和水平電流？ 1線部分之間的連接部位於陰極槽殼內部。
13、 才M居權利要求5的歧， 其特棘於所n少一個豎直電流腧出端由含^至少部^^封閉。
14、 才M居權利要求5或13的 說，細球於所^少一個豎直電麼 出端至少部分地^A具有優良耐化學腐蝕的可鑄 材料中。
15、 才財居權利要求5的tt， 其特棘於所^少一個豎直電^ 出端具有漸縮部分。
16、 條糊要求15的組， 絲絲於該漸縮部分具有圓錐形形狀，^i^具有相對於豎直平面540°範圍內的角度。
17、 條妙漆求15的她絲絲於 該漸縮部分是楔形的。
全文摘要
一種涉及電解槽的方法和改進，其中該電解槽包括基本上水平的由導電材料製成的陰極(4)，並進一步具有電流引線如水平集電棒嵌入其中。該電解槽進一步包括母線系統。該電解槽可通過改善的電流分布來操作，同時所述陰極包括至少一個基本上豎直的電流輸出端(6)。
文檔編號C25C3/06GK101680102SQ200780033956
公開日2010年3月24日 申請日期2007年9月12日 優先權日2006年9月14日
發明者E·豪格蘭, F·厄夫斯特通, J·拉特林, J·霍普, S·T·馬蒂森, S·亞雷克 申請人:諾爾斯海德公司