複合導電棒的製作方法

2023-10-18 04:00:34

專利名稱：複合導電棒的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於鋁生產的電解還原槽，特別是其構成部件——導電棒(collector bar) ο
背景技術：
鋁金屬通常由被普遍稱為霍爾-埃魯(Hall Heroult)過程的方法從氧化鋁 (AI2O3)中提煉得到。此過程已為鋁工業從業者們所熟知，在此無需進一步說明。本發明的重點在於這種電解過程運行所處的容器或槽，而非把注意力投向該過程 本身。槽的上(陽極)部分通常包含一個或多個載流(通常含碳)塊意於均勻分配電流流過 淺的(意指其具有的水平尺寸遠大於貫穿其深度方向的垂直尺寸)熔融冰晶石(cryolite) 液體層，該層居於另一熔融鋁層之上。槽的下方(陰極)部分在物理上包含處於耐火材料構成的腔中的熔融冰晶石層和 鋁層，該腔的下方表面也由導電(通常含碳)材料構成。該導電材料通常形成為一系列大 的塊(陰極塊)，塊中嵌入有金屬的電流導體(導電棒)用來提供讓電流離開槽的路徑集。通常的操作是把多個這種槽通過母線系統作為串聯電路連接起來，使電流能夠通 過其陽極部分依次進入各槽，提供能量給容納於陰極部分中的液體冰晶石層與鋁層中所運 行的電解過程，並最終讓電流經過導電棒離開槽。當電流穿過槽時，它會自然地尋找經過槽部件的最小電阻路徑，從而將最大集中 電流導嚮導電棒離開陰極塊的連接處。電流的這種非均勻分配有害地影響到位於最高電流 集中區域的陰極塊，顯著增加其損耗(通常以腐蝕過程的方式)。現有技術展示，採用複合導電棒能夠顯著改善電流在各陰極塊的分配，複合導電 棒由外鋼套構成，該鋼套在其部分長度上裝入有高導電的(通常為銅)芯。這種對電流分 配的改進已知能夠顯著提高陰極塊的工作壽命。這些改進的導電棒雖然有助於降低陰極腐蝕並從而提高陰極塊的工作壽命，但是 這些益處需要對比與構造材料相關的高製造成本和複合導電棒裝置的組裝複雜度進行權 衡。因此，存在一種需要，使複合導電棒裝置具有互補材料裝置的益處，但是又能相對更簡 單地進行製造，從而顯著減少成本。

發明內容
本發明的一方面，提供用於鋁生產的一系列槽中的一個電解槽，其包括·殼和耐火裝置，構成用於容納高溫液體的工作腔；·導電陰極，包括多個構成工作腔的基底的陰極塊；·至少一個陽極，懸置於所述槽內並且與工作腔中的高溫液體接觸；·至少一個導電棒，容納於在陰極的各陰極塊中形成的凹部內，該置於陰極塊中的 導電棒不直接接觸工作腔中的液體；·電母線系統，位於所述殼的外部用於將電流從所述槽的導電棒傳輸至所述一系列槽中的下一個槽的陽極； 其中，該導電棒包括第一導體和至少一個第二導體，該第一導體電連接到電母線 系統，並具有電連接到陰極的一個或多個外表面，該至少一個的第二導體具有比第一導體 小的電阻，該第二導體位於第一導體的至少一個外表面上且與第一導體電接觸。根據第二方面，本發明提供
·導電棒，用於電連接到電解槽的母線系統，導電棒接收於電解槽的陰極的陰極塊 中的凹部內，其中·該導電棒包括第一導體，其電連接到母線系統，該第一導體具有與陰極塊電接 觸的一個或多個外表面；和至少一個第二導體，其具有比第一導體小的電阻，該第二導體位 於第一導體的至少一個外表面上且與第一導體電接觸。本發明的複合導電棒其第二導體可通過機械或化學方法接合到第一導體。在本發 明的優選形式中，該第一導體(優選其橫截面大於第二導體的橫截面)被固定到陰極塊中 時構成複合導電棒的下方外表面。該複合導電棒的第一導體優選用具有相對低的導熱導電性的材料生產，例如鋼。 低導熱性減小通過導電棒末端的熱損失，特別是向外部載流裝置的熱損失。相比於第一導體，複合導電棒的第二導體優選用導熱導電性相對高的材料生產， 例如銅。這樣，第二導體比第一導體具有更高的導熱和/或導電性。第二導體的較高導電 性提供整個導電棒上近似統一的電勢，從而促使在陰極塊表面形成統一的電流密度。此外， 第二導體的較高導電性提供位於陰極塊與外部載流器之間的較小電阻路徑，從而減小貫穿 陰極塊組件的電壓降。或者，複合導電棒的第一導體可為通道形狀，或者其中形成有凹部，第二導體接合 於該凹部中。在這種情況下，導電棒安裝在陰極塊中時，可以讓第一導體位於最上面(這時 複合體所有側面都受到保護而與陰極化學隔開)，或者讓第二導體位於最上面(這時附加 絕緣層可被放置在第二導體的外表面和陰極塊之間)。複合導電棒的兩個導體的橫截面形狀，雖然也可能為其它橫截面(例如，圓形橫 截面)，但是通常為多邊形，並且最常為矩形或者通道形狀。在任何情況下，第二(高導電 的)導體都將構成導電棒的一個外表面的至少一部分。導電棒的兩個導體將被安全地相互 接合以確保良好的電接觸。複合導電棒的第一和第二導體的相關橫截面被設計來優化通過複合體的電流與 熱通量。儘管導電棒的第一和第二導體的面積比例取決於陰極與耐火材料的具體設計，但 是出於成本原因，複合體的第二(高導電的)導體的橫截面積優選小於整個導電棒橫截面 積的50%。數學模型可用於優化布置複合導電棒的兩個導體相對於陰極塊的位置，以便最 小化熱損失和優化陰極塊外表面的電流分配。作為對本發明的進一步詳述，導電棒的第一和第二導體的相關橫截面可以沿電解 槽長度方向在陰極的的後續陰極塊中發生變化。在後續陰極塊組件之間的導電棒導體的相 關橫截面的變化可被用於有益地改變電流密度場分配和通過電解槽的總電流量。可用於製造複合導電棒的接合技術為本領域所熟知的現有技術，其包含(但不限 於)過盈配合、互鎖結合、鉚接、爆炸接合(explosion bonding)或輥壓接合。現有技術也 教導，在複合體的兩個導體之間引入中間層，以通過化學或機械方式幫助增進接合強度，可以促進適當的此類接合。當採用中間接合層時，其不應當對複合導電棒的兩個導體間的電 接觸有不利的影響。


圖1顯示在陰極塊中的本發明導電棒的一個實施例；圖2顯示包含本發明導電棒的電解槽的橫截面視圖；圖3是在陰極塊中的導電棒的第二實施例的橫截面視圖，和圖4是在陰極塊中的導電棒的第三實施例的橫截面視圖。
具體實施例方式
現在參考以上附圖對本發明優選實施例進行說明。參考圖1，其顯示根據本發明實施例的導電棒。所示陰極塊10具有安裝於形成在 陰極塊10中的凹部內的導電棒。該導電棒包括第一導體11，其通常為鋼質體；和第二導 體12，其通常由安裝在第一導體11內的凹部中的高導電的金屬例如銅構成。在本發明此 實施例中，導電棒容納導電插入體中的那部分完全位於陰極塊內。導電棒的橫截面A-A(圖 1)顯示第二導體12比第一導體11薄得多。第二導體12位於第一導體11的上外表面內， 使得與第二導體結合的該外表面向陰極暴露。與導電棒的用途相符合，第一和第二導體的 長度方向尺寸都大於第一和第二導體的高度或寬度尺寸，從而使第一和第二導體具有長形 形狀。由此，長形導電棒安裝在形成於陰極塊內的長形凹部中。在本發明另一實施例中(圖3)，第二導體30通過機械或化學方法接合到第一導 體31中。在此第二實施例中，第一導體通常比第二導體具有更大的橫截面，當其被安裝到 陰極塊中時構成導電棒的下方表面。在此實施例中，第二導體安裝在形成於第一導體外表 面33中的凹部32內，且在安裝時不與陰極塊相毗接。在此實施例中，第二導體不暴露向陰 極也不直接與陰極塊接觸，因此在正常工作狀態下其有望持久耐用。在本發明又一實施例中(圖4)，第二導體40通過機械或化學方法接合到第一導體 41的一個外表面。第二導體40將具有與第一導體41相同的長度和寬度尺寸，因此其完全 覆蓋第一導體的一個側面。此實施例在使用時其中第二導體構成導電棒最下方外表面。但是，當本發明此實施例應用在陰極塊中時，優選高導電的第二導體40為導電棒 的最下方外表面，使第二導體只有較小的側面區域暴露給陰極塊。在所有實施例中，通常第二導體佔據小於整個導電棒橫截面的50%。可用於製造根據本發明的複合導電棒的接合技術為本領域所熟知，包括(但不限 於)過盈配合、互鎖結合、鉚接、爆炸接合或輥壓接合。本領域技術人員會認識到，在複合導 電棒的兩個導體之間引入中間層來幫助增進化學的或機械的接合強度可以促進這類接合。 當這樣的中間接合層被採用時，該層不應當對複合導電棒的兩個導體之間的電接觸有不利 的影響，即，本發明要求在導電棒的第一和第二導體之間建立和維持良好的導電性。圖2為含有根據圖1所示實施例的導電棒的電解槽的橫截面視圖。該電解槽是典 型的用於霍爾-埃魯(Hall Heroult)過程制鋁的電解槽列中的一系列電解槽中的一個電 解槽。該電解槽包括殼與耐火材料裝置，該裝置構成用於容納高溫液體的工作腔。在鋁生 產中，這些液體是熔融的冰晶石和熔融的鋁。該電解槽包括陰極，陰極包括多個構成工作腔的基底的陰極塊。各陰極塊橫向延伸跨越電解槽。構成陰極的陰極塊在其末端及下方由耐 火磚和填充材料13圍繞。在使用中，陰極被熔融鋁14和熔融的冰晶石15漫過。在根據本 發明的電解槽中，第二導體12顯示為接合在導電棒11的第一導體內部。儘管導電插入件 12顯示為完全位於陰極塊10中，但在本發明的其它實施例中，這些導電插入件可佔據導電 棒的其中一個表面的整個長度。如圖2所示，通常的操作是在陰極塊的整個長度上可聯接 多於一個導電棒，在這種情況下導電棒在其內向的末端通過絕緣材料16相互隔開。在用於由單一材料例如鋼製成的導電棒的數學模型中，電勢在陰極塊的很大比例 部分上是較高的，並朝嚮導電棒與母線系統的連接處不均勻地減小。在這種情況下，跨越陰 極塊的上表面的電勢差近似為100-150毫伏(mV)。用於如圖2所示配置的導電棒的數學模 型顯示，儘管沿陰極塊的最上表面初始為高電勢，但是電勢在陰極塊高度上幾乎統一地減 小。跨越陰極塊上表面的電勢差遠小於10毫伏(mV)。這表明複合導電棒有效地提供了位 於陰極塊內部的等勢表面，因此當採用符合本發明的導電棒時，確保了在整個陰極塊上的 電流分配更加均勻，從而使整個陰極塊上有更加均勻的磨損。在此所說的「包括(comprise) 」及該詞的變形，例如「包括(comprising) 」、「包括 (comprises) 」和「包括(comprised) 」，非意在排除其它附加物、部件、整件或步驟。應當理解的是，本說明書中所公開和定義的發明涵蓋由兩個或多個提到的或說明 書或附圖中顯見的個體特徵所得到的所有可替代組合。所有這些不同組合構成本發明的各 種可替代方面。
權利要求
用於鋁生產的一系列槽中的一個電解槽，其包括·殼和耐火材料裝置，構成用於容納高溫液體的工作腔；·導電陰極，包括多個構成所述工作腔的基底的陰極塊；·至少一個陽極，懸置於所述槽內並且與所述工作腔中的高溫液體接觸；·至少一個導電棒，接收於所述陰極的至少一個陰極塊中形成的凹部內，該置於所述陰極塊中的至少一個的導電棒不直接接觸工作腔中的液體；和·電流母線系統，位於所述殼的外部用來將電流從所述槽的導電棒傳輸至所述一系列槽中的下一個槽的陽極；其中該導電棒包括第一導體，其電連接到電母線系統，該第一導體具有電連接到所述陰極塊的一個或多個外表面；和至少一個第二導體，其具有比所述第一導體小的電阻，該第二導體位於所述第一導體的至少一個外表面上且與所述第一導體電接觸。
2.如權利要求1的電解槽，其中所述第二導體通過機械或化學方法接合到所述第一導體。
3.如權利要求1的電解槽，其中所述第一導體的橫截面大於所述第二導體的橫截面。
4.如權利要求1的電解槽，其中所述第二導體的橫截面小於整個導電棒的50%。
5.如權利要求1的電解槽，其中所述第二導體沿所述第一導體的縱向外表面布置。
6.如權利要求4的電解槽，其中所述第一導體構成複合導電棒的下方外表面。
7.如權利要求1的電解槽，其中所述第二導體比所述第一導體具有更高的導電性。
8.如權利要求1的電解槽，其中所述第一導體為通道形狀的或者在其外表面設置有凹 部，所述第二導體接合在該通道或凹部中。
9.如權利要求2的電解槽，其中所述第二導體構成複合導電棒的至少部分外表面。
10.用於電連接到電解槽的母線系統的導電棒，該導電棒接收於所述電解槽的陰極的 陰極塊中的凹部內；其中該導電棒包括第一導體，其電連接到所述母線系統，該第一導體具有與所述陰極 塊電接觸的一個或多個外表面；和至少一個第二導體，其具有比所述第一導體小的電阻，該 第二導體位於所述第一導體的至少一個外表面上且與所述第一導體電接觸。
11.如權利要求10的導電棒，其中所述第二導體通過機械或化學方法接合到第一導體。
12.如權利要求10的導電棒，其中所述第一導體的橫截面大於所述第二導體的橫截
13.如權利要求10的導電棒，其中所述第二導體的橫截面小於整個導電棒的50%。
14.如權利要求10的導電棒，其中所述第二導體沿所述第一導體的縱向外表面布置。
15.如權利要求13的導電棒，其中所述第一導體構成複合導電棒的下方外表面。
16.如權利要求10的導電棒，其中所述第二導體比所述第一導體具有更高的導電性。
17.如權利要求10的導電棒，其中所述第一導體為通道形狀的或者在其外表面設置有 凹部，所述第二導體接合在該通道或凹部中。
18.如權利要求11的導電棒，其中所述第二導體構成複合導電棒的至少部分外表面。
全文摘要
用於電連接到電解槽的母線系統的導電棒，該導電棒接收於電解槽陰極的陰極塊中的凹部內；其中該導電棒包括第一導體，其電連接到母線系統，該第一導體具有與陰極塊電接觸的一個或多個外表面；和至少一個第二導體，其具有比第一導體小的電阻，該第二導體置於第一導體的至少一個外表面上且與第一導體電接觸。
文檔編號C25C3/16GK101874127SQ200880117573
公開日2010年10月27日 申請日期2008年10月29日 優先權日2007年10月29日
發明者布魯斯·R·奧姆斯特德, 英戈·拜爾 申請人:Bhp比利頓創新公司