專利名稱：包含減小電壓降的設(shè)備的用于制鋁的電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過點(diǎn)火電解的制鋁，更具體地，涉及用于制鋁的電解槽。
背景技術(shù)：
鋁通過對溶解在電解液中的氧化鋁進(jìn)行電解還原而制得。還原是由在布置 在電解槽內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)陽極和陰極之間的電流的循環(huán)所導(dǎo)致。現(xiàn)今，霍爾-埃魯 (Hall-Heroult)鋁還原室在常常超過數(shù)十萬安培的高電流強(qiáng)度下運(yùn)作。制鋁者的目標(biāo)是提高電解槽的電流效率和降低其比能消耗，以降低鋁還原設(shè)施 的運(yùn)作成本。電解槽的比能消耗，其通常用kWh/t表達(dá)，等于電解槽制得一噸鋁消耗的 能量°為了這個(gè)目的，制鋁者尋求減小電解槽兩端的多種電壓降并使電解槽內(nèi)的電流 分布更均勻的方法。已經(jīng)有多個(gè)專利關(guān)注陰極電壓降U。的減小，而目標(biāo)常常是使電流更 均勻地在陰極表面流動。特別地，已知可以通過使用復(fù)合導(dǎo)電棒來減小陰極電壓降U。， 該復(fù)合導(dǎo)電棒包括鋼部分和由電導(dǎo)率高于鋼的金屬一通常是銅制成的部分。法國專利申請No.FR 1 161 632和美國專利No.2 846 338 (Pechiney)描述了包含銅 板的電解槽，該銅板鄰接導(dǎo)電棒的側(cè)部，并全程延伸至導(dǎo)電棒的外端。由于銅板和與其 相連的鋁匯流條(busbar)之間的緊密鄰接，這樣的布置導(dǎo)致熱量從電解槽嚴(yán)重散失。美國專利No.3 551 319 (Kaiser)描述了一種電解槽，其包含下側(cè)具有凹槽的導(dǎo)電 棒和插入該凹槽的銅導(dǎo)體。美國專利No.5 976 333 (Pate)描述了這樣一種布置，其中銅導(dǎo) 體插入管狀導(dǎo)電棒。在這兩種情形下，銅導(dǎo)體直接與匯流條連接。這樣的布置也導(dǎo)致熱 量從電解槽嚴(yán)重散失。國際申請WO 02/42525 (Serv co)描述了這樣的布置，其中銅導(dǎo)體被封入導(dǎo)電 棒。國際申請WO 01/63014 (Comalco)和WO 01/27353 (Alcoa)描述了這樣的布置，其 中銅導(dǎo)體插入導(dǎo)電棒并借助鋼隔離器(spacer)與連接設(shè)備分離，以減小電解槽的熱量散 失。國際專利申請 WO 2004/031452 (Alcan)和國際專利申請 WO 2005/098093 (Aluminium Pechiney)描述了這樣的布置，其包含銅插入物以及在導(dǎo)電棒和碳質(zhì)塊之間的一可變密封 區(qū)(varying sealing area)，以改善電流沿著碳質(zhì)塊的分布。然而，包含插入物的布置制作 起來相當(dāng)困難而且昂貴。此外，這樣的設(shè)計(jì)難以顯著減小導(dǎo)電棒的尺寸。因此，申請人提出了針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)——特別是比能消耗的問題——的工 業(yè)上可接受的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面是一種用于制鋁的電解槽，其包括——金屬殼，其包含兩個(gè)側(cè)向壁，它們被布置為關(guān)于中央平面基本對稱，—至少一個(gè)碳質(zhì)陰極塊，其具有側(cè)面、端面以及在其側(cè)面之一中的至少一個(gè) 凹槽，所述塊被布置在所述殼內(nèi)，以使所述凹槽與所述中央平面基本正交，
——至少一個(gè)由第一金屬制成的導(dǎo)電棒，其具有至少一個(gè)連接端和若干側(cè)面， 并被布置在所述凹槽中，以使所述至少一個(gè)連接端穿過特定端面凸出所述塊，并穿過特 定側(cè)向壁凸出所述殼，以使得能夠電連接到外部電路，——所述凹槽內(nèi)的導(dǎo)電密封材料，其在所述導(dǎo)電棒和所述塊之間提供電接觸，其中，所述電解槽還包括至少一個(gè)補(bǔ)充棒，所述補(bǔ)充棒由電導(dǎo)率大于所述第一 金屬的第二金屬制成，其中，所述至少一個(gè)補(bǔ)充棒具有第一端和第二端，并具有特定長度，并被布置 為與所述導(dǎo)電棒的所述側(cè)面之一鄰接，并且其中，所述第二端位于距所述塊的所述特定端面一特定距離處，并終止， 以限制熱量從所述電解槽散失。在一個(gè)可能的實(shí)施方案中，通過布置所述補(bǔ)充棒以使所述第二端從所述連接端 移動一段移動距離，從而使得熱量散失被減小。在另一個(gè)可能的實(shí)施方案中，通過改變 所述補(bǔ)充棒的沿所述補(bǔ)充棒的截面——優(yōu)選地在所述第二端的附近——以向所述連接端 引入所述補(bǔ)充棒的熱阻，熱量散失被減小。這些針對所述第二端的終止的所述實(shí)施方案 可以相組合。所述導(dǎo)電棒和所述補(bǔ)充棒優(yōu)選地在延伸在所述塊的所述特定端面和參考平面之 間的至少一個(gè)區(qū)域處與所述塊電絕緣，該參考平面平行于所述中央平面，并位于距所述 特定端面且朝向所述中央平面的一側(cè)向距離處。如此獲得的絕緣區(qū)域顯著減小了所述 塊的所述特定端面附近的電流強(qiáng)度，并能夠避免在所述電流強(qiáng)度的縱向分布中形成大尖 峰。所述電絕緣通常通過在所述區(qū)域中在所述導(dǎo)電棒和所述陰極塊之間以及在所述補(bǔ)充 棒和所述陰極塊之間提供縫隙來獲得。該縫隙優(yōu)選地?zé)o導(dǎo)電密封材料。第一金屬優(yōu)選地是黑色金屬(ferrous metal)，尤其是鋼。第二金屬特別地是銅或銅合金。申請人:注意到，本發(fā)明能夠在獲得顯著低于公知電解槽的電壓降的同時(shí)避免過 量的熱量通過導(dǎo)電棒散失。申請人:預(yù)計(jì)，所述至少一個(gè)補(bǔ)充棒的橫向垂直截面與所述導(dǎo)電棒的橫向垂直截 面的比值優(yōu)選地大于5 100，以充分減小電解槽中的電壓降。所述橫向垂直截面是指在 所述電解槽內(nèi)的基本垂直方向上并基本平行于所述中央平面S的截面。此外，注意到，根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合導(dǎo)電棒布置——即根據(jù)本發(fā)明的包括所述導(dǎo) 電棒和至少一個(gè)補(bǔ)充棒的布置一的總體橫向垂直截面，在不增大包括這樣的復(fù)合導(dǎo)電 棒布置的電解槽的電壓降的情況下，可以被制作得顯著小于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的單導(dǎo)電棒的 橫向垂直截面。申請人預(yù)計(jì)，所述比值的數(shù)值大于25 100可以充分減小根據(jù)本發(fā)明的 復(fù)合導(dǎo)電棒布置所需的空間。因此，本發(fā)明可以顯著增大導(dǎo)電棒上方的陰極碳質(zhì)材料的厚度G，以充分延長 電解槽在正常狀態(tài)下的可能壽命，并也能夠降低塊的全厚度E，這樣就在不增大電解槽的 電壓降的情況下節(jié)省了構(gòu)建材料。換言之，本發(fā)明可以部分地或完全地將導(dǎo)電棒通常所 需空間的減小轉(zhuǎn)化成總塊高度的減小并相應(yīng)地節(jié)約與之相關(guān)的成本。本發(fā)明的另一方面是通過點(diǎn)火電解來制鋁的過程，其包含——提供根據(jù)本發(fā)明的第一方面的電解槽，所述 電解槽還包含至少一個(gè)陽極，
—在所述至少一個(gè)陽極和所述碳質(zhì)陰極塊之間通過電流，以通過氧化鋁的電 解還原來制鋁。


下面借助實(shí)施例并參照附圖來更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中圖1示出了典型電解槽的橫向截面視圖。圖2和3示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的可能的陰極組件。圖4至11示出了本發(fā)明的可能的實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，為制鋁設(shè)計(jì)的電解槽1通常包含罐2，罐2包括內(nèi)襯有耐火材料4、 41、41'的金屬殼3，其中41、41'是側(cè)襯。所述罐2通常還包括至少一個(gè)碳質(zhì)陰極塊 5，塊5使用至少一個(gè)陰極導(dǎo)電棒6、6'連接到至少一個(gè)外部匯流條導(dǎo)體7，陰極導(dǎo)電棒 6、6'由導(dǎo)電材料——通常是諸如鋼的黑色金屬制成。電解罐2通常包括大約10至30 個(gè)并排布置在所述殼3中的陰極塊5。電解槽1還包括一個(gè)或多個(gè)陽極10、10'，這取決于電解槽的類型。所述陽極 通常由如下碳質(zhì)材料制成，該碳質(zhì)材料可以在電解過程期間在電解槽內(nèi)被焙燒，或在熔 爐中被預(yù)焙燒。電解槽還可以包括不可消耗或惰性的陽極。圖1所示的類型的電解槽包括多個(gè)已被預(yù)焙燒的陽極10、10'，它們使用密封 在所述陽極內(nèi)的陽極桿11、11'連接到外部導(dǎo)電體，并使用可拆卸的連接器(未示出)固 定到公共導(dǎo)體12、12'——被稱為陽極束(anodebeam)。在操作中，罐2容納一個(gè)液態(tài)鋁墊8和一層電解池9，電解池9包括熔融冰晶石 以及溶解在其中的氧化鋁。所述陽極10、10'局部浸入所述電解池9，并受保護(hù)層13 保護(hù)而防止氧化，保護(hù)層13主要包含氧化鋁和電解質(zhì)渣殼。固化的池脊(solidified bath ridge) 16、16'通常形成在所述側(cè)襯41、41'上。電流在所述陽極10、10'和所述碳質(zhì)陰極塊5之間的循環(huán)導(dǎo)致還原。電解槽的 電流強(qiáng)度取決于電解槽的類型和尺寸；對于AluminiumPechiney開發(fā)的所謂的AP30型電 解槽，電流強(qiáng)度常常超過300kA。在操作中，在液態(tài)鋁墊8和導(dǎo)電棒6、6'的連接端61、61'之間出現(xiàn)的電壓降 Uc通常在300至500mV之間。電解槽的總電壓降大約是4至5伏特。如上可見，所述金屬殼3通?；臼蔷匦蔚?，具有兩個(gè)被布置為關(guān)于中央平面 S對稱的側(cè)向壁30、30'，中央平面S位于所述側(cè)向壁和兩個(gè)端壁(未示出)之間的中 段。所述側(cè)向壁30、30'彼此平行，并關(guān)于所述中央平面S基本彼此為鏡像。所述側(cè) 向壁30、30'通常是6至21米長，所述端壁通常是2至4米長。所述金屬殼3通常由鋼 制成。所述側(cè)向壁30、30'具有外表面31、31'和內(nèi)表面32、32'。所述陰極塊5通常由無煙煤(無定形碳)、含有石墨的碳質(zhì)材料或石墨化碳制 成。含石墨的陰極塊通?；蛘呤撬^的“半石墨” ±夬——通常含有30wt.%至50wt.%的 石墨，或者是所謂的“石墨” ±夬——含有100Wt.%的石墨顆粒和保持無定形的粘合劑。 含有石墨化碳的塊通常被稱為“石墨化”塊。這些塊進(jìn)行高溫石墨化熱處 理，從而通過無定形碳的石墨化提高了該塊的電導(dǎo)率。含有石墨或石墨化碳的塊優(yōu)于由無煙煤所制造 的塊，因?yàn)榍罢呦啾扔诤笳唠娮栎^低，這樣就減小了陰極塊兩端的電壓降。所述陰極塊 5更優(yōu)選地是石墨化塊。所述陰極塊5和所述導(dǎo)電棒6、6'形成陰極組件50，其通常在罐2外被組裝， 并在內(nèi)襯形成期間被附加到殼3。所述導(dǎo)電棒6、6'具有端部61、61'、62、62'和所述端部之間的側(cè)面63、 64、 65、 66。所述導(dǎo)電棒6、6'通常具有圓形、正方形或矩形截面。下面參照附圖使用包含 矩形或正方形截面的說明性實(shí)施方案來進(jìn)一步描述本發(fā)明。本發(fā)明可以使用具有圓形截 面的棒來實(shí)施。陰極組件50可以包括一個(gè)或數(shù)個(gè)“全長”導(dǎo)電棒6，其從一端到另一端貫穿 所述塊5，如圖2所示；或一對或數(shù)對“半長”導(dǎo)電棒6、6'，其被稱為半棒，通常排 成一直線，僅延伸穿過所述塊5的一部分，如圖3所示。在后者的情形下，半棒常常被 縫隙152分離，縫隙152通常充滿耐火的電絕緣材料，諸如非陶瓷纖維，或碳漿或塊。如圖2和3所示，所述陰極塊5的形狀基本是平行六面體，其具有第一端面51、 第二端面51'、和側(cè)面52、52'、53、53'。所述陰極塊5具有寬度W。和全厚度E。 當(dāng)被布置在電解罐2中時(shí)，所述端面51、51'和側(cè)面52、52'基本垂直，而側(cè)面53、 53'基本水平，側(cè)面53是上表面，側(cè)面53'是下表面。所述下側(cè)面53'包括至少一個(gè)縱向凹槽15，該縱向凹槽15在所述端面51、51' 處開口，并通常從所述端面51全程延伸到所述第二端面51'。在槽1中，所述凹槽15 通常面向下方。所述陰極塊5通常被布置在殼3內(nèi)，以使所述凹槽15與所述中央平面S基本正 交，并使所述端面51、51'距對應(yīng)的側(cè)向壁30、30'的內(nèi)表面32、32' 一確定距離，如 圖1所示。當(dāng)可應(yīng)用時(shí)，所述確定距離通常對所有塊5和所有端面51、51'基本相同。至少一個(gè)導(dǎo)電棒6、6'使用導(dǎo)電密封材料151、151'密封在所述凹槽15內(nèi)，導(dǎo) 電密封材料151、151'在所述導(dǎo)電棒6、6'和所述塊5之間提供低電阻電接觸。所述導(dǎo) 電密封材料151、151'通常是鑄鐵、導(dǎo)電膠或諸如碳質(zhì)漿之類的導(dǎo)電漿。圖2圖示了可能的陰極組件50，其具有單凹槽15和一個(gè)長于塊5的導(dǎo)電棒6。 在這一實(shí)施方案中，導(dǎo)電棒6的第一連接端61凸出所述塊5的第一端面51，導(dǎo)電棒6的 第二連接端61'凸出所述塊5的第二端面51'。
圖3圖示了另一可能的陰極組件50，其具有單凹槽15和一對短于塊5的導(dǎo)電棒 6、6'。在這一實(shí)施方案中，第一導(dǎo)電棒6的連接端61凸出塊5的第一端面51，而內(nèi)端 62位于所述凹槽15內(nèi)，并且第二導(dǎo)電棒6'的連接端61'凸出塊5的第二端面51'，而 內(nèi)端62'位于所述凹槽15內(nèi)。如圖1所示，所述導(dǎo)電棒6、6'貫穿所述殼3的所述側(cè)向壁30、30'，用于連 接到外部電路，通常連接到一個(gè)或多個(gè)通常由鋁制成的匯流條導(dǎo)體7。通往外部匯流條 導(dǎo)體7的電連接通常使用柔性鋁配件14進(jìn)行，配件14焊接和/或栓接到所述導(dǎo)電棒6、 6'的伸出所述殼3的側(cè)向壁30、30'的至少一個(gè)連接端61、61'。所述導(dǎo)電棒6、6' 聚集經(jīng)過陰極塊5的電流，并將其引導(dǎo)到位于所述罐外的導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)。
根據(jù)本發(fā)明，所述槽1還包括至少一個(gè)由第二金屬制成的補(bǔ)充棒20、20'、 21、21'，優(yōu)選地在室溫與大約1000°C之間的所有溫度處，所述第二金屬的電導(dǎo)率大于 所述導(dǎo)電棒6、6'的電導(dǎo)率。

諸如鋼之類的黑色金屬的電導(dǎo)率通常是，在室溫(20°C )大約107S/m，在 1000°C大于約9X105S/m。 因此，所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的電導(dǎo)率優(yōu)選在室 溫下大致大于約107S/m，在1000°C大于106S/m。所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'優(yōu) 選地由選自銅和銅合金的金屬制成，因?yàn)檫@些金屬具有高電導(dǎo)率和高熔點(diǎn)。所述銅合 金通常包括大于90wt.%的銅，優(yōu)選地大于95wt.%的銅。銅的電導(dǎo)率是，在室溫下大約 6.3X107S/m,在1000°C大約1.2X107S/m。這些電導(dǎo)率值對應(yīng)的電阻率等于在室溫下 大約 1.7 Χ1(Γ8 Ω · m,在 1000°C大約 8.5Χ1(Γ8Ω · m。所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'通常為細(xì)長的，并沿著導(dǎo)電棒6、6'基本縱向 地布置。更精確地，所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'具有第一端201、201'、211、 211'和第二端202、202'、212、212'，并具有一特定長度L，且被布置為與導(dǎo)電棒 6、6'的所述側(cè)面63、64、65、66之一相鄰。優(yōu)選地，所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21' 被布置為，使得所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的所述第二端202、202'、212、212' 位于距所述塊5的第一端面51的一特定距離A、A'處。所述特定距離A、A'通常 在-150mm至+600mm之間，其中負(fù)號意味著所述第二端202、202'、212、212'在所 述塊5內(nèi)，正號意味著所述第二端202、202'、212、212'在所述塊5外。根據(jù)本發(fā)明，所述導(dǎo)電棒6、6'和所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'優(yōu)選地在延 伸在端面51、51'和參考平面P、P'之間的區(qū)域150、150'內(nèi)與所述塊5電絕緣，其中 參考平面P、P'平行于所述中央平面S，并位于距所述端面51、51'且朝向所述中央平 面S方向的一側(cè)向距離B、B'處。優(yōu)選地通過在所述區(qū)域內(nèi)在所述導(dǎo)電棒6、6'和所 述陰極塊5之間以及在所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'和所述陰極塊5之間設(shè)置縫隙來獲 得電絕緣。所述側(cè)向距離B、B'通常在20至500mm之間。所述縫隙優(yōu)選地?zé)o導(dǎo)電密 封材料151、151'。所述絕緣區(qū)域150、150'內(nèi)的所述縫隙可以容納耐火絕緣材料，諸 如非陶瓷纖維。所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'可以鄰接所述導(dǎo)電棒6、6'的頂側(cè)面65，即鄰 接所述導(dǎo)電棒6、6'的面對凹槽15的底內(nèi)側(cè)155的一側(cè)65，和/或鄰接所述導(dǎo)電棒6、 6'的至少一個(gè)側(cè)向側(cè)面63、64，即，所述導(dǎo)電棒6、6'的面對凹槽15的側(cè)向內(nèi)側(cè)153、 154的側(cè)面63、64中的至少一個(gè)。有利的是，所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的所述第一端201、201'、211、 211'從所述中央平面S凹進(jìn)一段凹進(jìn)距離C、C'。所述凹進(jìn)距離C、C'通常在20至 1300_之間。本發(fā)明的這種變體提供了有用的調(diào)節(jié)參數(shù)，用于優(yōu)化與所述補(bǔ)充棒20、 20'、21、21'對電壓降的作用有關(guān)的所需銅量。這種變體還使減小操作中的所述補(bǔ)充 棒的熱膨脹作用成為可能。這種變體通常通過在所述中央平面S的每一側(cè)設(shè)置補(bǔ)充棒 20、20'、21、21'來實(shí)施，這些補(bǔ)充棒可以被布置為關(guān)于所述中央平面S對稱或不對 稱。圖4至11圖示了這種變體的可能實(shí)施方案。如圖4至11所示，根據(jù)本發(fā)明的電解槽可以在所述中央平面S的每一側(cè)包括至 少一個(gè)補(bǔ)充棒20、20'、21、21'，通常是多個(gè)補(bǔ)充棒20、20'、21、21'。所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'通常具有矩形橫向截面。所述矩形橫向截面在所述補(bǔ)充棒20、 20'、21、21'的整個(gè)所述特定長度L、L'上可以是均勻的或不均勻的。如圖4至11所示，所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的第一端201、201 ‘、 211、211'優(yōu)選地位于所述塊5的凹槽15內(nèi)，并優(yōu)選地位于導(dǎo)電棒6、6'和所述塊5之 間，以更容易地用所述密封材料151、151'保護(hù)所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'，而所 述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的第二端202、202'、212、212'優(yōu)選地凸出所述塊5的 端面 51、51'。有利的是，所述導(dǎo)電棒6、6'具有矩形截面，所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21' 的至少一部分具有矩形截面，如圖4至11所示。這些形狀使組裝陰極組件50更容易。所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的厚度T有利地在其特定長度L、L'上是均勻 的，如圖4至11所示。這使大量生產(chǎn)所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'更容易。當(dāng)塊5 在其每一端51、51'包括一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)充棒20、20'、21、21'時(shí)，這些棒的特定長度 L、L'通常是相等的。在圖4所示的實(shí)施方案中，所述槽1包括多個(gè)碳質(zhì)陰極塊5，以及每個(gè)陰極塊 5中的至少一個(gè)“全長”導(dǎo)電棒6;第一補(bǔ)充棒20，其在所述中央平面S的一側(cè)；和第 二補(bǔ)充棒20'，其在所述中央平面S的對側(cè)。所述導(dǎo)電棒6的第一連接端61和第二連接 端61'分別伸出所述塊5的第一端面51和第二端面51'，并分別凸出所述殼3的第一側(cè) 向壁30和第二側(cè)向壁30'，用于進(jìn)行電連接。所述補(bǔ)充棒20、20'與所述導(dǎo)電棒6的 上側(cè)面65鄰接，S卩，與所述導(dǎo)電棒6的面對凹槽15的底表面155的側(cè)面65鄰接。所述導(dǎo)電棒6的所述第一和第二連接端61、61'意在電連接到至少一個(gè)外部匯 流條導(dǎo)體7。對于每個(gè)導(dǎo)電棒6，所述第一補(bǔ)充棒20的所述第一端201位于所述殼3內(nèi)，在 距所述中央平面S且朝向所述塊5的第一端面51的一第一凹進(jìn)距離C處，而所述第一補(bǔ) 充棒20的所述第二端202位于距所述塊5的第一端面51的一第一特定距離A處(在圖4 所示的情形下是第一伸出距離A)。所述第二補(bǔ)充棒20'的所述第一端201'位于所述殼 3內(nèi)，在距所述中央平面S且朝向所述塊5的第二端面51'的一第二凹進(jìn)距離C'處，而 所述第二補(bǔ)充棒20'的所述第二端202'位于距所述塊5的第二端面51'的一第二特定距 離A'處(在圖4所示的情形下是第二伸出距離A')。所述凹槽15在延伸在所述塊5的所述第一端面51和第一平面P之間的第一區(qū)域 150內(nèi)與所述第一補(bǔ)充棒20及所述導(dǎo)電棒6電絕緣——其中第一平面P平行于所述中央平 面S，并且該凹槽15位于距所述第一端面51且朝向中央平面S的一第一側(cè)向距離B處， 以使所述導(dǎo)電棒6及所述第一補(bǔ)充棒20在第一區(qū)域150內(nèi)與所述塊5電絕緣。所述凹槽 15也在延伸在所述塊5的所述第二端面51'和第二平面P之間的第二區(qū)域150'內(nèi)與所 述導(dǎo)電棒6及所述第二補(bǔ)充棒20'電絕緣——其中第二平面P平行于所述中央平面S，并 且該凹槽15位于距第二端面51'且朝向中央平面S的一第二側(cè)向距離B'處，以使所述 導(dǎo)電棒6及所述第二補(bǔ)充棒20'在第二區(qū)域150'內(nèi)與所述塊5電絕緣。圖5和6展示了用于圖4所示的實(shí)施方案的兩種變體的陰極組件50的細(xì)節(jié)。為 了簡明，這些附示了本發(fā)明的典型變體，其中所述第一補(bǔ)充棒20的特定長度L等于 所述第二補(bǔ)充棒20'的特定長度L'，所述第一凹進(jìn)距離C等于所述第二凹進(jìn)距離C'，所述第一特定距離A等于所述第二特定距離A'，并且所述第一側(cè)向距離B等于所述第 二側(cè)向距離B'。這些參數(shù)分別被稱為特定長度L、凹進(jìn)距離C、伸出距離A和側(cè)向距 離B。此外，為了放大附圖中的部件，這些附圖僅示出了陰極組件50的一部分，該部分 位于所述中央平面S的所述第一側(cè)向壁30所處的一側(cè)。虛線31表示所述殼3的所述第 一側(cè)向壁30的外表面。陰極組件50的位于所述中央平面S的相對側(cè)的部分的布置，是 這種布置關(guān)于所述中央平面S的鏡像。在這些附圖中，部分(A)是陰極塊的底視圖；部分(B)是所述塊在平面V-V中 的縱向垂直截面視圖；部分(C)是所述塊在平面V' -ν'中的橫向垂直截面視圖。在圖5和6所示的變體中，所述塊5包含單凹槽15，一個(gè)導(dǎo)電棒6插入所述凹槽 15，所述補(bǔ)充棒20、20'直接與所述導(dǎo)電棒6接觸。圖5圖示了一種變體，其中補(bǔ)充棒20、20'鄰接所述導(dǎo)電棒6的上側(cè)面65，即 所述導(dǎo)電棒6的面對所述凹槽15的底表面155的側(cè)面65。所述補(bǔ)充棒20、20'的寬度 W可以與所述導(dǎo)電棒6、6'的寬度W?；鞠嗤?，如示，或與所述寬度W。不同。圖6圖示了一種變體，其中陰極組件50包括一個(gè)導(dǎo)電棒6和兩個(gè)補(bǔ)充棒20、 21，補(bǔ)充棒20、21在各個(gè)導(dǎo)電棒6的相對的側(cè)向側(cè)面63、64上。換言之，所述陰極組 件50包括第一補(bǔ)充棒20，其鄰接所述導(dǎo)電棒6的一個(gè)側(cè)向側(cè)面63;和第二補(bǔ)充棒21， 其鄰接所述導(dǎo)電棒6的另一個(gè)側(cè)向側(cè)面64。所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的所述第二端202、202'、212、212'優(yōu)選地 位于所述殼3內(nèi)，如圖4至6所示，以減少熱量向所述殼外的散失。所述第二端202、202'、212、212'優(yōu)選地終止，以限制熱量從所述槽1散 失。通過將所述第二端202、202'、212、212'從所述至少一個(gè)連接端61、61'移動 以一段移動距離K、K'，這種終止可以被實(shí)施。所述移動距離K、K'優(yōu)選地大于 100mm，通常在100至1000mm之間。替換性地或結(jié)合性地，可以以如下方式實(shí)施這種 終止改變所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'沿所述至少一個(gè)補(bǔ)充棒20、20'、21、21' 的截面，以向所述至少一個(gè)連接端61、61'引入所述至少一個(gè)補(bǔ)充棒20、20'、21、 21'的熱阻。當(dāng)所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的所述第二端202、202'、212、212' 位于所述殼3外時(shí)，這樣的替換性實(shí)施方案尤其有利。所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21' 的所述截面優(yōu)選地在所述第二端202、202'、212、212'的附近改變。例如，所述補(bǔ)充 棒20、20'、21、21'的所述截面，在過渡平面22——位于距所述塊5的所述端面51、 51'中間距離D處——和所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的所述第二端202、202'、 212、212'之間，可以小于在所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的所述第一端201、 201'、211、211'和過渡平面22之間，其中所述過渡平面22通常平行于所述中央平面 S。所述中間距離D通常在-200mm至+300mm之間，其中負(fù)號意味著所述過渡平面22 在所述塊5內(nèi)，正號意味著所述過渡平面22在所述塊5外。所述過渡平面22距所述端 面51、51' 一特定向內(nèi)移動距離K2，其優(yōu)選地大于100mm。所述過渡平面22通常位于所述殼3內(nèi)。換言之，所述過渡平面22位于所述塊 5的所述端面51、51'和所述殼3的所述側(cè)向壁30、30'的所述外表面31、31'之間。圖7圖示了這個(gè)實(shí)施方案的變體。圖7(A)圖示了一種變體，其中所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'在其第一端201、201'、211、211'和過渡平面22——位于距所述塊5的所述端面51、51'中間 距離D處——之間具有第一均勻截面，以及在過渡平面22和第二端202、202'、212、 212'之間具有第二均勻截面。使用具有恒定厚度、在所述第一端201、201'、211、 211'和所述中間距離D之間具有第一恒定寬度W、并在所述中間距離D和所述第二端
202、202'、212、212'之間具有第二恒定寬度Wa的板，可以實(shí)施這種布置。圖7(B)圖示了一種變體，其中所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'在其第一端 201、201'、211、211'和過渡平面22——位于距所述塊5的所述端面51、51'中間距 離D處——之間具有第一均勻截面，以及在過渡平面22和其第二端202、202'、212、 212'之間具有一漸減截面。使用具有恒定厚度、在所述第一端201、201'、211、211' 和所述過渡平面22之間具有第一恒定寬度W、并在所述過渡平面22和所述第二端202、 202'、212、212'之間具有漸減寬度——終止于寬度Wb——的板，可以實(shí)施這種布 置。如圖8所示，由第三金屬制成的增補(bǔ)棒(supplementary bar) 23可以被布置在所述 導(dǎo)電棒6、6'的連接端61、61'上，以使在所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'和所述增補(bǔ) 棒23之間有一縫隙24。所述縫隙24使得電壓降能夠進(jìn)一步減小，同時(shí)維持在所述補(bǔ)充棒 20、20'、21、21'和所述增補(bǔ)棒23之間的熱阻。所述第三金屬，其通常與所述第二金 屬相同，具有大于所述第一金屬的電導(dǎo)率。所述縫隙24的寬度Wg通常在10至1000mm 之間，更特別地在20至200mm之間。所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'可以直接與所述對應(yīng)的導(dǎo)電棒6、6'接觸，如 圖5、6和8所示，或?qū)щ娒芊獠牧?51、151'可以介于所述導(dǎo)電棒6、6'和所述補(bǔ)充棒 20、20'、21、21'之間，如圖9和10所示，圖9和10是陰極組件50的橫向截面視圖， 如在圖5、6和8的部分(C)中所示。導(dǎo)電密封材料151、151'也可以圍繞所述補(bǔ)充棒
20、20'、21、21'的一部分。圖9和10示出了如下實(shí)施方案，其中密封材料151介于 導(dǎo)電棒6和補(bǔ)充棒20、21之間，并圍繞所述補(bǔ)充棒20、21處于密封區(qū)域內(nèi)的一部分。本發(fā)明可以被實(shí)施在包含至少一個(gè)包括兩個(gè)平行凹槽15的陰極塊5的電解槽 中。為了說明目的，圖11示出了本發(fā)明的一個(gè)可能的實(shí)施方案，其中所述塊5包括兩個(gè) 平行凹槽15以及在每個(gè)所述凹槽15內(nèi)的一對半長導(dǎo)電棒6、6'。第一對補(bǔ)充棒20、21 被布置為鄰接在所述中央平面S的一側(cè)上的每個(gè)第一半棒6，第二對補(bǔ)充棒20'、21' 被布置為鄰接在所述中央平面S的對側(cè)上的每個(gè)第二半棒6'。所述補(bǔ)充棒20、20'、
21、21'的所述第一端201、201'、211、211'位于所述塊5的凹槽15內(nèi)，并位于導(dǎo)電 棒6、6'和所述塊5的側(cè)向內(nèi)面153、154之間且距中央平面S—凹進(jìn)距離C、C'處。 所述補(bǔ)充棒20、20'、21、21'的所述第二端202、202'、212、212'凸出所述塊5的 端面51、51' 一特定距離A、A'。與所述塊5的端面51、51'鄰接的寬度為B、B'的 區(qū)域150、150'內(nèi)形成有縫隙。所述縫隙無導(dǎo)電密封材料，以使所述棒6、6'及所述補(bǔ) 充棒20、20'、21、21'在所述區(qū)域150、150'內(nèi)與所述塊5電絕緣。所述第一導(dǎo)電棒 6的連接端61凸出所述殼3的第一側(cè)向壁30，用于進(jìn)行電連接。所述第二導(dǎo)電棒6'的 連接端61'凸出所述殼3的第二側(cè)向壁30'，用于進(jìn)行電連接。所述第一導(dǎo)電棒6的內(nèi) 端62和所述第二導(dǎo)電棒6'的內(nèi)端62'位于所述凹槽15內(nèi)，并借助縫隙152彼此分離， 縫隙152優(yōu)選地填充有非陶瓷纖維。
測試與圖5所示相似的陰極組件被制造、插入電解槽中并測試。該電解槽包括32 個(gè)全長導(dǎo)電棒。對于每個(gè)導(dǎo)電棒，布置兩個(gè)補(bǔ)充棒，并固定其上，以使中央平面S的每 一側(cè)上有一個(gè)補(bǔ)充棒。導(dǎo)電棒由鋼制成，補(bǔ)充棒由銅制成。導(dǎo)電棒的寬度W。大約等于 65mm。銅補(bǔ)充棒的寬度W大約等于65mm。特定距離A和A'大約等于548mm。凹 進(jìn)距離C和C'大約等于25mm。移動距離K和K'大約等于41mm。沒有銅棒的陰極組件也被制造并測試，用于比較(測試1號和2號)。在所有 情形下，陰極塊由包含30wt.%的石墨的碳質(zhì)材料制成。該電解槽的電流強(qiáng)度在操作中是 76kAo表1公開了導(dǎo)電棒的高度H、銅棒的厚度T、凹槽上方的碳質(zhì)材料的厚度G—— 大約等于197mm、和針對每種情形測得的陰極電壓降U。。表 權(quán)利要求
1.一種用于制鋁的電解槽(1)，其包括--金屬殼(3)，其包含兩個(gè)被布置為關(guān)于中央平面(S)基本對稱的側(cè)向壁(30、 30')；一至少一個(gè)碳質(zhì)陰極塊(5)，其具有側(cè)面(52、52'、53、53')、端面(51、51') 和至少一個(gè)凹槽(15)，所述塊(5)被布置在所述殼(3)內(nèi)，以使所述凹槽(15)與所述中 央平面(S)基本正交；一至少一個(gè)由第一金屬制成的導(dǎo)電棒(6、6')，其具有至少一個(gè)連接端(61、61') 和若干側(cè)面(64、64、65、66)，并被布置在所述凹槽(15)內(nèi)，以使所述至少一個(gè)連接端 穿過特定端面(51、51')凸出所述塊(5)，并穿過特定側(cè)向壁(30、30')凸出殼(3)， 從而使得能夠電連接到外部電路；一導(dǎo)電密封材料(151、151')，其位于所述凹槽(15)內(nèi)，以在所述導(dǎo)電棒(6、 6')和所述塊(5)之間提供電接觸，其中，所述電解槽(1)還包括至少一個(gè)補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')，所述補(bǔ)充棒 由電導(dǎo)率大于第一金屬的第二金屬制成，其中，所述至少一個(gè)補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')具有第一端(201、201'、211、 211')和第二端(202、202'、212、212')，并具有特定長度(L、L')，并被布置為 與所述導(dǎo)電棒(6、6')的所述側(cè)面(63、64、65、66)之一鄰接，并且其中，所述第二端(202、202'、212、212')位于距所述塊(5)的所述特定端 面(51、51') 一特定距離(A、A')處，并終止，以限制熱量從所述電解槽(1)散失。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電解槽⑴，其中所述特定距離(A、A')在-150mm至+600mm 之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述第二端(202、202'、212、 212')從所述至少一個(gè)連接端(61、61')移動一段移動距離(K、K')。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電解槽(1)，其中所述移動距離(K、K')大于100mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的電解槽⑴，其中所述移動距離(K、K')在IOOmm至IOOOmm 之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')的截面沿所述至少一個(gè)補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')改變，以向所述至少一個(gè)連 接端(61、61')引入所述至少一個(gè)補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')的熱阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')的所述截 面在所述第二端(202、202'、212、212')的附近改變。
8.根據(jù)權(quán)利要求6和7之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')的所述截面，在過渡平面(22) —位于距所述塊(5)的所述端面(51、51') 一中間 距離(D)處一和所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')的所述第二端(202、202'、212、 212')之間，小于在所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')的所述第一端(201、201'、 211、211')和所述過渡平面(22)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電解槽(1)，其中所述過渡平面(22)在所述殼(3)內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')在所述第一端(201、201'、211、211')和所述過渡平面(22)之間具有第一均勻截面，在所述過渡平面(22)和所述第二端(202、202'、212、212')之間具有第二均勻截面。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')在所述第一端(201、201'、211、211')和所述過渡平面(22)之間具有第一均勻 截面，在所述過渡平面(22)和所述第二端(202、202'、212、212')之間具有漸減截面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電解槽(1)，其中所述漸減截面是線性漸減截面。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述中間距離(D)在-200mm 至+300mm之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述導(dǎo)電棒(6、6')及所述 補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')在延伸在所述塊(5)的所述特定端面(51、51')和參考 平面(P、P')之間的至少一個(gè)區(qū)域(150、150')處與所述塊(5)電絕緣，所述參考平 面(P、P')平行于所述中央平面(S)，并位于距所述特定端面(51、51')且朝向所述 中央平面(S)的一側(cè)向距離(B、B')處。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電解槽(1)，其中，通過在所述區(qū)域(150、150')內(nèi)在所述 導(dǎo)電棒(6、6')和所述塊(5)之間以及在所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')和所述塊 (5)之間提供縫隙，所述導(dǎo)電棒(6、6')及所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')在所述區(qū) 域(150、150')內(nèi)與所述塊(5)電絕緣。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的電解槽(1)，其中所述縫隙無導(dǎo)電密封材料(151、151')。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述側(cè)向距離(B、B')在 20mm 至 500mm 之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述第一金屬是黑色金屬。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的電解槽(1)，其中所述黑色金屬選自鋼。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述第二金屬選自銅和銅合金。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述導(dǎo)電密封材料(151、 151')選自鑄鐵、導(dǎo)電膠和碳質(zhì)導(dǎo)電漿。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述導(dǎo)電棒(6、6')具有矩 形截面，并且其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')的至少一部分具有矩形截面。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至22之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述導(dǎo)電棒(6、6')在所述 特定長度上具有均勻厚度。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至23之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')的所述第一端(201、201'、211、211')位于所述塊(5)的所述凹槽(15)內(nèi)。
25.根據(jù)權(quán)利要求1至24之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')的所述第一端(201、201'、211、211')位于所述導(dǎo)電棒(6、6')和所述塊(5) 之間。
26.根據(jù)權(quán)利要求1至25之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')與所述導(dǎo)電棒(6、6')的面向凹槽(15)底表面(155)的側(cè)面(65)鄰接。
27.根據(jù)權(quán)利要求1或26之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')與所述導(dǎo)電棒(6、6')的面向所述凹槽(15)的側(cè)向內(nèi)側(cè)(153，154)的至少一個(gè) 所述側(cè)面(63、64)鄰接。
28.根據(jù)權(quán)利要求1或27之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中由第三金屬制成的增補(bǔ)棒(23) 被布置在所述導(dǎo)電棒(6、6')的所述連接端(61、61')上，以使在所述補(bǔ)充棒(20、 20'、21、21')和所述增補(bǔ)棒(23)之間有縫隙(24)，并且其中所述第三金屬具有大于 所述第一金屬的電導(dǎo)率。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的電解槽(1)，其中所述第三金屬與所述第二金屬相同。
30.根據(jù)權(quán)利要求1或29之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')直接與所述導(dǎo)電棒(6、6')接觸。
31.根據(jù)權(quán)利要求1或29之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中導(dǎo)電密封材料(151、151') 介于所述導(dǎo)電棒(6、6')和所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、21')之間。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的電解槽(1)，其中導(dǎo)電密封材料(151、151')圍繞所述補(bǔ)充 棒(20、20'、21、21')的一部分。
33.根據(jù)權(quán)利要求1或32之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')的橫向垂直截面與所述導(dǎo)電棒(6、6')的橫向垂直截面的比值大于5 100。
34.根據(jù)權(quán)利要求1或32之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')的橫向垂直截面與所述導(dǎo)電棒(6、6')的橫向垂直截面的比值大于25 100。
35.根據(jù)權(quán)利要求1或34之任一項(xiàng)的電解槽(1)，其中所述補(bǔ)充棒(20、20'、21、 21')的所述第一端(201、201'、211、211')從所述中央平面(S)凹進(jìn)一段凹進(jìn)距離 (C、 C')。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的電解槽(1)，其中所述凹進(jìn)距離(C、C')在20mm至1300mm 之間。
37.—種通過點(diǎn)火電解來制鋁的過程，其包括-提供根據(jù)權(quán)利要求1至36之任一項(xiàng)的電解槽(1)，所述電解槽(1)還包含至少一 個(gè)陽極(10、10')，--在所述至少一個(gè)陽極(10、10')和所述碳質(zhì)陰極塊(5)之間通過電流，以通過氧 化鋁的電解還原來制鋁。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制鋁的電解槽(1)，其包括至少一個(gè)由第一金屬制成的導(dǎo)電棒(6)和至少一個(gè)由電導(dǎo)率大于第一金屬的第二金屬制成的補(bǔ)充棒(20、20′)，該補(bǔ)充棒被布置為與導(dǎo)電棒(6)的側(cè)面鄰接，以使補(bǔ)充棒(20、20′)的外端(202、202′)距塊(5)的特定端面(51、51′)一特定距離A、A′。第二端(202、202′)優(yōu)選地終止，以限制熱量從所述電解槽(1)散失。本發(fā)明能夠在獲得顯著低于公知電解槽的電壓降的同時(shí)避免過量的熱量通過導(dǎo)電棒散失。
文檔編號C25C7/00GK102016124SQ200780043422
公開日2011年4月13日 申請日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月22日
發(fā)明者B·阿倫諾, D·拉羅克, D·邦納福斯, J·卡米爾, L·菲奧特, M·德西萊茨, O·馬丁, P·希比奧特, P·福尼埃, S·布查德, Y·高希爾 申請人:艾爾坎國際有限公司