專利名稱:霍爾-赫魯電解槽用的具有低電壓降的組合式陰極塊和陰極的制作方法
本發(fā)明與一種低電壓降的陰極塊有關(guān)，此陰極塊是供用霍爾-赫魯法電解溶解在熔融冰晶石中的氧化鋁而生產(chǎn)鋁的電解槽用的。它也與用這種組合式陰極塊組裝的陰極有關(guān)。
先有技術(shù)的敘述霍爾-赫魯電解槽的陰極是將一組碳素塊并列排置而成的，在碳素塊的下底邊有一或兩條開口溝道，一般用鐵水澆注其中，將具有方形、矩形或園形截面的鋼棒封填干溝道中，串聯(lián)成一組的相鄰的電解槽之間的連接導(dǎo)體連接到鋼棒上。陰極塊一般用一種稱作封膠或填料的其電流傳導(dǎo)性很不好的碳素泥連接在一起，其厚度約為幾厘米。
碳素泥對(duì)于電解沉積在碳素塊上的液體鋁來說必須是不能滲透的。因此，電流流通的程序是，通過液體鋁層、碳素件、鋼棒與塊之間的密封層到鋼棒，然后流到連接下一個(gè)電解槽的導(dǎo)體上。
材料的每一次連接都引起了過高的接觸電壓，接觸電壓依賴于裝配的條件和有關(guān)的表面積。對(duì)于在碳素部件和密封層之間的接觸，這一點(diǎn)是特別真實(shí)的，這種接觸稱作密封層接觸。
因此總電壓降可以分為三個(gè)主要的部份-在碳素塊上的電壓降，-在密封層上的電壓降，-在鋼棒上的電壓降。
為了減少電壓降，如所周知，使用了電阻率低的碳素塊。
現(xiàn)在，大多數(shù)陰極塊的生產(chǎn)者正在推薦一種稱作“半石墨”的陰極板和一種稱作“半石墨化”的陰極塊，前者用一種碳素泥生產(chǎn)，其中無煙煤粒子為石墨粒子所代替，后者用一種常用的碳素泥在高溫(＞2000℃)下焙燒使其在陰極塊中形成部分石墨化而生產(chǎn)出來。這種方法顯著地增加了陰極塊的電導(dǎo)率。但是使用這種陰極塊由于使液體鋁中電流線傾斜更嚴(yán)重，所以在上層鋁液中具有增加電流畸變的缺點(diǎn)，因此在另一層液體鋁中增加了磁渦流，這損害了電解裝置的流體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。
為了改進(jìn)這種缺陷，可以采用所謂“夾層塊”的結(jié)構(gòu)，在這種夾層塊中，一層比如說用具有無煙煤粒的碳素泥作成、而另一層則用半石墨或半石墨化的碳素泥作成，這種夾層塊具有較大的電導(dǎo)率。
為了增加陰極的活性表面，已經(jīng)提出了應(yīng)該用一種用石墨和熱凝樹脂作的導(dǎo)電粘結(jié)劑粘結(jié)的方法來代替用封膠或填料(導(dǎo)電性不好)進(jìn)行連接的方法。這種代替有四重好處增加了總的導(dǎo)電表面，允許電流在兩個(gè)相鄰陰極塊之間流動(dòng)，當(dāng)敷上碳素粘合物料時(shí)減少了焦油的放出和改進(jìn)了石墨塊組合件的不可滲透性。
為了減少總的電壓降，也可采用增加鋼棒截面的方法，至少在被密封到碳素塊的區(qū)域增加橫截面，而在鋼棒穿過電解槽絕熱層外部的地方保持正常的或減小的橫截面，以防止過份的熱量損失。
然而，這種作用的程度必須受到限制，因?yàn)樵陔娊獠圻\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在溝道側(cè)面的碳素塊的厚度，在機(jī)械性能上一定要能抗住由陰極棒和封閉層的熱膨脹而發(fā)生的應(yīng)力。封閉部分的截面形狀可以是園形，也可以是矩形。
為了減少電壓降，還使用其有兩條窄溝道而在承受電解裝置的熱作用應(yīng)力時(shí)又不太脆的碳素陰極塊，相對(duì)于密封層來說這種塊的優(yōu)點(diǎn)是增加了接觸面積。但在此時(shí)必須規(guī)定陰積塊的邊緣和緊靠的溝道之間的最小間距，這就限制了鋼棒可能的橫截面。
不管采用了何種結(jié)構(gòu)，不管陰極塊以及密封在陰極塊的鋼棒的形狀和大小，陰極總是這樣構(gòu)造，使陰極塊平行于金屬箱的短邊排列，使得陰極輸出(伸到金屬箱外部的鋼棒的末端，電解槽之間的連接導(dǎo)體便連接在此末端上)總是在電解槽的長(zhǎng)邊側(cè)，而不管電解槽相對(duì)于電解槽串聯(lián)軸線是縱向還是橫向放置。
現(xiàn)在鋁的生產(chǎn)者，為了提高產(chǎn)量，減少投資并促使操作過程全自動(dòng)化，正在打算增加電解槽的單位功率?，F(xiàn)在已經(jīng)超過了200，000安培的水平，估計(jì)在二十世紀(jì)八十年代末以前很可能突破400，000安培的水平。
與此同時(shí)，為降低電解槽的功率損耗水平，特別是為了降低陰極的歐姆電阻，正在進(jìn)行巨大努力。
對(duì)這種功率的電解槽，制造具有低電壓降的陰極需要新穎的方法，這種方法不能從現(xiàn)在的方法中簡(jiǎn)單地推斷出來。事實(shí)上，一個(gè)電解槽的使用壽命和它用的陰極的質(zhì)量具有很密切的關(guān)系，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電解槽過早地不能使用，都是由于金屬和電解質(zhì)滲透到陰極下面的空間。
本發(fā)明是基于一種新穎的可被稱作“組合式”的陰極結(jié)構(gòu)，采用不同數(shù)目的組件，陰極可以適用于任何大小的電解槽，只要電解槽的大小是組件尺寸的整數(shù)賠。
本發(fā)明涉及一種具有低電壓降的碳素陰極塊，它是供用霍爾-赫魯法電解生產(chǎn)鋁的電解槽用的，這種電解槽包含了一個(gè)六面體的支撐在其上面形成一層液體鋁陰極的金屬箱，所述的陰極是將加長(zhǎng)的六面體碳素塊并列放置而成的，碳素塊主軸的長(zhǎng)度對(duì)于它的寬度之比至少等于2，并且在其上至少開了一條溝道，使一鋼棒平行于金屬箱的短邊放置并被密封于溝道中。鋼棒至少連接到一個(gè)陰極集電器上，碳素陰極塊的特點(diǎn)在于，這種密封的溝道是在垂直于陰極主軸的方向開的，而陰極塊本身是平行金屬箱的長(zhǎng)邊放置的。
由于第一陰極塊至少要同另一個(gè)第二陰極塊在其大的側(cè)面上用粘接的方法進(jìn)行連接，所以就有可能生產(chǎn)一種陰極半組件，其寬度等于陰極寬度的一半。
將兩塊半組件陰極用粘合之類方法連接起來，就能得到寬度等于陰極寬度的陰極組件。
本發(fā)明也涉及用霍爾-赫魯法生產(chǎn)鋁的一種碳素陰極，其特點(diǎn)為碳素陰極至少是將兩塊陰極組件并排放在同一平面上并用像碳素泥一類粘合劑將連接的組件粘合而構(gòu)成的。
圖1是先有技術(shù)、圖2至圖5說明了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。
圖 圖1是一個(gè)電解槽陰極部分現(xiàn)在所用結(jié)構(gòu)的平面示意圖。陰極塊1平行于金屬箱的短邊2排列，金屬箱支撐著電解槽的陰極。陰極塊是六面體形的，沿著由AA′表示的長(zhǎng)軸或主軸是細(xì)長(zhǎng)的，其高度h和寬度l一般約為300至700毫米，而其長(zhǎng)度達(dá)到2米或2米以上。在大多數(shù)情況下，長(zhǎng)/寬大于2，可能達(dá)到4～8，高度和寬度之比約為1，與此差離不太大。
在圖1所示的特殊結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)陰極塊1包含了兩根鋼棒3，實(shí)際上每一根棒都是由兩個(gè)半截鋼棒3A和3B構(gòu)成的。這兩根半截鋼棒在它的中心4可能是接觸的，也可能是不接觸的，或者說是不連接的。外面的端點(diǎn)5將陰極棒連接到一個(gè)或更多個(gè)旁邊的導(dǎo)體6，導(dǎo)體6連接到下一個(gè)串聯(lián)電解槽的陽極裝置上。一般用鑄鐵的方法將鋼棒密封在陰極塊1的一個(gè)或2個(gè)縱向的溝道7中。
相連的陰極塊用粘合劑或填料泥8作的結(jié)合劑密封起來，結(jié)合劑趁熱堵塞在陰極塊之間的縫隙中，它密封了陰極組件而不滲透液體鋁和熔融電解質(zhì)，電解槽的使用壽命緊密地依賴于結(jié)合劑的密封效果。
根據(jù)本發(fā)明(如圖2以及所示的編號(hào))，陰極塊10是以這樣一種方式放置的，使其主軸AA′平行于金屬箱的長(zhǎng)邊11和它的主軸XX′陰極棒3，輸出端5以及集電器6按同樣方法配置。但溝道12現(xiàn)在是橫向開在陰極塊上的，它平行于陰極塊的短邊，而垂直于它的主軸AA′。
每一塊“陰極半組件”是兩個(gè)陰極塊10A和10B結(jié)合而成的，它是用粘結(jié)之類方法預(yù)先組合在一起的，如9處所示，并用鑄鐵密封之類類通常的方法，很少采用碳素泥密封，把陰極棒進(jìn)行固定并密封在這個(gè)位置上。將兩個(gè)同樣半組件對(duì)稱于電解槽的主軸并列排置構(gòu)成了第一組陰極組件，將兩塊半組件10A～10B和10C～10D按通常的方法用粘接劑或填料泥13，或者最好用粘合膠填縫連接在一起。填縫粘合工序可以在陰極放入金屬箱的位置中之前進(jìn)行，也可之后進(jìn)行。然后根據(jù)電解槽的類型，用幾個(gè)同樣的用粘結(jié)劑或填料泥8填縫的組件即可構(gòu)成第一陰極組件。例如對(duì)于180000安培電解槽的陰極可以用三塊順序相連的組件構(gòu)成。雖然前述的說明用了四塊半組件構(gòu)成，每一個(gè)半組件由兩塊陰極塊作成，但這個(gè)例子不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。可以設(shè)想生產(chǎn)由兩塊不等寬度，或三塊相等寬度或不相等寬度構(gòu)成的半成品，而而高度和長(zhǎng)度在所有情況下都是一樣的。
根據(jù)上述基本原理，本發(fā)明可以用許多不同的方法實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成一塊陰極半組件的兩塊陰極塊，如10A和10B，可以具有相同的組成，即可用相同的碳素泥制造，也可以具有不同的組成，以便使每一陰極塊具有特殊的性能，例如使每一陰極塊具有不同的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。
例如，外部的陰極塊10A可以是常用的類型(樹脂十無煙煤粒)。它在900℃時(shí)電阻率值約為4.4×10-3Ωcm，熱導(dǎo)率值λ約為0.03W/cm/℃，而內(nèi)部的陰極塊10B可以是半石墨型的，它在900℃時(shí)的電阻率值為2.8×10-3Ωcm，熱導(dǎo)率值λ為0.23W/cm/℃。
圖3示出了另一個(gè)可供選擇的方式，外邊的陰極塊10A本身可能由兩部份構(gòu)成，外側(cè)的部分10E是用熱導(dǎo)率相當(dāng)?shù)偷牟牧现谱鞯?，這樣便減少了由碳素塊傳到外部的熱量，因此，改進(jìn)了電解設(shè)備的熱平衡板。
最后密封溝道12的截面不防都開成等寬的，為了在金屬箱側(cè)壁上陰極棒伸出的孔之間保持恒定的距離，其中有些溝道寬度，特別是在邊緣部分的溝道寬度也可以不同。
另外，在構(gòu)成陰極的陰極塊的表面上，至少在一部分表面上可以摻進(jìn)一種物質(zhì)使表面可同液體鋁濕潤(rùn)。這種摻入可以在陰極塊的表面上摻入，也可以是整個(gè)陰極塊或部分陰極塊中摻入。
眾所周知，根據(jù)“Aluminium”雜志第56卷上，1980年4月(642～648頁)和同年11月(713～718頁)，K.(Billehaug和H.A.Oye的介紹，稱作“RHM”(Refractory Hard Metals)的難熔化合物和更為特殊的二硼化碳T1B2都能同液體鋁濕潤(rùn)。而且在930℃～960℃溫度下幾乎不受這種金屬的腐蝕。
因此，將陰極塊的表面全部地或部分地用純TB，或者用至少含30%T1B2的復(fù)合材料作的板或其它構(gòu)件進(jìn)行覆蓋是可能的。也可以用通常的方法，將T1B2，或者T1B2為基的復(fù)合材料沉積在整個(gè)或部分陰極的表面上，以及將T1B2與/或RHM化合物摻入到制作陰極塊的碳素材料中，或至少摻入到陰極塊同液體鋁接觸的上部分，T1B2或RHM化合物的比率至少要達(dá)到30%，這是現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到的產(chǎn)生浸潤(rùn)效果的最小量，在這種方法中，有可能使液體鋁層穩(wěn)定，顯著減少陽極和陰極之間的距離，從而降低了電解槽的電壓降。電解槽電壓的降低相應(yīng)地降低了所生產(chǎn)的鋁按千瓦時(shí)/噸計(jì)的單位能耗。
實(shí)施本發(fā)明可以得到很多優(yōu)點(diǎn)，可以舉出如下一些。
1、由于用粘合膠粘合很簿的僅幾毫米厚的接縫代替了用導(dǎo)電率低的粘結(jié)劑或填料泥連接寬達(dá)30至40毫米的接縫，所以有用的陰極表面增加了。
2、現(xiàn)在有可能使基本上為鋼的截面與基本上為碳-鋼的接觸表面很好配合，先有技術(shù)中沒有達(dá)到這種配合。
圖5按約1∶20的比例示出了陰極塊的垂直截面，圖5A和5B表示先有技術(shù)的陰極塊截面，而圖5C表示本發(fā)明的陰極塊垂直截面，從圖5可以看出，對(duì)于一定的垂直截面，對(duì)圖5A所示的陰極塊封閉接觸長(zhǎng)度為36.8分米，鋼和鑄鐵截面面積為17.16平方分米，對(duì)圖5B所示的陰極塊封閉接觸長(zhǎng)度為29.2分米，截面積為26.4平方分米，而對(duì)于圖5C所示的陰極塊，接觸長(zhǎng)度為41.6分米，截面積為25.08平方分米。這一點(diǎn)，再加上鋼棒的歐姆電壓降很低，便導(dǎo)致了歐姆封閉接觸電壓降顯著減少。應(yīng)該指出，已經(jīng)達(dá)到了約幾十毫伏的總收益(譯注指采用新發(fā)明，陰極減少的電壓降)。而碳素塊并不碎裂，碳素塊的各個(gè)翼部或側(cè)面部分16仍具有同樣大小，也即說溝道之間的碳素部份或溝道和碳素塊側(cè)面之間的碳素部分仍具有同樣大小。熟知鋁電解的人都知道，10毫伏的電壓收益就相當(dāng)于每生產(chǎn)一噸鋁要少消耗30至50千瓦小時(shí)的電能。
3、新型的陰極塊的配置方法使得可能用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法生產(chǎn)混合型的或夾層式的陰極塊。在先有技術(shù)中，在安裝陰極時(shí)需要將陰極塊1切開，然后再把兩部分(例如無煙煤的部分和半石墨的部分)裝配起來，而按照本發(fā)明將兩塊標(biāo)準(zhǔn)大小的陰極塊膠合起來并把它們放在應(yīng)放的位置便可生產(chǎn)出每一種象10A＝10B這樣的混合型陰極塊。
4、定位操作不太麻煩因?yàn)閮蓚€(gè)預(yù)先用粘合方法粘合好半陰極組件(圖2)或一個(gè)單組件的安裝代替了四塊陰極板塊(圖1)的安裝。
5、在先有技術(shù)中常用的粘接方法是在橫向方向把陰極塊1粘接在一塊，用一操作行程(圖4A)的千斤頂14進(jìn)行頂壓粘接，這是一種執(zhí)行起來很困難的操作，因?yàn)檫@種方法使平行度的誤差積累起來，和這種常用的方法比較，陰極組件的裝置調(diào)節(jié)了很大的誤差，這個(gè)誤差由相鄰組件(圖2)之間的用8表示的粘結(jié)劑或填料泥所構(gòu)成的接縫補(bǔ)償了。另外，只要有短操作行程的千斤頂15就夠了，千斤頂15靠著金屬箱的長(zhǎng)邊放置，以便粘合時(shí)對(duì)著兩塊半組件5C頂壓形成一陰極組件。
6、用粘合劑或粘膠代替封泥或填料泥，對(duì)熔融金屬和電解質(zhì)的滲透來說，陰極密封得更好一些。在前面已經(jīng)指出了陰極合適的封閉特性的重要性。
7、最后，本發(fā)明還可以配合使用同液體鋁濕潤(rùn)的陰極表面。
本發(fā)明曾經(jīng)應(yīng)用于操作電流為180000安培的許多串聯(lián)電解槽上，采用了兩個(gè)半組件構(gòu)成的陰極，而每個(gè)半組件是由兩個(gè)示于圖5C的“半石墨”構(gòu)成。
取常用的碳素陰極塊電解槽與用本發(fā)明改進(jìn)了的電解槽比較，對(duì)陰極系統(tǒng)中的電壓降，即對(duì)密封接觸部分和陰極棒部分的電壓降進(jìn)行測(cè)量，得到如下結(jié)果先有技術(shù)中的陰極塊 按本發(fā)明的陰極塊圖5A 圖5B 圖5C密封接觸部分電壓降 67 84 59鋼棒歐姆電壓降 136 88 83合計(jì) 203 172 142達(dá)到的最大的收益是61毫伏，這大約相當(dāng)于生產(chǎn)一噸鋁少消耗200KWh的電力。收益的一半是由于用電阻率比較低的“半石墨”塊達(dá)到的，而另一半則是用發(fā)明的組件陰極塊得到的。
權(quán)利要求
1.一種低電壓降碳素陰極塊，它是供霍爾-赫魯法電解生產(chǎn)鋁的電解槽用的，所述電解槽包含了一支撐陰極的六面體金屬箱，成陰極上形成一層液體鋁，所述陰極是將長(zhǎng)的六面體的碳素塊并列放置而成，碳素塊的主軸長(zhǎng)度與其寬度之比至少等于2，在碳素塊上至少開了一條溝道，一根平行于金屬箱短邊，其端點(diǎn)在金屬箱長(zhǎng)邊側(cè)伸出來而且至少連接到一個(gè)陰極聚電器的鋼棒被密封于溝道中，其特征在于密封溝道(12)開在垂直于陰極塊主軸AA′的方向，而陰極塊本身平行于金屬箱的長(zhǎng)邊(11)放置。
2.按權(quán)利要求
1所述的陰極塊，其特征在于，它在長(zhǎng)邊側(cè)上用粘合的方法至少同另外一塊陰極塊粘合起來以構(gòu)成一陰極半組件，半組件的寬度相當(dāng)于陰極寬度的一半。
3.按權(quán)利要求
2所述的陰極塊，其特征在于，將兩個(gè)半組件采用諸如粘合的方法粘合起來以構(gòu)成一陰極組件，陰極組件的寬度等于陰極的寬度。
4.按權(quán)利要求
2所述的碳素陰積塊，其特征在于，每塊半組件是由用同樣碳素泥生產(chǎn)的陰極塊構(gòu)成，基本上具有同樣的熱特性和/或電特性。
5.按權(quán)利要求
2所述的碳素陰極塊，其特征在于，每塊半組件是由熱特性和/或電特性彼此不同的陰極塊構(gòu)成。
6.按權(quán)利要求
1所述的碳素陰極塊，其特征在于，密封溝道(12)都是等寬的。
7.按權(quán)利要求
1所述的碳素陰極塊，其特征在于，同一陰極塊上的密封溝道(12)在寬度上彼此不同的。
8.用霍爾-赫魯法電解生產(chǎn)鋁的碳素陰極，其特征在于，它至少是將權(quán)利要求
3說明的至少兩塊組件并列配置在同一平面上而構(gòu)成的，接連的組件采用像碳素泥粘合這樣的普通連接方法連接起來。
9.按權(quán)利要求
8所述的碳素陰極，其特征在于，在一部分陰極塊的表面上，至少在同鋁接觸的那部分表面上，用任何已知方法摻入的化合物是一種像二硼化鈦這樣的難熔化合物，摻入的比例至少要達(dá)到30%，以使所述的表面可被液體鋁濕潤(rùn)。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種具有低電壓降的陰極塊，它供電解鋁的電解槽之用，電解槽包含一支撐陰極的長(zhǎng)方形金屬箱，陰極是由長(zhǎng)的六面體形碳素塊并列放置而構(gòu)成，碳素塊主軸長(zhǎng)度同其寬度之比至少等于2，其上至少開一條溝道，一平行于金屬箱短邊的并連接到集電器的鋼棒密封于溝道中。其特點(diǎn)在于，密封溝道垂直于陰極塊的主軸，陰極塊本身平行于金屬箱的長(zhǎng)邊。一塊陰極塊至少同另一塊陰極塊粘接起來作成陰極半組件，半組件的寬度等于金屬箱寬度的一半。兩個(gè)半組件粘合起來構(gòu)成寬度等于陰極寬度的陰極組件。
文檔編號(hào)C25C3/08GK85104565SQ85104565
公開日1986年12月10日 申請(qǐng)日期1985年6月14日
發(fā)明者伯納德·蘭岡 申請(qǐng)人:皮奇尼鋁公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan