专利名称：一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连接构造的制作方法
技术领域：
本项发明属于铝生产技术领域。技术关键在于研发出一种铝电解槽阴极炭块和阴 极钢棒多槽插接的连接方法及构造。应用本项发明可取得较大的经济效益和环境效益。
背景技术：
1.概述目前世界上铝的工业生产方法为熔盐电解法，电解法制铝的关键设备是铝电解 槽，铝电解槽主要由阴极和阳极两大部份组成。铝电解槽阴极通常根据槽电流强度大小由 数十个阴极炭块组并排组合而成，例如一台240kA电解槽有20组阴 极炭块组，一台350kA 电解槽有32组阴极炭块组。阴极炭块组则由阴极炭块1、阴极钢棒2、炭素糊3三部份组 成，见图1。炭素糊起连接作用，通过人工捣固炭素糊可将阴极炭块和阴极钢棒组合成阴极 炭块组。目前世界上工业应用的铝电解槽电流强度从不到IOOkA到最大500kA，各种槽型都 采用这种方式的阴极炭块组组成 铝电解槽阴极。目前国标列出的铝电解槽阴极炭块组各材料截面尺寸(加工后)见下表
^明 宽度为660mm阴极炭块组已开始应用，结构型式仍同上类似,即1个炭块一端有2根钢棒阴极炭块的主要生产流程为石油焦破碎_石油焦煅烧_煅后料加浙青混捏_挤 压或振动成型_生炭块焙烧_炭块机械加工(铣炭块六面及钢棒槽)“炭块成品入库。现有阴极炭块组的组装方式为①将阴极钢棒、阴极炭块分别预热，同时将炭素糊预热并用混捏锅搅拌均勻；②将阴极钢棒用数个木楔固定在阴极炭块的钢棒槽中；③将预热拌勻的炭素糊人工捣固在阴极钢棒和阴极炭块之间的钢棒槽中。目前这种阴极炭块组的组装方式仍在国际国内工业铝电解槽上应用至今。2.现有阴极炭块组存在的问题本人认为目前铝工业一直应用的这种阴极炭块组有以下问题，为了便于说明，以 目前用量最多的截面规格尺寸为515mmX450mm的阴极炭块组为例说明如下①阴极炭块利用率低，增加了设备投资，且污染环境现有阴极炭块组总高度450mm中，阴极钢棒槽高度200mm，因此阴极炭块的最大 有效使用高度为450-200 = 250mm，见图1。炭块有效高度占总高度比率仅为250/450 = 55.6%，该比率不高，这对阴极炭块是一种浪费。[0016]阴极钢棒槽的高度增加，会使得电解槽内衬、槽壳、立柱母线的高度相应增加，即 增加了电解槽设备投资，因此降低阴极钢棒槽高度可减少电解槽设备投资。由于铝电解槽废旧内衬含有害成分(主要是F_和少量的CN_等)，按国标属具有 浸出毒性的危险废物，其废弃物必须采取防渗渣场填埋处理。由于现有阴极炭块组中阴极 炭块有效高度比率不高，则大修时废渣量高，因此现有阴极炭块组型式增大了环保投资。②阴极炭块的阴极钢棒槽机械加工量较大 目前阴极炭块上的阴极钢棒槽采用将阴极炭块整体焙烧好后再机械加工开出阴 极钢棒槽的生产方式，由于阴极钢棒槽截面积较大，因此开槽浪费了大量焙烧好的炭块，相 应浪费焙烧炭块的能源，增加开槽机械加工成本，而且在机械加工中会产生的大量炭粉，污 染生产操作环境和设备。③阴极炭块组在组装和电解槽焙烧启动时对环境污染较大 目前阴极炭块组中，炭素糊重量约占阴极炭块重量的6 %。这部分炭素糊含有浙青 焦油，其挥发分含量大约9 13% (国标数值)，炭素糊捣固施工温度100°C左右，因此在阴 极炭块组的组装时会产生一些浙青烟，造成组装操作处的环境污染；而更大量的浙青烟会 在电解槽焙烧启动时从电解槽槽壳上阴极钢棒窗口处挥发出来，由于这部分浙青烟在电解 槽密闭罩之外不易捕集，因此对启动初期电解生产环境污染较大。④阴极炭块组水平电流分量相对较大现有阴极炭块组工作时电流流经方式为电流从阴极炭块上表面进入，从阴极钢 棒导出。由于阴极炭块宽515mm，阴极钢棒合计宽度65X2 = 130mm，因此宽度的差别必然 会使炭块内有一定的水平电流分量存在，见图4。理论表明电解槽内水平电流会导致铝液 波动，造成电解生产不稳定。由于这部分水平电流距离铝液层较近，数值虽小却会造成铝液 波动，影响电解生产稳定，因此减少阴极炭块内的水平电流对稳定生产有实际意义。⑤阴极炭块组铁碳电压降较大一般来说，两种材料交界面处的电阻要远高于两种材料内的电阻，电阻大则电压 降也大。现有阴极炭块组电流路径为阴极炭块_阴极炭块与炭素糊交界面_炭素糊与阴 极钢棒交界面(该交界面电压常称为铁炭压降)_阴极钢棒，电流经历了两个交界面这两 个交界面会消耗较多的电压降，增加电解生产能耗。铁碳压降是阴极压降的重要组成部分，增加铁碳接触面积可有效减少铁碳压降。 而现有阴极炭块和阴极钢棒连接方式使得铁碳接触面积较小，分析如下由于阴极钢棒与 炭素糊的接触面积在阴极炭块组截面上表现为导电长度，经计算，现有阴极钢棒导电长度 为(180X2+65) X2 = 850mm，见图 6。⑥对电解槽寿命的影响电解槽阴极均勻承载电流是保持电解槽长寿命的重要因素之一，而现有阴极炭块 组的连接方式对电解槽寿命会有一定影响，分析如下由于阴极炭块与阴极钢棒的连接是 用炭素糊经人工用风锤分层捣固而成，人为不均勻因素较多，而且炭素糊在电解槽焙烧启 动时还会产生一定量的收缩，造成阴极钢棒、炭素糊和阴极炭块接触不均，使得阴极电流在 阴极炭块内分布不均，导致阴极炭块产生局部裂纹甚至破损。一旦阴极局部破损，电解槽阴 极就要大修更换了。因此现有阴极炭块组连接方式造成电解槽阴极局部破损的几率较大。发明内容[0030]本实用新型的目的是克服上述不足提供一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连 接构造。本发明技术方案如下一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，阴极炭块 与阴极钢棒通过插接方法构成，阴极炭块底部开有数个沟槽，阴极钢棒由底板和焊接在其 上的数个筋板组成，筋板位置与阴极炭块沟槽位置对应，将阴极炭块沟槽与阴极钢棒筋板 对应插接即完成组合。上述阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，在阴极炭块沟槽与阴极钢棒间的缝隙处灌 注石墨粉；还可以在阴极炭块底部设置有七个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有七个筋板； 或者在阴极炭块底部设置有八个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有八个筋板；或者在阴极 炭 块底部设置有九个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有九个筋板。组装后的阴极炭块组电流路径为阴极炭块-阴极炭块与钢棒接合面-阴极钢棒。本发明技术与现有技术比较采用本发明技术可基本解决现有阴极炭块组的诸多问题，为了便于说明，仍以目 前用量最多的截面尺寸为515mmX450mm的阴极炭块组为例说明如下①提高阴极炭块利用率，减少了设备投资，减少环保投资本发明采用阴极炭块和阴极钢棒多沟槽插接方法和构造，降低了阴极钢棒槽高 度，增大了阴极炭块有效高度，提高了阴极炭块利用率，见图2。本发明与现有技术比较如下 表 由上表看出，本发明减少了炭块无效面积，提高了炭块利用率。如果保持阴极钢棒槽顶面至阴极碳块顶面距离250mm不变，则本发明可使阴极炭 块组总高度减少365-250 = 106mm，见图3。本发明与现有技术比较如下表 由上表看出，由于减少了炭块总截面积，减少了炭块总量，因此减少投资；由于炭 块无效面积减少，因此可减少大修槽废渣，减轻了环保所需的渣场投资。②对原阴极炭块中阴极钢棒槽机械加工量大的改进现有阴极炭块组结构中阴极钢棒槽截面积与本发明技术比较如下表 由此看出，本发明减少了阴极钢棒槽的加工量，降低了成本，减少了浪费。③对原阴极炭块组在组装和电解槽焙烧启动时环境污染较大问题的解决本发明采用阴极钢棒与阴极炭块多槽插接而成，不需要炭素糊那样的中间连接 物，因此完全杜绝了原阴极炭块组组装时和电解槽焙烧启动时由炭素糊产生的浙青烟污染。④对原阴极炭块组水平电流分量相对较大问题的改善本发明将阴极钢棒分成数个筋板，使得阴极炭块中的电流几乎垂直向下进入阴极 钢棒中，可基本消除阴极炭块中水平电流分量，见图4，图5。阴极炭块边距钢棒边的平均距离比较如下表 由表中看出，本发明使得炭块边缘距钢棒边缘的平均水平距离有较大减少，因此 减少了炭块中的水平电流。⑤对阴极炭块组铁碳电压降较大问题的改进铁碳压降是电解槽阴极电压降的重要组成部分，增加铁碳接触面积、减少不同材 料交界面数量是减少铁碳压降的主要方法。本发明采用阴极炭块与阴极钢棒分散多槽插接 而成，电流从阴极炭块顶面进入，从阴极钢棒流出只经过一个交界面(阴极炭块与阴极钢 棒交界面)，比现有阴极炭块组的组合方式减少一个交界面。本发明采用阴极炭块与阴极钢棒分散多槽插接而成，增加了铁炭接触面积，阴极 钢棒在炭块截面上导电长度有所增加，见图6，图7。比较如下 增加钢棒在炭块截面上的导电长度，相当于增加阴极钢棒和炭块的铁碳接触面 积，一定程度上减少了阴极碳块组中的铁碳压降。⑥关于延长电解槽寿命评述电解槽寿命和许多因素有关，本发明使得阴极炭块电流分布更加均勻，减少了阴 极炭块中水平电流分量，消除了人工捣固炭素糊易造成电解槽破损的不利因素，减少炭块 大开槽导致的局部应力集中，因此从这些方面来说本发明可更有效的延长电解槽寿命。
图 1 图中表示了现有阴极碳块组构造(截面规格515mm X 450mm)。1为阴极炭块，2为阴极钢棒，3为炭素糊。Ml 图中表示了本发明阴极炭块组插接连接方法及构造(截面规格515mm X 450mm)。4为阴极炭块，5为阴极钢棒。Ml 图中表示了本发明阴极炭块组插接连接方法及构造(截面规格515mm X 344mm)。4为阴极炭块，5为阴极钢棒。Ml 图中表示了现有阴极碳块组中电流路径分布情况(截面规格515mmX450mm)。1为阴极炭块，2为阴极钢棒，3为炭素糊。Ml 图中表示了本发明阴极炭块组中电流路径分布情况(515mmX450mm截面规格)。4为阴极炭块，5为阴极钢棒。[0077]图中表示了现有阴极碳块组中钢棒导电长度(515mmX 450mm截面规格)。1为阴极炭块，2为阴极钢棒，3为炭素糊。Ml 图中表示了本发明阴极炭块组中钢棒导电长度(515mmX450mm截面规格)。4为阴极炭块，5为阴极钢棒。
具体实施方式
如图2、图3、图4、图5和图7所示的一种铝电解槽阴极炭块4和阴极钢棒5的连 接构造，阴极炭块4与阴极钢棒5通过插接方法构成，阴极炭块4底部开有数个沟槽，阴极 钢棒5由底板和焊接在其上的数个筋板组成，筋板位置与阴极炭块沟槽位置对应，将阴极 炭块沟槽与阴极钢棒筋板对应插接即完成组合，在阴极炭块沟槽与阴极钢棒间的缝隙处灌
注石墨粉。 本实用新型可以根据不同的炭块截面尺寸在阴极炭块底部铣出有七个沟槽，在阴 极钢棒上对应设置有七个筋板，还可以在阴极炭块底部铣出八个沟槽，在阴极钢棒上对应 设置有八个筋板，还可以在阴极炭块底部铣出九个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有九个筋 板。本发明阴极炭块组只涉及阴极炭块4和阴极钢棒5两部件，仍以截面尺寸 515mmX450mm的阴极炭块组为例，两部件采购、加工及组装如下①阴极炭块对于已投产使用的电解槽，由于需保持原阴极炭块组高度450mm不变，因此采购 的阴极炭块截面尺寸应为515mmX414mm。对于新建的电解槽，可采购515mmX308mm截面尺寸的阴极炭块。电解槽设计时可 按此规格阴极炭块进行设计，可减少投资。阴极炭块采购来后，可用宽度16mm、头部和根部带圆弧的铣刀在炭块铣床上将阴 极炭块底部铣出8道沟槽(根据不同的炭块截面尺寸也可铣出7个或9个沟槽，依此类推)， 每个沟槽应一次铣成型。②阴极钢棒阴极钢棒由1个底板和8个筋板焊接而成(根据不同的炭块截面尺寸也可采用7 个或9个筋板，依此类推)，底板截面尺寸为515mmX 36mm ；筋板截面尺寸为50mmX 16mm,筋 板顶部倒角。筋板底部与底板采用焊接连接。筋板与底板焊接前应按阴极炭块底部沟槽间距做好模具以保持筋板与底板焊接 时位置的正确性。③安装将阴极炭块沟槽和阴极钢棒筋板对应位置插接即可，插接后注意应保持炭块底面 与阴极钢棒底板均勻接触，插接后在沟槽顶部缝隙处可灌注少量石墨粉，以增强导电性。
权利要求一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，其特征是阴极炭块与阴极钢棒通过插接方法构成，阴极炭块底部开有数个沟槽，阴极钢棒由底板和焊接在其上的数个筋板组成，筋板位置与阴极炭块沟槽位置对应，将阴极炭块沟槽与阴极钢棒筋板对应插接即完成组合。
2.根据权利要求1所述的阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，其特征是在阴极炭块沟 槽与阴极钢棒间的缝隙处灌注石墨粉。
3.根据权利要求1或2所述的阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，其特征是阴极炭块 底部设置有七个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有七个筋板。
4.根据权利要求1或2所述的阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，其特征是阴极炭块 底部设置有八个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有八个筋板。
5.根据权利要求1或2所述的阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，其特征是阴极炭块 底部设置有九个沟槽，在阴极钢棒上对应设置有九个筋板。
专利摘要本实用新型属铝生产技术领域。一种铝电解槽阴极炭块和阴极钢棒的连接构造，阴极炭块与阴极钢棒通过插接方法构成，阴极炭块底部开有数个沟槽，阴极钢棒由底板和焊接在其上的数个筋板组成，筋板位置与阴极炭块沟槽位置对应，将阴极炭块沟槽与阴极钢棒筋板对应插接即完成组合。本实用新型与现有阴极炭块组相比，本实用新型提高了阴极炭块利用率、减少了阴极炭块无效用量、减少了阴极炭块开钢棒槽的机械加工量、减少了电解槽大修时阴极炭块废渣量、减少了阴极炭块中的水平电流、消除了现有阴极炭块组在组装和电解槽焙烧启动时由炭素糊产生的沥青烟害、增大了阴极炭块与阴极钢棒的铁碳接触面积、延长了电解槽寿命。
文档编号C25C3/08GK201587988SQ20092021837
公开日2010年9月22日 申请日期2009年10月15日 优先权日2009年10月15日
发明者丁凤其, 李劫, 王化雨, 郭龙, 黄羲 申请人:郭龙