用于在Hall‑Héroult类型电解槽中生产铝的电解过程中使用的阳极以及制造该阳极的方法与流程

本发明涉及阳极以及制造该阳极的方法。特别地，本发明涉及用于在hall-héroult类型的电解槽中电解生产铝的预焙阳极。

背景技术：

通常，预焙阳极被固定到形成阳极悬架的一部分的销钉。碳基阳极块具有预形成的孔，所述预形成的孔允许销钉进入到所述孔中。通过将熔化的铸铁倾倒入每个单独的销钉和阳极中对应的孔之间的环形空间中，执行销钉和阳极之间的固定。阳极悬架还包括具有销钉的阳极轭爪，所述阳极轭爪进一步被阳极杆悬挂，所述阳极杆在其上部被附接到阳极梁。在阳极杆和轭爪之间常常存在有双金属的连接件。

使用熔化的铸铁对熔模(例如能够熔化铸铁的烘箱)和对应的分配系统和倾倒系统有一些影响。对于阳极，销钉在一些技术中被预热。

由于预焙阳极所包括的碳材料的消耗，通常在电解槽中约30天后预焙阳极磨损。然后必须替换所述预焙阳极。磨损的阳极(端部)被转移到这样的设备，在所述设备处通过将阳极的剩余材料与铸铁残余物一起移除来清洁阳极悬架的销钉。通常，通过使用机械翻新工具来执行。

装配新的阳极以及移除磨损阳极的端部的操作是耗时并且昂贵的。

us4574019涉及通过使用粘合体将两个阳极块附接到阳极悬挂装置的过程，所述阳极悬挂装置包括两个铲片或者两个销钉。该粘合体应当具有强的机械性能并且至少在900℃至1000℃之间具有良好的导电性能。粘合体可以是固体的混合物、粘合剂和硬化剂。所述固体可以由金属粉末(比如铁、铜或铝)来体现。金属的颗粒尺寸应当最大为5mm。这种类型的接触体在ep0027534中被进一步描述。

技术实现要素：

根据本申请人所拥有的ep2242976a1，所施加的导电颗粒仅在电流引导部和阳极中的煅烧的碳质材料之间作为填充材料存在。仅使用导电颗粒而不使用硬化基体有助于导电颗粒的再利用。所述专利文献也已经阐述了，对于根据该解决方案的插接(rodded)的阳极，电阻降低。

通过本发明，由于轭爪的新颖设计，阳极压降被进一步降低。

首先，在一个实施例中，轭爪包括至少两个三角形的悬挂板，其中所述悬挂板的上部部分、中间部分被附接在阳极杆的下部部分处。所述悬挂板的下部部分以及插接板在碳质阳极块的上部部分中形成的凹部中被附接，并且所述悬挂板的下部部分以及插接板能够在一个实施例中根据如ep2242976a1中所示的相同的原理而被插接。可以说，通过其中导电插接材料仅包括导电颗粒的组合，电流引导部和煅烧碳质材料的本体被各种机械固定装置所连接。

轭爪的板可以是覆层材料或复合材料，优选地与夹层结构的材料类似，所述覆层材料或复合材料还能够降低压降并且还维持不同的热性能。重要的优点是，这可以导致更少的热量损失和更低的压降。可能以这样的方式设计轭爪，所述方式使得当替换通常使用的轭爪时，使得轭爪相对于电解槽中的热平衡是“中性”的。

在另一个实施例中，轭爪包括在阳极杆和插接板之间的水平定向的悬挂板。类似地，该悬挂板能够至少部分地是覆层材料或复合材料，优选地与夹层结构的材料类似，所述覆层材料或复合材料还能够降低压降并且还维持不同的热性能。由于更少的突出元件，悬挂板还允许利用阳极覆盖材料(acm)的更容易的覆盖。

与上述设计有关的重要的优点是，所述设计可以导致更少的热量损失以及更低的压降。可能以这样的方式设计轭爪，所述方式使得当替换通常使用的轭爪时，使得轭爪相对于电解槽中的热平衡是“中性”的。

更进一步地，根据本发明的轭爪将具有良好的机械性能并且维持极好的稳定性。

附图说明

这些优点和另外的优点将会通过如附带的权利要求中所限定的本发明而获得。

下面将通过附图和示例来进一步描述本发明，其中；

图1公开了具有轭爪和阳极杆的阳极悬架的第一实施例的透视图，

图2公开了从一侧观察的图1的阳极悬架，

图3公开了在正视图中观察的图1的阳极悬架，

图4公开了被装配到碳阳极块中的如图3的阳极悬架，

图5公开了在横截面视图中从一侧观察的被装配到碳阳极块中的如图4的阳极悬架，

图6公开了从上面观察的，如图5所示的被装配到碳阳极块中的阳极悬架的俯视图，

图7部分地对应于如图6中a所表示的圆圈区域的放大视图，

图8部分地公开了如图4中b所表示的圆圈区域的放大视图，

图9公开了在透视图中观察的完整的阳极组件，

图10公开了在横截面视图中从一个端部观察的机械固定装置的替代设计，

图11是从上面观察的如图10的相同的替代设计，

图12是在横截面视图中从一侧观察的如图10和图11中的相同的替代设计，

图13公开了根据本发明的一个阳极以及现有技术的阳极的对比压降测试，

图14公开了在透视图中观察的具有轭爪的阳极悬架的第二实施例，所述轭爪包括水平的悬挂板和竖直的插接板，

图15公开了用于与轭爪插接的加工的和准备的阳极块，

图16公开了具有轭爪的阳极悬架的透视图，所述轭爪包括插接到阳极块的一个水平的悬挂板，

图17公开了根据本发明的具有水平的悬挂板的一个阳极的压降测试。

具体实施方式

如图1所示，公开了具有轭爪(yoke)2和阳极杆3的阳极悬架1的透视图。阳极杆通常由铝或铝合金制成，所述阳极杆优选地具有矩形的横截面。

轭爪原则上可以包括四个部件，两个三角形的悬挂板4、4’和两个插接板(roddingplate)5、5’，所述两个插接板分别与所述悬挂板相互连接。悬挂板4、4’和插接板5、5’可以由合适品质的钢板制成，所述悬挂板和所述插接板通过焊接或者通过任何其他合适的方式而被相互连接。

然而在一个实施例中，通过合适的加工，比如切割和可能地弯曲(未示出)，插接板5和悬挂板4能够由一片金属板(例如钢板)制成。

应理解的是，在本文中使用术语插接板和悬挂板同样可以涉及如下完整板的部件，或者由如上所述的一个板制造，或者由两个板制造，即悬挂板4与插接板5结合到一起。由任一方式制造的完整的轭爪板由54、54’所表示。

突出部8、8”被布置在插接板5处用来与阳极顶部中形成的凹部相互作用。还形成有允许插接板插入到阳极顶部中的凹部。这将会在下面解释。类似的突出部被布置在插接板5’处(未示出)。

还公开的是，悬挂板4、4’的上部部分被附接到阳极杆3的下部部分。为了保证在阳极杆3和轭爪2之间的低压降，可以将具有良好导电性的连接部件6、6’布置成与阳极杆3和悬挂板4、4’中的每个悬挂板电接触。

在图2中，从一侧示出阳极悬架1。阳极杆3经由若干连接部件6、6’、7、7’、7”、9被连接到悬挂板4。连接部件7、7’、7”可以是双金属或三金属的钢板部件，因为其面对着由钢制成的悬挂板4、4’。连接部件6、6’优选地是铝的以便增加铝的阳极悬架3和双金属或三金属的连接件之间的接触面积。连接部件9用作由双金属或三金属构成的铝部件。在三金属的情况中，由钛的薄片材所代表的结合板额外地布置在连接部件9和连接部件7之间(类似地布置在3和7”的结合点以及在6’和7’的结合点处)。

连接部件优选地具有良好的导电性和一定的机械强度。

原则上双金属部件将具有由分别与阳极杆3中的材料和悬挂板4、4’的材料相容的材料构成的两个接触区域。三金属连接部件将额外地包括能够使连接件在高温下合适地运行的第三金属。

例如，三金属连接部件可以由基于钢-钛-铝材料的部件构成。

另外，附图更详细地公开了插接板5中的突出部8、8’，布置所述突出部用于与阳极顶部中的对应的凹部相互作用。该突出部能够基本地具有矩形或圆形的横截面形状。

在图3中，以正面视图示出了图1的阳极悬架1，其中具有相应插接板5、5’的两个悬挂板4、4’被附接到阳极杆3。连接部件6’被示出为处于这些部件之间的接触区域。在插接板5、5’的下部部分中示出有突出部8、8’。在该示例中这些突出部具有矩形形状并且可以按所述突出部在插接板的外部和内部处突出的方式穿过插接板5、5’。

在图4中公开了装配到碳阳极块20中的如图3所示的阳极悬架1，其中首先是在阳极块的长度方向上定向的、加工的凹部(槽、槽口)13、13’，所述凹部能够在一定的插入深度处接收插接板5、5’。另外，布置在插接板5、5’处的突出部8、8’与阳极块20中的对应的凹部10、10’相匹配。关于在b处的圆圈区域的细节将根据图8进一步解释。

阳极块可以具有朝下开口的槽21、22用于阳极气体的排出，所述阳极块在其拐角区域处具有悬臂式外部表面23。

图5公开了从一侧观察的、图4所示的被装配到碳阳极块20的阳极悬架1的横截面视图，其中阳极杆3被附接到具有插接板5的悬挂板4，突出部8、8’接合在阳极块20中形成的对应的底切凹部10、10’中。插接板5进入到凹部13中。阳极块具有悬臂式表面23、23’。关于突出部8”和凹部10”的细节示出在图6和图7中。

图6公开了从上面观察的、如图5中所示的被装配到碳阳极中的阳极悬架，其中阳极20设置有凹部10、10”、10’、10”’。轭爪部件具有已经进入到凹部中的突出部8、8’、8”、8”’。通过运用圆形铣削工具(例如所述圆形铣削工具形成为具有轴向和径向多晶金刚石刀具(pcd)的小“锯片”)能够制造所述凹部，将所述圆形铣削工具进一步布置在足够长的轴上，所述轴允许该工具通过第一步骤的朝下运动来加工孔并且在随后的加工步骤中(其中该工具沿阳极块(20)的长度轴线移动)加工底切凹部。

在图7中，所述附图示出了图6中由a表示的圆圈区域的放大细节，具有突出部8”的插接板5首先接合到阳极块20的凹部10”的顶部开口部分11”中，然后所述插接板水平地移动并且进一步接合到阳极块20的凹部10”的顶部闭合部分或者底切部分中。这使得阳极块20将能够经由底切凹部10、10’、10”、10”’和突出部8、8’、8”、8”’而被轭爪所悬挂。这意味着阳极块20的重量由这些机械固定装置所承担。

图8部分地对应于图4中由b表示的圆圈区域的放大视图并且示出了凹部13和凹部10的更多的细节。附图包括与图7中所示的顶部开口部分或孔类似的第一顶部开口部分或孔11，已经在凹部13的合适的位置处加工所述第一开口部分或孔。另外，凹部10是底切的并且具有两个凸缘12、12’。当如附图所示插接板5已经进入到凹部13中、布置在插接板5处的突出部8已经朝下进入到孔11中并且已经在凹部的底切部分(顶部闭合部分)内部进一步移动时，所述插接板将被搁置在该位置并且能够经由在阳极块中形成的凸缘12、12’来承担阳极块20所代表的竖直负载。同时，突出部8、8’、8”’将分别进入它们所对应的凹部10、10’、10”’，见图5和图6。

图9公开了具有阳极杆3、悬挂板4和4’、插接板5和5’、凹部13和13’、(部分的)孔11和11”以及阳极块20的阳极组件。

在第一插接步骤之后，将导电颗粒填充到插接板和阳极块中的凹部之间的空隙中，可以将轴环件施加到阳极顶部处的金属部件上，以作为抵抗腐蚀作用的保护(未示出)。

在上面示例中的突出部8、8”、8’、8”’可以由圆柱形杆构成，所述圆柱形杆通过插接板进入到孔中。这些杆能够通过压配合布置而固定并且布置为容易移除和互换。

替代地，突出部的形状可以是平坦的，即所述突出部具有抵靠阳极中的凹部作用的更为延展的平面表面。这会将阳极块的负载分配到更大的面积上。在一个实施例中，突出部可以包括焊接到相应插接板的外部和/或内部的销钉。

图10公开了在横截面视图中从一个端部观察的机械固定装置的替代设计，其中阳极块20在其底部分中具有槽21、22，其中凹部100、100’形成在所述阳极块的顶部部分中。在凹部中，已经分别插入两个插接板5、5’，已经施加螺栓14、15以便将轭爪板固定到阳极块。螺栓14、15通过插接板5、5’中的孔并且被固定到阳极块中预形成的凹部或孔中。螺栓可以有螺纹，对应的螺纹可以布置在插接板中和/或阳极块20的孔中。

另外，悬挂板4、4’在其上部部分中具有导电性更好的额外的板材料16、17，比如铜或合适的铜合金，这将显著地降低组件中的压降。额外的板材料可以是覆层材料或者是通过其他方式与轭爪板电学整合到一起的材料。额外的板材料还可以用于优化轭爪的热量损失。

另外，示出了悬挂板4、4’和阳极杆3之间的连接的细节。附图示出了能够优选地焊接到悬挂板4、4’的两个增强部件27、28。增强部件优选地是金属材料(比如钢)并且将提高轭爪的横向稳定性。所述增强部还将降低阳极杆和轭爪之间的压降。

另外，示出了布置在悬挂板4、4’和阳极杆3之间的三金属板18、19、26，与根据图2所解释的类似。

图11是从上面观察的如图10所示的相同的替代设计，其中插接板5、5’通过螺栓14、14’、14”和15、15’、15”被固定到阳极块20.

图12是与图10和图11相同的替代设计，其是从一侧以横截面视图观察的情形，其中阳极块20在其底部部分具有槽21，从顶部侧插入插接板5。通过螺栓14、14’、14”固定插接板。覆层板材料在悬挂板4处示出为附图标记16，阳极杆示出为附图标记3。

三金属连接件示出为附图标记18、19、26。

悬挂板和插接板的尺寸取决于所替换的轭爪。

例如，与具有四个直径180mm支脚的轭爪相比，本发明的轭爪与碳的接触面积是两倍。20mm厚度的插接板将降低50％的导热钢横截面。

这意味着降低热量损失牺牲了压降，但是因为轭爪和碳之间的接触面积增加了100％以及更大的双金属横截面，所述压降仍然比支脚轭爪的压降低。

板横截面的增加将增加热量损失并且减小压降，这两者都可以有益于电解槽的电流量的增加。

尺寸的降低将会减少热量损失并且增大压降，并且所述尺寸的降低有益于减小两极之间的空间。

在悬挂板部件中没有覆层材料或者复合材料的情况下，悬挂板可以是钢材料并且具有35mm的厚度。插接板可以是具有20mm厚度的相同的材料。

在一个实施例中，覆层cu材料的厚度可以是8mm，同时钢的悬挂板的厚度是20mm。插接板的厚度可以是20mm。

具有比悬挂板的厚度更小厚度的插接板的轭爪已经展现出具有经由阳极轭爪降低热量损失的积极效果。

在未公开的实施例中，可以施加多于两个的轭爪板，所述轭爪板具有在阳极顶部中的对应槽。例如，可以施加中央轭爪板，所述中央轭爪板布置在附图中所示的两个轭爪板之间。

图13公开了根据上述实施例的、具有两个悬挂板/插接板(命名为双置式)的一个阳极(下部曲线)和现有技术的参考阳极(上部曲线)的对比压降试验，所述现有技术的参考阳极的轭爪具有支脚，并且其中在阳极顶部形成孔以及插接板由铸铁制成。在附图中，已经使曲线更适合于由手动绘图辅助的打印。在阳极杆处和阳极顶部处的对应位置处完成压降测量。

曲线示出了在电解槽中启动后压降(竖直轴线)与时间的关系。

将可以从上部曲线(所述曲线为参考阳极)观察到的是，当电流通量已经稳定时，压降可以取平均值为约200mv。

从下部曲线(所述曲线是根据本发明的阳极)中，压降被稳定到约120mv的水平。

已经执行了在根据如上所述的本发明(双置式)的8个阳极与8个标准阳极之间的对比试验，其中已经对持续期间(从新的阳极到损耗的阳极)中的平均电阻测量并且取平均值。见表1。

表1.双置式阳极与参考阳极的电阻的对比

本发明的另一个实施例在图14中示出，其中在透视图中观察到具有水平定向的悬挂板104和五个插接板105、105’、105”、105”’、105””的阳极悬架101。插接板105””具有两个突出部108”和108”’。类似地，插接板105也具有像这样的两个突出部108、108’(未示出)。这四个突出部将匹配阳极块中对应的凹部并且能够悬挂所述阳极块。

如图1所示，公开了在阳极杆和悬挂板之间的连接部件106、106’、106”。连接部件可以是双金属类型和/或三金属类型。

此外，公开了阳极杆103和悬挂板104之间的间隔物144。该间隔物是有利的，在于其将连接部件与电解过程中发出的热量和腐蚀性气体间隔开。间隔物144能够由金属材料(比如钢)制成并且能够被焊接到悬挂板。然而，在一个实施例中，悬挂板能够经由连接部件连接到阳极杆，而不具有任何的间隔物144(未示出)。在另一个实施例中(未示出)，间隔物144能够由若干导电材料的板制成并且被进一步按照使板限定气体密封空隙的方式所布置，所述气体密封空隙能够填充绝热材料。在第一示例中类似的构造可以施加到悬挂板4、4’。该解决方案的一个优点是降低并且可能消除了利用阳极覆盖材料来覆盖阳极顶部的必要性。

图15公开了阳极块120的透视图，加工和准备所述阳极块用于与阳极悬架101插接。在阳极块120中，存在被加工的五个凹部113、113’、113”、113”’、113””，所述五个凹部能够接收上述的对应的插接板。此外，与图7中所示的类似，示出/指出了孔111、111’、111”、111”’和底切凹部110、110’、110”、110”’，用于在外插接板105、105””处接收对应的突出部108、108’、108”、108”’以便承载阳极块120的重量。

图16公开了具有阳极悬架的阳极的透视图，所述阳极悬架包括一个阳极杆103、连接部件106、106’、106”、间隔物144、与阳极块120插接的悬挂板104。

应当理解的是，通过将插接板(105、105””)与阳极块(120)相互连接的销针、螺栓等，阳极块被固定到电流引导部。

在插接步骤期间，导电颗粒被填充到插接板和阳极块中的凹部之间的空隙中，轴环件可以被施加到阳极顶部处的金属部分，以作为抵抗腐蚀作用的保护(未示出)。

在上面示例中的突出部108、108”、108’、108”’可以包括通过插接板进入孔中的圆柱形杆。这些杆能够通过压配合布置来固定并且布置所述杆用于容易地移除和互换。

替代地，突出部的形状可以是平坦的，即所述突出部具有抵靠阳极中的凹部作用的更延展的平面表面。这将使阳极块的负载分配在更大的面积上。在一个实施例中，突出部可以包括被焊接到相应插接板的外部和/或内部的销钉。

图17公开了根据本发明的具有水平悬挂板的一个阳极(下部曲线)与通常的标准阳极(上部曲线)相比的压降测试。能够观察到的是，相对于通常的标准阳极，压降能够降低约12微欧姆(下部曲线)。

此外，施加在悬挂板(多个悬挂板)的覆层材料和复合板材料可以由护罩或者任何其他合适的装置所保护以避免劣化。覆盖覆层材料或者复合材料的由钢板制成的护罩是合适的。

应当理解的是，用于插接板的在阳极顶部中的凹部的主部分可以在阳极处于其未加工状态时(即，在煅烧所述阳极之前)形成。凹部的主部分还能够由阳极插入设备所形成，例如如本申请人所拥有的公开专利ep1781441a1中所示的那样。

在这之后，凹部然后被旋转加工工具所校准，所述旋转加工工具具有与凹部的最终形状互补的形状或者具有比最终形状的尺寸更小的尺寸。能够布置所述工具以便配合cnc机床或者类似物，从而将以自动的方式执行加工(处理)。在加工过程中，形成顶部开口凹部，随后沿阳极顶部内的凹部移动相同的工具或者任何其他合适的工具，以便形成具有负载承载凸缘12、12’的顶部闭合的凹部。

应当理解的是，导电固体或者导电颗粒可以是任何合适的金属(比如钢、铁、铜、铝等)或者所述金属的合金。此外，该固体的形状可以是球形、卵形或者椭圆形、薄片形或者具有任何合适的形状。尺寸和颗粒的分配可以变化。最大尺寸将主要由待填充的空间所限制。颗粒尺寸的不均匀的分配可以方便地获得尽可能紧凑的填充，其中颗粒之间只有很少的空间。

除了具有良好的导电性能，所施加的材料应该具有良好的机械性能(压碎性能)并且能够承受高温。出于在端部处理站中回收的原因，磁性特性可能是有利的。

此外，所述固体的尺寸可以从0.1毫米开始并且接近于插接板和阳极块中凹部的壁之间的最小开口(空隙)。通常，该尺寸可以上至10毫米。

导电颗粒可以储存在比待填充的阳极中的凹部更高的高度处的容器或者合适的储存器中。被固定到该容器并且具有阀门和朝向槽的开口的管道可以调节进入到槽中的颗粒的正确量。因此可以由重力供给来执行运输和分配。在填充时，可以施加振动以便获得更紧凑的填充。阳极块和/或轭爪板条可以振动。替代地，可以在填充有导电颗粒的凹部中施加振动棒，以便直接产生填充材料的振动。

此外，通常用于阳极或者其他保护物的轴环粘合剂可以用于在导电颗粒的顶部处形成封装和保护层。

磨损的阳极通常可以在插接站中处理，在所述插接站处(在移除任何阳极覆盖材料之后)从轭爪移除端部。优选地，端部以这样的方式破裂：所述端部沿其固定的方向主要以分开的很少的大片的形式掉落。否则，可以从阳极悬架压碎或敲落所述端部。该端部常规地被放置在传送带上。

在已经施加磁性导电颗粒作为填充材料的情况中，阳极轭爪优选地通过合适的方式所磁化，因此在端部移除期间颗粒将被吸引到轭爪。

在端部已经被移除之后，轭爪优选地被移动到插接站的另一部分用于恢复填充材料。然后能够对轭爪去磁化以便让颗粒脱落。随着颗粒容易地脱落，能够通过简单的机械方法(比如刮擦)来移除在轭爪的先前嵌入部分上的任何残留颗粒。

作为最终的清洁步骤，能够优选地通过与实际的填充材料相同或者相容的颗粒(比如铁、钢或者任何其他的导电材料)喷吹(例如通过喷砂)轭爪的先前嵌入部分。除此之外，可以由砂、铝或者任何其他的合适材料来实施喷吹。

应当理解的是，也可以恢复和再利用非磁性填充材料，即便分离技术和恢复技术会与上述的技术有些不同。可以施加一种筛网来从填充材料分离端部。

被恢复的填充材料可以如颗粒群那样脱落。这些群可能需要被碾碎成或多或少的单一颗粒以便作为由待填充的实际凹部的开口所确定的填充材料而被再利用。可以通过调整常规设备来完成所述压碎。