阳极组件以及相关的制造方法与流程

本发明涉及一种用于被设计为通过电解作用生产铝的池的阳极组件，以及这样的阳极组件的制造方法。

本发明特别适用于带有预焙阳极的电解池。

背景技术：

铝主要是通过对溶解在冰晶石浴中的氧化铝的电解作用而生产的。允许这种操作的电解池由一个钢箱构成并且内部衬有耐火绝缘产品。

由碳质块形成的阴极被放置在箱中。它由插入冰晶石浴中的一个阳极或多个碳质阳极或碳质阳极块覆盖。这个(或这些)碳质阳极逐渐被氧化铝分解产生的氧气氧化。

电流流动是穿过通过焦耳效应而被维持在液体状态中的冰晶石浴从阳极到阴极。

池的通常操作温度在930℃到980℃之间，生产的铝是液体并且因重力而被沉积在阴极上。定期地，通过浇注包提取产生的铝或产生的铝的一部分并且将其转移到铸造炉。一旦阳极被耗尽，就用新的阳极替换它们。

为了允许处理及其供电，每个阳极通常与一个结构相关联以形成阳极组件。这种结构一般由以下部分组成：

-阳极棒，该阳极棒由具有高电导率的材料(诸如铝或铜)制成，以及

-连接装置，该连接装置由对使用阳极时遇到的升高的温度耐受的材料(诸如钢)制成。

连接装置通常包括成形为一个一体横杆的多足件(multipode)，该多足件位于与多个有利的圆柱形块相关联的棒的基部，所述圆柱形块的轴线平行于该棒。

块被部分地引入在阳极的上表面上形成的凹部内，并且块和凹部之间存在的间隙通过浇铸熔融金属(通常是铸铁)来填充。如此制造的金属圆柱体可以确保棒和阳极之间的良好机械紧固和良好电连接。

然而，在现有技术中已经发现，块的存在引起阳极连接中的欧姆降，以及通过阳极组件的热损失。

因此，文件wo2012/100340提出一种阳极组件，其中由横杆和块构成的组件被纵向连接杆代替。密封时，该连接杆被引入在阳极上表面上形成的纵向凹部中。然后将熔融铸铁沉积在连接杆的外围以填充连接棒和凹部之间的空间。

该解决方案可以改善阳极内的电流分布，减少碳和铸铁之间接触处的欧姆降并限制热损失，如文件fr1,326,481中已经教导的那样，该文件提出了一种与wo2012/100340相同的解决方案。

然而，如果现有技术的阳极组件优选地包括圆柱形块，则主要是为了限制由于在将阳极引入温度为930℃至980℃之间的冰晶石浴过程中连接装置所经历的膨胀而导致的阳极劣化风险。

事实上，与圆柱形块的膨胀会导致在阳极上施加径向热膨胀力不同，金属杆的热膨胀会导致在阳极上施加横向和纵向力，这可能会使阳极破裂。

在fr1,326,481或wo2012/100340中没有提出针对该破裂问题的解决方案。

在文件wo2015/110906中，提出了针对该破裂问题的解决方案。该解决方案包括在连接杆的其中一个纵向端部处提供至少一个没有密封材料的空间，所述空间有利地能够衬有可压缩的填充材料，例如耐火纤维。因此，在连接杆的膨胀期间，耐火纤维吸收由连接杆纵向施加的力，从而防止阳极中在所述力的作用下而破裂。然而，该解决方案的缺点是需要在浇注密封材料之前手动放置耐火纤维。因此，这增大了成本和制造时间。此外，一旦进行电解，就必须从阳极组件中取出耐火纤维，以便能够回收碳。该操作还增加了成本和回收时间。

本发明的一个目的是提出一种制造方法，其比文件wo2015/110906中提出的方法成本更低且复杂性更低。这种用于形成阳极组件的制造方法在连接杆的热膨胀的作用下具有较低的阳极破裂风险。

本发明的另一个目的是提供一种可通过所述制造方法获得的阳极组件。

技术实现要素：

为此目的，本发明提出一种阳极组件的制造方法，所述阳极组件用于通过电解作用生产铝的池，所述阳极组件包括：阳极棒；金属块，所述金属块固定至所述阳极棒的其中一个端部，所述金属块在热作用下能够在纵向方向上膨胀；碳质阳极，所述碳质阳极包括凹部和密封区域，在所述凹部中容纳所述金属块用于将所述金属块密封在所述碳质阳极处，所述密封区域填充有在所述金属块和所述碳质阳极之间延伸的密封材料，其特征在于，所述方法包括在所述碳质阳极内部形成至少第一腔的步骤，所述至少第一腔与所述凹部一起形成所述碳质阳极内部的第一减小厚度区域，所述第一减小厚度区域能够在所述金属块的纵向方向上的膨胀作用下变形或断裂。

如此配置，根据本发明的制造方法使得可以形成在金属块的膨胀的作用下呈现出碳质阳极破裂风险较小的阳极组件。

实际上，金属块在其纵向方向上的膨胀期间施加到阳极的力的一部分被减小厚度区域和腔所吸收。

有利地，本发明的方法可以进一步包括在所述碳质阳极内部形成至少第二腔的步骤，所述至少第二腔与所述凹部一起形成所述碳质阳极内部的第二减小厚度区域，所述第二减小厚度区域能够在在所述金属块的纵向方向上的膨胀作用下变形或断裂。

在替代实施方案中，所述金属块具有特别地由四个纵向表面限定的大致平行六面体形状，所述纵向表面由两个横向表面连接，所述至少第一减小厚度区域以及相应的所述至少第二减小厚度区域被放置为平行于所述横向表面之一并且通过所述密封区域与该横向表面分开。

在阳极组件包括两个减小厚度区域的情况下，每个减小厚度区域将有利地延伸到金属块的相应纵向端部。然后减小厚度区域将分布在阳极棒的两侧上，这一方面将允许膨胀期间更好地分布力的强度，另一方面更好地平衡阳极组件的质量。

在实施方案的变体中，形成所述至少第一腔，相应地所述至少第二腔的步骤可以包括以下步骤：将插入件放置在用于形成所述碳质阳极的模具中，以便在所述模具内部限定至少一个突出部分，所述突出部分被设计为形成所述至少第一腔以及相应地所述至少第二腔。

在实施方案的另一个变体中，形成所述至少第一腔，相应地所述至少第二腔的步骤可以包括对所述碳质阳极机加工的步骤。

本发明还涉及一种用于通过电解作用生产铝的池的阳极组件，所述阳极组件包括：阳极棒；金属块，所述金属块固定至所述阳极棒的其中一个端部，所述金属块在热作用下能够在纵向方向上膨胀；碳质阳极，所述碳质阳极包括凹部和密封区域，在所述凹部中容纳所述金属块用于将所述金属块密封在所述碳质阳极处，所述密封区域填充有在所述金属块和所述碳质阳极之间延伸的密封材料，其特征在于，所述碳质阳极包括至少第一腔，所述至少第一腔与所述凹部一起形成所述碳质阳极内部的第一减小厚度区域，所述第一减小厚度区域能够在所述金属块的纵向方向上的膨胀作用下变形或断裂。

阳极组件的优选但非限制性方面如下：

-所述碳质阳极包括至少第二腔，所述至少第二腔与所述凹部形成所述碳质阳极内部的第二减小厚度区域，所述第二减小厚度区域能够在所述金属块的纵向方向上的膨胀作用下变形或断裂；

-所述金属块具有特别地由四个纵向表面限定的大致平行六面体形状，所述纵向表面由两个横向表面连接，所述至少第一减小厚度区域以及相应的所述至少第二减小厚度区域被放置为平行于所述横向表面之一并且通过所述密封区域与该横向表面分开；

所述第一腔以及相应的第二腔从所述凹部的横向内侧壁的纵向投影横向且竖直地突出，超出优选小于5cm；

-所述第一减小厚度区域以及相应的所述至少第二减小厚度区域具有大致平坦的轮廓并且垂直于所述纵向方向定向；

-所述第一减小厚度区域以及相应的所述至少第二减小厚度区域具有一个三部分轮廓，即，中心部分被两个端部部分围绕，所述中心部分是大致平坦的并且垂直于所述纵向方向定向并且所述端部部分相对于所述中心部分倾斜地定向；

-所述第一减小厚度区域以及相应的所述至少第二减小厚度区域具有一个两部分轮廓，即，在附接区域处彼此连接的第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分中的每一个都具有双凸轮廓，并且其中在所述附接区域处所述第一减小厚度区域以及相应的所述至少第二减小厚度区域有较小厚度；

-所述第一减小厚度区域以及相应的所述至少第二减小厚度区域具有一个两部分轮廓，即，在附接区域处彼此连接的第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分中的每一个都具有平坦的轮廓，并且其中在所述附接区域处所述第一减小厚度区域以及相应的所述至少第二减小厚度区域有较小厚度；

-所述第一减小厚度区域以及相应的所述至少第二减小厚度区域具有一个两部分轮廓，即，在附接区域处彼此连接的第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分中的每一个都具有平坦的双凸轮廓，并且其中在所述附接区域处所述第一减小厚度区域以及相应的所述至少第二减小厚度区域有较小厚度。

附图说明

阳极组件及其相关的制造方法的其他优点和特征将从以下以非限制性实施例的方式给出的若干替代实施方案的描述中显现，其中：

[图1]图1是根据本发明的实施方案的第一变体的阳极组件的透视图，

[图2]图2是在金属块集成到图1中示出的阳极组件之前附接到阳极棒的金属块的透视图，

[图3]图3是用于制造图1中示出的阳极组件的碳质阳极的透视图，

[图4]图4是根据本发明的实施方案的第二变体的阳极组件的俯视图，

[图5]图5是沿图4中表示的阳极组件的cc’的横截面视图，

[图6]图6a至图6e是本发明的实施方案的若干变体的局部视图，

[图7]图7是根据本发明的阳极组件的制造方法的框图。

具体实施方式

现在将描述阳极组件的制造方法的实施例以及从该过程获得的阳极组件的实施例。在这些不同的图中，等同的元件具有相同的数字标记。

在文本的其余部分中，将参考沿a-a’轴线延伸的阳极棒使用术语“侧表面”、“下表面”、“上表面”、“侧壁”和“底部”。

读者将理解的是，在本发明的上下文中：

-“下表面”或“上表面”意指在垂直于a-a’轴线的平面中延伸的表面，给定件的上表面比下表面更靠近阳极棒，

-“表面/侧壁”是指在平行于阳极棒的a-a’轴线的平面内延伸的表面/壁，

-“表面/纵向壁”是指平行于纵向物体(例如凹部或金属块)的纵向轴线延伸的表面/壁，

-“表面/横向壁”是指垂直于纵向物体的纵向轴线延伸的表面/壁，

-“纵向方向”或“纵向地”意指平行于纵向物体(例如凹部或金属块)的纵向轴线的方向，

-腔的“外壁”或“内壁”意指分别是距a-a’轴线最远或最近的壁。

图1例示了根据本发明的阳极组件的一个实施例。参考图1至图3，阳极组件10包括阳极棒1、金属块2和碳质阳极3。

阳极棒1由导电材料制成。它沿a-a’轴线延伸。阳极棒是本领域技术人员常规已知的类型并且下面将不被更详细地描述。

金属块2形成连接装置。金属块2由能够承受阳极组件的高使用温度的导电材料制成。例如，金属块由钢制成。

金属块2的尺寸可以如下：

-长度l介于80厘米至200厘米之间，

-宽度i和高度h介于5厘米到50厘米之间。

在所有情况下，长度l至少是金属块2的宽度i的两倍。

金属块2在阳极棒1的其中一个端部11处与阳极棒1成一体并且沿垂直于a-a’轴线的纵向b-b’轴线延伸。金属块2包括与阳极棒1接触的上表面23、与上表面23相对的下表面24、两个纵向侧表面22和两个横向侧表面21。金属块2例如是杆，可能具有长方体形状，并且可以在其侧表面21、22和/或其下表面24上包括齿，特别地具有倒圆形状。

阳极3是由预焙碳材料制成的阳极块，预焙碳材料的成分和一般形式是本领域技术人员已知的并且稍后将不被更详细地描述。阳极3的上表面具有凹部30，在所述凹部中容纳金属块2。

有利地，凹部30可以具有与金属块2的形状互补的形状。在这种情况下，凹部30具有纵向内侧壁32、横向内侧壁31和底部34。

凹部或槽的宽度i’大于金属块2的宽度i以允许金属块2的插入。

阳极组件还包括填充有密封材料41的密封区域。密封区域在凹部30的纵向内壁32和金属块2的纵向侧表面22之间延伸。

在本发明的上下文中，术语“密封材料”旨在是指允许在阳极和金属块之间形成刚性和导电连接的材料，该连接通常由金属块和阳极之间的铸造金属(如铸铁)或导电胶提供。

如图1所示，密封材料41覆盖金属块2的所有侧表面21、22。金属块2在其膨胀期间纵向施加的力因此将通过与金属块2的横向侧表面21相邻的密封区域41一体地传递到阳极3。

事实上，我们必须记住，作为指导，长度等于1米的钢制金属块在1000℃下可以经受高达2厘米的纵向膨胀。这种纵向膨胀可能潜在地引起阳极3的非常显著的劣化(破裂、爆炸等)。

为了避免阳极3在所述纵向力的作用下的这种劣化，阳极3有利地设置有沿纵向b-b’轴线放置在凹部30的任一侧上的一对腔42，每个腔42位于与金属块2的横向侧表面21之一相邻的密封区域41附近。如此放置，每个腔42与凹部30一起形成阳极3中的减小厚度区域43，所述减小厚度区域43位于所述密封区域41和所述腔42之间。特别地，该减小厚度区域43将配置成能够在由金属块2纵向施加的力的作用下变形或断裂。

最小厚度区域43的厚度有利地小于5cm并且优选地在0.5cm和3cm之间以能够变形或断裂而不会在阳极的其余部分中扩展破裂。腔42将有利地具有大于0.5cm并且优选地大于1cm的厚度，以便能够吸收由金属块2的膨胀引起的减小厚度区域43的厚度的变形。

因此，在金属块2的膨胀期间，由金属块2纵向施加的力将有利地首先传递到减小厚度区域43，这将导致所述减小厚度区域43变形或断裂。因为阳极3的其余部分，特别是阳极3的其中一个侧边缘33与最靠近该侧边缘的腔42的外壁之间的阳极3的部分，不直接承受由金属块纵向施加的所有力，所以劣化的风险大大降低。

参考图4和图5，分别以俯视图和沿c-c’的横截面视图例示了阳极组件的另一个实施方案。

在该变体实施方案中，阳极3仅具有一个腔42，该腔与凹部30一起限定了单个减小厚度区域43。然而，该减小厚度区域43将足以限制损坏整个阳极3的风险。

不管实施方案如何，阳极3包括与凹部30间隔开的至少一个腔42，使得阳极3的减小厚度区域43被形成在所述至少一个腔42和所述凹部30之间。因此，阳极3包括至少一个减小厚度区域43。减小厚度区域43是阳极3的一种结构，该结构能够在金属块的膨胀作用下例如在纵向方向上变形或断裂。

从图4和图5中可以看出，腔42横向地和竖直地延伸超过内部横向侧壁31的纵向投影。这种构造允许腔42内的破裂消退，沿大体上纵向方向、稍微远离c-c’轴线从横向内侧壁延伸。所述超出有利地小于5cm并且优选地小于3cm以避免削弱阳极3和干扰阳极3的整个下表面的电流的分布。

减小厚度区域43、腔42和凹部30的形状可以根据各种参数而变化，例如特别是阳极3和/或金属块2的构成材料、尺寸和/或形状。特别地，在某些实施方案中，最小厚度区域43的形状可以包括阳极3的至少一个断裂界面，其被配置为使得减小厚度区域43能够在所述至少一个断裂界面处例如在金属块的膨胀产生的给定应力的作用下断裂。这种断裂界面可以邻接凹部30或腔42的凹面。该凹面可以是弯曲的，也就是说限定曲线(正如图6a的腔42的端部处)。这种凹面的曲线可以被配置成更大或更小的程度，使得在最小厚度区域43中的应力集中的效应可以具有更大或更小的重要性。凹面也可以是有角度的，即，限定所述凹面的两个部分之间的角度(正如在图6b的腔42的端部处)。这种凹面的角度可以被配置为更大或更小的程度，使得在最小厚度区域43中的应力集中的效应可以具有更大或更小的重要性。

参考图6a至图6e，示出了可以在本发明的阳极组件内使用的阳极3的若干有利实施例。

在图6a示出的实施例中，减小厚度区域43具有大致平坦的轮廓并且朝向金属块2的b-b’轴线垂直地定向。与减小厚度区域43相邻的凹部30的横向内侧壁31以及对应的腔42的内壁和外壁在这种情况下具有直轮廓并且垂直于b-b’轴线。

在图6b示出的实施例中，减小厚度区域43具有处于两部分即，在附接区域430处彼此连接的第一部分434和第二部分435,的轮廓。部分434、435中的每一个都具有双凸轮廓，并且减小厚度区域43在附接区域430处具有较小厚度。与减小厚度区域43相邻的凹部30的横向内侧壁31在这种情况下具有弯曲轮廓，与减小厚度区域43的轮廓互补，并且对应的腔42的内壁也具有弯曲轮廓，与减小厚度区域43的轮廓互补。

在图6c示出的实施例中，减小厚度区域43具有一个两部分轮廓，即，在附接区域430处彼此连接的第一部分436和第二部分437。部分436、437中的每一个都具有大致平坦的轮廓，并且减小厚度区域43在附接区域430处具有较小厚度。与减小厚度区域43相邻的凹部30的横向内侧壁31和对应的腔42的内壁在这种情况下在轮廓上是大致直的并且垂直于b-b’轴线，除它们各自的与附接区域430对齐的区域之外，由此轮廓是大致三角形的。

在图6d示出的实施例中，减小厚度区域43具有一个三部分轮廓，即，由两个端部部分432和433围绕中心部分431。中心部分431大致上是平坦的并且垂直于b-b’轴线定向，并且端部部分432和433相对于中心部分431倾斜地定向。与减小厚度区域43相邻的凹部30的横向内侧壁31在这种情况下具有垂直于b-b’轴线的直轮廓，并且对应的腔42的内壁和外壁具有与减小厚度区域43的轮廓大致互补的轮廓。

在图6e示出的实施例中，减小厚度区域43具有一个两部分轮廓，即，在附接区域430处彼此连接的第一部分438和第二部分439。部分438、439中的每一个都具有平坦的双凸轮廓，并且减小厚度区域43在附接区域430处具有较小厚度。与减小厚度区域43相邻的凹部30的横向内侧壁31在这种情况下具有弯曲轮廓，与减小厚度区域43的轮廓互补，并且对应的腔42的内壁也具有弯曲轮廓，与减小厚度区域43的轮廓互补。因此，腔42在这种情况下具有鸥翼轮廓。

现在将参考图7描述根据本发明的阳极组件的制造方法的实施例。

该制造方法100可以被应用以形成阳极组件10，该阳极组件的阳极3具有与凹部30的其中一个横向内侧壁31相邻的单个减小厚度区域43。

作为变体，该制造方法100也可以被应用以形成阳极组件10，该阳极组件的阳极3具有放置于凹部30的两侧上的两个减小厚度区域43，每个减小厚度区域43与凹部30的其中一个横向内侧壁31相邻。

在制造方法100的第一步骤101中，提供固定到阳极棒1的金属块2。

在第二步骤102中，形成设置有凹部30和至少一个腔42的碳质阳极3。在该方法的第一变体中，在碳质阳极3的模制步骤之前，第二步骤102可以包括以下步骤：将插入件放置在旨在形成碳质阳极3的模具中以限定模具内至少一个突出部分，所述突出部分旨在用于形成所述至少一个腔42。

在该方法的第二变体中，第二步骤102可包括模制碳质阳极3的步骤，随后是机加工碳质阳极3以形成所述至少一个腔42的步骤。

在第三步骤103中，将金属块2引入凹部30内，使金属块2与阳极3分开的间隙填充有密封材料以形成密封区域41。

因此，通过易于适用于工业的方法，获得了根据本发明的阳极组件10。如此形成，该阳极组件10可以使在将阳极3引入冰晶石浴中时限制阳极3的破裂和/或爆裂的风险变成可能。