铝电解用阳极的制作方法

本发明涉及一种阳极，特别是用于铝电解槽的阳极，其包括具有第一短线孔(stubhole)的阳极体，所述第一短线孔用于插入用于与电压源连接的短线(stub)，所述阳极至少包括布置在所述阳极体内部用于与所述电压源连接的第一铝芯和第二铝芯。

背景技术：

当在电解槽中放置一个新的预焙阳极时，在浸入浴(bath)中的阳极的底面上会形成冻结的电解质浴(electrolytebath)外壳。在放入锅中后的第一天，此外壳熔化，电流开始流过阳极。

根据式(1)

其中

u(阳极)：电压降

ser(阳极)：阳极的比电阻

l：阳极高度减去短线孔深度的一半

i/a：电流密度

可以计算出电压降u(阳极)。

例如，在ser(阳极)＝55μωm，l＝0.6m并且i/a＝0.8a/cm²的情况下，在阳极寿命的早期阶段，电压降u(阳极)约为260mv。在电解过程中，阳极被消耗，由此高度不断降低。由于阳极高度的降低，电压降也降低了。

随着阳极的消耗，阳极的高度降低至约0.2m，因此阳极中的电压降持续降低至约50mv。最终的高度将约为l＝0.15m。由于阳极温度升高，高度降低，因此ser(阳极)同时降低至约44μωm。

为了提供高效的电解过程，在阳极寿命的早期阶段，电压降u(阳极)也应尽可能低。

电解过程中的另一个问题是实现优化的电流密度分布。然而，由于阳极的消耗，阳极的尺寸在电解过程中改变，由此电流密度分布改变。

技术实现要素：

本发明的目的是制造一种与最初提到的技术领域有关的阳极，所述阳极特别是在阳极寿命的早期阶段提供降低的电压降。此外，本发明的目的是制造一种阳极，由此可以实现优化的电流密度分布。

本发明的解决方案由权利要求1的特征指定。根据本发明，第一铝芯与阳极底部之间的第一距离不同于第二铝芯与阳极底部之间的第二距离。

在阳极寿命的早期阶段，将阳极底部浸入电解质浴中。在该阶段中，第一铝芯位于阳极底部的第一距离处，第二铝芯位于阳极底部的第二距离处。不失一般性，第一距离小于第二距离。由于第一铝芯比第二铝芯更靠近阳极底部，因此电流将从电压源通过短线流至第一铝芯。由于第一铝芯比短线更靠近阳极底部，因此可以显著降低电压降u(阳极)。

随着阳极被电解过程消耗，第一铝芯与阳极底部之间的第一距离l1以及第二铝芯与阳极底部之间的第二距离l2减小。随着电极的消耗，电解质浴到达第一铝芯的下端，熔融铝芯将从阳极排出。现在，电流将流至与阳极底部相距l2-l1的第二铝芯。此时，第二铝芯比短线仍更靠近阳极底部，由此电压降仍显著降低。

对于本领域技术人员显而易见的是，可以在阳极中布置另外的铝芯，由此可以实现铝芯与阳极底部之间的两个以上彼此不同的距离。特别是，可以存在4、6、10个以上不同的距离，由此可以进一步优化电压降。主要目标是在电解过程的每个阶段实现铝芯和阳极底部之间的最小可能距离。

然而，尽管理想的阳极包括许多铝芯，但是实际的阳极将具有较少的铝芯，以便控制生产阳极的成本。降低的电压降的好处应该高于在阳极中布置铝芯的额外成本。由此，优化的阳极将可能包括约4至20个，特别是约6至14个铝芯。然而，特别是如果生产这种阳极的成本不太高，则也可以有20个以上的芯。尽管阳极包括n个铝芯，但铝芯与阳极底部之间将有2至n个不同的距离。特别是，将存在几组彼此长度不同的铝芯，而一组中的所有铝芯具有相同的长度和/或相同的到阳极底部的距离。作为另一种选择，最多可以布置所有铝芯，使得到阳极底部的距离将彼此不同。在另一实施方式中，可以选择铝芯的长度的其他分布，以优化电压降。

优选地，铝芯围绕短线孔等距布置。特别是，阳极可包括一个以上的短线孔，例如2、3、4、5、6个以上。在这种情况下，短线孔之间的铝芯的浓度可能小于外部。可以将铝芯布置成与短线孔接近，特别是与短线孔相切。在另一实施方式中，短线孔和铝芯之间可以是例如通过铸铁等桥接的径向距离。在另一实施方式中，铝芯均匀地分布在整个阳极上。技术人员还可以通过计算或通过进行某些实验来确定铝芯在阳极中的理想布置。

配备铝芯的阳极的总压降u(总)由式(2)给出：

u(总)＝u(ai)+u(阳极)

其中：

u(ai)：铝芯引起的电压降；

u(阳极)：铝芯下方阳极的电压降；

u(总)：总电压降。

例如，在没有铝芯的阳极中，ser(阳极)＝55μωm，l＝0.6m并且i/a＝0.8a/cm²时，在阳极寿命的早期阶段，电压降u(阳极)约为260mv，而包含铝芯的阳极的电压降在阳极寿命的早期阶段可降低约120mv至约140mv。

然而，随着阳极寿命的延长，获得的电压降差随之减小。电压降的平均增益估计为初始增益的三分之一，即在整个阳极寿命内为40mv。然而，获得的电压降甚至可能更高，尤其是超过80mv，例如大约100mv。

有三种选择可利用获得的平均电压降：

-选项1：降低能耗

-选项2：如果有额外的能量可用，则通过增加电流来提高生产率，从而获得旧电压

-选项3：如果没有额外的能量可用，则增加电流以保持原始能量输入

使用选项1，并假设获得的电压降为40mv，能耗降低为0.13mwh/tai。使用选项2，电流可以增加1.5％。使用选项3，电流可以增加0.5％。

当将阳极放入电解槽中时，热波会从底面和侧面渗透到整个阳极中。当阳极下方的冻结的电解质浴外壳熔化时，电流将优先从短线通过铸铁流经铝条，再从那里流经阳极的剩余底部。

来自电解槽的过程热将使阳极整体中的温度升高到铝的熔点(即660℃)以上，因此铝将熔化，但会继续通过电流。

随着阳极被电解过程消耗，阳极下方的剩余部分不断减少，直到到达填充铝的最深的孔的尖端，尤其是到达第一铝芯。发生这种情况时，液态铝将从该孔中倒出。因此，电流将流过具有较浅深度的填充铝的剩余的孔。将重复此过程，直到到达所有孔的尖端并倒出所有铝。然后，电流将流过阳极的其余部分。

如上所述，通过在阳极中使用铝芯，可以优化电解过程中电流密度的分布。因此，可以确定两个以上铝芯的尺寸并将其布置在阳极中，从而建立电流密度的优化分布。

优选地，第一铝芯的长度不同于第二铝芯的长度。由此，在具有长方体状的形状、特别是长方体形状的阳极中，所有铝芯可以以相同的到阳极顶部的距离布置在阳极中。由此，对于每个铝芯，可以以简单且标准化的方式建立与电压源的电连接。然而，第一铝芯和第二铝芯的长度可以相等。

优选地，第一铝芯布置在阳极体的第一盲孔中，并且优选地，第二铝芯布置在阳极体的第二盲孔中，其中，第一铝芯和第二铝芯尤其彼此平行。由此，铝芯可以通过铸造工艺容易地构建。在替代实施方式中，铝芯可以布置在槽孔(troughhole)中。

优选地，第一铝芯和第二铝芯相对于阳极底部呈直角布置。特别是，在变体中，如果电极的底部不是平坦的，则铝芯可以相对于阳极底部以另一角度布置。

优选地，阳极具有长方体状的外部形状，特别是长方体的外部形状。由此，可以以简单的方式制造阳极。然而，技术人员知道对于特殊的电解过程有用的其他几种外部形状。

在生阳极成型并冷却后，用可燃塞子密封圆锥形孔，以防止在阳极的烘烤过程中填充材料进入圆锥形孔。

烘烤后，圆锥形或圆柱形孔中填充液态或固态铝，直至直径扩大的水平(参见下文)。

优选地，第一盲孔是圆锥形或圆柱形的。特别是，盲孔可以通过成型工艺或通过钻孔工艺来制造。如果通过钻孔工艺构建，则优选圆柱形孔。如果通过成型工艺构建，则优选圆锥形孔。

优选地，包括第一铝芯的第一盲孔由密封件密封，特别是由包括铸铁的密封件密封。由此，铝芯可以通过短线连接到电压源。在第一步中，可以将短线插入短线孔中，并且可以将铝芯布置在盲孔中。第二步，将铁铸入短线中(短线与短线孔之间的间隙中)，同时，铸铁连接盲孔上的铝芯并密封盲孔。由此，电连接和盲孔的密封可以一步完成。

圆锥形或圆柱形孔顶部的直径扩大区域填充有铸铁。当液态铝从孔的底部倒出时，孔顶部的铸铁充当密封件，以防止在空孔中产生烟囱效应。

根据标准程序，将阳极与杆状站中的轭铁组件配对，并将液态铸铁倒入短线孔和短线之间的间隙中。这样，液态铸铁也通过倾斜的凹口流入直径扩大的孔的上部，并与下方的铝熔合。为了增强铸铁与铝的连接，可以选择在铝的顶部准备一个孔，然后用液态铸铁填充。

作为液态铝的替代，可以将固态铝条插入圆锥形或圆柱形孔中。

优选地，靠近阳极头，圆锥形或圆柱形孔具有扩大的直径。由此，可以实现盲孔的改进的密封。

优选地，第一盲孔的开口与第一短线孔的开口相邻。由此，由于短线孔和盲孔之间的铸铁连接较短并且由此更稳定，因此可以使回收过程更高效。在变体中，第一盲孔的开口可以与第一短线孔的开口相距一定距离。

优选地，第一盲孔的旋转轴线平行于第一短线孔的旋转轴线。由此，在电解过程中，短线平行于铝芯定向。特别是，第一盲孔的旋转轴线在电解过程中优选垂直于熔融冰晶石/铝的表面。然而，第一盲孔也可以以其他方式定向。定向取决于阳极的尺寸，特别是如果目的是优化的电流密度分布。

优选地，第一盲孔的旋转轴线与第一短线孔的旋转轴线相距一定距离，其中该距离小于第一短线孔的直径的两倍，特别是小于第一短线孔的直径。然而，该距离也可以大于第一短线孔的直径的两倍。阳极中的位置取决于阳极的尺寸，特别是如果目的是优化的电流密度分布。

优选地，第一凹口将第一短线孔与第一盲孔连接。由此，可以简化用于密封盲孔并将铝芯与电压源连接的铸造工艺。然而，该凹口也可以省略。

优选地，第一凹口从第一短线孔向第一盲孔倾斜。由此，铸铁将在重力作用下流入盲孔的开口。然而，该倾斜度可以从盲孔转向短线，也可以省略。

优选地，铝芯包括空腔，在该空腔中铸铁可以流动以便实现与密封件的更紧密的连接。然而，该空腔也可以省略。

优选地，至少第二铝芯布置在阳极体内部的第二盲孔中。由此，可以进一步降低电压降。布置在阳极体中的更多铝芯可更好地降低电压降。此外，可以以改进的方式优化电流密度的分布。

在短线孔附近的生阳极体中最多形成18个圆锥形孔。作为形成的圆锥形孔的替代，在阳极烘烤后最多可加工18个圆柱形孔。然而，在阳极体中可以形成超过18个盲孔。盲孔的数量取决于阳极体的尺寸和短线孔的数量。

圆锥形或圆柱形孔的数量取决于阳极的尺寸和短线孔的数量。

圆锥形或圆柱形盲孔具有不同的深度最大达650mm，不同的直径最大达100mm。盲孔的尺寸取决于阳极体的尺寸。通过调整盲孔的直径，可以优化阳极电流分布。然而，盲孔可以具有更大的深度和/或更大的直径。

优选地，第二盲孔通过第二凹口连接到第一短线孔。在变体中，第二盲孔可以通过第二凹口连接到第一盲孔。

优选地，第一盲孔比第二盲孔长。在变体中，盲孔可以具有相同的长度。优选地，第一盲孔是具有相同的长度和/或相同的到阳极底部的距离的第一组盲孔的一部分。优选地，第二盲孔是具有相同的长度和/或相同的到阳极底部的距离的第二组盲孔的一部分。

优选地，第一盲孔的直径小于第二盲孔的直径。当第一盲孔的尖端在电解过程中到达熔化时，第一盲孔中的铝将会倒出。由于剩余的长度较短的第二盲孔具有较大的直径，因此可以补偿第一盲孔的铝芯的损失。然而，直径也可以不同地选择。

优选地，以下参数中的至少一个是平衡的，以在用于铝电解过程时实现优化的电流密度分布：

-铝芯的直径；

-铝芯的长度；

-铝芯在阳极中的布置。

优选地，阳极可包括至少第二短线孔。特别是，阳极可包括布置成一排或多排等的几个短线。在变体中，阳极可仅包括一个短线孔。优选地，每个短线电连接到至少一个铝芯。在变体中，一个或多个短线不电连接到铝芯。优选地，每个铝芯准确电连接到一个短线。然而，铝芯也可以电连接到一个以上的短线。

优选地，最长的铝芯的长度在阳极体的高度的60％至95％之间，特别是在70％至80％之间。在变体中，最长的铝芯的长度可以大于阳极体的高度的95％或小于阳极体的高度的60％。

优选地，最短的铝芯的长度在阳极体的高度的30％至60％之间，特别是在40％至50％之间。在变体中，最短的铝芯的长度可以大于阳极体的高度的60％或小于阳极体的高度的30％。

在一种用于制造阳极的方法中，所述阳极包括具有短线孔的阳极体，所述短线孔用于插入用于与电压源连接的短线，铝芯布置在所述阳极体内部用于与所述电压源连接。

优选地，在阳极体中设置盲孔之后，将铝芯布置在盲孔中。

优选地，盲孔和短线孔通过成型压力机一步构建。作为另一种选择，盲孔通过钻孔工艺来构建。

优选地，盲孔填充有熔融铝，优选填充有与使用阳极的冶炼厂生产的铝具有相同质量的熔融铝。作为另一种选择，也可以使用不同质量的铝。优选地，盲孔填充有具有高纯度的熔融铝，更优选纯度大于99重量％的熔融铝。在变体中，盲孔填充有铝条，优选填充有具有高纯度的铝条，更优选纯度大于99重量％的铝条。此外，盲孔可以由铝颗粒填充并加热至熔点。作为另一种选择，铝的纯度可以小于99重量％。

在通过铝电解生产铝的方法中，将阳极的铝芯电连接到电压源。

在包括阳极和短线的布置中，将短线插入阳极体的短线孔中，并且短线与铝芯电接触。

其他有利的实施方式和特征的组合从下面的详细描述和整个权利要求中得出。

附图说明

用于解释实施方式的附图显示：

图1a是阳极的实例的俯视图；

图1b是沿线a-a的图1a的截面图；和

图1c是沿线b-b的图1a的截面图。

在附图中，相同的部件被赋予相同的附图标记。

优选实施方式

图1a示出了阳极1的实例的俯视图。阳极1是盒形的。阳极1的高度为650mm，长度为1625mm，宽度为780mm。它包括直径为190mm的成排的三个短线孔20、21、22。短线(未显示)的直径为160mm。短线和短线孔之间的间隙填充有液态铸铁。

此外，通过凹口连接，每个短线孔20、21，22连接到盲孔。短线孔20连接到三个盲孔30，短线孔21连接到四个盲孔31，短线孔22连接到三个盲孔32。

每个盲孔30、31、32包括在阳极1的顶部扩大的直径。在第一步中，盲孔30、31、32填充有铝，特别是液态铝或固态铝条。然后，将短线布置在短线孔20、21、22中。然后用液态铸铁填充短线和短线孔20、21、22之间的间隙。铁通过凹口流入直径扩大的盲孔30、31、32的区域中。由此在短线和铝芯之间建立了电连接。此外，盲孔30、31、32是密封的。

图1b示出了沿线a-a的图1a的截面图。可以看出，盲孔30.1和30.2的长度是不同的。盲孔30.1到阳极1底部的距离为l1，而盲孔30.2到阳极1底部的距离为l2。在阳极1的消耗过程中，将到达盲孔30.1的底部，由此铝芯(未显示)将从孔30.1中流出。现在，电流将流至短线孔30.2中的第二铝芯。在该阶段，第二短线孔30.2到电极底部的距离将是l2-l1。而且，盲孔31的长度和盲孔32的长度是不同的。在电解过程中，电流将大部分流向最长的铝芯，因为其电阻最低。阳极1的高度正在降低。首先，到达最长的盲孔的尖端，由此铝将从盲孔中倒出。由于盲孔的顶部是密封的，因此可以避免烟囱效应。之后，其他铝芯将到达并倒出。最后，电流将通过短线流过阳极1的剩余部分。

图1c示出了沿线b-b的图1a的截面图。可以看出，与短线孔21相关的盲孔31具有三个不同的长度。它们的长度分别为500mm、400mm和300mm。

为了在电解过程中实现优化的电流分布，可以优化短线孔的数量和位置、盲孔和铝芯的数量和位置以及短线孔和盲孔的尺寸。

然而，在其他实施方式中，阳极1可以具有本领域技术人员已知的其他形状。盲孔可以具有不同的直径。盲孔的长度可以变化。每个短线孔的盲孔数量可以变化。而且，阳极1中的短线孔的数量可以变化。

总之，要指出的是，建立了一种通过电解过程生产铝的阳极，由此至少在阳极寿命的早期阶段，可以降低电压降。此外，通过调节盲孔的直径和长度，可以影响电流分布。