专利名称：组合的阴极集流杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及了用于Hall-Heroult铝还原槽的阴极组件。这种阴极组件包括一个阴极块，一个集流杆配合在阴极块中。尤其是，本发明涉及了具有多件集流杆的阴极组件。
一般在已确立的Hall-Heroult设计的电解槽中通过一个熔化过程来生产铝。称为熔槽和如
图1所示的常规Hall-Heroult电解槽包括一个槽C，它确定了一个容纳碳质阳极A的空腔H。阳极A悬挂在包含氧化铝和其他材料的电解液池B中。通过阳极杆组件R把电流供应到阴极A，提供电子源把氧化铝还原成铝，铝堆积成熔化的铝垫层P。熔化铝垫层P形成一个液态金属阴极。一个阴极组件CA，如在从它下侧看的图2中详细表示，定位在空腔H底部并且成为槽C的阴极部分。阴极组件CA包括一个碳质阴极块CB，它具有支持熔化铝垫层P的上表面和确定了在阴极块CB两端之间延伸的凹槽S的下表面。通常由热轧或铸造低碳钢形成的一个集流杆BA容纳在凹槽S内，并且用一层如铸铁、碳质胶、捣实碳质膏之类的导电材料CM，固定在凹槽S中。导电材料层CM沿着凹槽S的整个长度设在集流杆BA和阴极块CB之间。集流杆BA比阴极块CB长，伸出在空腔H之外。集流杆BA的露出端通过一条母线(图中未示)以常规方式与电源连接来接通电路。阴极组件CA可以包括一对对着的集流杆BA，如图2所示，它们被填充集流杆BA之间间隙的填充材料F隔开。填充材料F可以是可挤压材料或者通常称为接缝混合物或捣实膏的一片碳膏或碳质膏(无烟煤或石墨以及无烟煤和沥青结合剂的未焙烧混合物)，或者它们的组合。
这些电解槽通常在高温(约940到980℃)下工作，如果与电解液的腐蚀性质结合，将造成一个严酷的环境。集流杆一般由热轧或铸造低碳钢形成。低碳钢与铝相比具有较差的导电率，但具有高熔点和较低成本。阴极块历来由无烟煤和沥青结合剂的混合物形成，具有较高的电阻率、高的钠胀性、低的抗热冲击性和高的耐磨性。因为铝制造者追求增加生产率，已经增加了这种电解槽的工作电流强度；因而增加了在熔化过程中降低功率损失的需求。在降低电阻率的努力中，已经用石墨替代了阴极块中某些无烟煤，但伴随着损失了耐磨性，增加了磨蚀率和提高了成本。另外，高石墨含量的阴极块和承受石墨化过程的阴极块沿着阴极块长度方向受到不均匀的阴极电流分布，以及高的局部磨蚀率。
通过一个物体的电流自然流入最小电阻的路径。在Hall-Heroult槽的情形中，可以认为是通过阴极块CB的外面三分之一。在图1中的线D描绘了通过阴极块CB电流的不均匀分布，以及通过阴极块CB外面三分之一的电流高度集中。阴极CB中电流高度集中造成了该部分阴极块CB中局部磨蚀率增加。
因此，需要一个装置和方法来改进Hall-Heroult电解槽的阴极块中的电流分布，它容许高石墨含量和石墨化的阴极块以改进的熔槽预期寿命在高电流强度下工作。
本发明的阴极组件满足了这个需求，它被设计用于生产铝的Hall-Heroult电解槽。槽包括一个确定了一个空腔的外壳、一个容纳在空腔中的阳极，以及位于外壳之外并与阴极组件连接的一条母线。
本发明的阴极组件包括一个在空腔中位于阳极之下的阴极块，阴极块确定了至少两个第一凹槽和至少一个第二凹槽。第一和第二凹槽从阴极块外端延伸到阴极块的内部。一个主集流杆容纳在每个第一凹槽中，并且具有与阴极块电连接的主对接面。一个次集流杆容纳在第二凹槽中，并且具有与阴极块电连接的次对接面。两个主对接面组合的尺寸大于(具有较大表面积)次对接面。最好是，每个主对接面大于次对接面。更好是，主集流杆的截面积大于次集流杆的截面积，并且每个主集流杆的宽度大于其高度。主对接面包括一个与阴极块电连接的主集流杆外表面的一个连接部分，而主集流杆外表面的一个不连接部分与阴极块不作电连接。次对接面包括一个次集流杆的外表面，它基本上沿着容纳在第二凹槽中的次集流杆部分的全长延伸。此时，电流可以从阴极块通到整个次集流杆，但电流只可以从阴极块通到在阴极块内部的主集流杆上。
沿着靠近阴极块内部的主集流杆外表面和沿着容纳在第二凹槽中次集流杆的基本上整个外表面包括了一层导电材料，最好地达到了这种设置。导电材料可以是铸铁、碳质胶或捣实碳质膏之类。最好是，主集流杆外表面的连接部分在阴极块内部和一个与阴极块外端相隔开的位置之间延伸。更好是，连接部分沿着第一凹槽的约三分之二长度延伸。
本发明的阴极组件特别有用于在一个槽中生产铝，槽具有一个空腔，包含一个电解池和一个悬挂在池中的阳极，其中通过阴极组件的电流分布是均匀的。按照本发明生产铝的方法包括如下步骤(a)在空腔中阳极之下提供一个阴极组件，阴极组件具有(1)一个阴极块，确定了至少两个第一凹槽和至少一个第二凹槽，第一和第二凹槽从阴极块一个外端延伸到阴极块的内部，(2)至少两个主集流杆，每个主集流杆容纳在一个第一凹槽中，并且具有与阴极块电连接的主对接面，以及(3)至少一个次集流杆，容纳在第二凹槽中并且具有与阴极块电连接的次对接面，其中主对接面的组合大于次对接面；以及(b)把来自阳极的电流通到阴极组件，由此相对于通到次集流杆的电流量，控制了通到主集流杆的电流量。
把来自阳极的电流通到靠近阴极块内部的主集流杆外表面的仅有连接部分，以及通到次集流杆的基本上所有外表面，可以达到均匀的电流分布。这个方法还包括如下步骤把次集流杆的基本上所有外表面电连接到阴极块，以及把主集流杆外表面的连接部分电连接到阴极块。此时，防止电流从阴极块通到靠近阴极块外端的主集流杆外表面。
根据以下结合附图的描述，可以得到对本发明的全面理解，其中相同的编号表示相同的部分。
图1是先前技术的铝电解还原槽一部分的剖视图，采用具有集流杆的常规阴极块；
图2是图1所示阴极块和集流杆下侧的平面视图；图3是按照本发明的阴极组件下侧透视图，具有一个阴极块和多件集流杆；图4是图3所示阴极组件的平面视图；图5是图3所示阴极块的透视图；图6是取自线6-6的图4所示阴极组件的剖视图；图7是取自线7-7的图4所示阴极组件的剖视图；图8是按照本发明阴极组件的第二实施例的透视图；图9是按照本发明阴极组件的第三实施例的透视图；图10是按照本发明阴极组件的第四实施例的透视图；图11是取自线11-11的图10所示阴极组件的剖视图；图12是取自线12-12的图11所示阴极组件的剖视图；以及图13是取自线13-13的图11所示阴极组件的剖视图。
为了以下的描述，名词“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“冰平”、“顶”、“底”及其派生词是指本发明在附图中的方位。但是，可以理解到，本发明可以设想各种可替代的变化和步骤的顺序，除非特意作相反规定。也可以理解到，在附图中表明的，以及在以下说明书中描述的具体装置和过程仅是本发明实施举例。因此，与这里公布的实施例有关的具体尺寸和其他物理特征不作为限制。
如图3所示，本发明的阴极组件2设想用于生产铝的Hall-Heroult电解槽，包括一个阴极块4和一个多件集流杆组件6。为了描述方便，图3-7表示了从阴极组件2的下侧看的本发明阴极组件及其各部分。
在图5所示的实施例中，阴极块4确定了至少两个在阴极块4两个外端之间延伸的第一凹槽8和至少一个，最好是两个第二凹槽10，它在阴极块4的一个外端和阴极块4的内部之间延伸。如图3和4所示，一个主集流杆12容纳在每个第一凹槽8中，一个次集流杆14容纳在每个第二凹槽10中。每个多件集流杆组件6包括两个主集流杆12和一个次集流杆14。主、次集流杆12和14伸出阴极块4之外，每个具有一个与公共件16连接的露出端，公共件16再以常规方式与一条母线连接。在使用中，主、次集流杆12和14的露出端以及公共件16均位于电解槽的空腔之外，以常规方式通过一条母线(图中未示)连接到电源。
每个主集流杆12具有一个电连接到阴极块4的主对接面，次集流杆14具有一个电连接到阴极块4的次对接面。可用以下描述的各种机理达到电连接。各主对接面组合一起的尺寸大于次对接面。此时，在所有主集流杆12和阴极块4之间达到的电接触表面积大于在次集流杆14和阴极块4之间达到的表面积。
达到组合主对接面和次对接面的这种尺寸关系的一个优选方式如图4，6和7所示，其中主集流杆12大于次集流杆14。由此意味着主集流杆12的截面积和/或长度大于次集流杆14。更好地，每个主集流杆12具有的截面积至少与次集流杆14的截面积一样大，容纳在凹槽8中的主集流杆12部分比容纳在凹槽10中的次集流杆14部分长。
主、次集流杆12和14的截面积小于相应的第一、第二凹槽8和10的截面积。为了把主、次集流杆12和14固定在第一、第二凹槽8和10内，一层导电材料18位于每个主集流杆12和阴极块4之间，以及次集流杆14和阴极块4之间。在该实施例中，层18构成了主集流杆12和阴极块4之间电连接的主对接面以及次集流杆14和阴极块4之间的次对接面。导电层18最好由铸铁、碳质胶或捣实碳质膏形成，并且把阴极块4电连接到主、次集流杆12和14。但是，只有主集流杆12的连接部分20通过导电层18固定到阴极块4，并与之电连接。
如图3所示，连接部分20最好延伸在靠近阴极块4中心的主集流杆12一端和一个编号为22的位置(在阴极块4中心和阴极块4一端之间)之间。选择位置22来使电流沿阴极块4长度均匀化。当连接部分20延伸到主集流杆12长度的一半左右时，位置22在从阴极块4中心沿第一凹槽8约三分之二距离上。参照图4，与阴极块4电断开的主集流杆12的非电连接部分24通过在非电连接部分24和阴极块4之间的一层绝缘材料26与阴极块4绝缘。绝缘材料可以是耐火泥浆或纤维绝缘毡，或者其他合适的不导电材料。最好是，沿着垂直于阴极块4纵轴的方向，电连接部分20的一端对准次集流杆14的一端。次集流杆14基本上完全与导电材料层18固定；虽然紧靠阴极块4一端的次集流杆14部分可以通过导电材料不固定到阴极块4。
可以相信，如果从阴极块4到多件集流杆6的电连接在阴极块4两端为最小，则将迫使电流比常规阴极组件更均匀地沿阴极块4长度方向散布。由于选择主集流杆12和阴极块4之间的主对接面组合大于在次集流杆14和阴极块4之间的次对接面，本发明达到了这个目的。更多的电流将自然地流到比次对接面大的组合主对接面。由于防止电流通过阴极块4的外端到主集流杆12，但容许电流通过阴极块4外端到次集流杆14，尽量减小了通过阴极块4外端的电流量。因此，选择容纳在第一、第二凹槽8和10的主、次集流杆12和14的每一个截面积和长度，以及主、次对接面的相对尺寸来提供通过阴极组件2的均匀电流分布。由于采用比主集流杆12截面积小的次集流杆14截面积，尽管存在次集流杆14，阴极组件2端部的电流负载可以最小。此时，不是所有的电流均不通过阴极块4的外端。在阴极组件2外端上，容许一个受控的电流量通过次集流杆14流经阴极块4，以便均匀了沿阴极块4长度上的电流分布。
在本发明的一个实施例中，最好如图6和7所示，主集流杆12的宽度比高度大。在该实施例中，本发明的主集流杆12约150mm宽和约120mm高，次集流杆14约80mm宽和约120mm高。尽量小的主、次集流杆12和14的高度容许在集流杆12和14之上的阴极块4的可用部分变厚(变高)，相应延长了阴极块4的磨耗寿命。这些尺寸仅是举例；本发明包含了阴极组件2的其他尺寸。例如，已经发现，较宽的主集流杆(如上所述)需要阴极块4具有环绕凹槽8和10的较薄部分，特别是在阴极块4的外纵向边。这些薄边可能易于开裂，因而在某些环境下主、次集流杆12和14的其他尺寸可能更适合。
图3和4所示实施例包括本发明的一个阴极块4，确定了两个平行隔开的第一凹槽8和一个位于第一凹槽8之间在阴极块4每一端的第二凹槽10。这种设置容许采用一个对着的成对多件集流杆组件6。每个凹槽8容纳一对主集流杆12。在单个第一凹槽8中的两个主集流杆12通过常规的填充材料30保持隔开，如上所述。这并不意味着有限制，因为本发明的阴极组件包括其他设置。
例如，在图8所示的本发明第二实施例中，一个阴极组件102包括了沿着阴极块4全长上延伸的主集流杆112。或者是，可以采用同样沿着阴极块全长延伸的单个次集流杆(图中未示)。
在图9所示的第三实施例中，一个阴极组件202包括一个由块204a、204b形成的分开的阴极块，在阴极块之间有一层接缝混合物或捣实膏230。分开阴极块204a、204b的每一个容纳一对主集流杆12和一个次集流杆14。填充材料30位于两个主集流杆12端部之间以及层230和每个阴极块204a、204b中的主集流杆12之间。另外，在上述的每个实施例中，把集流杆连接到阴极块的导电材料也可以沿着凹槽长度位于隔开的位置上。
上述每个实施例利用了位于阴极块和主、次集流杆之间的某类导电材料。在本发明的第四实施例中，也可以避免在阴极块凹槽中采用导电材料，把主集流杆的连接部分和基本上所有次集流杆配合在凹槽内。该第四实施例的阴极组件302表示在图10-13中。阴极组件302包括一个阴极块304，凹槽被确定在其中成为孔308、310。最好是，每个孔308、310具有圆截面。主集流杆312容纳在每个孔308内，次集流杆314容纳在每个孔310中。主、次集流杆312和314最好也为圆截面。相似于前三个实施例，每个主集流杆312包括一个连接部分322和一个不连接部分324。使连接部分322的尺寸配合在孔308内，由此把连接部分电连接到阴极块304。在使用时加热阴极组件302，主集流杆312膨胀，保证沿着连接部分322与阴极块304电接触。孔308包括一个放大的直径部分，造成了间隙326。间隙326的尺寸使得在不连接部分324和阴极块304之间没有电接触。基本上所有次集流杆314配合在孔310内，同样在使用时膨胀，保证与阴极块304电连接。对于本发明的其他实施例，采用不同几何形状的孔和集流杆，以及采用如上述的分开阴极块或全长主集流杆，也可以修改阴极组件302。
对于熟悉该技术的人员易于理解到，对本发明可以作出修改而不偏离以上描述中公布的概念。这种修改应该认为包括在以下权利要求中，除非权利要求用其语言特意地另作说明。因此，这里详细描述的特定实施例仅为示例性，并不限制本发明的范围，本发明范围给出所附权利要求及其任何和所有相当内容的整个广度。
权利要求
1.在一个生产铝的电解槽中，槽包括一个确定了空腔的外壳和一个容纳在空腔中的阳极，改进包括一个在空腔中位于阳极之下的阴极块，阴极块确定了至少两个第一凹槽和至少一个第二凹槽；至少两个主集流杆，每个主集流杆容纳在一个上述第一凹槽中，并且具有与上述阴极块电连接的主对接面；以及至少一个次集流杆，容纳在上述第二凹槽中并且具有与上述阴极块电连接的次对接面，其中上述至少两个主对接面的组合大于上述次对接面。
2.权利要求1中申请的电解槽，其中上述主对接面包括上述主集流杆外表面的一个连接部分，上述连接部分与上述阴极块电连接，使得在电解槽工作时电流可以从上述阴极块通到上述连接部分，以及其中上述主集流杆外表面的一个不连接部分与上述阴极块电断开。
3.权利要求2中申请的电解槽，其中上述主集流杆外表面的上述连接部分靠近上述阴极块的一个内部，上述主集流杆外表面的上述不连接部分靠近上述阴极块的一个外端。
4.权利要求2中申请的电解槽，其中上述次对接面包括上述次集流杆的外表面，基本上沿着上述第二凹槽延伸，并且电连接到上述阴极块。
5.权利要求4中申请的电解槽，还包括一层位于上述主集流杆外表面的上述连接部分上的导电材料，以及一层位于上述第二集流杆外表面上的导电材料。
6.权利要求5中申请的电解槽，还包括一个设在上述每个第一凹槽中的不导电填充材料，沿着上述主集流杆外表面的不连接部分。
7.权利要求2中申请的电解槽，其中上述连接部分沿着上述第一凹槽的约三分之二长度延伸。
8.权利要求1中申请的电解槽，其中上述第二集流杆位于上述主集流杆之间。
9.一个为用于生产铝的Hall-Heroult电解槽而构成的阴极组件，上述组件包括一个确定了至少两个第一凹槽和至少一个第二凹槽的阴极块；至少两个主集流杆，每个主集流杆容纳在一个上述一个第一凹槽中，并且具有与上述阴极块电连接的主对接面；以及至少一个次集流杆，容纳在上述第二凹槽中并且具有与上述阴极块电连接的次对接面，其中上述至少两个主对接面的组合大于上述次对接面。
10.权利要求9中申请的阴极组件，其中上述第一和第二凹槽确定在上述阴极块的一个下表面中。
11.权利要求9中申请的阴极组件，其中上述第一和第二凹槽每个包括一个确定在上述阴极块中的孔。
12.权利要求9中申请的阴极组件，其中上述主集流杆每个截面积至少与上述次集流杆截面积一样大。
13.权利要求9中申请的阴极组件，其中上述主对接面包括一个与上述阴极块电连接的上述主集流杆外表面的连接部分，另外其中上述主集流杆外表面的不连接部分与上述阴极块电断开，从而当电流作用于上述阴极块时，电流从上述阴极块通到上述连接部分。
14.权利要求13中申请的阴极组件，其中上述主集流杆外表面的上述连接部分靠近上述阴极块的一个内部，上述主集流杆外表面的上述不连接部分靠近上述阴极块的一个外端。
15.权利要求14中申请的阴极组件，其中上述次对接面包括上述次集流杆的外表面，它基本上沿着上述的第二凹槽的长度，并且电连接到上述阴极块，使得当电流作用于上述阴极块时，电流从上述阴极块通到上述次集流杆。
16.权利要求15中申请的阴极组件，还包括一层位于上述主集流杆外表面的上述连接部分上的导电材料，以及一层位于上述次集流杆外表面上的导电材料。
17.权利要求16中申请的阴极组件，还包括一个不导电充填材料，沿着上述主集流杆外表面的不连接部分，设在上述每个第一凹槽中。
18.权利要求17中申请的阴极组件，其中上述连接部分延伸约上述第一凹槽长度的三分之二。
19.权利要求9中申请的阴极组件，其中上述第二集流杆位于上述主集流杆之间。
20.权利要求9中申请的阴极组件，其中每个上述主集流杆宽度大于高度。
21.在一个电解槽中生产铝的方法，槽具有一个空腔，包括一个电解池和一个在池中悬挂的阳极，上述方法包括在空腔中阳极之下提供一个阴极组件，阴极组件具有(1)一个具有一个外端的阴极块，阴极块确定了至少两个第一凹槽和至少一个第二凹槽；(2)至少两个主集流杆，每个主集流杆容纳在一个第一凹槽中，并且具有与阴极块电连接的主对接面，以及(3)至少一个次集流杆，容纳在第二凹槽中并且具有与阴极块电连接的次对接面，其中至少两个主对接面的组合大于次对接面；以及把来自阳极的电流通到阴极组件，由此相对于通到次集流杆的电流量，控制通到主集流杆的电流量。
22.权利要求21中申请的方法，其中把来自阳极的电流通到阴极组件的上述步骤还包括把来自阳极的电流通到靠近阴极块内部的主集流杆外表面的仅有连接部分，以及次集流杆的基本上所有外表面。
23.权利要求22中申请的方法，还包括把次集流杆的基本上所有外表面电连接到阴极块；以及把主集流杆外表面的连接部分电连接到阴极块，从而防止电流从阴极块通到靠近阴极块外端的主集流杆外表面。
全文摘要
一个用于Hall－Heroult电解槽的阴极组件(2)，组件包括一个阴极块(4)，阴极块容纳了两个主阴极集流杆(12)和一个设在主集流杆之间的次阴极集流杆(14)。主集流杆(12)每个具有一个与阴极块(4)的电对接面，尺寸等于或大于次集流杆(14)和阴极块(4)之间的电对接面。主集流杆(12)仅沿着阴极块的一个内部电连接到阴极块，以及次集流杆(14)完全连接到阴极块。由于尽量减少通过阴极块两端的电流量，这种设置改进了通过阴极组件的电流分布。
文档编号C25C3/00GK1545571SQ01823613
公开日2004年11月10日 申请日期2001年8月9日 优先权日2001年8月9日
发明者克洛德·戈捷, 克洛德·弗拉代, 马克·普普伊斯, 达尼埃尔·里夏尔, 弗拉代, 克洛德 戈捷, 尔 里夏尔, 普普伊斯 申请人:阿尔科公司