专利名称：铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的制作方法
技术领域：
铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块主要应用于铝电解槽的阴极内衬的砌 筑，其主要功能是传导铝电解槽熔池内的铝液阴极电流。
背景技术：
现通用的铝电解槽阴极导电结构由阴极碳块、阴极钢棒和捣固糊构造而成，为了 调整电流的水平分布，使阴极碳块的上表面的大直流电流密度分布均勻，其方法是将阴极 碳块底部沿长度方向开槽，用捣固糊将导电性能较好的金属材料阴极钢棒捣固构造在阴极 底部的Π槽内。这种阴极导电结构方式存在以下缺点一是阴极碳块导体虽然用单一的石墨或单一的碳素材料为主体，这种石墨或碳素 导电材料相对于金属材料阴极钢棒而言，虽然电阻值偏高，但具有抗电解质腐蚀和耐高温 等特点。阴极碳块钢棒组的这种构造结合方式，虽然能够调整阴极碳块上表面的电流分布 的密度，使之相对均勻，但是，由于作为主体材料的石墨或碳素材料的碳素系列阴极碳块与 阴极钢棒二者之间，材质的热膨胀系数差异和热传导性能的差异较大，产生的热应力不均 勻，其阴极导电结构的设计功能偏重于热应力平衡设计，阴极碳块考量热应力平衡和温度 变化因素过多，造成阴极导电体的构造成本加大。二是阴极碳块底部的阴极钢棒在高温状态环境下工作，不仅其导电性能下降，电 阻率升高，而且易溶化烧损腐蚀，造成事故发生。三是阴极碳块和阴极钢棒之间采用碳素捣固糊进行连接，铁碳之间的连接电阻值 较高，导电率低，造成阴极碳块钢棒组应用与电解生产后，电压降较高，整体阴极电流平均 密度较低，致使电解槽的电流效率下降。
发明内容
为了克服现通用的铝电解槽阴极导电体阴极钢棒组的导电效率低、电阻值大、阴 极钢棒易烧损和构造成本高等缺点，本发明特提供了一种新型的铝电解槽专用石墨碳素复 合结构阴极碳块设计构造方案。在石墨电极的构造在侧部炉墙的一端端部设置有金属导电连接件，用石墨电极作 为阴极碳块沿长度方向的导电材料部件，构造在阴极导电体的底部或内部，其断面由金属 连接导电端向电解槽内的另一端等斜率逐步增大，用于传导阴极碳块沿长度方向的直流水 平电流；用相对电阻值较高的碳素材料作为阴极碳块的电压调整碳素层，构造在石墨电极 部件的上部表面或外部表面，其断面由金属连接导电端向电解槽内的另一端等斜率逐步减 小，利用石墨电极部件和电压调整碳素层材料之间的电阻值的差异，调整阴极碳块沿长度 方向的直流垂直电流的电压降等值和电流密度的均布，使铝电解槽阴极碳块的上表面或外 表面即导电工作面沿长度方向与金属导电连接件之间的电压降等值，构造出垂直电流分布 密度均勻的铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的断面可以构造成矩形、凹凸台形、圆形、梯形。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的石墨电极沿长度方向其上部表面或 外部表面可以构造成带有着斜率变化的梯形或锥形的断面形状，而电压调整碳素层与石墨 电极的接触面也随着变化构造在一起。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的石墨电极沿长度方向的断面面积相 等，其构造在石墨导体上部或外表面的电压调整碳素层的同一断面面积沿长度方向变化。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的石墨电极沿长度方向的外表面积发 生变化，构造在石墨电极上部或外表面的电压调整碳素层的外表面积沿长度方向不变。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的石墨电极上部或外表面部的电压调 整碳素层用定型碳素材料构造制成，二者之间用粘接糊料进行粘接连接，或用捣固糊进行 捣固连接。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的电压调整碳素层用不定型碳素材料 或TiB2/C材料制成，与石墨电极二者之间用模压捣固和热焙烧的方法构造在一起。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的石墨电极端部或端角部连接构造有 导电金属连接件，用于和铝电解槽母线相连接。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块 取消了原阴极碳块钢棒组阴极碳块下底部沿阴极碳块长度方向的钢棒槽以及槽内的阴极 钢棒的设置，在石墨电极的端部或端角部设置有金属导电连接件，在石墨电极部件的上部 和外表面部，构造上用碳素、石墨质材料、TiB2/C材料作为主体材料的电压调整碳素层，结 合铝电解槽的工况使用条件，和欧姆定律，对两种不同电阻值的部件进行功能优化组合设 计，构造出应用于铝电解槽阴极导电结构的专用石墨碳素复合结构阴极碳块。具有导电效 率高，电组值低，抗电解质腐蚀，热应力小，减少热损失，有利热平衡、综合造价低等特点，为 电解槽节能设计奠定了技术和经济基础。
本发明铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块，结合实施例和
则更能 表达和明了本发明的技术含义及特征。图1为铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块实施例1的立面剖视图。图2为图1的断面图。图3为铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块实施例2的立面剖视图。图4为图3的断面图。图5为铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块实施例3的立面剖视图。图6为图5的断面图。图7为铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块实施例4的立面剖视图。图8为图4的断面图。图9为铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块实施例电流分布示意图。其图中所示1.石墨电极、2.电阻调整碳素层、3.粘结糊料4.金属导电连接件、 5.垂直电流分布、6.水平电流。
具体实施例方式为了克服现通用的铝电解槽阴极导电体阴极钢棒组的导电效率低、电阻值大、阴 极钢棒易烧损和构造成本高等缺点，本发明特提供了一种新型的铝电解槽专用石墨碳素复 合结构阴极碳块设计构造方案。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块，是利用现通用的铁合金电炉石墨化程 度高的石墨电极材料，和现通用的铝电解槽阴极碳块碳素石墨质材料性能基本相同的，但 电阻率差异较大的特点，根据铝电解槽熔池电解的工艺状况，和欧姆定理对导电体材料电 阻率、温度、导体长度、导电断面变化因素条件和制备工艺的可行性，设计构造的一种新型 的铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块。实施例1 用石墨电极(1)作为阴极碳块沿长度方向的导电材料部件，造在阴极导 电体的底部，用于传导阴极碳块延长度方向的水平电流，石墨电极的上部表面采用等斜率 设计，由直流电进电端向出电端向下倾斜；石墨电极的上部用电阻率P2高于石墨电极电阻 率P1的碳素、石墨质或碳-硼化钛材料制成的电压调整碳素层(2)，采用耐高温粘结导电 胶(3)构造在石墨电极(1)上部，电阻碳素层的上部表面为水平构造，根据欧姆定律的材料 电阻率和导体长度的反比关系，确定阴极碳块的构造尺寸、制造出使阴极碳块从上表面进 电到阴极碳块下底端部金属导电连接件(4)电压降V等值，垂直电流分布均均勻的铝电解 槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块。(如图1、图2所示)。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的断面和石墨电极的断面可以构造成 矩形、圆形、梯形、和带圆角的矩形及凹凸台型。实施例2 (如图3、图4所示)在实施例1的基础上，铝电解槽专用石墨碳素复合 结构阴极碳块石墨电极(1)的基本形状不变，电压调整碳素层(2)采用石墨碳-硼化钛混 合料捣固构造在石墨电极(1)的上部，用于提高阴极碳块上部电压调整碳素层(2)的抗冲 击和抗钠侵蚀性能，其侧面和底部则用普通高电阻值的碳素捣固糊捣固层，以提高阴极碳 块的上部导电性能。实施例3 :(如图5、图6所示)铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的石墨电 极(1)的构造是圆锥台体，其断面沿阴极碳块的长度发生等斜率变化，其导电断面由端部 向内逐步增大。构造在石墨电极(1)外部的电压调整碳素层(2)的外径尺寸不变，根据欧 姆定律的材料电阻率P、导电断面S和导体长度L的比例关系，确定阴极碳块的构造尺寸、 制造出从阴极碳块外表面进电到阴极碳块端部金属导电连接件电压降V等值，园周垂直电 流A分布均均勻的铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块。实施例4 (如图7、图8所示)铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的石墨 电极(1)的构造是圆柱型体，构造在石墨电极(1)外部的电压调整碳素层(2)的外表面形 状是圆锥形体，其断面大小的变化按一定斜率由端部向另一端变化缩小，根据欧姆定律的 材料电阻率P、导电断面S和导体长度L的比例关系，确定阴极碳块的构造尺寸、制造出从 阴极碳块外表面进电到阴极碳块端部金属导电连接件电压降V等值，园周垂直电流A分布 均均勻的铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块。实施例5 :(如图9所示)构造好铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块，用 与铝电解槽后，阴极碳块的上表面为阴极导电的工作面于铝液和电解质进行接触并传导电 流，其各点到阴极接线端点金属导电连接件(4)电压降V必须等值，才能保证电解阴极直流电垂直电流(5)分布均均勻。为保证质量，构造好铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳 块应用大电流设备进行电压降检测。为了增加石墨电极(1)和电压调整碳素层的接触面积，增加二者之间的结合强 度，减少铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块自身的电阻耗电，可在石墨电极上加工 构造上凹凸台槽和坑孔洞。采用捣固料连接成型后，铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极 碳块可在焙烧炉内进行焙烧，也可砌筑在电解槽内进行焙烧。铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块的构造工艺过程可与电极槽阴极的砌 筑一起在电解槽内构造完成。
权利要求
铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块，由电阻率低的石墨化程度高的石墨电极材料部件，和电阻率相对较高的碳素材料、TiB2/C材料部件以及粘结料复合构造而成其技术特征是在石墨电极(1)构造在侧部炉墙的一端端部设置有金属导电连接件(4)，用石墨电极(1)作为阴极碳块沿长度方向的导电材料部件，构造在阴极导电体的底部或内部，其断面由金属连接导电件(4)端向电解槽内的另一端等斜率逐步增大，用于传导阴极碳块沿长度方向的直流水平电流；用相对电阻值较高的碳素材料作为阴极碳块的电压调整碳素层(2)，构造在石墨电极(1)部件的上部表面或外部表面，电压调整碳素层(2)的断面由金属连接导电件(4)端向电解槽内的另一端等斜率逐步减小，利用石墨电极部件(1)和电压调整碳素层(2)材料之间的电阻值的差异，调整阴极碳块沿长度方向的直流垂直电流的电压降等值和电流密度的均布，使铝电解槽阴极碳块的上表面或外表面即导电工作面沿长度方向与金属导电连接件(4)之间的电压降等值，构造出垂直电流分布密度均匀的铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块。
2.根据权利要求1所述，铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块其特征是阴极碳 块的断面和石墨电极(1)的断面构造成矩形、凹凸台形、圆形、梯形。
3 根据权利要求1所述，铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块其特征是石墨电 极(1)沿长度方向其上部表面或外部表面可构造成带有着斜率变化的梯形或锥形的断面 形状，而电压调整碳素层(2)与石墨电极(1)的接触面也随着变化构造在一起。
4.根据权利要求1所述，铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块其特征是石墨电 极(1)沿长度方向的断面面积相等，构造在石墨导体上(1)部或外表面的电压调整碳素层 (2)的同一断面面积沿长度方向变化。
5.根据权利要求1所述，铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块其特征是石墨电 极(1)沿长度方向的外表面积发生变化，构造在石墨电极(1)上部或外表面的电压调整碳 素层(2)的外表面积沿长度方向不变。
6.根据权利要求1所述，铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块其特征是石墨电 极(1)上部或外表面部的电压调整碳素层(2)用定型碳素材料构造制成，二者之间用粘接 糊料(3)进行粘接连接，或用捣固糊进行捣固连接。
7.根据权利要求1所述，铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块其特征是电压调 整碳素层(2)用不定型碳素材料或TiB2/C材料制成，与石墨电极二者之间用模压捣固和热 焙烧的方式构造在一起。
8.根据权利要求1所述，铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块其特征是石墨电 极(1)端部或端角部连接构造有导电金属连接件(4)，用于和铝电解槽母线相连接。
全文摘要
铝电解槽专用石墨碳素复合结构阴极碳块取消了原阴极碳块钢棒组阴极碳块下底部沿阴极碳块长度方向的钢棒槽以及槽内的阴极钢棒的设置，在石墨电极的端部或端角部设置有金属导电连接件，在石墨电极部件的上部和外表面部，构造上用碳素、石墨质材料、TiB2/C材料作为主体材料的电压调整碳素层，结合铝电解槽的工况使用条件，和欧姆定律，对两种不同电阻值的部件进行功能优化组合设计，构造出应用于铝电解槽阴极导电结构的专用石墨碳素复合结构阴极碳块。具有导电效率高，电组值低，抗电解质腐蚀，热应力小，减少热损失，有利热平衡、综合造价低等特点，为电解槽节能设计奠定了技术和经济基础。
文档编号C25C3/08GK101880894SQ200910136279
公开日2010年11月10日 申请日期2009年5月5日 优先权日2009年5月5日
发明者高伟, 高德金 申请人:高德金