专利名称:电解制铝槽中用的部分缩小尺寸的圆棒碳质阳极的制作方法
本发明涉及到在电解制铝的电解槽中采用部分缩小尺寸的园棒碳质阳极。
本发明的主要目的是为了减少阳极碳棒连接处的电阻压降，同时减少各电解槽的阳极系统中的热损耗和延长铝一钢连接的寿命。这种方法特别适用于装有予焙阳极的电解槽，当然它也能用于具有连续阳极的所谓“连续自焙阳极电解槽”。
铝主要是由电解熔化在冰晶石熔池中的矾土取得，承担这项工作的电解炉是由一个被置于钢容器中并被耐火隔热物保护的碳阴极，浸在碳阴极上面冰晶石熔池中的一个或多个碳阳极构成，该熔池逐渐被电解矾土中所产生的氧所氧化。
当有电流从顶端流到底部时，冰晶石即因焦耳效应而保持为液态，其温度接近凝固温度，电解槽的正常工作温度为930到980℃，所以生成的铝呈液态并因自重而积复在阴极上面，生成的铝或部分铝定期地用浇包吸出轻轻倒入铸造容器中，而消耗掉的阳极也定期地更换。
此种电解设备的工作强度当前为100，000到300，000A，故接通和分配电流的导体需由高电导率的工业用金属做成，也即一般用纯的或合金的铜和铝制成。
电解设备的碳质部分的温度接近于冰晶石熔池温度，连接在阳极和阴极间为传输导体电流的中间物体也必须采用耐高温的材料，通常用钢，包括有下述元件
(1)导体和钢间的一个连接元件，它可为一推力接触;用各种方法作了改进的接触，例如用导电润滑剂，磨擦接触，白铁皮，夹紧接触等;利用例如铜铁、铝铁或铝钛铁等双金属或三金属片滚压，冲击接，压接，磨擦接等形成。
(2)插入碳中的一个导电钢体，它可被设计成园棒、平板、方形、矩形或翼形截面等的形状。
(3)在钢体和阳极或阴极碳间的一个连接元件，这个元件可用铸铁、碳、碳质胶粒或干封物构成。
钢体和上述这些连接元件是处在从碳向铜或铝导体方面减少温度中，所以它们承受了相当大的热通量，这说明在电解过程中有很大的热损耗。
用常规的隔热方法很难降低这些热损耗。实际上，如果将钢体隔热，其温度将过度上升，且将引起导体和钢间的接触处产生单向劣化，甚至招致铝或铜导体的劣化，这些元件的劣化就会造成电路的中断以致部分或全部停止电解的危险。
为了减少这些热通量的传导，可考虑减小钢体的截面，在这种情况下，从事本技术领域：
的人将遇到三个障碍(1)由于减小了钢的截面积，钢中的电阻压降增大了，同时造成电解设备的输出功率有所降低。
(2)由于钢的截面积减小，钢的温度上升，也即与空气接触部分钢的对流和辐射热损耗上升。相对地讲所需要的热传导方面的增益削弱很大，更甚者在钢一铝或铜导体之间的连接发生劣化，也即高温脆化。
(3)由于钢的截面积减小，钢与碳之间连接的品质变低，而由于此处接触电阻上功率损耗的加大，进一步降低了减小钢截面所提供的好处。
其结果，此项工作一般地转变成在钢一铝或铜之间连接部分的劣化问题，而无多大的有效功率增益。
为了解决这项问题，靠法国专利FR2088263(Alusuisee)和FR1125949(DECHLNEY)中所述的解答是不够的。在这些阴极棒的案例中，因为阴极棒主体是浸在阴极床和侧衬里中，而对于各阳极园棒，除去密封在阳极中的和紧接在阳极之上的部分以外，几乎全长都是暴露在空气中，所以其热平衡条件是十分不同的。
工作于温度高达700℃多的钢一碳间的电气连接元件给电流通路中引进了很高的附加电阻，这些电阻包括有接触电阻和电流密度最大的密封处阳极碳的本身电阻。根据本发明的连接条件测出，这些电阻值占阳极总电阻的30到50%。为了降低这种接触电阻曾采用过许多方法，一种有效的方法便是通过增加阳极中连接钢导体的部件的数目或尺寸来增加接触面积以减少接触电阻，不过这也带来了不期望的后果，即如果这些钢导体的数目和尺寸增加，则穿过这些部件的传导热力线随截面的增加而比例地增加，所以电解槽的热平衡受到干扰，而且还需要补偿这部分功率，因此，从增加的热损耗高于从阳极连接部件的电阻中所获得的好处来全面衡量，这种方法是不利的。
本发明的目的在于减少电解铝槽中碳质阳极的连接部件上的接触电阻，而不增加穿过钢导体而透到碳质阳极上所造成的电解槽的热损耗。
具体地讲，本发明涉及到根据Hall-Heroult法进行熔融的电解制铝的电解槽中碳质阳极的设计问题。该阳极通过至少一个钢导体连接到正电流输入端，该钢导体包括有一个下部被插到碳阳极中和一个上部被接到正电流的输入端，其特征为，该钢导体的上部占全长的至少30%，它具有最多等于其下部截面积的60%的截面积。
根据所考虑的予焙阳极或连接自焙阳极的阳极型式来确定钢导体为一园棒，该园棒用一般方法来封装，例如铸造在予焙阳极上部所形成的凹槽中，或用一底端被缩小的插杆强打入到连续自焙阳极的碳质胶糊中。
图1到6为本发明中一个实施例的纵断面图;
图1为本发明中局部变小的阳极园棒上的温度分布图;
图2为先有技术中阳极园棒上与图1中相对应处的温度分布图;
图3到图5为本发明中关于“予焙阳极”的各种不同实施例，说明其无限定情况;
图6为本发明中关于“连续目焙阳极”的两个实施例，说明其无限定情况。
在图1中，常规方式的予焙阳极1包括有一个凹槽2，园棒3即由铸件4密封在其中。园棒3的截面局部地变小成5。众所周知，在具有予焙阳极1的电解槽中穿过阳极的热力线约有一半由钢发散出去，热传输的方法主要是靠仅有的传导。虚线XX′表示导体的密封在碳中的下部与其上部的分界线。
从属于本发明中的图1中所述的情况发现局部缩小钢的上部横截面可使局部的温度梯度升高，这样就能够较精确地设定在钢中的热区和冷区。在按图1所做的试验中，在长度超过10Cm的距离中温度从650℃降为320℃。
图2说明按照先有技术并在等同的条件下，当园棒8为等截面时在阳极范围中所产生的温度情况。
也发现在不发生本专业人员熟知的“熔融效应”的条件下电流密度将局部升高。实际上，如果园棒3中的电流密度过度增大，则在温度相对低的大块钢的附近会迅速吸收由于焦耳效应所散发出的卡路里热量。
因此，如图1所示，由于对流和辐射而使热源损失，钢中温度的上升被局限在靠近阳极的上部。因此利用常规的隔热体将足能把此区域隔离，例如用矾土或碎的固化电解质或碳质胶粒等来消除由此产生的大部分热损失，同时园棒的中心和上部及其与导体9相接的6和7就能完全露在空气中，因为它们的温度已被节制在300℃及以下的等级。
可以用增加钢的热区部分的截面积来补偿缩小部分5所增加的电阻电压降，由于热区部分的钢的电阻率很高，故而甚至可得到过补偿。事实上铁的电阻温度系数在500℃以下是0.0147，这在金属中是极高的了，而且在500℃左右是它的最高值。
还有，用增大钢的下部3插到碳中的截面积和提高这一区域中温度的方法来改善钢与碳之间的接触，利用金属部分附加的热膨胀较碳大的现象来改善其间的接触。这样所得到的接触电阻只占先有技术装配方法(图2)中的30%。
园棒的缩小和非缩小部分的尺寸不能随意选择。这两部分的截面和长度必须这样选择，即使得总热阻等于或稍大于用先有技术装配中所得的热阻，这是内行人不难算出的。这意味着当缩小部分5的截面积朝园棒的原有面积增加时，则其长度应增长。这也意味着部分5的长度，截面积以及部分3的截面积相互间的关系。
本发明已求出，如果部分5范围的横截面与部分3范围的横截面之比等于或小于0.6时，效果最好。缩小部分5的长度应至少等于园棒全部总长的35%。
这样就可使总热阻得到平衡而不须达到熔融程度同时获得的接触电阻比所有情况下的初始值少30%以上。
根据上述基本原理叙述几个可行的实施例如下在图3中，阳极1包括有四个密封了的凹槽2。每根园棒包括有一个高200mm，直径150mm的下部10，其中有170mm以上的高度被铸件4密封在阳极中;上部11的截面积比下部截面积缩小了36%(直径为90mm)。
这四个园棒11通过一根大截面(150×80mm2)的矩形横樑12连接起来，然后将该横樑通过铝一铁过渡层13连接到铝杆14上，铝杆则连接到供给阳极电源的母线上(图中未示出)。
以矾土或碎的固态的电解质覆盖到接近图中虚线AA′所示的水平面(高出园棒开始缩小的界面处2到3Cm处)而将热区隔绝保温。
这样的装配应用在具有280，000安培的原型电解槽中证明只用几公分高的矾土覆盖住大截面的园棒，即足能把阳极充分隔热。在这种情况下采用的电流密度为横樑12(冷区)15A/Cm2园棒(缩小部分11)28A/Cm2(热区10)10A/Cm2对于用一个先有技术中用的等直径120mm园棒阳极的280，000A的电解槽，当用本发明的阳极时，在阳极上的电压降可减少30mv，这是从功率消耗为100Kwh/T的电解槽中所得到的降低证明了的，并且它也能在不改变工作强度的前提下减少电解装置的工作电压0.03v，实际上，在这一例中，园棒和其缩小部分的总热阻比直径为120mm的园棒总热阻还高50%。若再增加电解槽的隔热层，就能使功率射向电解槽的更低部位。
本发明的进一步实施例(图5)是园棒的缩小部分11用一只园管15来构成，它在过负载时有较好的辐射散热能力，且具有等电流密度，例如用外径为150mm，内径为120mm，高为150mm的园管来制造，对这些部件在组装时可以采用电焊连接，但也可用翻砂铸造，因为一串就有一百乃至几百个电解槽，每个电解槽包括有数十个阳极，对这种元件所需的数量极大，所以用翻砂铸造在投资上是合算的。
另一种可能的办法就是把园棒的上部锯掉一部分(图4)，以致将其减少成矩形板16，不过应使其横截面积不大于未锯前截面积的40%。
最后，在连续自焙阳极的情况(图6)，电流通过直接浸在碳质胶糊18中可称为“阳极插杆”的钢棒17而引入，它为可动的并稍微放得高一些以便当阳极经过燃烧而消耗时插杆的较低端不致与电解液相碰，就如用予焙阳园棒相同，插杆的上部直径(通常为100到150mm)可减少，直减到插杆与阳极母线相接触的范围以下，而其下部直径要加大，在这种情况中，阳极的上部受到碳质胶粒19的隔离，定期地加进此胶粒以便在其下面部分消耗后重新建立阳极。为了便于将此插杆从胶糊中拔出来，应用具有同一外直径的管子作为插杆下部的组合件最为有利。
实现本发明，可取得每吨铝少耗电200到300Kwh等级的增益，并很大地延长了铝钢复合金属的寿命，使这种复合金属的寿命至少等于有效钢元件的寿命。
权利要求
1.为用Hall-Heroult方法进行焙熔的电解制铝的电解槽中所设计的一个碳质阳极，其与正电流输入端至少通过一个钢导体连接，该钢导体包括有一个穿到碳质阳极上的下部和连接到正电流输入的上部，其特征为该钢导体的上部至少占30%以上全长，它具有的截面积不大于下部的截面积的60%。
2.按照权利要求
1的碳质阳极，其特征为该钢导体为一园棒，并用一般周知的方法封装。例如铸在予焙阳极的上部的凹槽(2)中。
3.按照权利要求
1的碳质阳极，其特征为该钢导体为一插杆，其低端变小并强力地插到形成所述的阳极的连续自焙的碳质胶糊中。
4.按照权利要求
1、2或3中的任一项所述的碳质阳极，其特征为该钢导体的被缩小了截面积的上部为一实芯截面。
5.按照权利要求
1、2或3中的任一项所述的碳质阳极，其特征为该钢导体的被缩小了截面积的上部为一园管截面。
6.按照权利要求
2的碳质阳极，其特征为一块碳质在高温下予焙过的阳极胶块在它的上部供有至少一个封装的凹槽(2)，它的特点是钢导体的下部被浇注在封装凹槽中的高度至少等于封闭凹槽的深度。
7.按照权利要求
2到6中的任一项所述的碳质阳极，其特征为该阳极是被覆盖住的，覆盖的水平至少等于钢导体的下部及其缩小截面的上部之间的分界处的水平，覆盖材料为一种隔热材料，例如矾土，固态的并弄碎的冰晶石电解质，碳质胶粒。
专利摘要
本发明涉及到按Hall-Heroult法进行电解制铝槽中用的一个碳质阳极，该阳极通过至少一个钢导体与正电流输入端相接，该钢导体包括有一个穿到碳质阳极的下部和一个与正电流输入端相接的上部，钢导体的上部占全长至少30％以上，其截面积具有不大于其下部截面积的60％。该上部的结构可为一缩小截面的实芯截面或管截面。
文档编号C25C3/16GK85104086SQ85104086
公开日1986年11月26日 申请日期1985年5月29日
发明者伯纳德·兰冈 申请人:皮奇尼铝公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan