专利名称:霍尔-赫鲁电解槽用的具有低电压降的组合式阴极块和阴极的制作方法
本发明与一种低电压降的阴极块有关，此阴极块是供用霍尔-赫鲁法电解溶解在熔融冰晶石中的氧化铝而生产铝的电解槽用的。它也与用这种组合式阴极块组装的阴极有关。
先有技术的叙述霍尔-赫鲁电解槽的阴极是将一组碳素块并列排置而成的，在碳素块的下底边有一或两条开口沟道，一般用铁水浇注其中，将具有方形、矩形或园形截面的钢棒封填干沟道中，串联成一组的相邻的电解槽之间的连接导体连接到钢棒上。阴极块一般用一种称作封胶或填料的其电流传导性很不好的碳素泥连接在一起，其厚度约为几厘米。
碳素泥对于电解沉积在碳素块上的液体铝来说必须是不能渗透的。因此，电流流通的程序是，通过液体铝层、碳素件、钢棒与块之间的密封层到钢棒，然后流到连接下一个电解槽的导体上。
材料的每一次连接都引起了过高的接触电压，接触电压依赖于装配的条件和有关的表面积。对于在碳素部件和密封层之间的接触，这一点是特别真实的，这种接触称作密封层接触。
因此总电压降可以分为三个主要的部份-在碳素块上的电压降，-在密封层上的电压降，-在钢棒上的电压降。
为了减少电压降，如所周知，使用了电阻率低的碳素块。
现在，大多数阴极块的生产者正在推荐一种称作“半石墨”的阴极板和一种称作“半石墨化”的阴极块，前者用一种碳素泥生产，其中无烟煤粒子为石墨粒子所代替，后者用一种常用的碳素泥在高温(＞2000℃)下焙烧使其在阴极块中形成部分石墨化而生产出来。这种方法显著地增加了阴极块的电导率。但是使用这种阴极块由于使液体铝中电流线倾斜更严重，所以在上层铝液中具有增加电流畸变的缺点，因此在另一层液体铝中增加了磁涡流，这损害了电解装置的流体动力学稳定性。
为了改进这种缺陷，可以采用所谓“夹层块”的结构，在这种夹层块中，一层比如说用具有无烟煤粒的碳素泥作成、而另一层则用半石墨或半石墨化的碳素泥作成，这种夹层块具有较大的电导率。
为了增加阴极的活性表面，已经提出了应该用一种用石墨和热凝树脂作的导电粘结剂粘结的方法来代替用封胶或填料(导电性不好)进行连接的方法。这种代替有四重好处增加了总的导电表面，允许电流在两个相邻阴极块之间流动，当敷上碳素粘合物料时减少了焦油的放出和改进了石墨块组合件的不可渗透性。
为了减少总的电压降，也可采用增加钢棒截面的方法，至少在被密封到碳素块的区域增加横截面，而在钢棒穿过电解槽绝热层外部的地方保持正常的或减小的横截面，以防止过份的热量损失。
然而，这种作用的程度必须受到限制，因为在电解槽运转时，在沟道侧面的碳素块的厚度，在机械性能上一定要能抗住由阴极棒和封闭层的热膨胀而发生的应力。封闭部分的截面形状可以是园形，也可以是矩形。
为了减少电压降，还使用其有两条窄沟道而在承受电解装置的热作用应力时又不太脆的碳素阴极块，相对于密封层来说这种块的优点是增加了接触面积。但在此时必须规定阴积块的边缘和紧靠的沟道之间的最小间距，这就限制了钢棒可能的横截面。
不管采用了何种结构，不管阴极块以及密封在阴极块的钢棒的形状和大小，阴极总是这样构造，使阴极块平行于金属箱的短边排列，使得阴极输出(伸到金属箱外部的钢棒的末端，电解槽之间的连接导体便连接在此末端上)总是在电解槽的长边侧，而不管电解槽相对于电解槽串联轴线是纵向还是横向放置。
现在铝的生产者，为了提高产量，减少投资并促使操作过程全自动化，正在打算增加电解槽的单位功率。现在已经超过了200，000安培的水平，估计在二十世纪八十年代末以前很可能突破400，000安培的水平。
与此同时，为降低电解槽的功率损耗水平，特别是为了降低阴极的欧姆电阻，正在进行巨大努力。
对这种功率的电解槽，制造具有低电压降的阴极需要新颖的方法，这种方法不能从现在的方法中简单地推断出来。事实上，一个电解槽的使用寿命和它用的阴极的质量具有很密切的关系，因为大多数电解槽过早地不能使用，都是由于金属和电解质渗透到阴极下面的空间。
本发明是基于一种新颖的可被称作“组合式”的阴极结构，采用不同数目的组件，阴极可以适用于任何大小的电解槽，只要电解槽的大小是组件尺寸的整数赔。
本发明涉及一种具有低电压降的碳素阴极块，它是供用霍尔-赫鲁法电解生产铝的电解槽用的，这种电解槽包含了一个六面体的支撑在其上面形成一层液体铝阴极的金属箱，所述的阴极是将加长的六面体碳素块并列放置而成的，碳素块主轴的长度对于它的宽度之比至少等于2，并且在其上至少开了一条沟道，使一钢棒平行于金属箱的短边放置并被密封于沟道中。钢棒至少连接到一个阴极集电器上，碳素阴极块的特点在于，这种密封的沟道是在垂直于阴极主轴的方向开的，而阴极块本身是平行金属箱的长边放置的。
由于第一阴极块至少要同另一个第二阴极块在其大的侧面上用粘接的方法进行连接，所以就有可能生产一种阴极半组件，其宽度等于阴极宽度的一半。
将两块半组件阴极用粘合之类方法连接起来，就能得到宽度等于阴极宽度的阴极组件。
本发明也涉及用霍尔-赫鲁法生产铝的一种碳素阴极，其特点为碳素阴极至少是将两块阴极组件并排放在同一平面上并用像碳素泥一类粘合剂将连接的组件粘合而构成的。
图1是先有技术、图2至图5说明了实现本发明的方法。
图 图1是一个电解槽阴极部分现在所用结构的平面示意图。阴极块1平行于金属箱的短边2排列，金属箱支撑着电解槽的阴极。阴极块是六面体形的，沿着由AA′表示的长轴或主轴是细长的，其高度h和宽度l一般约为300至700毫米，而其长度达到2米或2米以上。在大多数情况下，长/宽大于2，可能达到4～8，高度和宽度之比约为1，与此差离不太大。
在图1所示的特殊结构中，每一个阴极块1包含了两根钢棒3，实际上每一根棒都是由两个半截钢棒3A和3B构成的。这两根半截钢棒在它的中心4可能是接触的，也可能是不接触的，或者说是不连接的。外面的端点5将阴极棒连接到一个或更多个旁边的导体6，导体6连接到下一个串联电解槽的阳极装置上。一般用铸铁的方法将钢棒密封在阴极块1的一个或2个纵向的沟道7中。
相连的阴极块用粘合剂或填料泥8作的结合剂密封起来，结合剂趁热堵塞在阴极块之间的缝隙中，它密封了阴极组件而不渗透液体铝和熔融电解质，电解槽的使用寿命紧密地依赖于结合剂的密封效果。
根据本发明(如图2以及所示的编号)，阴极块10是以这样一种方式放置的，使其主轴AA′平行于金属箱的长边11和它的主轴XX′阴极棒3，输出端5以及集电器6按同样方法配置。但沟道12现在是横向开在阴极块上的，它平行于阴极块的短边，而垂直于它的主轴AA′。
每一块“阴极半组件”是两个阴极块10A和10B结合而成的，它是用粘结之类方法预先组合在一起的，如9处所示，并用铸铁密封之类类通常的方法，很少采用碳素泥密封，把阴极棒进行固定并密封在这个位置上。将两个同样半组件对称于电解槽的主轴并列排置构成了第一组阴极组件，将两块半组件10A～10B和10C～10D按通常的方法用粘接剂或填料泥13，或者最好用粘合胶填缝连接在一起。填缝粘合工序可以在阴极放入金属箱的位置中之前进行，也可之后进行。然后根据电解槽的类型，用几个同样的用粘结剂或填料泥8填缝的组件即可构成第一阴极组件。例如对于180000安培电解槽的阴极可以用三块顺序相连的组件构成。虽然前述的说明用了四块半组件构成，每一个半组件由两块阴极块作成，但这个例子不对本发明构成任何限制。可以设想生产由两块不等宽度，或三块相等宽度或不相等宽度构成的半成品，而而高度和长度在所有情况下都是一样的。
根据上述基本原理，本发明可以用许多不同的方法实现，构成一块阴极半组件的两块阴极块，如10A和10B，可以具有相同的组成，即可用相同的碳素泥制造，也可以具有不同的组成，以便使每一阴极块具有特殊的性能，例如使每一阴极块具有不同的热导率和电导率。
例如，外部的阴极块10A可以是常用的类型(树脂十无烟煤粒)。它在900℃时电阻率值约为4.4×10-3Ωcm，热导率值λ约为0.03W/cm/℃，而内部的阴极块10B可以是半石墨型的，它在900℃时的电阻率值为2.8×10-3Ωcm，热导率值λ为0.23W/cm/℃。
图3示出了另一个可供选择的方式，外边的阴极块10A本身可能由两部份构成，外侧的部分10E是用热导率相当低的材料制作的，这样便减少了由碳素块传到外部的热量，因此，改进了电解设备的热平衡板。
最后密封沟道12的截面不防都开成等宽的，为了在金属箱侧壁上阴极棒伸出的孔之间保持恒定的距离，其中有些沟道宽度，特别是在边缘部分的沟道宽度也可以不同。
另外，在构成阴极的阴极块的表面上，至少在一部分表面上可以掺进一种物质使表面可同液体铝湿润。这种掺入可以在阴极块的表面上掺入，也可以是整个阴极块或部分阴极块中掺入。
众所周知，根据“Aluminium”杂志第56卷上，1980年4月(642～648页)和同年11月(713～718页)，K.(Billehaug和H.A.Oye的介绍，称作“RHM”(Refractory Hard Metals)的难熔化合物和更为特殊的二硼化碳T1B2都能同液体铝湿润。而且在930℃～960℃温度下几乎不受这种金属的腐蚀。
因此，将阴极块的表面全部地或部分地用纯TB，或者用至少含30%T1B2的复合材料作的板或其它构件进行覆盖是可能的。也可以用通常的方法，将T1B2，或者T1B2为基的复合材料沉积在整个或部分阴极的表面上，以及将T1B2与/或RHM化合物掺入到制作阴极块的碳素材料中，或至少掺入到阴极块同液体铝接触的上部分，T1B2或RHM化合物的比率至少要达到30%，这是现在认识到的产生浸润效果的最小量，在这种方法中，有可能使液体铝层稳定，显著减少阳极和阴极之间的距离，从而降低了电解槽的电压降。电解槽电压的降低相应地降低了所生产的铝按千瓦时/吨计的单位能耗。
实施本发明可以得到很多优点，可以举出如下一些。
1、由于用粘合胶粘合很簿的仅几毫米厚的接缝代替了用导电率低的粘结剂或填料泥连接宽达30至40毫米的接缝，所以有用的阴极表面增加了。
2、现在有可能使基本上为钢的截面与基本上为碳-钢的接触表面很好配合，先有技术中没有达到这种配合。
图5按约1∶20的比例示出了阴极块的垂直截面，图5A和5B表示先有技术的阴极块截面，而图5C表示本发明的阴极块垂直截面，从图5可以看出，对于一定的垂直截面，对图5A所示的阴极块封闭接触长度为36.8分米，钢和铸铁截面面积为17.16平方分米，对图5B所示的阴极块封闭接触长度为29.2分米，截面积为26.4平方分米，而对于图5C所示的阴极块，接触长度为41.6分米，截面积为25.08平方分米。这一点，再加上钢棒的欧姆电压降很低，便导致了欧姆封闭接触电压降显著减少。应该指出，已经达到了约几十毫伏的总收益(译注指采用新发明，阴极减少的电压降)。而碳素块并不碎裂，碳素块的各个翼部或侧面部分16仍具有同样大小，也即说沟道之间的碳素部份或沟道和碳素块侧面之间的碳素部分仍具有同样大小。熟知铝电解的人都知道，10毫伏的电压收益就相当于每生产一吨铝要少消耗30至50千瓦小时的电能。
3、新型的阴极块的配置方法使得可能用简单经济的方法生产混合型的或夹层式的阴极块。在先有技术中，在安装阴极时需要将阴极块1切开，然后再把两部分(例如无烟煤的部分和半石墨的部分)装配起来，而按照本发明将两块标准大小的阴极块胶合起来并把它们放在应放的位置便可生产出每一种象10A＝10B这样的混合型阴极块。
4、定位操作不太麻烦因为两个预先用粘合方法粘合好半阴极组件(图2)或一个单组件的安装代替了四块阴极板块(图1)的安装。
5、在先有技术中常用的粘接方法是在横向方向把阴极块1粘接在一块，用一操作行程(图4A)的千斤顶14进行顶压粘接，这是一种执行起来很困难的操作，因为这种方法使平行度的误差积累起来，和这种常用的方法比较，阴极组件的装置调节了很大的误差，这个误差由相邻组件(图2)之间的用8表示的粘结剂或填料泥所构成的接缝补偿了。另外，只要有短操作行程的千斤顶15就够了，千斤顶15靠着金属箱的长边放置，以便粘合时对着两块半组件5C顶压形成一阴极组件。
6、用粘合剂或粘胶代替封泥或填料泥，对熔融金属和电解质的渗透来说，阴极密封得更好一些。在前面已经指出了阴极合适的封闭特性的重要性。
7、最后，本发明还可以配合使用同液体铝湿润的阴极表面。
本发明曾经应用于操作电流为180000安培的许多串联电解槽上，采用了两个半组件构成的阴极，而每个半组件是由两个示于图5C的“半石墨”构成。
取常用的碳素阴极块电解槽与用本发明改进了的电解槽比较，对阴极系统中的电压降，即对密封接触部分和阴极棒部分的电压降进行测量，得到如下结果先有技术中的阴极块 按本发明的阴极块图5A 图5B 图5C密封接触部分电压降 67 84 59钢棒欧姆电压降 136 88 83合计 203 172 142达到的最大的收益是61毫伏，这大约相当于生产一吨铝少消耗200KWh的电力。收益的一半是由于用电阻率比较低的“半石墨”块达到的，而另一半则是用发明的组件阴极块得到的。
权利要求
1.一种低电压降碳素阴极块，它是供霍尔-赫鲁法电解生产铝的电解槽用的，所述电解槽包含了一支撑阴极的六面体金属箱，成阴极上形成一层液体铝，所述阴极是将长的六面体的碳素块并列放置而成，碳素块的主轴长度与其宽度之比至少等于2，在碳素块上至少开了一条沟道，一根平行于金属箱短边，其端点在金属箱长边侧伸出来而且至少连接到一个阴极聚电器的钢棒被密封于沟道中，其特征在于密封沟道(12)开在垂直于阴极块主轴AA′的方向，而阴极块本身平行于金属箱的长边(11)放置。
2.按权利要求
1所述的阴极块，其特征在于，它在长边侧上用粘合的方法至少同另外一块阴极块粘合起来以构成一阴极半组件，半组件的宽度相当于阴极宽度的一半。
3.按权利要求
2所述的阴极块，其特征在于，将两个半组件采用诸如粘合的方法粘合起来以构成一阴极组件，阴极组件的宽度等于阴极的宽度。
4.按权利要求
2所述的碳素阴积块，其特征在于，每块半组件是由用同样碳素泥生产的阴极块构成，基本上具有同样的热特性和/或电特性。
5.按权利要求
2所述的碳素阴极块，其特征在于，每块半组件是由热特性和/或电特性彼此不同的阴极块构成。
6.按权利要求
1所述的碳素阴极块，其特征在于，密封沟道(12)都是等宽的。
7.按权利要求
1所述的碳素阴极块，其特征在于，同一阴极块上的密封沟道(12)在宽度上彼此不同的。
8.用霍尔-赫鲁法电解生产铝的碳素阴极，其特征在于，它至少是将权利要求
3说明的至少两块组件并列配置在同一平面上而构成的，接连的组件采用像碳素泥粘合这样的普通连接方法连接起来。
9.按权利要求
8所述的碳素阴极，其特征在于，在一部分阴极块的表面上，至少在同铝接触的那部分表面上，用任何已知方法掺入的化合物是一种像二硼化钛这样的难熔化合物，掺入的比例至少要达到30%，以使所述的表面可被液体铝湿润。
专利摘要
本发明涉及一种具有低电压降的阴极块，它供电解铝的电解槽之用，电解槽包含一支撑阴极的长方形金属箱，阴极是由长的六面体形碳素块并列放置而构成，碳素块主轴长度同其宽度之比至少等于2，其上至少开一条沟道，一平行于金属箱短边的并连接到集电器的钢棒密封于沟道中。其特点在于，密封沟道垂直于阴极块的主轴，阴极块本身平行于金属箱的长边。一块阴极块至少同另一块阴极块粘接起来作成阴极半组件，半组件的宽度等于金属箱宽度的一半。两个半组件粘合起来构成宽度等于阴极宽度的阴极组件。
文档编号C25C3/08GK85104565SQ85104565
公开日1986年12月10日 申请日期1985年6月14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