專利名稱：帶隔件的陰極導電棒的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電解槽。本發(fā)明的一個方面則涉及用于生產鋁的電解還原熔煉槽的陰極導電棒。
鋁是通過在電解液中電解還原氧化鋁而生產的。由電解還原氧化鋁大批量生產的鋁稱作為原生鋁。
電解涉及到與化合物分解有關的電化學氧化還原。電流通過兩個電極之間而通過含溶解的氧化鋁的熔融Na3AlF6冰晶石浴。冰晶石電解液包括的熔融Na3AlF6冰晶石浴含有氧化鋁與其他物質如溶解于此電解液中的熒石。這種化合物中的金屬組份則隨著相應的氧化還原而還原。
電流從陽極到陰極通過兩電極間，按所需的電動勢提供電子來還原此金屬組份，這種金屬組份例如在鋁的電解熔煉中通常是所需的電解產物。產生所需反應耗用的電能取決于化合物的性質和電解質的組成。
Hall-Heroalt鋁還原槽是在低電壓(例如4～5V)和高電流(例如70000～325000A)下工作。此高電流通過陽極結構進入還原槽，然后通過冰晶石浴，通過熔融鋁金屬液層而進入碳陰極塊。此電流通過陰極導電棒遍及到整個槽內。
隨著電流通過此電解液，氧化鋁便在陰極電解還原為鋁，而碳則在陽極大部分氧化為二氧化碳。這樣生產出的鋁聚集于熔融鋁液層上并周期性地引出。工業(yè)用的鋁還原槽運轉時使液體鋁在槽中保持最小的深度，而以其表面用作實際的陰極。此最小的鋁深度約2英寸。但可以達20英寸。
氧化鋁-冰晶石浴保持在固定深度的熔融鋁金屬液層的頂面上。電流通過此冰晶石浴時其電壓損耗正比于電流通路長度，即正比于陽極與熔融鋁液層間的極間空隙。典型的電壓損耗約1V/英寸。陽極至陰極間距的任何增加都會限制最大的功率效率和限制電解槽的工作效率。
通過電解槽的電壓降的大部分是發(fā)生于電解液中，而且是歸因于此電解液或電解浴在陽極至陰極間距上的電阻。用于熔解于熔融冰晶石浴中氧化鋁電解還原的普通Hall-Heroalt槽的浴電阻或電壓降，包括分解電勢即用于生產鋁的能量以及由于浴電阻在極間空間產生的熱能所致的附加電壓。此后一種熱能造成的電壓降占整個槽上總電壓降的35～45％，而按可比的測量方法計算，多達此熱能造成電壓降兩倍的則源于分解電勢。
減小陽極-陰極間距的一個有害結果是，當通過電解在陽極產生的金屬由于與陽極產物接觸而氧化時，會顯著地降低電解槽中的電流效率、例如在電解溶解于冰晶石中的氧化鋁的過程中，在陰極產生的鋁金屬由于極其接近于陽極產生的碳的氧化物，就會很快氧化回氧化鋁或鋁鹽?？s短陽極與陰極的間距會使陽極產物與陰極產物更多地接觸，這樣會顯著加速已還原金屬的再氧化或“逆反應”。
通過電解槽的高安培表電流會產生強磁場，這會在熔融鋁液層中感生環(huán)流而導致電效率減降和熔融鋁與電解質的“逆反應”問題。此磁場還會改變熔融鋁液層與陽極間在不等距離處的深度。金屬液層的運動加劇，有時會猛烈地攪拌此熔液液層而產生渦流，導致局部短路。
金屬液層深度的變化限制了陰極與陽極間隙的減短，使電流效率損失。電功率耗費給位于陽極與陰極塊之間的電解質。熔融鋁金屬液層的移動也影響到碳陰極塊的不均勻磨損而會加速電解槽的損壞。
金屬液層的湍流也會加強陰極產物的“逆反應”或再氧化，從而降低電解槽效率。金屬液層的湍流加速了陰極底襯通過冰晶石的磨損與滲透而發(fā)生的變形與變質。
在當前的普通陰極中，鋼陰極導電棒從外部母線通過電解槽的各側進入碳陰極塊。這些鋼陰極導電棒由鑄鐵、碳粘結劑或夯實的碳質糊劑裝附到陰極塊上，用以促進碳陰極塊與鋼陰極導電棒的接觸。
電流通過鋁液層與碳陰極的流動依循最小電阻路徑。在普通陰極導電棒中的這種電阻正比于電流通路從電流進入陰極導電棒這一點處至最近的外部母線處的長度。電流通路在其起始于陰極導電棒接近外部母線處的較低電阻促使電流在流過熔融鋁液層與碳陽極塊的方向上彎曲。此電流的水平分量與磁場的垂直分量相互作用，對電解槽的工作效率有不利影響。
現有的Hall-Heroult電解槽的陰極導電棒局限于軋制的或澆鑄的軟鋼材。電解液的高溫與浸蝕性化學性質相結合，形成了嚴苛的工作環(huán)境。鋼材的高熔點和低成本補償了它的較差的導電性。作為比較，可供選用的金屬如銅或銀具有很高的電導率，但是熔點低和成本高。本發(fā)明的設備與工藝中采用了銅，因為銅在電導率、熔點與成本三方面提供了較理想的組合。其他的高導電性材料也可根據其相對于鋁的熔練工藝在電導率、熔點和成本三者的組合結果來使用。
鋼的電導率相對于鋁金屬液層低到使得導電棒最接近電解槽這一側的外三分之一部分承載大部分的負荷，從而在各陰極塊內形成極不均勻的陰極電流分布。但由于普通的無煙煤質陰極所具有的化學性質、物理性質特別是電性質，鋼的較差的導電性至今未表現為限制工藝過程的嚴重因素。
普通的陰極含有100％的煤氣煅燒的無煙煤(GCA)或100％的電鍛燒的無煙煤(ECA)。這些陰極塊具有較弱的耐熱震性。這樣的陰極塊在電解條件下，即在陰極電流、還原的鈉與溶解的鋁的影響下，會不良地潤脹。它們具有較差的導電性(相對于石墨)，而就其優(yōu)點而論，它們的侵蝕性或磨耗性低(與石墨相比)。
為了克服100％無煙煤陰極的缺點，陰極的制造廠家在陰極塊的原料混合料中增大了石墨的比例。至少30％的石墨看來足以避免熱震開裂并能在大多數情形下提供較好的電性質與抗鈉特性。若是增加到100％的石墨集料或是增加到在2000～3000℃石墨化的100％焦碳集料，則能形成極好的作業(yè)與生產條件。
隨著石墨含量或石墨化程度的增加，陰極塊的侵蝕率或磨損率也增加。
為了追求規(guī)模經濟，鋁的熔煉槽隨著工作安培數的增加已加大了它的尺寸。隨著工作安培數的增加，陰極中石墨的百分比也增加了，便于利用改進了的電性質和最大限度地提高其生產率。在許多情形下，這導致了開發(fā)石墨化的陰極塊。
熔煉槽的作業(yè)最典型的是當鋁金屬由于接觸鋼導電棒被污染而終止。這樣的情形會在下述情況下發(fā)生當陰極到接縫的混合料接頭處發(fā)生漏泄，當陰極塊由于熱效應或化學效應或綜合的熱化學效應，或是當陰極塊的頂面侵蝕而暴露陰極導電棒時。在應用有較高石墨含量的和石墨化的陰極塊時，主要的受損方式是由于陰極表面高度地局部侵蝕，最后使導電棒暴露于鋁金屬液中所致。
在許多的電解槽設計中，對于那些有較高石墨含量的陰極塊，與30％石墨/ECA塊或100％ECA塊相比，觀察到存在有較高的峰值侵蝕率。
在快速磨損率、最大磨損區(qū)位置以及陰數電流分布不均勻性方面是有聯(lián)系的。石墨含量較高的和石墨化的陰極具有較高的電導率，結果也就具有更不均勻的陰極電流分布型式從而也就有了更高的磨損率。
因此，需要發(fā)展和提供更均勻的陰極電流分布，得以降低陰極的磨損率、提高電解槽的壽命，這樣就能實現石墨含量較高的和石墨化的陰極塊的作業(yè)優(yōu)點。
本發(fā)明的相關目的在于提供這樣的電解還原槽設備以及方法，其中應用了新穎的陰極導電棒，此導電棒包括實心的鐵類金屬隔件，用于在槽中保持有控的熱平衡。
本發(fā)明上述和其他的目的通過參考下面有關本發(fā)明的詳細描述，當可獲得更清楚的理解。
根據本發(fā)明，提供了用于生產鋁的設備與方法。本發(fā)明的設備包括用于將溶解于熔融鹽浴中的氧化鋁還原為鋁金屬的電解槽。電流通過陽極與陰極間，通過此熔融鹽浴(bath)而在陰極鄰近產生鋁金屬。
此電解槽具有包括第一槽壁與第二槽壁的槽壁、陽極、與此陽極相分開的無煙煤陰極塊、在第一槽壁外的母線、將此母線與此陰極塊連接的導電棒。此陰極塊最好確定出一使導電棒置入其中的切口。槽壁確定出包含熔融鹽浴的室。
此導電棒包括鐵類金屬體和銅插頭。這里所用的詞“鐵類金屬”指鐵與鋼，包括軟鋼、低碳鋼與不銹鋼。所用的詞“銅”包括銅與各種其他金屬(包括銀)的合金。為了實施本發(fā)明，這里最好采用較純形式的至少含99％(重量)的銅，以便利用其優(yōu)良的電導率。
上述導電棒具有的鐵類金屬體包括實心的鐵類金屬隔件，此隔件具有與母線連接的外端部和從第一槽壁向內分開的內端部。此隔件由于阻止了銅插頭與母線間有過量的熱傳輸而改進了熱平衡。此鐵類金屬體還包括與隔件成整體同時界定一包含銅插頭的腔部的鐵類金屬套。此腔在與隔件內端部相鄰的外端與內部孔口間延伸。腔與銅插頭可以有多邊形或圓形的橫剖面。這里寧可選用在具有圓形橫剖面的腔部內的圓柱形銅插頭。
陰極塊中的切口最好包括用來將導電棒連接到最好是導電棒的陰極塊上。這種材料可以是鑄鐵、碳質粘結劑或夯實的碳質糊劑，而最好是鑄鐵。
本發(fā)明的陰極組件是用于由電解法生產鋁的。此陰極組件在含有熔融鹽浴的室中向下與陽極相分開。電流從陽極通到陰極組件，將溶解于熔融鹽浴中的氧化鋁還原為在陰極塊上淀積成液層的鋁。導電棒中的銅插頭與具有只含鋼或其他鐵類金屬的導電棒在先有技術的電解槽中的情形相比，將電流分配得更均勻。此導電棒體中的鐵類金屬隔件與具有直接連到母線上的銅插頭相比，減少了熱損耗。


圖1是鋁生產用先有技術電解槽的示意性橫剖圖。
圖2是本發(fā)明的生產鋁用的電解槽的示意性橫剖圖。
圖3是圖2的電解槽中導電棒的示意圖。
圖4是圖3中4-4線的橫剖圖。
圖5是鋁生產用先有技術電解槽的電流通路的示意圖。
圖6是本發(fā)明的生產鋁用的電解槽中電流通路的示意圖。
本發(fā)明的設備與方法提供了能使水平電流減至最少同時能控制熱損耗的新穎導電棒。本發(fā)明的這種新穎導電棒可以加入到具有標準碳陰極塊的既有的鋁生產槽中。
現在參看圖1，其中示明的用于鋁生產的先有技術電解槽具有一對普通的陰極導電棒10。導電棒10具有矩形橫剖面，由軟鋼制成。電流經陽極12流入，通過電解浴14、熔融金屬液層(pad)16，然后流入碳陰極塊20。此電流通過陰極導電棒10帶到槽外。如圖5所示，電流線70的分布不均，更多地集中于趨向導電棒最接近外部母線(未圖示)的端部。
現在參看圖2，其中示明了本發(fā)明的電解槽4。槽中包括第一槽壁17與第二槽壁18。這兩面槽壁限定出室19，室19的底與側面襯以耐大磚21，室內包含熔融電解質14。陰極塊10有兩個半寬度的陰極導電棒30。各個導電棒30分別從槽壁17、18外的母線46、48延伸出，向內朝向中心線50。這兩個導電棒30由在此槽的中間的間隙58分開，間隙58中充填以可壓縮的材料或一片碳件或填實的接縫混合料或是上述這類材料的混合物。此間隙58最好由這類材料的混合物充填。
陰極塊20具有支承金屬液層12的上表面22和限定出在塊20的相對側向端之間延伸的切口或溝24的下表面23。鋼導電棒30納置于切口24中并由一層導電材料最好是鑄鐵固定于其中，導電棒30連接到塊20上。
參看圖2～4，各個導電棒30所包括的鐵類金屬體包括界定出腔部34的實心隔件32與套33。各隔件32具有與母線46連接的外端部35以及與此外端部35向內相分開的內端部36。此內端部36最好在槽壁17之內，如圖2所示。
現在參看圖3與9，于各導體棒30的內側37開鉆出腔部或切口34。這些腔部34在具有約24in2的橫剖面面積的導電棒中和加工成具有約1.628in直徑，使得它們的橫剖面積約為2.08in2。腔34定位于導電棒30內中央，以使因加熱和冷卻的畸變減至最少。
包括有柱形桿的銅插頭40置于各個腔部34中。銅插頭的直徑約1.625±0.0025in，使得其橫剖面積約為2.07in2。為實施本發(fā)明，最好采用含約99.95～99.99％(重量)銅的高電導率級的銅構成的銅插頭。
在腔34與頂側之間，于各導電棒內鉆出一通風孔44。通風孔44在銅插頭40定位到腔34內時將腔部34中的空氣排出。在插頭40就位后，通風口44即以耐火泥充填。要是在腔部34中形成有足以驅除出此耐火泥的壓力，則此通風孔44便提供了釋除此壓力的通道。
腔部34中設有鋼塞45以密封銅插頭40。塞45與插頭40間的小空隙47允許在加熱到工作溫度時膨脹。塞45焊接到導電棒20的內側37。在特別最佳的實施例中，此空隙47能提供約0.65in的膨脹容差而鋼塞45具有約1英寸的長度。
本發(fā)明的設備與方法改變了電流在Hall-Heroult槽中的方向，以減少或消除由于不均勻的電流與水平電流造成的效率下降。
陰極電路通路與電流分布受到鋁金屬液層與陰極組件的電導率差的影響。由于高的電導率差有利于鋁液層，最佳的電流通路將是從旁側通過此金屬鋁液層，朝向槽的側壁，然后向下通過陰極塊到導電棒。
圖5中示明具有陰極12、熔融金屬液層16、陰極塊20與導電棒20的先有技術槽2中的電流梯度70。最高的電流密度直接出現于接近陰極塊20的外端72的鋼導電棒10的上方。最低的電流分布則見于導電棒10內端部相鄰的陰極塊20的中間。于陰極塊20上觀察到的局部磨損樣式在電流密度最高處最深。
陰極塊20的電導率的增加反映了石墨含量較高的或石墨化的陰極塊的變化，陰極電流分布70變得更集中于塊20的外端72。在安培數不變的條件下，局部磨損率將隨著石墨含量的增加在塊20的外端72的附近加大，而對于石墨化的陰極塊則將增至最大。
本發(fā)明的設備與方法使Hall-Hercoult槽中的電流改向，以減少因不均勻的與水平的電流造成的效率降低。如圖6所示，槽2包括陽極12、熔融金屬液層16、陰極塊20以及具有銅插頭40的導電棒30。電流梯度90從陽極12延伸到金屬液層16同時沿著陰極塊20的整個長度。這一電流分布型式90比圖5所示的電流梯度型式70更均勻。銅插頭40通過減少電導率差有利于鋁金屬液墊而提高了導電棒30的電導率，以使電流在整個陰極塊20上分布得更均勻。
在槽的工作溫度下，鋁的電導率為3470000(ohm-m)-1而鋼的電導率為877800(ohm-m)-1。銅的電導率為1628000(ohm-m)-1，大大地高于鋼和鋁的。業(yè)已觀察到將銅插頭設于導電棒中能顯著地加大其整體的電導率，相當于降低了導體棒的整體電阻。結果能使陰極上的電流分布得較均勻而減少了局部磨損率。
此陰極的電壓降也減少了，最高可減少50mv。這一電壓降可用來在不變的生產率下降低電功率的費用，或在恒定的功率下提高鋁的產量。
上述導電棒的端部穿過槽的側壁起到散熱片或熱沉作用。將銅插頭并入到導電棒內會加大槽的熱損耗。因此，必須仔細地控制銅插頭的長度來避免過多的熱損耗和有害于槽的壽命。銅插頭最好不要伸到槽的側壁17、18之外。在此已將銅插頭的導電棒與槽中其他的絕緣材料組合，來補償銅插頭造成的外加的熱損耗。
上面已經描述了本發(fā)明的目前屬最佳的實施例，但應認識到在不背離下述權利要求書的精神與范圍內，本發(fā)明是可以由其他形式來具體實施的。
權利要求
1.一種用于鋁生產的電解還原槽，此槽包括槽壁、在槽壁外部的母線、陽極、與陽極相分開的碳質陰極塊以及連接此母線與陰極塊的導電棒，此導電棒包括(a)鐵類金屬體，它又包括(1)具有與所述母線連接的外端部和與此外端部向內分開的內端部的實心的鐵類金屬隔件；(2)確定出腔部的鐵類金屬套；(b)在上述腔部內的銅插頭，此銅插頭具有與此隔件相鄰的外端部。
2.根據權利要求1所述的槽，還包括(c)在所述陽極與陰極塊之間的熔融鹽浴。
3.根據權利要求1所述的槽，其中所述陽極塊確定出切口而上述導電棒位于此切口內。
4.根據權利要求3所述的槽，還包括(d)在上述切口內用于將所述導電棒與所述陰極塊連接的裝置。
5.根據權利要求4所述的槽，其中所述切口內的裝置包括導電材料。
6.根據權利要求4所述的槽，其中所述切口內的裝置選自鑄鐵、碳質粘結劑和夯實的碳質糊劑構成的組中。
7.根據權利要求1所述的槽，其中所述腔部具有多邊形橫剖面而所述銅插頭具有多邊形橫剖面。
8.根據權利要求1所述的槽，其中所述腔部具有大致圓形的橫剖面而所述銅插頭具有大致圓形的橫剖面。
9.根據權利要求1所述的槽，其中所述陰極塊包括約30～100％(重量)的石墨或石墨化陰極塊。
10.根據權利要求1所述的槽，其中所述鐵類金屬套與所述隔件成為整體。
11.根據權利要求1所述的槽，其中所述隔件的內端部向內與所述槽壁分開。
12.根據權利要求1所述的槽，其中還包括將所述銅插頭密封于所述腔部內的鋼塞。
13.根據權利要求12所述的槽，其中還包括在所述腔部內于此銅插頭和鋼塞之間的膨脹容差空隙。
14.根據權利要求1所述的槽，其中所述導電棒還確定出用于從所述腔部釋除壓力的通風孔。
15.一種于電解槽中生產鋁的方法，此電解槽具有確定出包含熔融鹽浴的室的槽壁、與此鹽浴相接觸的陽極以及在此槽壁之外的母線，所述方法包括(a)提供陰極組件，此組件包括(1)與前述陽極分開的碳質陰極塊，(2)鐵類金屬體，包括具有與所述母線連接的外端部和與此外端部向內分開的內端部的鐵類金屬隔件，以及確定出腔部的鐵類金屬套，(3)在上述腔部內的銅插頭，此銅插頭具有與前述隔件相鄰的外端；(b)使電流從該陽極通到上述陰極組件，由此在所述槽內產生鋁。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述鐵類金屬套與所述隔件形成整體。
17.根據權利要求15所述的方法，其中所述隔件的內端部在前述槽壁之內。
全文摘要
用于生產鋁的電解槽4,它包括槽壁17,18、母線46,48、碳質陰極塊10以及連接此母線與陽極塊的導電棒30。此導電棒包括的鐵類金屬體具有實心隔件32與確定出包含銅插頭40的腔部34的套33。此隔件具有與上述母線連接的外端部35以及最好是向內與前述槽壁相分開的內端部36。此隔件使該銅插頭與母線分開,由此減少了槽壁的熱損耗。
文檔編號C25CGK1327488SQ00802259
公開日2001年12月19日 申請日期2000年10月10日 優(yōu)先權日1999年10月13日
發(fā)明者格雷厄姆·E·霍姆列, 克勞德·高施爾, 路易絲·皮爾遜 申請人:阿爾科公司