專利名稱：變截面式鋼棒陰極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁電解用陰極結(jié)構(gòu)，屬于鋁電解技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)今的鋁電解工業(yè)正在向槽容量大型化發(fā)展。2005年以來，國(guó)內(nèi)先后建設(shè)了350—500kA大型電解槽，現(xiàn)有槽型也在不斷地強(qiáng)化電流。在電解槽的大型化和電流強(qiáng)化的趨勢(shì)下，電解槽穩(wěn)定性的研究成為電解槽的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中越來越重要的課題之一。鋁液中較大水平電流是鋁電解槽生產(chǎn)之大忌，因?yàn)殇X液中的水平電流與垂直磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁力，導(dǎo)致鋁液的流動(dòng)、波動(dòng)和電解槽不穩(wěn)定。水平電流過大，無論對(duì)電解槽的穩(wěn)定性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及槽壽命都有很大的影響，因此分析水平電流的成因和防治對(duì)策，對(duì)電解槽生產(chǎn)管理有深遠(yuǎn)的意義。 從理論上來說，電解槽的不穩(wěn)定是由鋁液中的水平電流和垂直磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的電磁力引起的，電磁力的計(jì)算公式為F = JB。寫成三個(gè)方向分量的形式則變成
Fx = JyBz - JzBy
Fy = JzBx - JxBz(I)
Fz = JxBy - JyBx
當(dāng)Jx= O且辦=O時(shí)，則上述公式變?yōu)?br> Fx = -JzBy
Fy - JzBx⑵
式⑴和⑵中▽是電磁力是電流密度，B是磁場(chǎng)強(qiáng)度^z分別指電解槽的長(zhǎng)軸方向、短軸方向和垂直方向。從上面公式可以看出，當(dāng)電解槽水平電流密度Λ:，Jj均為O時(shí)，電磁力i 將不受
垂直方向的磁場(chǎng)Bz的影響。只要能在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中把水平電流密度I，辦控制得很小，即使磁環(huán)境差一些，電解槽仍可以穩(wěn)定地進(jìn)行生產(chǎn)。也就是說，水平電流密度變小后，電解槽穩(wěn)定性受垂直磁場(chǎng)&的影響將會(huì)變小。電解槽磁場(chǎng)設(shè)計(jì)最重要的任務(wù)就是想辦法降低垂直方向的磁場(chǎng)& ,從而增強(qiáng)電解槽的穩(wěn)定性，而減水平電流可以達(dá)到同樣的目的。由于電解槽鋁液層中長(zhǎng)軸方向的水平電流-很小，基本可以不予考慮，因此重點(diǎn)關(guān)注的是辦，即鋁液層短軸方向的水平電流，下文所說水平電流均指辦。傳統(tǒng)的電解槽陰極結(jié)構(gòu)中，在縱向陰極鋼棒截面是一樣大小的，由于槽中間鋁液比槽兩側(cè)鋁液距陰極鋼棒頭遠(yuǎn)，且電流從在陽(yáng)極中的豎直向下到鋼棒的橫向?qū)С觯虚g需要一個(gè)轉(zhuǎn)向過程，因此鋁液層中電流有從中間向兩邊流的趨勢(shì)，即從槽中間向外的水平電流，它是由電解槽的出電方式?jīng)Q定的。為了減小水平電流，通常的做法就是想辦法增加陰極鋼棒頭處的電阻，迫使電流往垂直方向流動(dòng)。以貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的420kA電解槽為例，在電解槽陰極結(jié)構(gòu)不做任何處理的情況下，鋁液層水平電流辦最大值在5000A/m2左右，平均值在2721A/m2，水平電流分布如圖I所示。由于水平電流密度大，會(huì)影響電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供變截面式鋼棒陰極結(jié)構(gòu)，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的水平電流密度大、影響電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性等不足。為了解決所述的技術(shù)問題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案
陰極鋼棒由傳統(tǒng)的等截面形狀改為變截面形狀，在槽中軸線處，其截面面積最大，向兩端逐漸收縮，出電口處其截面面積最小，如摘要附圖所示意。陰極鋼棒在中軸線處高度為ττ，在出電口處高度為m，滿足</Π</ ，
HHl 4H
值根據(jù)槽型不同在180mm到270mm之間。陰極鋼棒在中軸線處寬度為 Τ，在出電口處寬度為Π它們之間的關(guān)系為
< W7I < W，值根據(jù)槽型不同在65mm到IOOmm之間。。
4W陰極鋼棒在中軸線處截面面積為在出電口處截面面積力I它們之間的關(guān)系
為二 s <m <s。
16陰極炭塊本身不需做任何變化。由于鋼棒糊比陰極鋼棒的電阻率大，因此能迫使鋁液層中電流往垂直方向流動(dòng)。本發(fā)明施工簡(jiǎn)單，能大幅度地降低電解槽鋁液層短軸方向的水平電流，對(duì)于增強(qiáng)電解槽的穩(wěn)定性和降低其直流電耗都有非常重要的意義，無論是舊槽子的改造還是新槽子的設(shè)計(jì)都可以使用，因此本發(fā)明具有較高的實(shí)用價(jià)值，值得推廣。


圖I為傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)水平電流分布示意 圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖、主視 圖3為圖2的B— B剖視 圖4為圖2的A—A劑視 圖5為發(fā)明陰極結(jié)構(gòu)水平電流分布示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例如圖2、3、4所示意，陰極炭塊I、陰極鋼棒2、鋼棒糊3。陰極鋼棒2由傳統(tǒng)的等截面形狀改為變截面形狀，在槽中軸線處，其截面面積最大，向兩端逐漸收縮，出電口處其截面面積最小。陰極鋼棒2在中軸線處高度為H ,在出電口處高度為/H,它們之間的關(guān)系為Η = .9Η。陰極鋼棒2在中軸線處寬度為,，在出電口處寬度為Wl ,它們之間的關(guān)系為W\ = 0.99W。陰極炭塊本身不需做任何變化。由于鋼棒糊比陰極鋼棒的電阻率大，因此能迫使鋁液層中電流往垂直方向流動(dòng)。
從有限元法計(jì)算結(jié)果來看，采用本發(fā)明的陰極結(jié)構(gòu)以后，水平電流明顯降低，平均值由傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)下的2721 A/m2降低至了 1451A/m2 (如圖5所示意)，降幅達(dá)到47%，這就意味著變相地把垂直磁場(chǎng)優(yōu)化了 47%。
權(quán)利要求
1.一種變截面式鋼棒電解槽陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于陰極鋼棒(2)由傳統(tǒng)的等截面形狀改為變截面形狀，陰極鋼棒(2)在槽中軸線處截面面積最大，向兩端逐漸收縮，出電口處其截面面積最小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變截面式鋼棒陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于陰極鋼棒(2)在中軸線處高度力，在出電口處高度為m，滿足<捫 <片， 值在180mm到270mm之間。 1IHl 4H
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變截面式鋼棒陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于陰極鋼棒(2)在中軸線處寬度為，在出電口處寬度為■，滿足-W <W\<W ,值在65mm到IOOmm之間。 WWl 4W
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變截面式鋼棒陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于陰極鋼棒(2)在中軸線處截面面積為 ，在出電口處截面面積為m，滿足<51 <S。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種變截面式鋼棒陰極結(jié)構(gòu)，陰極鋼棒(2)由傳統(tǒng)的等截面形狀改為變截面形狀。在槽中軸線處，其截面面積最大，向兩端逐漸收縮，出電口處其截面面積最小，如摘要附圖所示意，。。陰極鋼棒(2)在中軸線處截面面積為，在出電口處截面面積為，它們之間的關(guān)系為。陰極炭塊本身不需做任何變化。由于鋼棒糊(3)比陰極鋼棒(2)的電阻率大，因此能迫使鋁液層中電流往垂直方向流動(dòng)。計(jì)算結(jié)果表明，本發(fā)明能把鋁液中水平電流平均值由傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)下的2721A/m2降低至了1451A/m2。
文檔編號(hào)C25C3/08GK102925925SQ20111022742
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月10日
發(fā)明者劉正, 楊朝紅 申請(qǐng)人:貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司