專利名稱：可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于鋁電解槽領(lǐng)域，特別是設(shè)計(jì)一種可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)霍爾-埃魯特法(Hall-H6roUlt)鋁電解工藝一直是工業(yè)煉鋁的唯一方法。在傳統(tǒng)鋁電解槽中，電流從鋁導(dǎo)桿流入槽內(nèi)，經(jīng)過陽(yáng)極、電解質(zhì)、鋁液及陰極炭塊與鋼棒從槽側(cè)部流出，由于電流的流出方向與流入方向成90度夾度，并且鋁液的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電解質(zhì)以及陰極炭塊，因此電流的轉(zhuǎn)向很大一部分發(fā)生在鋁液層中，形成了鋁液中的水平電流， 水平電流不僅會(huì)顯著增大垂直磁場(chǎng)，而且其與垂直磁場(chǎng)共同作用，影響槽內(nèi)磁流體的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)中炭塊與鋼棒都是水平結(jié)構(gòu)，沒有考慮在鋁液水平方向上存在的壓降對(duì)于水平電流產(chǎn)生的作用，因此鋁液中會(huì)有很大的水平電流，過大的水平電流引起過大的電磁力，進(jìn)而引起鋁液劇烈的波動(dòng)及電解質(zhì)-鋁液界面的嚴(yán)重變形，電解過程必須要在較高的極距條件下進(jìn)行，由此引起大量的無(wú)用能耗。因此，對(duì)于如何減小存在于鋁液中的水平電流，不僅對(duì)于鋁電解行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的良好發(fā)展具有重要意義，同時(shí)也是一項(xiàng)解決磁流體穩(wěn)定性的根本性手段。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種可以顯著減小鋁液中的水平電流，并且優(yōu)化鋁液中水平電流的分布以避免其水平電流密度較大的區(qū)域與垂直磁場(chǎng)較大的區(qū)域直接重疊的可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供的可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，包括陰極炭塊、陰極鋼棒和鋼棒炭糊，所述的陰極鋼棒與所述的陰極炭塊連接的一側(cè)設(shè)有至少一個(gè)突起或者設(shè)有至少一個(gè)墊高材料且通過所述的鋼棒炭糊與所述的陰極炭塊配套連接。所述的陰極鋼棒上設(shè)有的突起或者設(shè)有的墊高材料不出現(xiàn)在所述的陰極炭塊的兩端和中央部位。所述的陰極鋼棒為非通長(zhǎng)型，每根所述的陰極鋼棒上設(shè)有一個(gè)突起。所述的陰極鋼棒為通長(zhǎng)型，每根所述的陰極鋼棒上設(shè)有兩個(gè)突起。所述的陰極鋼棒的截面是矩形，若使用非通長(zhǎng)型的所述的陰極鋼棒則每根所述的陰極鋼棒上設(shè)有一塊所述的墊高材料，若使用通長(zhǎng)型的所述的陰極鋼棒則每根所述的陰極鋼棒設(shè)有二塊所述的墊高材料。所述的突起為連續(xù)突起或局部突起。所述的墊高材料的截面是矩形。采用上述技術(shù)方案的可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，陰極結(jié)構(gòu)整體外形不變，保持與傳統(tǒng)陰極一致的進(jìn)電與出電模式，并且組成部分與傳統(tǒng)陰極一致，均含有陰極炭塊、鋼棒炭糊、陰極鋼棒，其區(qū)別在于陰極炭塊內(nèi)部與陰極鋼棒連接部位即燕尾槽的形狀有所改變，因此不會(huì)引起除陰極炭塊外的鋁電解槽其他部位的重新設(shè)計(jì)及加工，也不會(huì)顯著影響陰極部分的生產(chǎn)及安裝。該陰極結(jié)構(gòu)使用突起或局部墊高的陰極鋼棒與陰極炭塊連接構(gòu)成，使得整個(gè)陰極結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)得到優(yōu)化，因此可以顯著減小鋁液中的水平電流， 并且優(yōu)化鋁液中水平電流的分布以避免其水平電流密度較大的區(qū)域與垂直磁場(chǎng)較大的區(qū)域直接重疊，所以采用此結(jié)構(gòu)的電解槽工作時(shí)鋁液波動(dòng)小、容易實(shí)現(xiàn)低極距條件下的生產(chǎn)， 使得槽電壓低、工作穩(wěn)定性強(qiáng)，綜合能耗低。本實(shí)用新型由于采用上述結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有陰極結(jié)構(gòu)相比具備如下優(yōu)點(diǎn)采用普通鋼棒結(jié)構(gòu)鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，水平電流密度最大的區(qū)域并不是出現(xiàn)在鋁液的邊部，也不出現(xiàn)在鋁液的中部，而是出現(xiàn)在鋁液層的中間偏邊部的位置。根據(jù)此種分布形態(tài)，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)中，由于陰極鋼棒或者陰極鋼棒的墊高材料均具有良好的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率要明顯大于陰極的碳素材料，因此在陰極結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)?yōu)化了電壓分布狀況，陰極鋼棒上的突出或墊高材料則更容易吸引電流從突起或墊高材料流入陰極鋼棒，從趨勢(shì)上即減小了電流在水平方向的偏轉(zhuǎn)，所以減小了鋁液中的水平電流。由于水平電流對(duì)垂直磁場(chǎng)有很大的貢獻(xiàn)作用，所以水平電流的減小也使得垂直磁場(chǎng)也有所減小，則水平電流與垂直磁場(chǎng)的作用力也更小。由于水平電磁力是引起鋁液波動(dòng)的重要原因已經(jīng)得到公認(rèn)，因此電磁力的減小會(huì)弱化鋁液的垂直波動(dòng)以及穩(wěn)定鋁液的水平流動(dòng)，則電解可以在較低的極距下進(jìn)行， 槽電壓可以大幅降低，減小鋁電解的能耗。綜上所述，本實(shí)用新型是一種可以顯著減小鋁液中的水平電流，并且優(yōu)化鋁液中水平電流的分布以避免其水平電流密度較大的區(qū)域與垂直磁場(chǎng)較大的區(qū)域直接重疊的可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)。

圖1是傳統(tǒng)的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)的半剖面示意圖。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1中的一個(gè)采用連續(xù)突起型陰極鋼棒的半剖面示意圖。圖3是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例2中的一個(gè)采用局部墊高型陰極鋼棒的半剖面示意圖。圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例3中的采用通長(zhǎng)并且連續(xù)突起型陰極鋼棒的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的剖視圖。圖5是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例4中的一個(gè)采用通長(zhǎng)并且局部突起型陰極鋼棒的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的剖視圖。圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例5中的一個(gè)采用非通長(zhǎng)并且連續(xù)突起型陰極鋼棒的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的剖視圖。圖7是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例6中的一個(gè)采用非通長(zhǎng)并且局部突起型陰極鋼棒的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的剖視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1
4[0024]如圖2所示是本實(shí)用新型的采用通長(zhǎng)并且連續(xù)突起型陰極鋼棒的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的剖視圖，由陰極炭塊1，陰極鋼棒2，鋼棒炭糊3組成。本實(shí)施例中，陰極炭塊1的總長(zhǎng)度3000 4000mm，寬400 700mm，高400 600mm，陰極炭塊1底部沿長(zhǎng)度方向開有一條截面連續(xù)變化的燕尾槽，與之對(duì)應(yīng)的一條燕尾槽內(nèi)嵌一根設(shè)有連續(xù)突起5的通長(zhǎng)的陰極鋼棒2，陰極鋼棒2上的連續(xù)突起5 (指陰極鋼棒在整個(gè)陰極內(nèi)的區(qū)域都處于一種斜坡的突起)的最高突起部位在距離陰極炭塊1出電端邊緣400 1200mm，連續(xù)突起5的最高突起部位的突起高度相對(duì)于普通鋼棒為50 120mm，陰極鋼棒2的加工按照從陰極鋼棒2上對(duì)應(yīng)于陰極炭塊1邊緣位置以及對(duì)應(yīng)于中間位置向最高點(diǎn)線性加高。此種結(jié)構(gòu)使鋁液中的電流更容易從連續(xù)突起5流入陰極鋼棒2，從而大幅度降低鋁液中的水平電流，避免水平電流較大的區(qū)域與垂直磁場(chǎng)最大的區(qū)域重疊，弱化鋁液的垂直波動(dòng)及穩(wěn)定水平流動(dòng)， 提高電解槽穩(wěn)定性，并較大的降低極距，最終使電解槽降低能耗。實(shí)施例2 如圖3所示是本實(shí)用新型的采用通長(zhǎng)并且局部墊高型陰極鋼棒的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的剖視圖，由陰極炭塊1，陰極鋼棒2，鋼棒炭糊3，墊高材料4組成。本實(shí)施例中，陰極炭塊1的總長(zhǎng)度3000 4000mm，寬400 700mm，高400 600mm，陰極炭塊1底部沿長(zhǎng)度方向開有一條燕尾槽，與之對(duì)應(yīng)的燕尾槽內(nèi)嵌一根局部設(shè)有墊高材料4的陰極鋼棒 2，陰極鋼棒2的截面是矩形，陰極鋼棒2按照傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，在進(jìn)行陰極結(jié)構(gòu)組裝時(shí)， 在對(duì)應(yīng)的燕尾槽內(nèi)的墊高部位加塞導(dǎo)電性良好的墊高材料4，墊高材料4的截面是矩形，并且使此墊高材料4與陰極鋼棒2保持良好的接觸。若使用非通長(zhǎng)型的陰極鋼棒2則每根陰極鋼棒2上設(shè)有一塊墊高材料4，若使用通長(zhǎng)型的陰極鋼棒2則每根陰極鋼棒2設(shè)有二塊墊高材料4。使此種結(jié)構(gòu)使鋁液中的電流更容易從墊高材料4流入陰極鋼棒2，從而大幅度降低鋁液中的水平電流，避免水平電流較大的區(qū)域與垂直磁場(chǎng)最大的區(qū)域重疊，弱化鋁液的垂直波動(dòng)及穩(wěn)定水平流動(dòng)，提高電解槽穩(wěn)定性，并較大的降低極距，最終使電解槽降低能
^^ ο實(shí)施例3 如圖4所示是本實(shí)用新型的采用通長(zhǎng)并且連續(xù)突起型陰極鋼棒的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的剖視圖，由陰極炭塊1，陰極鋼棒2，鋼棒炭糊3組成。本實(shí)施例中，陰極炭塊1的總長(zhǎng)度3000 4000mm，寬400 700mm，高400 600mm，陰極底部沿長(zhǎng)度方向開有二條截面連續(xù)變化的燕尾槽，與之對(duì)應(yīng)的每條燕尾槽內(nèi)嵌一根設(shè)有連續(xù)突起5的通長(zhǎng)的陰極鋼棒2，通長(zhǎng)的陰極鋼棒2上的連續(xù)突起5的最高突起部位在距離陰極炭塊1出電端邊緣400 1200mm，連續(xù)突起5的最高突起部位的突起高度相對(duì)于普通鋼棒為50 120mm， 陰極鋼棒2的加工按照從陰極鋼棒2上對(duì)應(yīng)于陰極炭塊1邊緣位置以及對(duì)應(yīng)于中間位置向最高點(diǎn)線性加高。此種結(jié)構(gòu)使鋁液中的電流更容易從連續(xù)突起5流入陰極鋼棒2，從而大幅度降低鋁液中的水平電流，避免水平電流較大的區(qū)域與垂直磁場(chǎng)最大的區(qū)域重疊，弱化鋁液的垂直波動(dòng)及穩(wěn)定水平流動(dòng)，提高電解槽穩(wěn)定性，并較大的降低極距，最終使電解槽降低能耗。實(shí)施例4 如圖5所示是本實(shí)用新型的采用通長(zhǎng)并且局部突起型陰極鋼棒的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的剖視圖，由陰極炭塊1，陰極鋼棒2，鋼棒炭糊3組成。本實(shí)施例中，陰極炭塊1的總長(zhǎng)度3000 4000mm，寬400 700mm，高400 600mm，陰極炭塊1底部沿長(zhǎng)度方向開
有二條截面部分連續(xù)變化的燕尾槽，與之對(duì)應(yīng)有每條燕尾槽內(nèi)嵌一根設(shè)有局部突起6的陰極鋼棒2，陰極鋼棒2上的局部突起6 (指陰極鋼棒在陰極內(nèi)的一小段的局部區(qū)域突起)的最高突起部位在距離陰極炭塊1出電端邊緣400 IOOOmm之間，局部突起6的最高突起部位的突起高度相對(duì)于普通鋼棒為50 120mm內(nèi)，陰極鋼棒2的加工按照從對(duì)應(yīng)于局部突起 6的突起部位兩邊100 400mm的兩位置向最高點(diǎn)線性加高，使此種結(jié)構(gòu)使鋁液中的電流更容易從局部突起6流入鋼棒，從而大幅度降低鋁液中的水平電流，避免水平電流較大的區(qū)域與垂直磁場(chǎng)最大的區(qū)域重疊，弱化鋁液的垂直波動(dòng)及穩(wěn)定水平流動(dòng)，提高電解槽穩(wěn)定性， 并較大的降低極距，最終使電解槽降低能耗。實(shí)施例5:如圖6所示是本實(shí)用新型的采用非通長(zhǎng)并且連續(xù)突起型陰極鋼棒的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的剖視圖，由陰極炭塊1，陰極鋼棒2，鋼棒炭糊3組成。本實(shí)施例中，陰極炭塊1的總長(zhǎng)度3000 4000mm，寬400 700mm，高400 600mm，陰極炭塊1底部沿長(zhǎng)度方向開有數(shù)條截面連續(xù)變化的燕尾槽，與之對(duì)應(yīng)有每條燕尾槽內(nèi)嵌一根設(shè)有連續(xù)突起5 的陰極鋼棒2，陰極鋼棒2上的連續(xù)突起5的最高突起部位在距離陰極炭塊1出電端邊緣 400 IOOOmm之間，連續(xù)突起5的最高突起部位的突起高度相對(duì)于普通鋼棒為50 120mm 內(nèi)，陰極鋼棒2的加工按照從陰極鋼棒2上對(duì)應(yīng)于陰極炭塊1邊緣位置以及對(duì)應(yīng)于陰極鋼棒2內(nèi)端位置向最高點(diǎn)線性加高，此種結(jié)構(gòu)使鋁液中的電流更容易從連續(xù)突起5流入陰極鋼棒2，從而大幅度降低鋁液中的水平電流，避免水平電流較大的區(qū)域與垂直磁場(chǎng)最大的區(qū)域重疊，弱化鋁液的垂直波動(dòng)及穩(wěn)定水平流動(dòng)，提高電解槽穩(wěn)定性，并較大的降低極距，最終使電解槽降低能耗。實(shí)施例6 如圖7所示是本實(shí)用新型的采用非通長(zhǎng)并且局部突起型陰極鋼棒的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的剖視圖，由陰極炭塊1，陰極鋼棒2，鋼棒炭糊3組成。本實(shí)施例中，陰極炭塊1的總長(zhǎng)度3000 4000mm，寬400 700mm，高400 600mm，陰極炭塊1底部沿長(zhǎng)度方向開有數(shù)條截面部分連續(xù)變化的燕尾槽，與之對(duì)應(yīng)有每條燕尾槽內(nèi)嵌一根設(shè)有局部突起 6的陰極鋼棒2，陰極鋼棒2上的局部突起6的最高突起部位在距離陰極炭塊1出電端邊緣 400 IOOOmm之間，局部突起6的最高突起部位的突起高度相對(duì)于普通鋼棒為50 120mm 內(nèi)，陰極鋼棒2的加工按照從對(duì)應(yīng)于局部突起6兩邊100 400mm的兩位置向最高點(diǎn)線性加高，此種結(jié)構(gòu)使鋁液中的電流更容易從局部突起6流入陰極鋼棒2，從而大幅度降低鋁液中的水平電流，避免水平電流較大的區(qū)域與垂直磁場(chǎng)最大的區(qū)域重疊，弱化鋁液的垂直波動(dòng)及穩(wěn)定水平流動(dòng)，提高電解槽穩(wěn)定性，并較大的降低極距，最終使電解槽降低能耗。
權(quán)利要求1.一種可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，包括陰極炭塊(1)、陰極鋼棒 (2)和鋼棒炭糊(3)，其特征是所述的陰極鋼棒( 與所述的陰極炭塊(1)連接的一側(cè)設(shè)有至少一個(gè)突起或者設(shè)有至少一個(gè)墊高材料(4)且通過所述的鋼棒炭糊C3)與所述的陰極炭塊(1)配套連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，其特征是 所述的陰極鋼棒( 上的突起或者墊高材料(4)不出現(xiàn)在所述的陰極炭塊(1)的兩端和中央部位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，其特征是所述的陰極鋼棒( 為非通長(zhǎng)型，每根所述的陰極鋼棒( 上設(shè)有一個(gè)突起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，其特征是所述的陰極鋼棒( 為通長(zhǎng)型，每根所述的陰極鋼棒( 上設(shè)有兩個(gè)突起。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，其特征是所述的陰極鋼棒(2)的截面是矩形，使用非通長(zhǎng)型的所述的陰極鋼棒(2)則每根所述的陰極鋼棒(2)上設(shè)有一塊所述的墊高材料，或使用通長(zhǎng)型的所述的陰極鋼棒(2)則每根所述的陰極鋼棒( 設(shè)有二塊所述的墊高材料G)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，其特征是所述的突起為連續(xù)突起( 或局部突起(6)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，其特征是所述的墊高材料的截面是矩形。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種可控調(diào)節(jié)鋁液中水平電流的鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)，通過使用連續(xù)或部分突起型陰極鋼棒或者通過在普通矩形鋼棒與陰極炭塊間部分位置加墊導(dǎo)電性良好的墊高材料使得陰極結(jié)構(gòu)可對(duì)鋁液中水平電流分布及大小進(jìn)行重新調(diào)整。此種陰極根據(jù)實(shí)際槽型設(shè)計(jì)確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用于鋁電解槽時(shí)可以顯著的減小鋁液中的水平電流，并且優(yōu)化鋁液中水平電流的分布以避免其水平電流密度較大的區(qū)域與垂直磁場(chǎng)較大的區(qū)域重疊，從而起到弱化鋁液的垂直波動(dòng)以及穩(wěn)定熔體水平運(yùn)動(dòng)的作用，使電解可以在較低的極距下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)大幅降低能耗，并且此陰極結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)C25C3/08GK202099391SQ20112010379
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月11日
發(fā)明者丁鳳其, 張紅亮, 徐宇杰, 李劼, 楊帥, 王化雨, 賴延清, 郭龍 申請(qǐng)人:中南大學(xué), 湖南中大業(yè)翔科技有限公司, 湖南中大冶金設(shè)計(jì)有限公司