本發(fā)明涉及使用hall-héroult工藝生產(chǎn)鋁；尤其涉及為了能量消耗的降低、電流效率的最大化以及單元生成率的提高的收集器棒的優(yōu)化。

背景技術(shù)：

鋁是通過hall-héroult工藝、通過在高達1000℃的溫度電解溶解在冰晶石基電解質(zhì)中的氧化鋁來生產(chǎn)的。典型的hall-héroult單元由鋼殼、耐火材料的絕緣內(nèi)襯和保持液態(tài)金屬的碳陰極構(gòu)成。陰極由多個陰極塊組成，其中收集器棒嵌入在所述多個陰極塊的底部以提取流過單元的電流。

許多專利出版物已經(jīng)提出了用于使液態(tài)金屬到收集器棒的端部之間的電壓降最小化的不同做法。wo2008/062318提出使用與現(xiàn)有的鋼收集器棒互補的高導(dǎo)電材料并給出對wo02/42525、wo01/63014、wo01/27353、wo2004/031452和wo2005/098093的參考，這些參考公開了在鋼收集器棒內(nèi)部使用銅插入件的解決方案。美國專利4,795,540將陰極以及收集器棒拆分成區(qū)段。wo2001/27353和wo2001/063014在收集器棒內(nèi)部使用高導(dǎo)電材料。us2006/0151333涵蓋了在收集器棒中使用不同的電導(dǎo)率。wo2007/118510提出當朝著單元的中心移動時增加收集器棒的區(qū)段，用于改變在陰極的表面處的電流分布。us5,976,333和6,231,745給出了在鋼收集器棒內(nèi)部使用銅插入件。ep2133446a1描述了用于改變陰極的表面幾何形狀以便穩(wěn)定金屬焊盤表面處的波并因此使acd(陽極至陰極距離)最小化的陰極塊布置。

wo2011/148347描述了鋁生產(chǎn)單元的碳陰極，該碳陰極包括密封在碳陰極內(nèi)的外殼中的高導(dǎo)電插入件。這些插入件更改陰極體的導(dǎo)電性，但是不參與由收集器棒進行的電流收集和提取。

熔融冰晶石的電導(dǎo)率非常低，通常為220ω^-1m^-1，并且由于磁流體動力學不穩(wěn)定性的形成導(dǎo)致在金屬浴(金屬-冰晶石電解質(zhì))界面處的波浪，因此acd不能大大降低。波浪的存在導(dǎo)致該工藝的電流效率的損失，并且不允許降低臨界值下的能量消耗。在鋁工業(yè)中平均而言，電流密度使得acd中的電壓降最小為0.3v/cm。因為acd為3至5cm，所以acd中的電壓降通常為1.0v至1.5v。液態(tài)金屬內(nèi)部的磁場是在外部母線中流動的電流和內(nèi)部電流的結(jié)果。液態(tài)金屬內(nèi)部的內(nèi)部局部電流密度主要由陰極幾何形狀和陰極的局部電導(dǎo)率來限定。磁場和電流密度產(chǎn)生洛倫茲力場，其本身生成金屬表面輪廓(contour)、金屬速度場，并針對磁流體動力學單元穩(wěn)定性限定基本環(huán)境。單元穩(wěn)定性可以表示為降低acd而不在金屬墊的表面處生成不穩(wěn)定波的能力。穩(wěn)定性水平依賴于電流密度和感應(yīng)磁場，也依賴于液態(tài)金屬池的形狀。池的形狀依賴于陰極的表面和凸緣形狀?，F(xiàn)有技術(shù)解決方案響應(yīng)于對所需的磁流體動力學狀態(tài)的給定水平以滿足良好的單元穩(wěn)定性(低acd)，但是使用銅插入件的解決方案非常昂貴并且常常需要復(fù)雜的機械加工工藝。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)鋁的hall-héroult單元的碳陰極的陰極電流收集器(currentcollector)，其類型為該陰極電流收集器包括中心區(qū)段，該中心區(qū)段包括至少一個在使用中位于碳陰極下方的高導(dǎo)電金屬棒，該高導(dǎo)電金屬具有比鋼的電導(dǎo)率更大的電導(dǎo)率。

根據(jù)本發(fā)明，高導(dǎo)電連接器棒包括位于碳陰極的中心部分下方的中心部分，通常直接位于陰極槽或通孔中或者使用u形輪廓作為支撐件，高導(dǎo)電連接器棒的這個中心部分使得至少其上部外表面與碳陰極直接電接觸或者通過由施加在高導(dǎo)電連接器棒的表面上方的導(dǎo)電膠和/或?qū)щ娙嵝圆蚱纬傻膶?dǎo)電界面與碳陰極接觸。高導(dǎo)電連接器棒包括與所述中心部分的一側(cè)或兩側(cè)相鄰并在所述中心部分的一側(cè)或兩側(cè)上的一個或兩個外部部分，以及從所述(一個或多個)外部部分向外延伸的一個或多個端部部分。而且，高導(dǎo)電收集器棒的這些(一個或多個)終端部分各自串聯(lián)電連接到具有比高導(dǎo)電性連接器棒更大的截面面積的鋼導(dǎo)體棒，所述(一個或多個)鋼導(dǎo)體棒向外延伸，用于連接到外部電流源母線。

高導(dǎo)電棒可以嵌入到具有或不具有u形梁的陰極槽或通孔中。但是，可以在整個嵌入?yún)^(qū)域上方實現(xiàn)電接觸：特別是在高導(dǎo)電棒的頂部和側(cè)面上方。

有利地，高導(dǎo)電金屬選自銅、鋁、銀及其合金，優(yōu)選地是銅或銅合金。

高導(dǎo)電金屬的上部和可選地側(cè)面的表面可以被粗糙化或設(shè)置有凹陷(諸如凹槽)或凸起(諸如翅片)，以增強與碳陰極的接觸。

當高導(dǎo)電金屬和碳陰極之間存在導(dǎo)電界面時，這種導(dǎo)電界面可以選自金屬布、金屬網(wǎng)或金屬泡沫，優(yōu)選地是銅、銅合金、鎳或鎳合金、或者石墨箔或石墨織物、或者導(dǎo)電膠層，或者其組合。有利地，導(dǎo)電界面包括可以通過將2-組分可硬化膠的液體組分與固體含碳組分混合而獲得的基于碳的導(dǎo)電膠。

依賴于單元設(shè)計，高導(dǎo)電金屬棒的側(cè)面和可選地底部可以直接或間接地接觸與碳陰極接觸的搗固糊或耐火磚。

高導(dǎo)電金屬棒可以機械加工成具有至少一個槽或設(shè)置有另一個空間，槽或空間被布置成通過允許高導(dǎo)電金屬向內(nèi)膨脹到由(一個或多個)槽提供的空間中來補償陰極中的棒的熱膨脹。

高導(dǎo)電金屬棒的終端部分優(yōu)選地串聯(lián)電連接到形成過渡接頭的鋼導(dǎo)體棒，其中高導(dǎo)電金屬棒和鋼導(dǎo)體棒部分地彼此重疊并且通過焊接、通過導(dǎo)電膠和/或通過施加機械壓力(諸如夾具，以實現(xiàn)壓力裝配，或通過熱膨脹固定的接頭)固定在一起?？商娲兀潭ǖ亩瞬坎糠直宦菁y連接在一起。形成過渡接頭的鋼棒向外延伸，用于連接到單元外部的母線網(wǎng)絡(luò)，鋼棒的向外延伸的端部區(qū)段具有增加的截面，以減小電壓降并確保單元的熱平衡。

由于高導(dǎo)電金屬上的碳陰極的重量，并且通過高導(dǎo)電金屬的受控的熱膨脹，陰極碳可以與高導(dǎo)電金屬的開放的上部外表面電接觸。

上面提到的高導(dǎo)電連接器棒的(一個或多個)外部部分通常在單元底部的導(dǎo)電部分之下延伸或通過單元底部的導(dǎo)電部分，在這種情況下，高導(dǎo)電連接器棒的這些外部部分與單元底部的導(dǎo)電部分電絕緣，尤其是與碳陰極的側(cè)面部分或搗固糊電絕緣。高導(dǎo)電金屬棒的一些區(qū)段通過被封在絕緣體中而方便地與單元底部的導(dǎo)電部分絕緣，尤其是通過被封在一片或多片絕緣材料(諸如包裹在所述(一個或多個)外部部分周圍的氧化鋁)中或者一層電絕緣膠或水泥或者任何可以承受高達1200℃的絕緣材料中而方便地與單元底部的導(dǎo)電部分絕緣。

在特定的實施例中，陰極電流收集器的中心區(qū)段中的高導(dǎo)電金屬棒被保持在由在hall-héroult單元陰極中的溫度處保持其強度的材料制成的u形輪廓中。這種u形輪廓可以具有在所述棒的下方的底部并且棒擱置在該底部上、具有可選地至少一個直立的翅片，以及具有在側(cè)面上延伸并與高導(dǎo)電棒的側(cè)面隔開或接觸的側(cè)面區(qū)段。所述高導(dǎo)電棒至少具有上部部分以及可選地還具有由u形輪廓任其自由的側(cè)面部分，以使得高導(dǎo)電金屬可以直接或經(jīng)由導(dǎo)電界面與碳陰極接觸。高導(dǎo)電金屬的開放的上部和優(yōu)選地還有側(cè)面與碳陰極直接接觸或通過導(dǎo)電界面與碳陰極接觸。u形輪廓通常由諸如鋼的金屬或者由混凝土或陶瓷制成。

本發(fā)明還涉及裝配有如上所述的陰極電流收集器組件的用于生產(chǎn)鋁的hall-héroult單元。

本發(fā)明的進一步說明

陰極電流收集器的中心部分中的高導(dǎo)電金屬棒與碳陰極直接電接觸或者可以膠合到碳陰極。它可以例如嵌入在凹槽或孔中，在凹槽或孔中它可以膠合或者通過施加在高導(dǎo)電連接器棒的表面上方的柔性箔或片來固定。膠通常是導(dǎo)電的基于碳的雙組分膠。

高導(dǎo)電連接器棒包括位于碳陰極外部的外部部分，以將高導(dǎo)電連接器連接到常規(guī)鋼棒(過渡接頭)以將電流提取到單元外部。

依賴于陰極設(shè)計，高導(dǎo)電棒可以被布置成單個棒或者被允許熱膨脹的間隙平行隔開的多個棒。

在一個實施例中，與由u形輪廓支撐的中心部分相鄰并在該中心部分外部定位的陰極收集器棒的部分是電絕緣的，以便與陰極的導(dǎo)電部件(尤其是與碳陰極的側(cè)面部分或搗固糊)電絕緣，即，當電流收集器安裝在單元中時。

高導(dǎo)電金屬的電導(dǎo)率大于鋼的電導(dǎo)率(鋼在現(xiàn)有技術(shù)的單元中以封裝高導(dǎo)電金屬(諸如銅)的管狀護套的形式使用)，并且優(yōu)選地選自銅、鋁、銀及這些金屬之間的合金，并且可能具有其它合金金屬。高導(dǎo)電金屬優(yōu)選地由銅或銅合金制成。

如所提到的，有利地，高導(dǎo)電金屬的開放的上部自由部分和側(cè)面的表面被粗糙化，用于增強與碳陰極的接觸。例如，可以通過機械加工操作來對其進行粗糙化。典型的表面粗糙度由從粗糙度剖面(表面的截面)的峰到底部的平均距離定義?？梢允褂?.2mm至4mm(或更高)的粗糙度值。可以利用研磨工具(對于較低的值)或通過機械操作(諸如機械加工、壓印、雕刻或滾花)來獲得粗糙的表面。表面的粗糙化可以與翅片、肋條或凹槽組合，以增加機械保持。

當存在u形輪廓時，高導(dǎo)電金屬的上部自由部分可以是平坦的并且與u形輪廓的開放的頂部齊平，或者它可以從中心部分和/或從u形輪廓的頂部突出，以便具有與碳陰極直接或通過導(dǎo)電界面接觸的任何形狀(特別是圓形或矩形或翅片形，以提高電接觸面積和機械保持)的突出的上部和側(cè)面。

嵌入陰極底部的棒(有或沒有u形輪廓或梁或其它支撐件)由例如銅制成，直到陰極塊的外部橫向正面。從這個位置開始，銅棒與過渡接頭串聯(lián)電連接。過渡接頭是陰極棒的最終端部件。它被用來退出單元框架，并且充當單元內(nèi)部的銅棒和單元框架外部的母線之間的過渡接頭。過渡接頭使得可以在現(xiàn)有單元上實現(xiàn)新概念，而無需對單元框架和母線進行任何修改。每種單元技術(shù)可以具有不同類型的過渡接頭，以符合單元外部母線的現(xiàn)有設(shè)計。

因此，高導(dǎo)電陰極電流收集器棒的中心區(qū)段由向外延伸以連接到單元外部的電流源的端部區(qū)段(過渡接頭)延伸。這些由鋼制成的向外延伸的端部區(qū)段具有增加的截面以降低端部區(qū)段的溫度，例如與單元外的溫度相比將其溫度降低至大約+200℃。

收集器棒的端部因此可以通過過渡接頭連接到單元的外部母線。這些過渡接頭可以通過機械壓力、焊接、熱膨脹、機械鎖定、壓力裝配、螺紋連接或其組合固定到高導(dǎo)電棒。這個過渡接頭可以被成形為使得外部撓性件(flex)到現(xiàn)有母線的連接位置保持不變，從而避免對現(xiàn)有殼體和對母線的連接系統(tǒng)的任何修改。

在本發(fā)明的陰極電流收集器組件的一個實施例中，高導(dǎo)電收集器棒和/或u形輪廓的側(cè)面和底部可以接觸與碳陰極接觸的搗固糊。但是，搗固糊不應(yīng)當延伸到高導(dǎo)電金屬的接觸表面之上。

如所提到的，為了控制施加到陰極槽的側(cè)面的力，可以通過在高導(dǎo)電收集器棒內(nèi)部機械加工一個或多個槽來控制嵌入陰極槽中的高導(dǎo)電收集器棒的熱膨脹。當達到工作溫度時，這些槽的間隙閉合。獲得膨脹槽的另一種方式是通過隔開兩個分開的高導(dǎo)電收集器棒。

使用根據(jù)本發(fā)明的陰極電流收集器棒，增加了碳陰極的導(dǎo)電性，使得陰極塊的有用高度可以提高10％至30％，這依賴于原始陰極設(shè)計和新收集器棒的高導(dǎo)電金屬的上部接觸輪廓的設(shè)計。通過增加陰極塊的高度，可以相應(yīng)地增加陰極的使用壽命以及因此增加單元的使用壽命。

使用根據(jù)本發(fā)明的陰極電流收集器棒還導(dǎo)致在液態(tài)金屬中和/或在碳陰極內(nèi)部的優(yōu)化的電流分布，從而允許在較低電壓處操作單元。較低的電壓由較低的陽極到陰極距離(acd)和/或碳陰極內(nèi)部從液態(tài)金屬到收集器棒端部的降低的電壓降產(chǎn)生。

代替使用u剖面，可以將棒放在鉆入陰極的孔中。在那種情況下，高導(dǎo)電材料將與膠一起被推入孔中。高導(dǎo)電材料的表面可以被開槽(滾花)，使得接觸表面增加，并且膠的抓力也增加。在這個實施例中，至少在陰極的中心區(qū)段中高導(dǎo)電金屬棒被包含在碳陰極中的通孔中，由此高導(dǎo)電金屬棒被支撐在碳陰極的底層部分上并被碳陰極中的通孔的表面包圍并優(yōu)選地與碳陰極中的通孔的表面直接電接觸。

如上面所討論的，相對于碳陰極的熱膨脹的控制可以通過將一個或多個槽機械加工到高導(dǎo)電棒中或通過使用兩個或更多個隔開的棒來實現(xiàn)。

本發(fā)明的詳細解釋

本發(fā)明基于以下洞察：通過對收集器棒設(shè)計及其對單元磁流體動力學穩(wěn)定性的影響的徹底研究，有可能使用更好和更便宜的技術(shù)來通過將導(dǎo)電棒嵌入陰極下方特定距離上的凹陷匹配座中(優(yōu)選地與碳陰極直接接觸)以實現(xiàn)作為收集器棒的高導(dǎo)電材料(銅或其它)。機械保持和容納可以通過使用u形輪廓從下面包含棒來實現(xiàn)。機械保持也可以通過將高導(dǎo)電金屬棒插入陰極中的通孔中來實現(xiàn)。

本發(fā)明基于以下觀察：單元壽命受到主要由陰極中的電流密度模式驅(qū)動的化學和機械侵蝕的限制。為了增加陰極厚度以及因此增加單元壽命，本發(fā)明的收集器棒被簡單地放置在陰極平坦表面下方或者裝配到陰極下方的凹陷的匹配座中，使得碳陰極和高導(dǎo)電收集器棒之間的接觸通過碳陰極的重量或通過收集器棒的上部接觸輪廓線上的機械精密裝配來實現(xiàn)，其中接觸輪廓線可以是水平平坦、圓形、橢圓形、翅片形或者從平坦到凸起的一般任何形狀。

為了隨著時間的推移更好地確保導(dǎo)電棒相對于陰極的接觸和位置，可以布置u形輪廓，以機械地鉤到在陰極座中機械加工的橫向定位槽。銅或其它高導(dǎo)電收集器棒與碳陰極之間的接觸可以通過使用放置在放置于u形輪廓中的高導(dǎo)電材料的頂部上的“界面材料”來改善。界面材料可以是金屬泡沫(諸如鎳泡沫或銅泡沫)和/或穿透碳塊的結(jié)構(gòu)化表面(諸如金屬網(wǎng)或?qū)щ娔z層或者石墨箔或織物)或上述“界面材料”中一些的組合。這些界面材料還具有補償高導(dǎo)電金屬相對于碳陰極的不同熱膨脹的功能。

為了確保陰極中和液態(tài)金屬內(nèi)部的優(yōu)化電流密度，從而允許增加單元中的電流，高導(dǎo)電金屬的截面被計算并依賴于碳陰極電導(dǎo)率、陰極尺寸以及甚至單元中的陽極位置。在中心區(qū)域外部，收集器棒應(yīng)當在電流輸出側(cè)的特定距離和選定間隔上絕緣，以確保在陰極表面的平滑電流密度，并且液態(tài)金屬中幾乎沒有水平電流。

而且，為了降低收集器棒和碳陰極之間的接觸電阻，可以在高導(dǎo)電電流收集器和可選地u形輪廓的下側(cè)上使用搗固糊床。

本發(fā)明還涉及用于生產(chǎn)利用本發(fā)明性陰極電流收集器或利用本發(fā)明性陰極電流收集器組件改進的生產(chǎn)鋁的hall-héroult單元。

附圖說明

將參考附圖通過實施例進一步描述本發(fā)明，其中：

圖1是通過裝備有根據(jù)本發(fā)明的收集器棒的hall-héroult單元的示意性截面。

圖2是通過收集器棒的第一實施例的截面，示出了u形輪廓。

圖3是通過收集器棒的第二實施例的截面，示出了另一個u形輪廓。

圖4是跨根據(jù)本發(fā)明的具有u形輪廓的配備有電流收集器的陰極以及參考陰極的電流密度的曲線圖。

圖5a是通過陰極的截面，示出了膠合到碳陰極的收集器棒的高導(dǎo)電材料。

圖5b是通過陰極的截面，示出了與碳陰極直接電接觸的收集器棒的高導(dǎo)電材料。

圖6是通過根據(jù)本發(fā)明的陰極電流收集器組件的另一個實施例的截面圖。

圖7例示了陰極電流收集器棒的高導(dǎo)電材料如何連接到用于將電流引導(dǎo)到單元外部的鋼棒(過渡接頭)。

圖8示出了陰電流收集器棒的高導(dǎo)電金屬到將電流引導(dǎo)到單元外部的鋼棒的替代連接。

圖9示出了陰電流收集器棒的高導(dǎo)電金屬到將電流引導(dǎo)到單元外部的鋼棒的另一種替代連接。

圖10a示出了被機械加工以創(chuàng)建允許熱膨脹的凹槽的電流收集器棒的高導(dǎo)電材料。

圖10b示出了被機械加工以創(chuàng)建允許熱膨脹的凹槽并直接接觸碳陰極的電流收集器棒的高導(dǎo)電材料。

圖10c示出了與碳陰極直接接觸的電流收集器棒的高導(dǎo)電材料，其被加工成創(chuàng)建允許熱膨脹的槽并被包含在u形鋼梁中。

圖11示出了成形為增加陰極和膠合到陰極塊的高導(dǎo)電材料之間的表面積的高導(dǎo)電材料15。

圖12示出了電流收集器棒的高導(dǎo)電材料層，其以上側(cè)面直接接觸碳陰極并以下側(cè)面直接接觸u形鋼梁的中心折疊翅片。

圖13a示出了由u形鋼梁的中心垂直翅片拆分成兩個分開的導(dǎo)電部分的高導(dǎo)電材料，每個導(dǎo)電部分從上側(cè)和橫向面直接接觸碳陰極。

圖13b示出了由u形鋼梁的中心垂直翅片分裂成兩個分開的導(dǎo)電部分并與碳陰極電絕緣的高導(dǎo)電材料。

圖13c示出了通過u形鋼梁的兩個分開的垂直翅片中的每個被拆分成兩個分開的導(dǎo)電部分并與碳陰極直接接觸的高導(dǎo)電材料。

圖14示出了支撐件上的高導(dǎo)電材料，并且從上側(cè)和橫向側(cè)與碳陰極直接接觸。

圖15示出了插入石墨碳塊中的孔中的開槽銅管。

圖16示出了插入石墨碳塊中的孔中的實心銅桿。

圖17示出了插入石墨碳塊中的孔中的兩根銅桿，一個桿具有用于熱膨脹的間隙。

圖18是彎曲成u形的銅棒的透視圖，該銅棒具有嵌在石墨陰極塊中的兩條腿，u形銅棒的短區(qū)段被壓力裝配在鋼過渡接頭中。

具體實施方式

圖1示意性地示出了hall-héroult鋁生產(chǎn)單元1，包括碳陰極單元底部4、碳陰極單元底部4上的液體陰極鋁的池2、在鋁池2的頂部上的含有溶解的氧化鋁的基于氟化物(即，冰晶石)的熔融電解質(zhì)3，以及懸掛在電解質(zhì)3中的多個陽極5。還示出了單元蓋6、根據(jù)本發(fā)明從單元容器8外部引入碳單元底部4的陰極電流收集器棒7以及陽極懸掛桿9。可以看出，收集器棒7被分成了區(qū)。區(qū)10電絕緣，并且區(qū)11由如圖2、圖3、圖5或圖6中所示的層組成。熔融電解質(zhì)3包含在凝固電解質(zhì)的外殼12中。以電串聯(lián)連接到收集器棒7的端部的鋼棒18突出到單元1的外部，用于連接到外部電流源。

收集器棒的區(qū)10例如通過被包裹在一片氧化鋁中或通過被包封在電絕緣的膠或水泥(cement)中而電絕緣。

圖2示出了由任何類型的耐溫導(dǎo)電或絕緣材料(例如鋼)制成的u形輪廓14和在u形輪廓14內(nèi)部的高導(dǎo)電材料15(諸如銅)，一起形成收集器棒。如所示出的，收集器棒可選地被焦炭床(即，搗固糊)13圍繞，以減小朝著碳陰極的電阻?？梢允垢邔?dǎo)電材料的自由頂表面16粗糙，以使電接觸電阻最小化。在一個變型中，u形輪廓的側(cè)面不延伸到高導(dǎo)電材料的頂部，而在另一個變型中，u形輪廓的側(cè)面比高導(dǎo)電材料寬并且與高導(dǎo)電材料隔開。

圖3示出了由任何類型的耐溫導(dǎo)電或絕緣材料(例如鋼)制成的u形輪廓14和高導(dǎo)電材料15(諸如銅)，一起形成在碳陰極4內(nèi)部使用“嵌入式”收集器棒的情況下的收集器棒。在這個實施例中，與銅/金屬15的頂部和u形輪廓14的開放頂部齊平的圖2相反，此處銅/金屬15與u形輪廓的兩個橫向側(cè)面分開，由此增加三個側(cè)面上的與碳陰極4的直接電接觸表面。銅/金屬15的下側(cè)擱置在作為機械支撐件的u形輪廓14的平坦底部上。

圖4示出了從陰極中心(點“0.0”)到陰極邊緣(點“1.8”)所看到的使用銅/金屬棒對陰極表面處的電流密度的典型影響。這些結(jié)果將在后面討論。

圖5a示出了封住高導(dǎo)電材料15和高導(dǎo)電材料周圍的膠16的陰極4，這種膠是導(dǎo)電的。

圖5b示出了封住與碳陰極4直接接觸的矩形區(qū)段的高導(dǎo)電材料的棒15的陰極4。

圖6示出了陰極4、高導(dǎo)電材料15和高導(dǎo)電材料周圍的膠16以及耐火磚17。高導(dǎo)電材料15被膠合到碳陰極4，但是僅在陰極的下部上膠合到碳陰極4，陰極的側(cè)面和下部由耐火磚17(諸如schamotte)或任何類型的電絕緣或甚至導(dǎo)電材料(諸如搗固糊)代替。

圖7示出了陰極4、高導(dǎo)電材料15和在高導(dǎo)電材料周圍并且在接觸表面上的膠16以及由將電流引導(dǎo)到單元外部的鋼棒18形成的過渡接頭。收集器棒的端部可以被壓合裝配在鋼棒18的機械加工區(qū)段中、在孔中，或者可以利用相同的膠被膠合。另一種類型的連接可以是使用拆分成通過螺栓連接或焊接夾緊在收集器棒上的兩個縱向部分的鋼過渡接頭。

圖8從底部示出了陰極4，其中高導(dǎo)電材料15的兩個邊緣到邊緣棒被膨脹間隙19分開并且被螺栓連接到將電流引導(dǎo)到單元外部的鋼棒18。通過使用這種螺栓連接，使用在陰極內(nèi)部也可以被隔開的兩個高導(dǎo)電金屬元件15以在陰極內(nèi)部提供熱膨脹間隙。

圖9示出了替代連接，其中鋼棒18由通過螺栓系統(tǒng)19連接在一起的兩個分開的元件制成。如所示出的，高導(dǎo)電材料15的端部也通過相同的螺栓系統(tǒng)19固定在拆分開的鋼棒18的端部中。

圖10a示出了電流收集器棒的高導(dǎo)電材料15，其被機械加工成創(chuàng)建在高導(dǎo)電金屬的棒的高度的主要部分上延伸的中心凹槽17，從而允許熱膨脹。在這個示例中，高導(dǎo)電材料15涂覆有將高導(dǎo)電材料15膠合到陰極4的導(dǎo)電膠16。

圖10b示出了電流收集器棒的高導(dǎo)電材料15，其被機械加工成創(chuàng)建在高導(dǎo)電金屬的棒的高度的主要部分上延伸的中心凹槽17，從而允許熱膨脹。在這個示例中，高導(dǎo)電材料15與碳陰極4直接接觸。代替機械加工的凹槽，兩個或更多個高導(dǎo)電金屬的棒可以以面對著隔開的關(guān)系彼此隔開。

圖10c示出了電流收集器棒的高導(dǎo)電材料15，其被機械加工成創(chuàng)建在高導(dǎo)電金屬的棒的高度的主要部分上延伸的中心凹槽17，從而允許熱膨脹。在這個示例中，高導(dǎo)電材料15與碳陰極直接接觸并且由比高導(dǎo)電材料寬的u形鋼梁14從下面支撐。

圖11示出了高導(dǎo)電材料15，其上表面由一系列肋條或其它突起成形，以增加陰極4和高導(dǎo)電材料15之間的表面面積，其中高導(dǎo)電材料15由導(dǎo)電膠層16膠合到陰極塊4。

圖12示出了電流收集器棒的高導(dǎo)電材料層15，其通過其上側(cè)面與碳陰極4直接接觸，并且通過其下側(cè)面裝配在u形鋼梁14的中心折疊翅片14a上方并與該中心折疊翅片14a接觸?？梢杂卸嘤谝粋€作為u形梁區(qū)段14的部分的垂直折疊翅片14a。

圖13a示出了由寬u型鋼梁14的中心垂直翅片14a拆分成兩個分開的導(dǎo)電部分的高導(dǎo)電材料15，每個導(dǎo)電部分都從其上側(cè)面和橫向面直接接觸到碳陰極4。

圖13b示出了通過寬u型鋼梁14的中心垂直翅片14a拆分成兩個分開的導(dǎo)電部分的高導(dǎo)電材料15，每個導(dǎo)電部分在其長度上的需要絕緣的一些片段上(即，在區(qū)10(圖1)中)通過沉積在導(dǎo)電材料的上側(cè)面和橫向面與碳陰極4之間的電絕緣材料層20與陰極4電絕緣。

圖13c示出了通過u形鋼梁14的兩個分開的垂直翅片14a中的每個被拆分成兩個分開的導(dǎo)電部分的高導(dǎo)電材料15，每個導(dǎo)電部分從其上側(cè)面和橫向面直接接觸碳陰極4。可以有多于兩個的垂直翅片14a。

圖14示出了通過其上側(cè)面和橫向側(cè)面與碳陰極4直接接觸的高導(dǎo)電材料15的棒。高導(dǎo)電材料15的下側(cè)面通過“平坦的”鋼梁14b或者通過與高導(dǎo)電材料15共同延伸并支撐高導(dǎo)電材料15的搗固糊或膠來支撐。如前所述，高導(dǎo)電材料可以通過凹槽被拆分，或者可以存在彼此隔開的多于一部分的高導(dǎo)電材料。支撐梁14b可以由若干層(例如，搗固糊上方的鋼層)制成。

圖15示出了插入石墨碳塊4中的圓柱形孔中的開槽銅管15a。銅管15a沿其長度開槽，以在單元到達其工作溫度時提供足夠的間隙來適應(yīng)銅管15a的熱膨脹。開槽管15a的外表面優(yōu)選地與塊4的石墨直接電接觸。

圖16示出了插入石墨碳塊4中的孔中的實心銅桿15b。在這種情況下，膨脹余量可以通過精密裝配來實現(xiàn)。換句話說，在插入之前，塊4中的圓柱形孔的直徑和桿15b的直徑被計算以使得桿舒適地裝配在孔中，并且隨著單元的溫度上升，桿15b膨脹以緊緊地裝配在孔中。

圖17示出了插入石墨碳塊4中的孔中的兩個銅桿，一個桿15b是如圖16中所示的平面圓柱形桿，以及另一個桿15b′具有用于熱膨脹的直徑間隙。

圖15、16和17示出了具有圓形截面的銅棒，但是值得提到的是，該概念可以應(yīng)用到任何幾何形狀的孔和插入的棒/管。所例示的包含銅導(dǎo)體的圓形孔具有由塊的底層的碳從下面密封的優(yōu)點。因此，不需要用于在下面支撐的支撐u形梁。

圖18是用于將高導(dǎo)電(銅)棒的外部部分連接到過渡接頭的特定實施例的透視圖。如所示出的，銅棒15被彎曲成具有兩個腿的u形，兩個腿嵌入石墨陰極塊4的下側(cè)的凹槽中，兩條腿從該凹槽突出。在u形銅棒15的突出端部處的短區(qū)段15c被壓合裝配在朝著鋼過渡接頭18的端部定位的橫向凹槽中。這個過渡接頭18的端部部分裝配在銅棒15的兩條腿之間并且過渡接頭18比銅棒15的腿的厚度更深?？偟膩碚f，過渡接頭18的截面面積大于銅棒15的兩條腿的組合截面面積。銅棒15與過渡接頭18的緊密裝配可以通過銅在過渡接頭18的橫向凹槽中的熱膨脹來提供。

高導(dǎo)電收集器棒的進一步描述

高導(dǎo)電收集器棒的使用可以降低來自液態(tài)金屬2和收集器棒的端部部分的電壓降。有或沒有u形輪廓14或支撐梁14b的銅或其它高導(dǎo)電材料15還有助于減小陽極到陰極距離(acd)，從而允許特定能量消耗的降低，以及允許陰極高度的增加從而導(dǎo)致單元壽命增加。

在母線系統(tǒng)的功能和單元幾何形狀方面優(yōu)化長度l1、l2和l3(圖1)以便優(yōu)化單元穩(wěn)定性。實際上，通過收集器棒的電流的再分配允許好得多的磁流體動力學單元狀態(tài)，這將允許減小acd同時增加電流，并因此使能量消耗最小化。這由在液態(tài)金屬池中間的水平區(qū)段中的均勻的垂直電流密度反映。

對于標準單元和圖3或圖5a中根據(jù)本發(fā)明的單元，電流密度的典型示例在圖4中示出。垂直電流密度(jz)依賴于在液態(tài)金屬中的位置，即，(x，y，z)坐標系中的jz＝j(luò)z(x，y，z)。當在液態(tài)金屬內(nèi)部的水平面中從一個陽極的投影的外部部分的邊緣(x＝-xl)移動到相鄰陽極的投影的邊緣(x＝xl)時，電流密度的垂直分量的絕對值(|jz(x)|)通常如圖4中所示的那樣變化。當通過使用包含在u形輪廓14中或直接裝配到陰極槽中的高導(dǎo)電金屬15(諸如與石墨陰極直接電接觸的銅)來優(yōu)化收集器棒時，|jz(x)|減少至少50％，如圖4中所示(右手部分)。收集器棒的區(qū)段使得從碳陰極側(cè)到收集器棒的端部的熱提取最小。事實上，它的尺寸被設(shè)計為獲得外部的大約200℃的溫度降，并且電壓降盡可能低。

權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種陰極電流收集器組件，組裝在用于生產(chǎn)鋁的hall-héroult單元的碳陰極中，所述陰極電流收集器組件包括至少一個位于碳陰極下方的高導(dǎo)電金屬收集器棒，高導(dǎo)電金屬的電導(dǎo)率大于鋼的電導(dǎo)率，

其特征在于

·所述高導(dǎo)電金屬收集器棒或每個高導(dǎo)電金屬收集器棒包括位于碳陰極的中心部分下方的中心部分，高導(dǎo)電金屬收集器棒的所述中心部分至少具有與碳陰極直接電接觸或者通過由施加在高導(dǎo)電金屬收集器棒的表面上方的導(dǎo)電膠和/或?qū)щ娙嵝圆蚱纬傻膶?dǎo)電界面與碳陰極接觸的上部外表面；

·所述高導(dǎo)電金屬收集器棒或每個高導(dǎo)電金屬收集器棒包括與所述中心部分的一側(cè)或兩側(cè)相鄰并位于所述中心部分的一側(cè)或兩側(cè)上的一個或兩個外部部分，以及從一個或多個所述外部部分向外延伸的一個或多個終端部分，以及

·所述高導(dǎo)電金屬收集器棒或每個高導(dǎo)電金屬收集器棒的一個或多個所述終端部分各自串聯(lián)電連接到比高導(dǎo)電金屬收集器棒具有更大截面面積的鋼導(dǎo)體棒，一個或多個所述鋼導(dǎo)體棒向外延伸，用于連接到外部電流源。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極電流收集器組件，其中高導(dǎo)電金屬選自銅、鋁、銀及其合金，優(yōu)選地是銅或銅合金。

3.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的陰極電流收集器組件，其中與碳陰極界面接合的高導(dǎo)電金屬的表面被粗糙化或設(shè)置有諸如凹槽的凹陷或諸如翅片的突起，以增強與碳陰極的接觸面積。

4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的陰極電流收集器組件，包括在高導(dǎo)電金屬和碳陰極之間的導(dǎo)電界面，所述導(dǎo)電界面選自銅、銅合金、鎳或鎳合金的金屬布、金屬網(wǎng)或金屬泡沫，或者石墨箔或石墨織物，或者導(dǎo)電膠層，或者其組合。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的陰極電流收集器組件，其中導(dǎo)電界面包括可通過將2-組分可硬化膠的液體組分與固體含碳組分混合而獲得的基于碳的導(dǎo)電膠。

6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的陰極電流收集器組件，其中高導(dǎo)電金屬收集器棒的側(cè)面和可選地底部直接或間接地接觸與碳陰極接觸的搗固糊或耐火磚。

7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的陰極電流收集器組件，其中高導(dǎo)電金屬收集器棒包括至少一個槽，所述槽被布置成通過允許高導(dǎo)電金屬向內(nèi)膨脹到由一個或多個槽提供的空間中來補償陰極中的棒的熱膨脹，或者其中高導(dǎo)電金屬收集器棒中的兩個或更多個被彼此隔開以允許補償熱膨脹。

8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的陰極電流收集器組件，其中高導(dǎo)電金屬收集器棒的終端部分串聯(lián)電連接到形成過渡接頭的鋼導(dǎo)體棒，并且其中高導(dǎo)電金屬收集器棒和鋼導(dǎo)體棒部分地彼此重疊，并且通過焊接、通過導(dǎo)電膠和/或通過諸如夾具或通過熱膨脹固定的接頭而施加機械壓力或通過螺紋連接固定在一起。

9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的陰極電流收集器組件，其中，由于高導(dǎo)電金屬上的碳陰極的重量以及高導(dǎo)電金屬的熱膨脹，碳陰極與高導(dǎo)電金屬的開放的上部外表面電接觸。

10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的陰極電流收集器組件，其中高導(dǎo)電金屬收集器棒的一個或多個所述外部部分在單元底部的導(dǎo)電部分下面延伸或延伸通過單元底部的導(dǎo)電部分，高導(dǎo)電金屬收集器棒的所述外部部分與單元底部的導(dǎo)電部分電絕緣。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的陰極電流收集器組件，其中高導(dǎo)電金屬收集器棒的一個或多個所述外部部分通過被包封在絕緣體中而與單元底部的導(dǎo)電部分絕緣，尤其是通過被包封在一片或多片絕緣材料中或被包封在電絕緣膠或水泥層中而與單元底部的導(dǎo)電部分絕緣，其中所述一片或多片絕緣材料諸如包裹在一個或多個所述外部部分周圍的氧化鋁。

12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的陰極電流收集器組件，其中高導(dǎo)電金屬電流收集器棒的所述中心部分被保持在u形輪廓中，所述u形輪廓由在hall-héroult單元陰極中的溫度處保持其強度的材料制成，所述u形輪廓具有在所述棒的下方的底部并且所述棒擱置在所述底部上、可選地至少一個直立的翅片以及在側(cè)面上延伸并與高導(dǎo)電金屬收集器棒的側(cè)面隔開或接觸的側(cè)面區(qū)段，所述高導(dǎo)電金屬收集器棒至少具有上部部分以及可選地還有由所述u形輪廓任其自由的側(cè)面部分，以使得高導(dǎo)電金屬可以直接或經(jīng)由導(dǎo)電界面與碳陰極接觸。

13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的陰極電流收集器組件，其中u形輪廓由諸如鋼的金屬制成，或者由混凝土或陶瓷制成。

14.根據(jù)權(quán)利要求1至5或7至11中的任一項所述的陰極電流收集器組件，其中至少在陰極的中心部分中的高導(dǎo)電金屬收集器棒被包含在碳陰極中的通孔中，由此高導(dǎo)電金屬收集器棒被支撐在碳陰極的底層部分上，并且被碳陰極中的通孔的表面包圍并優(yōu)選地與碳陰極中的通孔的表面直接電接觸。

15.一種用于生產(chǎn)鋁的hall-héroult單元，裝配有根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的陰極電流收集器組件。