专利名称：一种节能型铝电解槽阴极结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铝电解槽阴极结构，属于铝电解槽技术领域。
背景技术：
目前用于铝工业生产的Hall-Heroult电解槽使用炭素阳极和炭块阴极，通过电 解熔融的氧化铝生产铝，电解质主要由冰晶石和氧化铝熔体组成，另外还有溶解在其中的 氟化铝和其它氟化盐。电解析出的铝蓄积在槽底炭块阴极上部，形成铝液层，并作为阴极的 一部分。由于电解槽内的铝液受到车间内电磁场的影响而运动，需要保持一定高度的铝液， 减少与电解质接触界面的波动。目前工业电解槽保持的铝液水平通常为10 30cm之间， 在此情况下，仍需要保持4. 5cm左右的极距，极距的高低主要受到电解槽稳定性的影响，在 现有电解槽的阴极结构和磁场条件下，进一步优化磁场分布提高电解槽的稳定性，进而降 低极距已经成为一件非常困难的事情。 现有的Hall-Heroult铝电解槽，根据尺寸和电解工艺的不同都存在一个普遍的 问题就是电能效率较低，一般在45 50%之间，其余的电能都转化为热能散失掉了。现有 铝电解槽的极距一般都在4. 5cm左右，造成电能效率低的主要原因就在于现有普通预焙槽 由于磁场造成的铝液波动，因此为了保证电解槽的稳定生产往往需要保持较大的极距。
另外，现有电解槽的阴极钢棒水平安装在阴极炭块的底部，电流通过铝液进入阴 极炭块后逐渐向阴极钢棒的端头汇集，导致铝液中产生较大的水平电流，水平电流是影响 电解槽稳定性的一个重要因素，因此，提高电解槽稳定性的一个重要因素是消除水平电流； 此种阴极结构，电流流经阴极的路径长，阴极钢棒与阴极炭块的接触电阻大，导致阴极压降 高，这也是造成现有电解槽能耗高，电能效率较低的一个因素。 电能效率低造成了工业电解槽上巨大电能无谓的消耗，铝电解槽节能降耗的手段 有两种，一种是提高电流效率，另一种就是降低极距，降低槽电压。而现有的电解槽，电流效 率大都在90 96%之间，提高电流效率的空间有限。目前铝电解槽极距一般在4. 5 5cm 左右，极距带来的压降约为总能耗的40%，极距的降低给节能降耗提供了很大的空间，但是 由于传统电解槽本身结构的限制，降低极距，由于受磁场带来的铝液电解质界面波动影响， 电解槽就会变得不稳定，丢失电流效率，很难达到节能的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种节能型铝电解槽阴极结构，它能基本消 除铝液中的水平电流，减小电解槽内铝液的流动，降低铝液的波动，降低极间压降，同时显 著降低阴极压降，提高了铝电解槽的电能效率，降低了磁场对铝电解生产稳定性的影响，达 到了节能降耗的目的。 为了解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的。 —种节能型铝电解槽阴极结构，它包括槽壳和内衬，内衬主要由阴极炭块、侧部内 衬、底部内衬以及捣固糊组成，同一电解槽内的阴极炭块由高、低两种阴极炭块排列而成，使阴极上表面凹凸不平，阴极钢棒垂直于阴极炭块安装，阴极钢棒从阴极炭块的底部垂直
穿出，并从电解槽底部穿出。 所述的阴极炭块上表面开有凹槽。 所述的凹槽数量为1 20个。 所述的凹槽的横向截面形状为方形、梯形、三角形或圆形等。 所述的每组阴极炭块垂直安装1 40根阴极钢棒。 所述的2-6根阴极钢棒汇集成一根从槽底穿出。 所述的阴极钢棒的横向截面形状可以为圆形、椭圆形或矩形。所述的阴极炭块通过炭间糊连成一体，阴极炭块之间的高度差在20 400mm之间。 所述的阴极炭块的高度可以为300 700mm之间，宽度与阳极炭块保持一致。
所述的阴极炭块的高度可以为300 700mm之间，阴极炭块的宽度在250 800mm 之间的阴极炭块。 所述的阴极炭块中高阴极炭块与低阴极炭块是呈高、低、高、低交替排列。 所述的阴极炭块中高阴极炭块与低阴极炭块是呈低、低、高、低、低、高交替排列。 所述的阴极炭块中高阴极炭块与低阴极炭块是高、低块之间的任何排列。 所述的阴极炭块下面的底部内衬结构为在阴极炭块下首先铺设一层防渗浇注
料，将阴极钢棒包裹在其中，再在此浇注料下铺设一层干式防渗料有效的阻止电解质的渗
漏，再往下为保温耐火材料。 所述的阴极炭块的端部与侧部内衬之间采用浇注料和周围糊捣固连接。
所述的阴极炭块的上表面是平面。
本发明的特点和效果如下 本发明铝电解槽由于其阴极结构的特点，阴极炭块高度不同，从而导致阴极上表 面凹凸不平，巨大的铝液池被分割成数个小的区域，有效地束缚了铝液由于受到电磁力的 作用而产生的流动和波动；由于采用底部出电的阴极钢棒配置方式，基本消除了铝液中的 水平电流，同时阴极导电路径縮短，减低了一级压降；采用本发明的阴极结构，能够大幅度 提高电解槽的稳定性，因此铝液高度可以保持很低，高出凸起的阴极炭块几厘米即可，极距 也可以显著降低，可以使极距从传统电解槽的4. 5 5cm左右降到2. 5 4cm或更低，阴极 压降也显著降低，因此采用本发明阴极结构的铝电解槽具有非常显著的节能效果。
由于保持了较低的铝液水平，在电解槽出铝时，容易造成出铝口位置的铝量不足， 使电解质进入出铝装置，为了解决此问题，可以适当增大出铝端的加工面，同时在阴极炭块 上表面开沟槽，为铝液提供汇集通道。 本发明由于采用上述阴极结构，降低了极距，基本消除了铝液中的水平电流，显著 降低了阴极压降，提高了电能利用率，大大降低了磁场对铝电解生产稳定性的影响。
图1是本发明节能型铝电解阴极结构高、低阴极炭块交错排列的一种结构示意 图。
图2是本发明节能型铝电解阴极结构高、低阴极炭块任意排列的一种结构示意图。 图3是本发明节能型铝电解阴极结构阴极炭块中部有一个方形凹槽的结构示意 图。 图4是本发明节能型铝电解阴极结构阴极炭块中部有一个梯形凹槽的结构示意 图。 图5是本发明节能型铝电解阴极结构阴极炭块上表面有多个方形凹槽的结构示 意图。 图6是本发明节能型铝电解阴极结构阴极炭块上表面有多个梯形凹槽的结构示 意图。 图7是本发明节能型铝电解阴极结构阴极炭块中部没有凹槽的结构示意图。 图中，1、侧部内衬，2、阴极钢棒，3、高阴极炭块，4、低阴极炭块，5、阴极炭块间扎 糊，6、底部内衬，7、凹槽。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细说明，但本发明的保护范围不受实施例所 限。 图1和图2所示，铝电解槽的阴极结构由侧部内衬1、高阴极炭块3、低阴极炭块4、 阴极炭块间扎糊5、底部内衬6构成，阴极炭块底部垂直安装阴极钢棒2，如图3 6所示， 阴极炭块上表面可以是平面，也可以在阴极炭块上表面开设凹槽7，凹槽7的数量为每块阴 极炭块上开设1 20个，凹槽7的横向截面形状为方形、梯形、三角形或圆形等。侧部内衬 l和底部内衬6的结构以及材料选择可以根据不同容量电解槽的热平衡计算获得，并且与 现行工业生产中应用的铝电解槽基本相同，这已经成为比较成熟的技术，这里不再赘述。
本发明电解槽的阴极结构如图1所示，同一电解槽内阴极炭块有高、低两种组成， 并且高、低阴极炭块非常有规律的呈高、低、高、低排列，如图2所示，高、低阴极炭块的排列 为两低一高，使阴极上表面凹凸不平；图l和图2仅仅示出两种排列形式，在实际应用中可 以任意排列。高、低阴极炭块的高差在20 400mm之间，阴极炭块之间采用阴极炭块间扎 糊5扎固连接，阴极炭块的端部与侧部内衬1之间采用浇注料和周围糊捣固。
阴极炭块底部垂直安装阴极钢棒2，每一组阴极炭块底部根据尺寸和大小布置 1 40根垂直于炭块底面的阴极钢棒2，可以2 6根此阴极钢棒2汇集成一根后穿过底 部内衬从槽底穿出，阴极钢棒2的横向截面形状可以为圆形、椭圆形或矩形等形状。为了防 止渗漏的电解质对阴极钢棒2的腐蚀和对底部保温耐火材料的破坏，在阴极炭块下首先铺 设一层防渗浇注料，将阴极钢棒2包裹在其中，再在此浇注料下铺设一层干式防渗料有效 的阻止电解质的渗漏，在往下就是保温耐火材料。底部内衬6通过两层有效的防渗保护，保 证了阴极结构的寿命。 阴极炭块的高度可以为300 700mm之间，宽度可以与阳极炭块保持一致，也可以 采用宽度在250 800mm之间的阴极炭块。 采用本发明的阴极结构，可以保持很低的铝液水平，同时极距显著降低，因此电解 槽内的液态铝量较少，在电解槽出铝时，容易造成出铝口位置的铝量不足，使电解质进入出 铝装置，为了解决此问题，如图3 6所示，在阴极炭块上表面开凹槽7，为铝液提供汇集到出铝口的通道，同时适当增大出铝端的加工面。阴极炭块的凹槽7可以为方形和梯形等不 同的形式，另外可以只在阴极炭块的中间部位开凹槽7，也可以整个上表面都开凹槽7。
本发明的铝电解槽的阴极结构，首先，有效的束缚了磁场造成的铝液流动和波动， 减少了电解槽铝液与电解质界面的波动，从而可以适当降低极距至4. Ocm以下，实现了极 间铝液-电解质界面很小的波动情况下生产，提高了电流效率，大大降低了直流电耗；其 次，由于铝液与导电的阴极炭块之间的接触面积增大，降低了阴极炭块与铝液之间的压降， 从而降低了阴极压降；再次，由于采用了槽底出电的阴极钢棒配置形式，基本消除了铝液中 的水平电流，提高了电解槽的稳定性，另外阴极导电路径縮短，显著降低了阴极压降。
采用此种方案设计的电解槽，由于磁场变化对于电解槽铝液波动影响很小，从而 可以极大的简化母线设计，减少母线的用量，縮短电解槽之间的距离，降低建设费用。
权利要求
一种节能型铝电解槽阴极结构，它包括槽壳和内衬，内衬主要由阴极炭块、侧部内衬、底部内衬以及捣固糊组成，其特征在于同一电解槽内的阴极炭块由高、低两种阴极炭块排列而成，使阴极上表面凹凸不平，阴极钢棒垂直于阴极炭块安装，阴极钢棒从阴极炭块的底部垂直穿出，并从电解槽底部穿出。
2. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极炭块上表 面开有凹槽。
3. 根据权利要求2所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的凹槽数量为 1 20个。
4. 根据权利要求1或2所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的凹槽横向 截面形状为方形、梯形、三角形或圆形等。
5. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的每组阴极炭块 垂直安装1 40根阴极钢棒，从槽底穿出。
6. 根据权利要求1或5所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的2-6根阴 极钢棒汇集成一根从槽底穿出。
7. 根据权利要求6所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极钢棒的横 向截面形状可以为圆形、椭圆形或矩形。
8. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极炭块通过 炭间糊连成一体，阴极炭块之间的高度差在20 400mm之间。
9. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极炭块的高 度可以为300 700mm之间，宽度与阳极炭块保持一致。
10. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极炭块的 高度可以为300 700mm之间，阴极炭块的宽度在250 800mm之间的阴极炭块。
11. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极炭块中 高阴极炭块与低阴极炭块是呈高、低、高、低交替排列。
12. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极炭块中 高阴极炭块与低阴极炭块是呈低、低、高、低、低、高交替排列。
13. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极炭块中 高阴极炭块与低阴极炭块是高、低块之间的任何排列。
14. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极炭块下 面的底部内衬结构为在阴极炭块下首先铺设一层防渗浇注料，将阴极钢棒包裹在其中，再 在此浇注料下铺设一层干式防渗料有效的阻止电解质的渗漏，再往下为保温耐火材料。
15. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极炭块的 端部与侧部内衬之间采用浇注料和周围糊捣固连接。
16. 根据权利要求1所述的节能型铝电解槽阴极结构，其特征在于所述的阴极炭块的 上表面是平面。
全文摘要
本发明公开了一种节能型铝电解槽的阴极结构，属于铝电解槽技术领域。一种节能型铝电解槽阴极结构，它包括槽壳和内衬，内衬主要由阴极炭块、侧部内衬、底部内衬以及捣固糊组成，其特征在于同一电解槽内的阴极炭块由高、低两种阴极炭块排列而成，使阴极上表面凹凸不平，阴极钢棒垂直于阴极炭块安装，阴极钢棒从阴极炭块的底部垂直穿出，并从电解槽底部穿出。本发明将液态铝液被分割成若干小铝池，有效地束缚了铝液由于受到电磁力的作用而产生的流动和波动，提高了电解槽的稳定性，可以降低铝液高度和极距；基本消除了铝液中的水平电流，提高了电解槽的稳定性，同时缩短了阴极导电路径，降低了阴极压降；本发明提高电流效率，具有节能降耗的效果。
文档编号C25C3/08GK101775622SQ200910010079
公开日2010年7月14日 申请日期2009年1月13日 优先权日2009年1月13日
发明者刘伟, 刘雅锋, 周东方, 张钦崧, 朱佳明, 杨晓东 申请人:沈阳铝镁设计研究院