铝电解槽在阴极结构上的改进

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2.非平面阴极
2.5对启明星铝业的改进建议 启明星铝业采用了异型阴极，但也面临着阴极磨损的问题。通过查阅文献，认为可以采用冯乃祥 等发明的一种降低电解糟中铝液流速、减缓阴极磨损的方法。（专利申请号：200910219826.6）针对具有 表面带有凸起结构的阴极碳块的电解槽，在电解槽的两个相邻阴极碳块之间的碳素捣固糊上部设置耐火材 料墙板，耐火材料墙板的上表面与阴极碳块表面上的凸起一样高或高于阴极碳块凸起的上表面耐火材料墙 板侧面的阴极碳块的上表面形状是平的或具有凸起的结构。耐火材料墙板由碳氮化硅或镁铝尖晶石制成, 或由镁质高密度耐火材料、镁铝质高密度耐火材料或镁钙质高密度耐火材料制成。这样能减缓铝液流速、 减少铝液波动、提高电解槽铝液面稳定性、减少阴极碳块表面凸起磨蚀，且对铝电解过程和铝的质量没有 影响。
图2-3 导流槽三视图
该发明通过改变振动成型机上压头的形状,在阴极炭块的原先两个长度边和一个宽度边的 位置,或者在阴极炭块中间位置,直接压制出导流沟槽。电解产生的铝液先流到阴极炭块的侧部导流 沟中,然后沿两块阴极间的导流沟向汇流沟。阴极炭块表面硼化钛与铝液有良好的润湿性,更加有利 于铝液的流动。
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图3-4 开“L”型槽钢棒 下午9时25分18秒
3.异型钢棒
3.1开槽钢棒 这种钢棒由沈阳铝镁设计研究院有限公司杨晓东等发明。（申请号201020566373.2）在阴极炭块下部扎 固或浇铸至少一根阴极钢棒，钢棒沿长度方向在靠近阴极炭块端部的一段被分隔缝分割成上下两部分，阴 极钢棒在阴极炭块中间部分没有被分割的一段全部采用导电体与阴极炭块连接，靠近阴极炭块端部的阴极 钢棒上半部分采用导电体与阴极炭块连接下半部分采用绝缘体与阴极炭块绝缘，分隔缝内采用分隔缝绝缘 材料填充，使上下两部分阴极钢棒绝缘，阴极钢棒整体从电解槽的侧部穿出；导电体为炭糊或磷铁，阴极 钢棒全部或部分扎固在或浇铸在阴极炭块中，阴极钢棒的截面形状是方形、圆形、半圆形、梯形或三角形， 每组阴极碳块下部安装1-50根阴极钢棒。 这种方式在不改变阴极出电方式的条件下通过改 变阴极钢棒的结构，阴极钢棒与阴极炭块的连接 方式等，调节阴极炭块与阴极钢棒的组合电阻， 显著降低了铝液中的水平电流，阴极电流分布更 加均匀，提高了电解槽的稳定性，使电解槽能够 在低极距下高效稳定的生产，有效的减少了吨铝 能耗，节能效果明显。
铝电解槽在阴极结构上的改进
李仕豪、凌宜文、姚文瀚、何柱、王杉、梁策
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目录
1.简介 2.非平面阴极 2.1异型阴极 2.2.曲面阴极 2.3.导流槽 2.4小结 2.5对启明星铝业的改进建议 3.异型钢棒 3.1开槽钢棒 3.2内外导电棒 3.3斜扎糊 3.4非均匀导电钢棒 3.5变高度钢棒 3.6复合钢棒 3.7启明星钢棒 3.8小结 4.启明星铝业改进阴极结构的生产实践 5.总结 下午9时25分16秒 参考文献
图2-4 减缓腐蚀方法结构简图 下午9时25分16秒
3.异型钢棒
现有的铝电解槽阴极结构为在阴极碳块的底部装有阴极钢棒，阴极钢棒与炭块之间采用扎糊或浇磷 铁的方式连接，每个阴极碳块装有一根或两根阴极钢棒，阴极钢棒与阴极碳块同向水平放置，阴极钢棒的一 端伸出电解槽的侧壁与阴极母线相连接，这种结构的电解槽，阴极导电结构存在一个非常大的缺点：由于越 靠近阴极钢棒出口（即靠近槽大面边部），电流流经的路径上电阻越小，因此进入铝液的电流因“自动选择 电阻小的道路”而在铝液和阴极中斜向流动，导致铝液中产生非常大的水平电流，该水平电流与铝液中垂直 磁场共同作用产生电磁力，这种电磁力驱动铝液在电解槽中流动和波动，如果电解槽中的水平电流过大且分 布不均，将会导致铝液与电解质界面波动过大，使电解槽在生产中产生严重的不稳定性，降低电流效率。另 外，铝液中水平电流分布沿阴极炭块的长度方向分布不均匀，使得阴极炭块的端部处电流密度最大，从而显 著加快此处阴极炭块的腐蚀，降低电解槽的寿命。为了减小水平电流，提高电解槽的稳定性，人们开发了异 型钢棒。
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2.非平面阴极
2.3导流槽 中国铝业股份有限公司发明了一种导流槽。（200910086175.8）阴极炭块上顶面和侧立面形成 的边角部可以设有一条下凹的条状凹缺,在阴极炭块上表面可以开有一条下凹的条状凹槽，且都为为台 阶状或下凹的凹弧面。下凹条状凹槽的槽深为10~15cm、槽宽为5~40cm 、下凹条状凹缺的高度为 10~15cm、宽度为5~20cm。呈下凹的台阶状凹缺的台阶面可以有坡度,坡度为0~45°。
所述电流导流材料,可以是替代部分炭块的材料,可以替代部分钢棒的材料,可以铺设在炭块和钢棒之间的位置,也可以与炭块或 钢棒组装在一起。 所述的电流导流材料,可根据需要在不同位置采用不同阻值的材料,调整阴极炭块电阻分布,使铝液中电流相对较均匀的进入阴 极炭块。 所述电流导流材料,可以采用至少一种与炭块钢棒电阻率不同的电流导流材料或绝缘材料组合铺设,或先与炭块或钢棒组合在一 起所述电流导流材料,可以通过改变其在不同位置的形状,来调整炭块或钢棒的电阻分布,使铝液中电流较为均匀的进入阴极碳 块。 所述电流导流材料,位于炭块和钢棒之间时,其形状的改变在于,其长度可以从钢棒顶头位置或中间位置开始铺设到钢棒出电与 炭块边缘对齐或略长。在钢棒上表面完全覆盖钢棒宽度,侧部采用从内向外逐渐变化,或阶梯状变化最宽处可以和钢棒同宽,或 小于钢棒宽度。 所述的电流导流材料,可以替代部分钢棒材料,采用电阻小于钢棒的材料,在钢棒的靠近槽中心一端在钢棒上部替代部分钢棒,其 长度可小于等于炭块内钢棒长度,宽度小于等于钢棒,其高度和宽度可以从内向外逐渐变化或阶梯状变化替代部分原钢棒材料。 所述的电流导流材料,可以替代部分炭块材料,采用导电率不同于原炭块的导流材料,与原炭块等宽、等长,以坡面或阶梯状界面 在炭块底部与炭块结合,可采用电阻率小于炭块内厚外薄的导流材料与内薄外厚的炭块材料结合也可以采用电阻率大于炭块的 内薄外厚的导流材料与内厚外薄的炭块材料将结合。
图3-1 电流流向示意图 下午9时25分16秒
3.异型钢棒
3.1开槽钢棒 四川省眉山市启明星铝业有限责任公司采用的异型钢棒便是双钢棒。（阴极钢棒沿长度方向在靠近 阴极炭块端部的一段被分割成上下两部分，从而改变阴极钢棒的导电结构；切割的尺寸一般为：长度７０ ０～９００ｍｍ 、沟槽宽度５ｍｍ 。开槽最近端离钢棒端部约４５０ｍｍ ，阴极钢棒在阴极炭块中间部 分没有被分割的一段全部用导电体与阴极炭块连接，靠近阴极炭块端部的阴极钢棒上半部分采用导电体与阴 极炭块连接，下半部分采用绝缘体与阴极炭块绝缘，分隔缝内采用绝缘材料填充，使上下两部分阴极钢棒绝 缘。）
图3-2 启明星铝业用双钢棒 下午9时25分18秒
3.异型钢棒
3.1开槽钢棒 其实，早在1989年，美国便发明了一种开“L”型槽钢棒（US4795540），它在钢棒上开了“L”型槽， 在槽内在钢棒上开“L”型槽，在槽内填入绝缘材料，并使开槽以下钢棒侧面绝缘，从而将开槽部位的钢 棒沿长度方向分隔成两段相互绝缘的导电段，形成一种类似“双钢棒”结构。在与钢棒开槽相连接的阴 极炭块部位开垂直槽，内填导电性相对较差的无烟煤或沥青。由于钢棒水平分隔缝以下的导电段的上部 和侧部均被绝缘，因此主要为电解槽中部的电流提供“通道”，故能减小由电流向电解槽大面边部偏聚 形成的铝液中的水平电流。
1.简介
由于电解铝企业属于高能耗、资源依赖性产业，是目前国家宏观调控的重点，国家出台了新一 轮的节能目标，电解铝产业面临新的挑战。电解铝自Ｈ－Ｈ法诞生以来，各项技术创新推动了电解生产 技术指标的不断提高。然而再通过改变技术参数、现场管理条件等提高技术经济指标的空间已经非常有 限，目前研究的重心和方向已经调到如何改变硬件、优化设计等层面上。阴极结构作为铝电解槽的重要 部分，已经成为冶金学家们重点改进的对象。电解铝槽阴极，是指盛装电解熔体（包括熔融电解质与铝 液）的容器，包括槽壳及其所包含的内衬砌体。内衬砌体包括与熔体直接接触的底部炭素材料（阴极炭 块为主体）、侧衬材料、导电棒、以及底部炭块以下的耐火材料与保温材料。四川省眉山市启明星铝业 有限责任公司目前对阴极结构的改进主要集中在阴极和钢棒上。
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2.非平面阴极
2.1异型阴极 异型阴极起源于Vittorio de Nora在2000年申请的美国专利（US006093304A）。这项专利中提出了 多种异型阴极（导流阴极），并指出目的是降低铝液池运动，改善槽运行及延长槽寿命。四川省眉山 市启明星铝业有限责任公司采用的非平面阴极便是异型阴极。长3340mm，宽515mm，高由450mm提高至 500mm，凸台高度70mm。侧部采用20mm陶瓷纤维板。
图3-5 内外导电棒示意图
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3.异型钢棒
3.3斜扎糊 中国铝业股份有限公司李旺兴等发明了一种斜扎糊式的导电棒。（申请号201110221902.4） 在阴极炭块,或钢棒,或其连接材料阴极糊,或磷生铁处铺设部分电流导流材料,使铝液中电流相对较 均匀的进入阴极炭块,通过钢棒,从电解槽侧部出来。
2.非平面阴极
2.4小结 非平面阴极的使用既有正面作用又有负面作用。 正面作用是对于过去磁场和流场设计不好的电解槽（200～300kA），其应用可一定程度弥补磁场 和流场设计缺陷，对于提高槽电压整体稳定性具有一定的作用，从而对降低槽电压形成一定正面作用。 当然，它也面临着许多尚需解决的问题。设计不好或使用中破损容易形成小紊流，导致电流效率 下降严重；“异型”程度较大导致铝液水平流速过小或流动形态破坏较大，影响物料在全槽快速与均匀分 散和溶解，易产生局部阳极效应或闪烁（增大PFC）；对电解槽焙烧启动与运行管理要求较高，操作与控 制不好时容易出现病槽；一些铝厂发现阴极“凸台”容易脱落，影响了槽寿命；对于物理场设计已经优化 的400kA以上大型槽，对非平面阴极的正面作用依赖度降低，而对其负面作用更加敏感，因此目前不被主 流设计采用。
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图2-1 启明星用异型阴极源自2.非平面阴极2.2曲面阴极 冯乃祥等也提出了一种曲面阴极。（201110385777.0）