[发明专利]能降低电压和改善电流分布的铝电解槽阴极结构

说明书

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，特别涉及一种能降低电压和改善电流分布的铝电解槽阴极结构。

背景技术

铝电解生产需要消耗大量电能，对铝电解生产来说，其直流电耗W（kWh/t-Al）可以用表示公式为W=2980×V_平/（CE），式中V_平为电解槽的平均槽电压（V），CE为电解槽的电流效率（%），由上述公式可以看出，铝电解生产的吨铝直流电耗是由槽电压和电流效率决定的，铝电解槽约0.1伏的槽电压降低可使直流电耗降低300 kWh/t-Al左右，而电流效率每提高1%，可使直流电耗降低150 kWh/t-Al左右。

铝电解槽的阴极结构是电解槽的组成部分，其结构设计直接会影响铝电解槽阴极电压降，并对铝电解槽电流效率产生影响；目前工业铝电解槽的阴极结构设计存在如下几个问题：

1、电解槽的阴极电压降较大，在使用以无烟煤为基本材料的阴极炭块时，其阴极压降平均在300-350mV，造成如此阴极电压降较高的原因是：阴极炭块的电阻大；阴极炭块上表面与阴极钢棒上表面之间的导电距离长、电阻大；如果使用石墨化程度高的阴极炭块可以降低此导电距离段的电压降，但石墨化程度高的阴极炭块价格高、投资大；

2、阴极钢棒的电流密度较大，阴极钢棒的电阻较大；

3、由于阴极压降较大，阴极部分产生的热量大，如果电解槽的底部保温过度，容易造成槽底温度过高，使电流效率降低；如果槽底保温程度降低又会升高电解槽的能量消耗，特别是对于新型阴极结构电解槽而言，当槽底保温过强时，这种情况是难以避免的；

4、由于铝液的电阻系数远小于阴极炭块碳素材料的电阻系数，因而现行的电解槽阴极炭块与阴极钢棒的组合连接结构容易造成电解槽阴极铝液内在阴极炭块纵向方向的水平电流过大；这种水平电流在电解槽内垂直磁场的作用下，对电解槽内铝液的流体动力学状况和电流效率产生不好的影响。

针对上述问题，中国专利“一种大幅度降低铝电解槽铝液中水平电流的结构”（杨晓东等，申请号为201020566373）提出了一种铝电解槽阴极钢棒结构，该申请的阴极钢棒结构有3个显著的可使铝电解槽水平电流降低的技术要点和特点：（1）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，而在炭块中间部分没有被分割的一段部分采用导电体（铸铁或捣鼓碳糊）与阴极炭块连接；（2）靠近阴极炭块端部的阴极钢棒上半部采用碳糊或铸铁与阴极快连接；下半部分采用绝缘块与阴极炭块绝缘；（3）分剖缝内采用绝缘材料填充。

应该说，这种阴极钢棒结构确实对降低电解槽内沿阴极炭块纵向方向的水平电流分布以及对提高电解槽阴极铝液稳定性和提高铝电解槽的电流效率有效果，然而这种阴极钢棒结构还存在以下缺点：阴极钢棒的制作和在电解槽阴极炭块上的安装过程较为复杂；阴极钢棒内分割缝内所使用的分隔材料和靠近阴极炭块边部的阴极钢棒的下部分所使用的绝缘材料的抗电解槽的磨蚀性是一个未经实践检验的问题，一旦电解质或铝液渗入或漏入这些部位可能会对阴极钢棒的破坏和电解槽的寿命产生影响。

发明内容

为了克服现行电解槽阴极炭块和阴极钢棒连接的上述各种不足，本发明提供一种能降低电压和改善电流分布的铝电解槽阴极结构，采用没有分剖缝的、无绝缘体、无分割绝缘材料的阴极炭块与阴极钢棒，在降低铝电解槽阴极电压的同时，改善铝电解槽水平电流分布和通过降低阴极产生的热量，提高铝电解槽阴极铝液的稳定性，达到既提高铝电解槽的电流效率又降低电能消耗的目的。

本发明的能降低电压和改善电流分布的铝电解槽阴极结构包括阴极炭块和阴极钢棒，阴极炭块底部开设有2个贯通的钢棒槽或4个排成两排的钢棒槽，每个钢棒槽内设有阴极钢棒；其中每个阴极钢棒顶面和阴极炭块钢棒槽之间的空隙中填充有炭粉材料，每个阴极钢棒的两个侧面与钢棒槽之间用冷捣固糊或热捣固糊捣固；所述的炭粉材料为石墨粉，或者石墨粉与煅后石油焦粉的混合物，或者石墨粉与电煅无烟煤粉的混合物，或者石墨粉、煅后石油焦粉与电煅无烟煤粉的混合物。

上述结构中，在阴极炭块的中部的空隙中为石墨粉；在阴极炭块的中部两侧的空隙中的炭粉材料为石墨粉与煅后石油焦粉的混合物，或者石墨粉与电煅无烟煤粉的混合物，或者石墨粉、煅后石油焦粉与电煅无烟煤粉的混合物；在阴极炭块中部两侧的空隙中的炭粉材料中石墨粉的重量含量为30~80%，每一侧空隙中的炭粉材料分为至少2段，各段炭粉材料中石墨粉的重量含量由阴极炭块两端向中部方向逐渐增高；所述的阴极炭块中部是指阴极炭块轴线上500~600mm的部分，中部的两侧与阴极炭块两端距离相等。