[发明专利]用于HALL-HEROULT单元的阴极电流收集器

说明书

本发明涉及用于生产铝(2)的电解单元(1)，包括在阴极(4)下方的收集器棒结构变型(13，14，15，16)，即，保持在U形轮廓中或直接嵌入阴极的铜收集器棒。这导致在液态铝金属(2)中和/或碳阴极内部的优化的电流分布，从而允许以较低的电压操作单元。较低的电压由较低的阳极到阴极距离(ACD)和/或碳阴极内部从液态金属到收集器棒端部的降低的电压降产生。

技术领域

本发明涉及使用Hall-Héroult工艺生产铝；尤其涉及为了能量消耗的降低、电流效率的最大化以及单元生成率的提高的收集器棒的优化。

背景技术

铝是通过Hall-Héroult工艺、通过在高达1000℃的温度电解溶解在冰晶石基电解质中的氧化铝来生产的。典型的Hall-Héroult单元由钢壳、耐火材料的绝缘内衬和保持液态金属的碳阴极构成。阴极由多个阴极块组成，其中收集器棒嵌入在所述多个阴极块的底部以提取流过单元的电流。

许多专利出版物已经提出了用于使液态金属到收集器棒的端部之间的电压降最小化的不同做法。WO2008/062318提出使用与现有的钢收集器棒互补的高导电材料并给出对WO 02/42525、WO 01/63014、WO 01/27353、WO 2004/031452和WO 2005/098093的参考，这些参考公开了在钢收集器棒内部使用铜插入件的解决方案。美国专利4,795,540将阴极以及收集器棒拆分成区段。WO2001/27353和WO2001/063014在收集器棒内部使用高导电材料。US2006/0151333涵盖了在收集器棒中使用不同的电导率。WO 2007/118510提出当朝着单元的中心移动时增加收集器棒的区段，用于改变在阴极的表面处的电流分布。US 5,976,333和6,231,745给出了在钢收集器棒内部使用铜插入件。EP 2 133 446 A1描述了用于改变阴极的表面几何形状以便稳定金属焊盘表面处的波并因此使ACD(阳极至阴极距离)最小化的阴极块布置。

WO 2011/148347描述了铝生产单元的碳阴极，该碳阴极包括密封在碳阴极内的外壳中的高导电插入件。这些插入件更改阴极体的导电性，但是不参与由收集器棒进行的电流收集和提取。

熔融冰晶石的电导率非常低，通常为220Ω^-1m^-1，并且由于磁流体动力学不稳定性的形成导致在金属浴(金属-冰晶石电解质)界面处的波浪，因此ACD不能大大降低。波浪的存在导致该工艺的电流效率的损失，并且不允许降低临界值下的能量消耗。在铝工业中平均而言，电流密度使得ACD中的电压降最小为0.3V/cm。因为ACD为3至5cm，所以ACD中的电压降通常为1.0V至1.5V。液态金属内部的磁场是在外部母线中流动的电流和内部电流的结果。液态金属内部的内部局部电流密度主要由阴极几何形状和阴极的局部电导率来限定。磁场和电流密度产生洛伦兹力场，其本身生成金属表面轮廓(contour)、金属速度场，并针对磁流体动力学单元稳定性限定基本环境。单元稳定性可以表示为降低ACD而不在金属垫的表面处生成不稳定波的能力。稳定性水平依赖于电流密度和感应磁场，也依赖于液态金属池的形状。池的形状依赖于阴极的表面和凸缘形状。现有技术解决方案响应于对所需的磁流体动力学状态的给定水平以满足良好的单元稳定性(低ACD)，但是使用铜插入件的解决方案非常昂贵并且常常需要复杂的机械加工工艺。

发明内容

本发明涉及用于生产铝的Hall-Héroult单元的碳阴极的阴极电流收集器(current collector)，其类型为该阴极电流收集器包括中心区段，该中心区段包括至少一个在使用中位于碳阴极下方的高导电金属棒，该高导电金属具有比钢的电导率更大的电导率。