[其他]霍尔-赫鲁电解槽用的具有低电压降的组合式阴极块和阴极

说明书

本发明与一种低电压降的阴极块有关，此阴极块是供用霍尔-赫鲁法电解溶解在熔融冰晶石中的氧化铝而生产铝的电解槽用的。它也与用这种组合式阴极块组装的阴极有关。

先有技术的叙述

霍尔-赫鲁电解槽的阴极是将一组碳素块并列排置而成的，在碳素块的下底边有一或两条开口沟道，一般用铁水浇注其中，将具有方形、矩形或园形截面的钢棒封填干沟道中，串联成一组的相邻的电解槽之间的连接导体连接到钢棒上。阴极块一般用一种称作封胶或填料的其电流传导性很不好的碳素泥连接在一起，其厚度约为几厘米。

碳素泥对于电解沉积在碳素块上的液体铝来说必须是不能渗透的。因此，电流流通的程序是，通过液体铝层、碳素件、钢棒与块之间的密封层到钢棒，然后流到连接下一个电解槽的导体上。

材料的每一次连接都引起了过高的接触电压，接触电压依赖于装配的条件和有关的表面积。对于在碳素部件和密封层之间的接触，这一点是特别真实的，这种接触称作密封层接触。

因此总电压降可以分为三个主要的部份：

-在碳素块上的电压降，

-在密封层上的电压降，

-在钢棒上的电压降。

为了减少电压降，如所周知，使用了电阻率低的碳素块。

现在，大多数阴极块的生产者正在推荐一种称作“半石墨”的阴极板和一种称作“半石墨化”的阴极块，前者用一种碳素泥生产，其中无烟煤粒子为石墨粒子所代替，后者用一种常用的碳素泥在高温（＞2000℃）下焙烧使其在阴极块中形成部分石墨化而生产出来。这种方法显著地增加了阴极块的电导率。但是使用这种阴极块由于使液体铝中电流线倾斜更严重，所以在上层铝液中具有增加电流畸变的缺点，因此在另一层液体铝中增加了磁涡流，这损害了电解装置的流体动力学稳定性。

为了改进这种缺陷，可以采用所谓“夹层块”的结构，在这种夹层块中，一层比如说用具有无烟煤粒的碳素泥作成、而另一层则用半石墨或半石墨化的碳素泥作成，这种夹层块具有较大的电导率。

为了增加阴极的活性表面，已经提出了应该用一种用石墨和热凝树脂作的导电粘结剂粘结的方法来代替用封胶或填料（导电性不好）进行连接的方法。这种代替有四重好处：增加了总的导电表面，允许电流在两个相邻阴极块之间流动，当敷上碳素粘合物料时减少了焦油的放出和改进了石墨块组合件的不可渗透性。

为了减少总的电压降，也可采用增加钢棒截面的方法，至少在被密封到碳素块的区域增加横截面，而在钢棒穿过电解槽绝热层外部的地方保持正常的或减小的横截面，以防止过份的热量损失。

然而，这种作用的程度必须受到限制，因为在电解槽运转时，在沟道侧面的碳素块的厚度，在机械性能上一定要能抗住由阴极棒和封闭层的热膨胀而发生的应力。封闭部分的截面形状可以是园形，也可以是矩形。

为了减少电压降，还使用其有两条窄沟道而在承受电解装置的热作用应力时又不太脆的碳素阴极块，相对于密封层来说这种块的优点是增加了接触面积。但在此时必须规定阴积块的边缘和紧靠的沟道之间的最小间距，这就限制了钢棒可能的横截面。

不管采用了何种结构，不管阴极块以及密封在阴极块的钢棒的形状和大小，阴极总是这样构造，使阴极块平行于金属箱的短边排列，使得阴极输出（伸到金属箱外部的钢棒的末端，电解槽之间的连接导体便连接在此末端上）总是在电解槽的长边侧，而不管电解槽相对于电解槽串联轴线是纵向还是横向放置。

现在铝的生产者，为了提高产量，减少投资并促使操作过程全自动化，正在打算增加电解槽的单位功率。现在已经超过了200，000安培的水平，估计在二十世纪八十年代末以前很可能突破400，000安培的水平。

与此同时，为降低电解槽的功率损耗水平，特别是为了降低阴极的欧姆电阻，正在进行巨大努力。

对这种功率的电解槽，制造具有低电压降的阴极需要新颖的方法，这种方法不能从现在的方法中简单地推断出来。事实上，一个电解槽的使用寿命和它用的阴极的质量具有很密切的关系，因为大多数电解槽过早地不能使用，都是由于金属和电解质渗透到阴极下面的空间。

本发明是基于一种新颖的可被称作“组合式”的阴极结构，采用不同数目的组件，阴极可以适用于任何大小的电解槽，只要电解槽的大小是组件尺寸的整数赔。