一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构的制作方法

1.本发明涉及铝电解槽领域，具体是一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构。


背景技术：

2.铝电解行业是国民经济支撑性行业，具有重要的战略意义。2020年，我国年铝产量达到了5000万吨，近十年平均增长率为12%。现在的铝电解仍以冰晶石
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氧化铝熔盐电解法（霍尔
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埃鲁特法）为基本原理，实际电解过程发生在高温强电流的工况环境中，大电流经由阳极母线输入阳极钢爪和炭块后，流过高阻值的电解质和液态金属铝层，最后通过阴极炭块和阴极钢棒输出。
3.但在实际生产过程中阳极炭块流出的电流扩散至电解质层，由于截面大小差异，电流发生偏转，产生额外的水平分量，这些水平电流与外加的垂直磁场共同作用产生电磁力。磁场对电解质气泡行为和铝液行为影响较大，磁场的优化较为有限，因此针对水平电流的优化成为了主要的研究方向。
4.国内外团队在基于电流分布优化的电解槽结构方向上，着力于改变电解槽阴极碳块外形特征和材料，如倾斜的阴极表面，带有突起的表面结构对电流分布进行优化，或者采用不同电导率的阴极碳块材料降低液态铝层的水平电流密度。
5.但在针对阴极形状进行改造时，不仅需要考虑新形状对水平电流密度的影响，还需要保证改造阴极结构的稳定性、足够疲劳强度以及寿命要求等。因此在不改变阴极碳块材料和结构的前提下，对阴极钢棒进行优化设计，实现降低铝电解槽铝液层水平电流密度具有非常重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构，以解决现有技术铝电解槽中铝液水平电流密度高、阴极钢棒出电端电荷易汇聚的问题。
7.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：包括第一阴极钢棒、第二阴极钢棒和第三阴极钢棒，其中：第三阴极钢棒成型为u型，第三阴极钢棒中u型口的开口所在端面为出电端；第二阴极钢棒设置于第三阴极钢棒的u型口中，第二阴极钢棒的一端作为出电端并设有u型凹口，第二阴极钢棒的出电端与第三阴极钢棒的出电端齐平，第二阴极钢棒的底面与第三阴极钢棒底面齐平，第二阴极钢棒的高度小于第三阴极钢棒的高度，第三阴极钢棒的u型口内壁与第二阴极钢棒对应的外壁之间间隙设有分隔层；第一阴极钢棒设置于第二阴极钢棒u型凹口中，第一阴极钢棒的一端作为出电端与第二、第三阴极钢棒的出电端齐平，第一阴极钢棒的底面与第二、第三阴极钢棒的底面齐平，第一阴极钢棒的高度小于第二阴极钢棒的高度，第二阴极钢棒的u型凹口内壁与第一阴
极钢棒对应的外壁之间间隙设有分隔层。
8.所述的一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：第三阴极钢棒、第二阴极钢棒之间分隔层高度与第二阴极钢棒高度一致。
9.所述的一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：第二阴极钢棒、第一阴极钢棒之间分隔层高度与第一阴极钢棒高度一致。
10.所述的一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：所述分隔层为绝缘材料制成，所述绝缘材料采用碳化纤维/聚四氟乙烯生料带编织填料（jb/t8560
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2013）。
11.所述的一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：第一、第二、第三阴极钢棒中垂直于出电端的边分别为各自长边，设第一阴极钢棒的宽度为w1，第二阴极钢棒中u型凹口两侧的u型单边宽度为w2，第三阴极钢棒中u型口两侧的u型单边宽度为w3，则有w1﹥w2﹥w3。
12.所述的一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：w1、w2、w3的尺寸比例为17:15:13。
13.所述的一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：第一、第二、第三阴极钢棒的长边比例为2:9:11。
14.所述的一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构，其特征在于：第一、第二、第三阴极钢棒的高度尺寸比例为19:22:25。
15.本发明阴极钢棒结构与铝电解槽中的阴极碳块组合使用，具体的阴极钢棒结构嵌入至阴极碳块底部，阴极钢棒结构的底面与阴极碳块底面齐平，阴极钢棒结构的出电端相对于阴极碳块对应侧伸出。
16.本发明阴极钢棒结构顶面中，第三阴极钢棒顶面高于第二阴极钢棒的顶面，第二阴极钢棒的顶面高于第一阴极钢棒的顶面，由此形成高度变化的阴极钢棒结构顶面。由此，阴极碳块嵌入本发明的嵌槽中，槽顶也应当设计为相应形状的槽壁面。
17.本发明从降低铝液中水平电流密度、优化出电端出电结构、避免出电端单一造成的电流大批量汇聚这些角度出发，保持铝电解槽的传统结构，提出仅仅改善阴极钢棒结构的设计方案：整个阴极钢棒结构通过两层分隔层可分为三部分阴极钢棒，即第一、第二、第三阴极钢棒，且分隔层被设置在相邻阴极钢棒之间，对应将电荷流向出电端出电分三批次进行。
18.本发明的原理：本发明改变了阴极钢棒结构，将阴极钢棒结构隔离分为第一阴极钢棒（条形）、第二阴极钢棒（带u型凹口的条形）、第三阴极钢棒（u形）三个部分，这三部分呈阶梯式分布且互不导电，第一、二、三阴极钢棒的长度依次递增，第一阴极钢棒的宽度及第二、三阴极钢棒的单边宽度依次递减，第一、二、三阴极钢棒的高度依次递增。阶梯式结构使得中间区域的电阻相较其他区域电阻较小，电流趋近于垂直流经阴极炭块，减小了电流的水平分量。这种结构也将引导流经钢棒不同区域的电流，中间段的电流不再趋于从靠近出电端的区域流出，靠近中轴的区域电流趋向于从阴极钢棒出电端的阴极母线流出，靠近出电端的区域电流在大量聚集不受中间电流分布的影响，因此电流可以较为均匀地流出。
19.与现有其他技术相比，本发明的优点为：
本发明优化了电解质层和液态铝层的电流分布，减小了电流集中产生的焦耳热对电解槽产生腐蚀磨损，提高了电解效率及生产的稳定性，延长了电解槽寿命。并且本发明仅调整了阴极钢棒和阴极炭块的结构配置，结构简单。本方法易于工业实现且技术要求不高，维修与更换较为方便；降低了吨铝电耗，达到了节能目的，提高了生产效益。
附图说明
20.图1是本发明结构立体图。
21.图2是本发明结构正视图。
22.图3是本发明与阴极碳块装配结构立体图。
23.图4是本发明与阴极碳块装配结构侧视图。
24.图5是本发明电流分布示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
26.如图1、图2所示，本发明一种铝电解槽用可降低铝液水平电流的阴极钢棒结构，包括第一阴极钢棒1、第二阴极钢棒3和第三阴极钢棒5，其中：第一阴极钢棒1为条状，第一阴极钢棒1的长边沿前后方向、宽边沿左右方向，并且第一阴极钢棒1的前端为出电端。
27.第二阴极钢棒3为条状，第二阴极钢棒3的长边沿前后方向、宽边沿左右方向，第二阴极钢棒3的前端为出电端，并且第二阴极钢棒3从出电端向后开出有u型凹口。第二阴极钢棒3的高度大于第一阴极钢棒1的高度，第二阴极钢棒3的长边长度、宽边宽度均大于第一阴极钢棒1的长边长度、宽边宽度。第一阴极钢棒1的形状与第二阴极钢棒3的u型凹口内部形状匹配，并且第二阴极钢棒3的u型凹口尺寸满足能够容纳第一阴极钢棒1。
28.第三阴极钢棒5成型为u型，第三阴极钢棒5的长边为前后方向、宽边为左右方向，第三阴极钢棒5中u型口的开口所在端面为前端，第三阴极钢棒5的开口端（即前端）为出电端。第三阴极钢棒5的高度大于第二阴极钢棒3，第三阴极钢棒5的长边长度、宽边宽度均大于第二阴极钢棒3的长边长度、宽边宽度。第二阴极钢棒3的外形与第三阴极钢棒5的u型口内部形状匹配，并且第三阴极钢棒5的u型口尺寸满足能够容纳第二阴极钢棒3。
29.第一阴极钢棒1、第二阴极钢棒3和第三阴极钢棒5三者中，第二阴极钢棒3安装于第三阴极钢棒1的u型口中，第一阴极钢棒1安装于第二阴极钢棒3的u型凹口中，第一阴极钢棒1、第二阴极钢棒3、第三阴极钢棒5的底面齐平，第一阴极钢棒1、第二阴极钢棒3、第三阴极钢棒5的出电端（即前端）齐平，三个阴极钢棒1、3、5顶面由此可呈阶梯状排列。
30.第二阴极钢棒3的u型凹口内壁与第一阴极钢棒1的对应位置的外壁之间间隙设有第一分隔层2。具体的，第二阴极钢棒3的u型凹口左、右、后三侧内壁与第一阴极钢棒1的左、右、后三侧外壁之间间隙设有第一分隔层2，由此第一分隔层2实际上是u型围绕第一阴极钢棒1的，如图2所示，第一分隔层2的高度与第一阴极钢棒1的高度一致。
31.同样，第三阴极钢棒5的u型口内壁与第二阴极钢棒3的对应位置的外壁之间间隙设有第二分隔层4。具体的，第三阴极钢棒5的u型口左、右、后三侧内壁与第二阴极钢棒3的左、右、后三侧外壁之间间隙设有第二分隔层4，由此第二分隔层4实际上是u型围绕第二阴
极钢棒3的，如图2所示，第二分隔层4的高度与第二阴极钢棒3的高度一致。
32.本发明中，第一分隔层2、第二分隔层4为绝缘材料制成，绝缘材料选择碳化纤维/聚四氟乙烯生料带编织填料（jb/t8560
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2013）。
33.本发明中，设第一阴极钢棒1的宽度为w1，第二阴极钢棒3中u型凹口两侧的u型单边宽度为w2，第三阴极钢棒5中u型口两侧的u型单边宽度为w3，其中的u型凹口的u型单边是指构成u型凹口的单侧侧壁，u型口的u型单边是指构成u型口的单侧侧壁，则有w1﹥w2﹥w3，如图2所示。当w1、w2、w3尺寸符合该要求时，能够有效降低水平电流密度。
34.以目前单块阴极碳块常用型尺寸3420x515x450mm（长、宽、高）的铝电解槽为例（钢棒从两侧顺序插入阴极碳块），w1、w2、w3的尺寸比例为17:15:13，本发明中第一阴极钢棒1的宽度w1可设为85mm，第二阴极钢棒3中u型凹口两侧的u型单边宽度w2可设为75mm，第三阴极钢棒5中u型口两侧的u型单边宽度为w3可设为65mm。
35.以目前单块阴极碳块常用型尺寸3420x515x450mm（长、宽、高）的铝电解槽为例，阴极钢棒边长的尺寸比例为2:9:11，第一阴极钢棒1的长边可设为200mm，第二阴极钢棒3的长边可设为900mm，第三阴极钢棒5的长边可设为1100mm。
36.以目前单块阴极碳块常用型尺寸3420x515x450mm（长、宽、高）的铝电解槽为例，阴极钢棒高度的尺寸比例为19:22:25，第一阴极钢棒1的高度可设为95mm，第二阴极钢棒3的高度可设为110m，第三阴极钢棒5的高度可设为125mm。
37.在上述尺寸的基础上，第一分隔层2、第二分隔层4的厚度相同，均可设为2.5mm。
38.如图3、图4所示，本发明整体嵌入至阴极碳块6底部，并且底面与阴极碳块6底面齐平，本发明整体出电端（即前端）相对于阴极碳块6的前侧端面伸出，阴极碳块6底部开出嵌槽供本发明嵌入时，嵌槽顶部槽壁面与本发明整体顶面形状一致。基于上述尺寸，本发明与阴极碳块6接触的长度可达到1000mm。
39.如图5所示，电流从阴极碳块流向阴极钢棒，然后从阴极钢棒端部的连接阴极母线的位置流出。本发明通过设立分隔层，引导流经钢棒不同区域的电流，流经钢棒中间区域的路径相比于流经出电端长，电流趋向于流经中间段使得在保持电压降不变的同时水平电流密度优化效果提高。
40.本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。