專利名稱：一種鋁電解槽陰極炭塊和陰極鋼棒的連接構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本項(xiàng)發(fā)明屬于鋁生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。技術(shù)關(guān)鍵在于研發(fā)出一種鋁電解槽陰極炭塊和陰 極鋼棒多槽插接的連接方法及構(gòu)造。應(yīng)用本項(xiàng)發(fā)明可取得較大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
背景技術(shù)：
1.概述目前世界上鋁的工業(yè)生產(chǎn)方法為熔鹽電解法，電解法制鋁的關(guān)鍵設(shè)備是鋁電解 槽，鋁電解槽主要由陰極和陽極兩大部份組成。鋁電解槽陰極通常根據(jù)槽電流強(qiáng)度大小由 數(shù)十個陰極炭塊組并排組合而成，例如一臺240kA電解槽有20組陰 極炭塊組，一臺350kA 電解槽有32組陰極炭塊組。陰極炭塊組則由陰極炭塊1、陰極鋼棒2、炭素糊3三部份組 成，見圖1。炭素糊起連接作用，通過人工搗固炭素糊可將陰極炭塊和陰極鋼棒組合成陰極 炭塊組。目前世界上工業(yè)應(yīng)用的鋁電解槽電流強(qiáng)度從不到IOOkA到最大500kA，各種槽型都 采用這種方式的陰極炭塊組組成 鋁電解槽陰極。目前國標(biāo)列出的鋁電解槽陰極炭塊組各材料截面尺寸(加工后)見下表
^明 寬度為660mm陰極炭塊組已開始應(yīng)用，結(jié)構(gòu)型式仍同上類似,即1個炭塊一端有2根鋼棒陰極炭塊的主要生產(chǎn)流程為石油焦破碎_石油焦煅燒_煅后料加浙青混捏_擠 壓或振動成型_生炭塊焙燒_炭塊機(jī)械加工(銑炭塊六面及鋼棒槽)“炭塊成品入庫?，F(xiàn)有陰極炭塊組的組裝方式為①將陰極鋼棒、陰極炭塊分別預(yù)熱，同時將炭素糊預(yù)熱并用混捏鍋攪拌均勻；②將陰極鋼棒用數(shù)個木楔固定在陰極炭塊的鋼棒槽中；③將預(yù)熱拌勻的炭素糊人工搗固在陰極鋼棒和陰極炭塊之間的鋼棒槽中。目前這種陰極炭塊組的組裝方式仍在國際國內(nèi)工業(yè)鋁電解槽上應(yīng)用至今。2.現(xiàn)有陰極炭塊組存在的問題本人認(rèn)為目前鋁工業(yè)一直應(yīng)用的這種陰極炭塊組有以下問題，為了便于說明，以 目前用量最多的截面規(guī)格尺寸為515mmX450mm的陰極炭塊組為例說明如下①陰極炭塊利用率低，增加了設(shè)備投資，且污染環(huán)境現(xiàn)有陰極炭塊組總高度450mm中，陰極鋼棒槽高度200mm，因此陰極炭塊的最大 有效使用高度為450-200 = 250mm，見圖1。炭塊有效高度占總高度比率僅為250/450 = 55.6%，該比率不高，這對陰極炭塊是一種浪費(fèi)。[0016]陰極鋼棒槽的高度增加，會使得電解槽內(nèi)襯、槽殼、立柱母線的高度相應(yīng)增加，即 增加了電解槽設(shè)備投資，因此降低陰極鋼棒槽高度可減少電解槽設(shè)備投資。由于鋁電解槽廢舊內(nèi)襯含有害成分(主要是F_和少量的CN_等)，按國標(biāo)屬具有 浸出毒性的危險廢物，其廢棄物必須采取防滲渣場填埋處理。由于現(xiàn)有陰極炭塊組中陰極 炭塊有效高度比率不高，則大修時廢渣量高，因此現(xiàn)有陰極炭塊組型式增大了環(huán)保投資。②陰極炭塊的陰極鋼棒槽機(jī)械加工量較大 目前陰極炭塊上的陰極鋼棒槽采用將陰極炭塊整體焙燒好后再機(jī)械加工開出陰 極鋼棒槽的生產(chǎn)方式，由于陰極鋼棒槽截面積較大，因此開槽浪費(fèi)了大量焙燒好的炭塊，相 應(yīng)浪費(fèi)焙燒炭塊的能源，增加開槽機(jī)械加工成本，而且在機(jī)械加工中會產(chǎn)生的大量炭粉，污 染生產(chǎn)操作環(huán)境和設(shè)備。③陰極炭塊組在組裝和電解槽焙燒啟動時對環(huán)境污染較大 目前陰極炭塊組中，炭素糊重量約占陰極炭塊重量的6 %。這部分炭素糊含有浙青 焦油，其揮發(fā)分含量大約9 13% (國標(biāo)數(shù)值)，炭素糊搗固施工溫度100°C左右，因此在陰 極炭塊組的組裝時會產(chǎn)生一些浙青煙，造成組裝操作處的環(huán)境污染；而更大量的浙青煙會 在電解槽焙燒啟動時從電解槽槽殼上陰極鋼棒窗口處揮發(fā)出來，由于這部分浙青煙在電解 槽密閉罩之外不易捕集，因此對啟動初期電解生產(chǎn)環(huán)境污染較大。④陰極炭塊組水平電流分量相對較大現(xiàn)有陰極炭塊組工作時電流流經(jīng)方式為電流從陰極炭塊上表面進(jìn)入，從陰極鋼 棒導(dǎo)出。由于陰極炭塊寬515mm，陰極鋼棒合計寬度65X2 = 130mm，因此寬度的差別必然 會使炭塊內(nèi)有一定的水平電流分量存在，見圖4。理論表明電解槽內(nèi)水平電流會導(dǎo)致鋁液 波動，造成電解生產(chǎn)不穩(wěn)定。由于這部分水平電流距離鋁液層較近，數(shù)值雖小卻會造成鋁液 波動，影響電解生產(chǎn)穩(wěn)定，因此減少陰極炭塊內(nèi)的水平電流對穩(wěn)定生產(chǎn)有實(shí)際意義。⑤陰極炭塊組鐵碳電壓降較大一般來說，兩種材料交界面處的電阻要遠(yuǎn)高于兩種材料內(nèi)的電阻，電阻大則電壓 降也大?，F(xiàn)有陰極炭塊組電流路徑為陰極炭塊_陰極炭塊與炭素糊交界面_炭素糊與陰 極鋼棒交界面(該交界面電壓常稱為鐵炭壓降)_陰極鋼棒，電流經(jīng)歷了兩個交界面這兩 個交界面會消耗較多的電壓降，增加電解生產(chǎn)能耗。鐵碳壓降是陰極壓降的重要組成部分，增加鐵碳接觸面積可有效減少鐵碳壓降。 而現(xiàn)有陰極炭塊和陰極鋼棒連接方式使得鐵碳接觸面積較小，分析如下由于陰極鋼棒與 炭素糊的接觸面積在陰極炭塊組截面上表現(xiàn)為導(dǎo)電長度，經(jīng)計算，現(xiàn)有陰極鋼棒導(dǎo)電長度 為(180X2+65) X2 = 850mm，見圖 6。⑥對電解槽壽命的影響電解槽陰極均勻承載電流是保持電解槽長壽命的重要因素之一，而現(xiàn)有陰極炭塊 組的連接方式對電解槽壽命會有一定影響，分析如下由于陰極炭塊與陰極鋼棒的連接是 用炭素糊經(jīng)人工用風(fēng)錘分層搗固而成，人為不均勻因素較多，而且炭素糊在電解槽焙燒啟 動時還會產(chǎn)生一定量的收縮，造成陰極鋼棒、炭素糊和陰極炭塊接觸不均，使得陰極電流在 陰極炭塊內(nèi)分布不均，導(dǎo)致陰極炭塊產(chǎn)生局部裂紋甚至破損。一旦陰極局部破損，電解槽陰 極就要大修更換了。因此現(xiàn)有陰極炭塊組連接方式造成電解槽陰極局部破損的幾率較大。發(fā)明內(nèi)容[0030]本實(shí)用新型的目的是克服上述不足提供一種鋁電解槽陰極炭塊和陰極鋼棒的連 接構(gòu)造。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種鋁電解槽陰極炭塊和陰極鋼棒的連接構(gòu)造，陰極炭塊 與陰極鋼棒通過插接方法構(gòu)成，陰極炭塊底部開有數(shù)個溝槽，陰極鋼棒由底板和焊接在其 上的數(shù)個筋板組成，筋板位置與陰極炭塊溝槽位置對應(yīng)，將陰極炭塊溝槽與陰極鋼棒筋板 對應(yīng)插接即完成組合。上述陰極炭塊和陰極鋼棒的連接構(gòu)造，在陰極炭塊溝槽與陰極鋼棒間的縫隙處灌 注石墨粉；還可以在陰極炭塊底部設(shè)置有七個溝槽，在陰極鋼棒上對應(yīng)設(shè)置有七個筋板； 或者在陰極炭塊底部設(shè)置有八個溝槽，在陰極鋼棒上對應(yīng)設(shè)置有八個筋板；或者在陰極 炭 塊底部設(shè)置有九個溝槽，在陰極鋼棒上對應(yīng)設(shè)置有九個筋板。組裝后的陰極炭塊組電流路徑為陰極炭塊-陰極炭塊與鋼棒接合面-陰極鋼棒。本發(fā)明技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)比較采用本發(fā)明技術(shù)可基本解決現(xiàn)有陰極炭塊組的諸多問題，為了便于說明，仍以目 前用量最多的截面尺寸為515mmX450mm的陰極炭塊組為例說明如下①提高陰極炭塊利用率，減少了設(shè)備投資，減少環(huán)保投資本發(fā)明采用陰極炭塊和陰極鋼棒多溝槽插接方法和構(gòu)造，降低了陰極鋼棒槽高 度，增大了陰極炭塊有效高度，提高了陰極炭塊利用率，見圖2。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較如下 表 由上表看出，本發(fā)明減少了炭塊無效面積，提高了炭塊利用率。如果保持陰極鋼棒槽頂面至陰極碳塊頂面距離250mm不變，則本發(fā)明可使陰極炭 塊組總高度減少365-250 = 106mm，見圖3。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較如下表 由上表看出，由于減少了炭塊總截面積，減少了炭塊總量，因此減少投資；由于炭 塊無效面積減少，因此可減少大修槽廢渣，減輕了環(huán)保所需的渣場投資。②對原陰極炭塊中陰極鋼棒槽機(jī)械加工量大的改進(jìn)現(xiàn)有陰極炭塊組結(jié)構(gòu)中陰極鋼棒槽截面積與本發(fā)明技術(shù)比較如下表 由此看出，本發(fā)明減少了陰極鋼棒槽的加工量，降低了成本，減少了浪費(fèi)。③對原陰極炭塊組在組裝和電解槽焙燒啟動時環(huán)境污染較大問題的解決本發(fā)明采用陰極鋼棒與陰極炭塊多槽插接而成，不需要炭素糊那樣的中間連接 物，因此完全杜絕了原陰極炭塊組組裝時和電解槽焙燒啟動時由炭素糊產(chǎn)生的浙青煙污染。④對原陰極炭塊組水平電流分量相對較大問題的改善本發(fā)明將陰極鋼棒分成數(shù)個筋板，使得陰極炭塊中的電流幾乎垂直向下進(jìn)入陰極 鋼棒中，可基本消除陰極炭塊中水平電流分量，見圖4，圖5。陰極炭塊邊距鋼棒邊的平均距離比較如下表 由表中看出，本發(fā)明使得炭塊邊緣距鋼棒邊緣的平均水平距離有較大減少，因此 減少了炭塊中的水平電流。⑤對陰極炭塊組鐵碳電壓降較大問題的改進(jìn)鐵碳壓降是電解槽陰極電壓降的重要組成部分，增加鐵碳接觸面積、減少不同材 料交界面數(shù)量是減少鐵碳壓降的主要方法。本發(fā)明采用陰極炭塊與陰極鋼棒分散多槽插接 而成，電流從陰極炭塊頂面進(jìn)入，從陰極鋼棒流出只經(jīng)過一個交界面(陰極炭塊與陰極鋼 棒交界面)，比現(xiàn)有陰極炭塊組的組合方式減少一個交界面。本發(fā)明采用陰極炭塊與陰極鋼棒分散多槽插接而成，增加了鐵炭接觸面積，陰極 鋼棒在炭塊截面上導(dǎo)電長度有所增加，見圖6，圖7。比較如下 增加鋼棒在炭塊截面上的導(dǎo)電長度，相當(dāng)于增加陰極鋼棒和炭塊的鐵碳接觸面 積，一定程度上減少了陰極碳塊組中的鐵碳壓降。⑥關(guān)于延長電解槽壽命評述電解槽壽命和許多因素有關(guān)，本發(fā)明使得陰極炭塊電流分布更加均勻，減少了陰 極炭塊中水平電流分量，消除了人工搗固炭素糊易造成電解槽破損的不利因素，減少炭塊 大開槽導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中，因此從這些方面來說本發(fā)明可更有效的延長電解槽壽命。

圖 1 圖中表示了現(xiàn)有陰極碳塊組構(gòu)造(截面規(guī)格515mm X 450mm)。1為陰極炭塊，2為陰極鋼棒，3為炭素糊。Ml 圖中表示了本發(fā)明陰極炭塊組插接連接方法及構(gòu)造(截面規(guī)格515mm X 450mm)。4為陰極炭塊，5為陰極鋼棒。Ml 圖中表示了本發(fā)明陰極炭塊組插接連接方法及構(gòu)造(截面規(guī)格515mm X 344mm)。4為陰極炭塊，5為陰極鋼棒。Ml 圖中表示了現(xiàn)有陰極碳塊組中電流路徑分布情況(截面規(guī)格515mmX450mm)。1為陰極炭塊，2為陰極鋼棒，3為炭素糊。Ml 圖中表示了本發(fā)明陰極炭塊組中電流路徑分布情況(515mmX450mm截面規(guī)格)。4為陰極炭塊，5為陰極鋼棒。[0077]圖中表示了現(xiàn)有陰極碳塊組中鋼棒導(dǎo)電長度(515mmX 450mm截面規(guī)格)。1為陰極炭塊，2為陰極鋼棒，3為炭素糊。Ml 圖中表示了本發(fā)明陰極炭塊組中鋼棒導(dǎo)電長度(515mmX450mm截面規(guī)格)。4為陰極炭塊，5為陰極鋼棒。
具體實(shí)施方式
如圖2、圖3、圖4、圖5和圖7所示的一種鋁電解槽陰極炭塊4和陰極鋼棒5的連 接構(gòu)造，陰極炭塊4與陰極鋼棒5通過插接方法構(gòu)成，陰極炭塊4底部開有數(shù)個溝槽，陰極 鋼棒5由底板和焊接在其上的數(shù)個筋板組成，筋板位置與陰極炭塊溝槽位置對應(yīng)，將陰極 炭塊溝槽與陰極鋼棒筋板對應(yīng)插接即完成組合，在陰極炭塊溝槽與陰極鋼棒間的縫隙處灌
注石墨粉。 本實(shí)用新型可以根據(jù)不同的炭塊截面尺寸在陰極炭塊底部銑出有七個溝槽，在陰 極鋼棒上對應(yīng)設(shè)置有七個筋板，還可以在陰極炭塊底部銑出八個溝槽，在陰極鋼棒上對應(yīng) 設(shè)置有八個筋板，還可以在陰極炭塊底部銑出九個溝槽，在陰極鋼棒上對應(yīng)設(shè)置有九個筋 板。本發(fā)明陰極炭塊組只涉及陰極炭塊4和陰極鋼棒5兩部件，仍以截面尺寸 515mmX450mm的陰極炭塊組為例，兩部件采購、加工及組裝如下①陰極炭塊對于已投產(chǎn)使用的電解槽，由于需保持原陰極炭塊組高度450mm不變，因此采購 的陰極炭塊截面尺寸應(yīng)為515mmX414mm。對于新建的電解槽，可采購515mmX308mm截面尺寸的陰極炭塊。電解槽設(shè)計時可 按此規(guī)格陰極炭塊進(jìn)行設(shè)計，可減少投資。陰極炭塊采購來后，可用寬度16mm、頭部和根部帶圓弧的銑刀在炭塊銑床上將陰 極炭塊底部銑出8道溝槽(根據(jù)不同的炭塊截面尺寸也可銑出7個或9個溝槽，依此類推)， 每個溝槽應(yīng)一次銑成型。②陰極鋼棒陰極鋼棒由1個底板和8個筋板焊接而成(根據(jù)不同的炭塊截面尺寸也可采用7 個或9個筋板，依此類推)，底板截面尺寸為515mmX 36mm ；筋板截面尺寸為50mmX 16mm,筋 板頂部倒角。筋板底部與底板采用焊接連接。筋板與底板焊接前應(yīng)按陰極炭塊底部溝槽間距做好模具以保持筋板與底板焊接 時位置的正確性。③安裝將陰極炭塊溝槽和陰極鋼棒筋板對應(yīng)位置插接即可，插接后注意應(yīng)保持炭塊底面 與陰極鋼棒底板均勻接觸，插接后在溝槽頂部縫隙處可灌注少量石墨粉，以增強(qiáng)導(dǎo)電性。
權(quán)利要求一種鋁電解槽陰極炭塊和陰極鋼棒的連接構(gòu)造，其特征是陰極炭塊與陰極鋼棒通過插接方法構(gòu)成，陰極炭塊底部開有數(shù)個溝槽，陰極鋼棒由底板和焊接在其上的數(shù)個筋板組成，筋板位置與陰極炭塊溝槽位置對應(yīng)，將陰極炭塊溝槽與陰極鋼棒筋板對應(yīng)插接即完成組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極炭塊和陰極鋼棒的連接構(gòu)造，其特征是在陰極炭塊溝 槽與陰極鋼棒間的縫隙處灌注石墨粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陰極炭塊和陰極鋼棒的連接構(gòu)造，其特征是陰極炭塊 底部設(shè)置有七個溝槽，在陰極鋼棒上對應(yīng)設(shè)置有七個筋板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陰極炭塊和陰極鋼棒的連接構(gòu)造，其特征是陰極炭塊 底部設(shè)置有八個溝槽，在陰極鋼棒上對應(yīng)設(shè)置有八個筋板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陰極炭塊和陰極鋼棒的連接構(gòu)造，其特征是陰極炭塊 底部設(shè)置有九個溝槽，在陰極鋼棒上對應(yīng)設(shè)置有九個筋板。
專利摘要本實(shí)用新型屬鋁生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。一種鋁電解槽陰極炭塊和陰極鋼棒的連接構(gòu)造，陰極炭塊與陰極鋼棒通過插接方法構(gòu)成，陰極炭塊底部開有數(shù)個溝槽，陰極鋼棒由底板和焊接在其上的數(shù)個筋板組成，筋板位置與陰極炭塊溝槽位置對應(yīng)，將陰極炭塊溝槽與陰極鋼棒筋板對應(yīng)插接即完成組合。本實(shí)用新型與現(xiàn)有陰極炭塊組相比，本實(shí)用新型提高了陰極炭塊利用率、減少了陰極炭塊無效用量、減少了陰極炭塊開鋼棒槽的機(jī)械加工量、減少了電解槽大修時陰極炭塊廢渣量、減少了陰極炭塊中的水平電流、消除了現(xiàn)有陰極炭塊組在組裝和電解槽焙燒啟動時由炭素糊產(chǎn)生的瀝青煙害、增大了陰極炭塊與陰極鋼棒的鐵碳接觸面積、延長了電解槽壽命。
文檔編號C25C3/08GK201587988SQ20092021837
公開日2010年9月22日 申請日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者丁鳳其, 李劫, 王化雨, 郭龍, 黃羲 申請人:郭龍