專利名稱：能大幅度降低水平電流的電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電解槽。
背景技術(shù)：
當(dāng)今的鋁電解工業(yè)正在向槽容量大型化發(fā)展。2005年以來，國內(nèi)先后建設(shè)了350—500kA大型電解槽，現(xiàn)有槽型也在不斷地強化電流。在電解槽的大型化和電流強化的趨勢下，電解槽穩(wěn)定性的研究成為電解槽的設(shè)計和生產(chǎn)中越來越重要的課題之一。鋁液中水平電流是鋁電解槽生產(chǎn)之大忌，因為鋁液中的水平電流與垂直磁場相互 作用，產(chǎn)生電磁力，導(dǎo)致鋁液的流動、波動和電解槽不穩(wěn)定。水平電流過大，對電解槽的穩(wěn)定性、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)都有很大的影響。另外，水平電流會使熔體流速加快，沖蝕爐幫，破壞爐膛，引發(fā)槽內(nèi)襯破損，影響槽壽命。所以水平電流對電解槽的穩(wěn)定性、電流效率、槽壽命的影響非常大，我們必須在設(shè)計和生產(chǎn)中想辦法減小電解槽的水平電流。分析水平電流的成因和防治對策，對電解槽生產(chǎn)管理有非常重要的意義。從理論上來講，電解槽的不穩(wěn)定是由鋁液中的水平電流和垂直磁場作用產(chǎn)生的電磁力引起的，電磁力的計算公式為
F = JB ο寫成三個方向分量的形式則變成
Fx - JyBz — JzBy
Fy = JzBx - JxBz⑴
Fz = JxBy - JyBx
當(dāng)Jk=(]且辦=O時，則上述公式變?yōu)?br> Fx = -JzBy
(2)
F) = JzBx
式⑴和⑵中J 是電磁力，是電流密度，S是磁場強度；X、Jf、Z分別指電解槽的長軸方向、短軸方向和垂直方向。從上面公式可以看出，當(dāng)電解槽水平電流密度Jx,辦均為O時，電磁力i 將不受垂
直方向的磁場Bz的影響。因此只要能在設(shè)計和生產(chǎn)中把水平電流密度J7控制得很小，即使磁環(huán)境差一些，電解槽仍可以穩(wěn)定地進行生產(chǎn)。也就是說，水平電流密度變小后，電解槽穩(wěn)定性受垂直磁場&的影響將會變小。電解槽磁場設(shè)計最重要的任務(wù)就是想辦法降低垂直方向的磁場,以增強電解槽的穩(wěn)定性，而減小水平電流可以達到同樣的目的。隨著技術(shù)的進步，大型槽的電壓已經(jīng)能控制在4V以內(nèi)，因此電解槽的保溫效果越來越重要。但電解槽的加工面寬度卻一直在270mm及以上，大加工面會導(dǎo)致電解槽散熱增大，從而需要更高的槽電壓來補充其散熱量；另外，過大的加工面不利于電解槽形成規(guī)整的爐膛，因此不利于控制電解槽水平電流。以貴陽鋁鎂設(shè)計研究院設(shè)計的420kA電解槽為例，在以往的使用中，鋁液層水平電流辦最大值在5000A/m2左右，平均值在2721A/m2，電解槽短軸方向水平電流分布如圖I所示。傳統(tǒng)電解槽存在以下不足 (I)陰極炭塊和陰極鋼棒的結(jié)合形式用扎糊全部填充的方式連接，電解槽短軸方向的水平電流比較大。(2)陰極鋼棒在陰極炭塊中不均布，引起長軸方向的水平電流較大；
(3)電解槽的大面加工面比較寬，不利于建立規(guī)整的爐膛；
(4)陰極炭塊比陽極炭塊窄，引起長軸方向的水平電流較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種能大幅度降低水平電流的電解槽，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的水平電流比較大，電解槽工作穩(wěn)定性差等不足。為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案陰極鋼棒采用“漸變式”陰極扎糊結(jié)構(gòu)，即采用斜面或階梯式截面的陰極扎糊結(jié)構(gòu)，在斜面或階梯式截面處填充耐高溫絕緣材料(如陶瓷纖維棉、高強澆注料等)；陰極鋼棒在陰極炭塊中等比例布置；爐膛的大面加工面控制在240— 269mm之間；采用陰極炭塊與陽極炭塊對齊結(jié)構(gòu)，即陰極炭塊寬度與陽極寬度相等，其值在600mm —800mm之間。在階梯式截面處填充的耐高溫絕緣材料形成階梯，該階梯滿足以下關(guān)系
~·χ 7 < ￡1 < —X —式中f為陰極長度，為階梯中耐高溫絕緣材料長度；
I JI J ^ L￡,1
H H 1 < Η χ γ , ffx4 <ff2 <J X3 ^ H 為扎糊總高度，Hl.' 分別為階梯中耐高溫絕緣材料兩個“階梯”的高度。所述的斜面處填充的耐高溫絕緣材料形成三角體，該三角體滿足下列關(guān)系
< Z3 < I，式中h為陰極炭塊s長度，13為三角體中耐高溫絕緣材料長
度；
式中為扎糊總高度， 為三角體中耐高溫絕緣材料高度。
J3 ^ HΗ3陰極鋼棒在陰極炭塊中等比例布置是指陰極鋼棒等比例分布于陰極炭塊中，滿足下列關(guān)系
= 式中y為陰極炭塊寬度，Jfq為從陰極炭塊邊緣到陰極鋼棒中心的距離，
該距離與陰極鋼棒中心到陰極炭塊中心的距離相等。以上技術(shù)方案的特點如下
(I)窄加工面。把電解槽的大面加工面控制在240mm — 269mm范圍內(nèi)。(2) “漸變式”陰極扎糊，即斜面或階梯式截面陰極扎糊結(jié)構(gòu)。在陰極鋼棒出口處留一個斜三角或階梯式的形狀不用陰極扎糊填充，而用耐高溫絕緣材料代替，以減小電解槽短軸方向水平電流。(3)陰、陽極對齊。采用大陰極炭塊技術(shù)，即陰極炭塊寬度與陽極炭塊寬度相等，其值在600_ —800_之間。這樣既能減小施工時的工作量，又能降低電解槽的破損幾率。(4)陰極鋼棒在陰極炭塊中均勻布置。傳統(tǒng)的陰極炭塊由于其寬度一般在530mm以內(nèi)，因此從結(jié)構(gòu)上考慮，每塊陰極炭塊中的兩根陰極鋼棒是靠中間布置的，而本發(fā)明中由于采用了大陰極炭塊，因此陰極鋼棒在陰極炭塊中采用均勻布置。陰極鋼棒均勻分布于陰極炭塊中的主要目的是減小長軸方向的水平電流，陰極越寬，該結(jié)構(gòu)對減小水平電流越有利。通常鋁液層中水平電流的產(chǎn)生有兩個原因(1)電解槽側(cè)出電形式?jīng)Q定了鋁液中的電流會由垂直向下往出電口方向偏。(2)陽極投影區(qū)域以外鋁液的存在決定了大面處鋁液有向槽中心方向的水平電流。 以上兩個因素的存在，使傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)下水平電流比較大。而本專利正是基于水平電流產(chǎn)生的原因，想辦法減小水平電流。由于使用“漸變”式陰極扎糊技術(shù)，陰極結(jié)構(gòu)中靠鋼棒出電頭處炭塊和鋼棒的接觸面積減小，即電阻會增大，因此會迫使鋁液中的電流往中間流，從而達到減小短軸方向水平電流的目的。而小加工面的使用則有利于電解槽形成規(guī)整的爐膛，使陽極投影區(qū)域外鋁液減少，因此有利于減小大面處鋁液往槽中心的水平電流。采用本發(fā)明，電解槽的水平電流大幅度地降低，短軸方向水平電流平均值由原來的 2721 A/m2 降低至了 431A/m2。應(yīng)用范圍
本發(fā)明施工簡單，能大幅度降低電解槽鋁液層的水平電流，對于增強電解槽的穩(wěn)定性和降低直流電耗都有非常重要的意義，無論是舊槽子的改造還是新槽子的設(shè)計都可以使用。它是對國家節(jié)能減排政策的實際應(yīng)用，對于高能耗的鋁電解行業(yè)尤其值得大力推廣。


圖I為傳統(tǒng)電解槽中水平電流分布圖；圖中橫坐標(biāo)表示該點與槽中軸線的距離(單位m)，縱坐標(biāo)為水平電流J>數(shù)值(單位A/m2)；
圖2為本發(fā)明電解槽中水平電流分布圖；圖中橫坐標(biāo)表示該點與槽中軸線的距離(單位m)，縱坐標(biāo)為水平電流辦數(shù)值(單位A/m2)；
圖3為本發(fā)明的電解槽結(jié)構(gòu)示意圖；圖中I為陽極炭塊，3為爐膛，5為大面加工面，S為大面加工面寬度。圖4為本發(fā)明的陰極扎糊為階梯式截面時陰極示意圖；圖中2為陰極鋼棒，4為陰極炭塊，6為階梯式耐高溫絕緣材料。圖5為圖4中的A—A首I]面不意 圖6為圖4中的B—B劑面不意圖。圖7為本發(fā)明的陰極扎糊為斜面時陰極不意圖；圖中2為陰極鋼棒，4為陰極炭塊,7為三角體式耐高溫絕緣材料。圖8為圖7中的C一C剖面示意 圖9為圖7中的D—D劑面不意圖。
具體實施例方式
具體實施例方式電解槽包括陽極炭塊I、陰極鋼棒2、爐膛3、陰極炭塊4等部件，陰極鋼棒2采用“漸變式”陰極扎糊結(jié)構(gòu)，即采用斜面或階梯式截面的陰極扎糊結(jié)構(gòu)，在斜面或階梯式截面處填充耐高溫絕緣材料； 陰極鋼棒2在陰極炭塊4中為等比例布置；爐膛的大面加工面5的寬度S控制在240— 269mm之間；陰極炭塊4與陽極炭塊I對齊，陰極炭塊寬度與陽極炭塊寬度相等，為665_。在斜面或階梯式截面處填充的耐高溫絕緣材料為陶瓷纖維棉、高強澆注料等。在階梯式截面處填充的耐高溫絕緣材料形成階梯6，該階梯6滿足以下關(guān)系
~x ~ U式中&為陰極長度，η為階梯中耐聞溫絕緣材料長度；
Η X \ < Η 1，ffx4 <Η2 <Η<3>丑為扎糊總高度，m.'丑2分別為階
梯中耐高溫絕緣材料兩個“階梯”的高度。所述的斜面處填充的耐高溫絕緣材料形成三角體7，該三角體7滿足下列關(guān)系
AxI <13式中為陰極炭塊s長度，i3為三角體中耐高溫絕緣材料長
2 32 J
度；
式中為扎糊總高度， 為三角體中耐高溫絕緣材料高度。j3 ^ ^H3陰極鋼棒2在陰極炭塊4中等比例布置是指陰極鋼棒等比例分布于陰極炭塊中，滿足下列關(guān)系
肌式中Jr為陰極炭塊寬度，為從陰極炭塊邊緣到陰極銀!棒中心的距離，該距離與陰極鋼棒中心到陰極炭塊中心的距離相等。圖I中鋁液層水平電流辦最大值在5000A/m2左右，平均值在2721A/m2 ;圖2中鋁
液層水平電流&平均值為431A/m2 ;兩者比較，本專利技術(shù)中的電解槽在減小水平電流方面具有顯著的技術(shù)效果。圖3是本發(fā)明的電解槽示意圖，由于加工面比傳統(tǒng)電解槽窄，因此槽周圍糊高度應(yīng)適度降低，以排除電解槽換極時頂極風(fēng)險，同時，這樣也有利于電解槽的安全。圖中寬度S取值范圍在240mm — 269mm之間，而傳統(tǒng)電解槽這個值在270mm及以上。圖4和圖7中的等比分布陰極鋼棒不宜在小陰極炭塊上使用，因為小陰極炭塊在這種形式下存在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)險。
權(quán)利要求
1.一種能大幅度降低水平電流的電解槽，它包括陽極炭塊(I)、陰極鋼棒(2)、爐膛(3)、陰極炭塊(4)，其特征在于陰極鋼棒(2)采用“漸變式”陰極扎糊結(jié)構(gòu)，即采用斜面或階梯式截面的陰極扎糊結(jié)構(gòu)，在斜面或階梯式截面處填充耐高溫絕緣材料；陰極鋼棒(2)在陰極炭塊(4)中為等比例布置；爐膛(3)的大面加工面(5)控制在240mm — 269mm之間；陰極炭塊(4)與陽極炭塊(I)對齊，即陰極炭塊(4)寬度與陽極炭塊(I)寬度相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能大幅度降低水平電流的電解槽，其特征在于在斜面或階梯式截面處填充不導(dǎo)電的耐高溫絕緣材料為陶瓷纖維棉，或填充高強澆注料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的能大幅度降低水平電流的電解槽，其特征在于在階梯式截面處填充耐高溫絕緣材料形成階梯(6)，該階梯(6)滿足以下關(guān)系
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的能大幅度降低水平電流的電解槽，其特征在于所述的斜面處填充耐高溫絕緣材料形成三角體(7)，該三角體(7)滿足下列關(guān)系
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能大幅度降低水平電流的電解槽，其特征在于陰極鋼棒(2)在陰極炭塊(4)中等比例布置是指陰極鋼棒等比例分布于陰極炭塊中，滿足下列關(guān)系 肌式中,為陰極炭塊寬度，Jri為從陰極炭塊邊緣到陰極銀!棒中心的距離，該距離與陰極鋼棒中心到陰極炭塊中心的距離相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能大幅度降低水平電流的電解槽，其特征在于采用陰極炭塊(4)與陽極炭塊(I)對齊結(jié)構(gòu)，即陰極炭塊(4)寬度與陽極炭塊(I)寬度相等，其寬度值在 600mm—800mm 之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能大幅度降低水平電流的電解槽，它包括陽極炭塊(1)、陰極鋼棒(2)、爐膛(3)、陰極炭塊(4)等，其特征在于陰極鋼棒(2)采用“漸變式”陰極扎糊結(jié)構(gòu)，即采用斜面或階梯式截面的陰極扎糊結(jié)構(gòu)，在斜面處或階梯式截面處填充耐高溫絕緣材料；陰極鋼棒(2)在陰極炭塊(4)中為等比例布置；爐膛(3)中的大面加工面(5)的寬度S控制在240mm—269mm之間；陰極炭塊(4)與陽極炭塊(1)對齊，即陰極炭塊寬度與陽極寬度相等，其值在600mm—800mm之間。
文檔編號C25C3/08GK102925927SQ20111022850
公開日2013年2月13日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月10日
發(fā)明者劉正, 楊朝紅, 郭海龍, 陳穎, 黃 俊, 劉堅, 周劍飛, 程然 申請人:貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司