一种铝电解槽的阴极结构及铝电解槽

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种铝电解槽的阴极结构及铝电解槽。

背景技术

铝电解槽用于生产原铝液，铝电解槽包括槽体以及设于槽体内底部的阴极，其中阴极包括炭块和导电棒，炭块的底部设有用于嵌入钢板的燕尾槽，通过燕尾槽连接炭块和导电棒。在生产运行过程中，电流依次经过阳极、电解质、铝液、阴极的炭块以及导电棒。强直流电通过槽内铝液时，会产生较大的水平电流，水平电流会导致铝液波动幅度增大，特别是随着电解槽大型化的发展，阴极炭块长度的增加，电解槽内铝液中水平电流会不断增加，降低了电流效率，影响铝电解槽的稳定性。

目前，铝电解阴极组的组合方法为糊料扎固或磷生铁浇注方式，采用此方式时阴极炭块下部均设有用于固定导电棒的燕尾槽结构，这种结构的阴极结构不利于降低阴极压降和电解槽水平电流。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种铝电解槽的阴极结构及铝电解槽，降低阴极压降。

本发明的技术方案为：

一方面，本发明提供了一种铝电解槽的阴极结构，包括：

炭块；

导电块；

导电棒，设有多根，且顶面设有安装对应的导向块的安装槽，所述炭块的两端分别设有至少一根所述导电棒，至少一根所述导电棒沿所述炭块的宽度方向依次设置，所述导电棒的外端伸出于所述炭块的对应的端部；

其中，所述导电棒的电导率小于所述导电块的电导率，所述导电块与所述导电棒的顶面共面形成与所述炭块的底面接触的作用面。

在一些实施例中，所述炭块的两端分别设有至少两根所述导电棒，位于所述炭块同一端的至少两个导电棒中，位于最外侧的两个所述导电棒的内侧设有沿所述炭块的宽度方向的且与各自的安装槽连通的连通槽，位于中部的所述导电棒设有沿所述炭块的宽度方形贯通设置的且与各自的安装槽连通的所述连通槽，位于所述炭块的同一端的导电块通过嵌入于所述连通槽的连接块连接所述连接块的电导率大于所述导电棒的电导率。

在一些实施例中，所述连接块与所述导电块为一体式结构。

在一些实施例中，所述连接块与所述导电棒的顶面共面；所述连接块与所述导电块的材质均为铜。

在一些实施例中，所述导电块沿竖向尺寸为所述导电棒沿竖向尺寸的30～60％，所述导电块沿所述炭块宽度方向的尺寸是所述导电棒沿所述炭块宽度方向尺寸的60～80％。

在一些实施例中，所述炭块的两端分别设置两根所述导电棒，位于所述炭块同一端的两根所述导电棒沿所述炭块的宽度方向依次间隔设置。

在一些实施例中，所述阴极结构还包括连接杆，所述导电棒通过多个所述连接杆与所述炭块连接。

在一些实施例中，所述阴极结构还包括位于所述炭块以及所述导电棒之间的结合层，所述结合层包括导电粉末和粘结剂，所述结合层的厚度为1～2mm。

在一些实施例中，所述阴极结构还包括支撑块，每个所述导电棒沿所述炭块宽度方向的两侧均设有所述支撑块，所述支撑块与所述炭块的底面接触。

第二方面，本发明提供了一种铝电解槽，包括：

槽体，设有上部开口的电解腔；

前述的阴极结构，所述阴极结构设有多个，多个所述阴极结构依次分布于所述电解腔内，所述导电棒与所述电解腔的底部接触。

本发明的有益效果至少包括：

本发明所提供的一种阴极结构包括炭块、导电块和导电棒，导电棒设有多根，导电棒与安装槽的数量相同，导电棒的顶面设有安装对应的导向块的安装槽，炭块的两端分别设有至少一根导电棒，至少一根导电棒沿炭块的宽度方向依次设置，导电棒的外端伸出于炭块的对应的端部；导电块与导电棒的顶面共面形成与炭块的底面接触的作用面。导电棒的电导率小于导电块的电导率。将阴极结构安装于铝电解槽时，阴极结构位于电解槽内的底部，炭块位于上方，导电棒位于下方，在电解过程中，铝液和电解质依次位于炭块的上方，电流从电解质向下经过铝液，然后进入炭块中，由于导电块的电导率大于导电棒，电流总是流经电阻最小的线路，因此，经过铝液的电流会顺着炭块大部分进入导电块，然后从导电块传递给导电棒沿着导电棒导出至下一个电解槽。导电块由于导电率大，因此导电块的设置降低了电流在铝液中的水平电流，还降低了阴极的压降，提高了能量利用率。由于炭块的底部无需设置用于固定导电棒的燕尾槽，因此导电棒沿炭块宽度方向的尺寸可以随意调节，导电块的尺寸也可以根据导电棒的尺寸随意调节，进一步地提高了电流流通的截面积，提升了电流流量，导电块的设置还可以降低导电棒的渗碳反应造成的电阻上升，从而进一步降低了压降和铝液中的水平电流。

附图说明

图1示出了本申请一个实施例的阴极结构的主视图；

图2示出了图1中的阴极结构的剖视图。

图3示出了本申请另一个实施例的阴极结构的剖视图。

附图标记说明：

10-炭块，20-导电块，30-连接块，40-导电棒，50-结合层，60-支撑块，70-连接杆。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

第一方面，本发明实施例提供了一种铝电解槽的阴极结构，该阴极结构位于电解槽内的底部，可以降低阴极压降以及电解槽内铝液的水平电流。

请结合图1以及图2，本发明实施例提供的阴极结构包括炭块10、导电块20和导电棒40，导电棒40设有多根，导电棒40与安装槽的数量相同，导电棒40的顶面设有安装对应的导向块的安装槽，炭块10的两端分别设有至少一根导电棒40，例如炭块10的每端设有一根导电棒40、两根导电棒40或者三根导电棒40，至少一根导电棒40沿炭块10的宽度方向依次设置，导电棒40的外端伸出于炭块10的对应的端部，导电棒40的长度方向与炭块10的长度方向平行，以导出电流；导电块20与导电棒40的顶面共面形成与炭块10的底面接触的作用面，以将炭块10同时与导电块20以及导电棒40导通。导电棒40的电导率小于导电块20的电导率，因此电流会沿竖直方向优先从炭块10进入导电块20，从而降低了压降，同时还减少在铝液中的水平电流。

将阴极结构安装于铝电解槽时，阴极结构位于电解槽内的底部，炭块10位于上方，导电棒40位于下方，在电解过程中，铝液和电解质依次位于炭块10的上方，电流从电解质向下经过铝液，然后进入炭块10中，由于导电块20的电导率大于导电棒40，电流总是流经电阻最小的线路，因此，经过铝液的电流会顺着炭块10大部分进入导电块20，然后从导电块20传递给导电棒40沿着导电棒40导出至下一个电解槽。导电块20由于导电率大，因此导电块20的设置降低了电流在铝液中的水平电流，还降低了阴极的压降，提高了能量利用率。由于炭块10的底部无需设置用于固定导电棒40的燕尾槽，因此导电棒40沿炭块10宽度方向的尺寸可以随意调节，导电块20的尺寸也可以根据导电棒40的尺寸随意调节，进一步地提高了电流流通的截面积，提升了电流流量，导电块20的设置还可以降低导电棒40的渗碳反应造成的电阻上升，从而进一步降低了压降和铝液中的水平电流。

在一些实施例中，请结合图3，炭块10的两端分别设有至少两根导电棒40，即炭块10的每端设有至少两根导电棒40，例如两根导电棒40、三根导电棒40，通常来说导电棒40为钢棒，至少两根导电棒40沿炭块10宽度方向依次设置，位于炭块10同一端的至少两个导电棒40中，位于最外侧的两个导电棒40的内侧设有沿炭块10的宽度方向的且与各自的安装槽连通的连通槽，位于中部的导电棒40设有沿炭块10的宽度方形贯通设置的且与各自的安装槽连通的连通槽，位于炭块10的同一端的导电块20通过嵌入于连通槽的连接块30连接，连接块30的电导率大于导电棒40的电导率。连接块30与导电块20连接形成连接导电棒40的连接件，可以使得导电棒40之间的相对位置固定，提高稳定性，还解决了炭块10每端只有一根导电棒40体积和重量过大导致的运输和吊装困难的问题，还可以保证导电棒40与炭块10仍具有大的接触面积，降低压降。在其他实施例中，连接块30的顶面与导电棒40的顶面共面，连接块30的顶面与炭块10的底面接触设置，进一步地降低压降。

在一些实施例中，请结合图3，连接块30与导电块20为一体式结构，可以通过浇注获得，也可以通过热冲压成形获得，本申请不作限制。在连接块30与导电块20为一体式结构时，连接块30与导电块20的材质可以均为铜，在其他实施例中，连接块30和导电块20的材质还可以为银，本申请对导电块20的具体材质不作限制。

导电棒40沿炭块10宽度方向的尺寸可以为80～400mm，沿竖向的尺寸可以为50～150mm，在一些实施例中，导电块20沿竖向尺寸为导电棒40沿竖向尺寸的30～60％，导电块20沿炭块10宽度方向的尺寸是导电棒40沿炭块10宽度方向尺寸的60～80％，导电块20的尺寸越大，降低压降和降低渗碳反应的效果越好，但是会提升成本。在炭块10的两端各设置一个导电棒40时，导电棒40的宽度尺寸可以接近炭块10的宽度尺寸，此时电流流通的截面积最大，压降低。

优选地，在某些实施例中，请继续结合图3，炭块10的两端分别设置两根导电棒40，位于炭块10同一端的两根导电棒40沿炭块10的宽度方向依次间隔设置，每个炭块10对应设置四根导电棒40为本领域内常用的技术方案，由于导电棒40沿炭块10宽度方向的尺寸增加，再选用传统的燕尾槽结构会使得燕尾槽的槽壁沿炭块10宽度方向的尺寸变小，燕尾槽固定导电棒40强度不够，导电块20和连接块30为一体式结构时，多根导电棒40固定连接，多根导电棒40作为一个整体其顶面积大，重量大，不易与炭块10发生相对移动。在一些实施例中，位于炭块10同一端的两根导电棒40可以贴合设置，也可以间隔设置，本申请不作限制。为了进一步地避免炭块10与导电棒40之间产生水平方向的相对运动，在一些实施例中，阴极结构还包括连接杆70，导电棒40通过多个连接杆70与炭块10连接，连接杆70可以采用连接钢筋，也可以采用连接导电棒40，本申请不过限制。导电棒40与连接杆70可以焊接连接，每个导电棒40可以通过2～8组连接杆70与炭块10连接，每组连接杆70可以包括多个连接杆70，例如2个连接杆70，每组的连接杆70沿着炭块10的宽度方向依次设置；连接杆70的直径可以为3～5mm，连接杆70的高度可以为30～50mm，连接杆70除了可以连接炭块10与导电棒40，还可以起到定位功能，在连接杆70与炭块10连接前，在炭块10的底部设置与连接杆70匹配的预留孔，将连接杆70先与导电棒40焊接，再将连接杆70伸入至炭块10的预留孔内。

为了提高炭块10与导电棒40以及导电块20之间的导电性能，在一些实施例中，阴极结构还包括位于炭块10以及导电棒40之间的结合层50，结合层50包括导电粉末和粘结剂，结合层50的厚度为1～2mm。导电粉末降低炭块10与导电棒40以及导电块20之间的界面电阻，粘结剂可以将炭块10与导电棒40以及导电块20连接，进一步地提高炭块10与导电棒40之间的连接强度。导电粉末可以为导电石墨粉，也可以为Cu-Ni合金粉，还可以是导电石墨粉与Cu-Ni合金粉的混合物，导电墨粉的粒径为20-50μm。

在一些实施例中，请结合图1至图3，阴极结构还包括支撑块60，每个导电棒40沿炭块10宽度方向的两侧均设有支撑块60，支撑块60与炭块10的底面接触。在其他实施例中，位于炭块10两端的导电棒40之间也可以设置支撑块60，支撑块60可以采用耐火砖砌筑获得，支撑块60还可以固定导电棒40。

下面给出几个具体的实施例对前述的铝电解槽的阴极结构做进一步的说明。

实施例1

实施例1提供了一种阴极结构，阴极结构包括炭块10、连接杆70、结合层50、支撑块60、导电棒40和导电块20，炭块10的长度为3500㎜，炭块10的高度为350㎜，炭块10的宽度为660㎜；导电棒40的长度为2130㎜，导电棒40的宽度为160㎜，导电棒40的高度为150㎜，导电棒40的数量为2组，炭块10的两端各有一组导电棒40，位于炭块10同一端的两个导电棒40沿炭块10的宽度方向间隔设置，每个导电棒40的顶面设有安装导电块20的安装槽，导电块20为铜，导电块20沿导电棒40长度方向的尺寸为850㎜，沿导电棒40宽度方向的尺寸为110㎜，深度为60㎜；炭块10与导电棒40通过连接杆70固定，连接杆70为φ3㎜，高度40㎜的钢筋，炭块10与导电棒40之间设有2㎜厚的结合层50，结合层50包括导电石墨粉以增加导电性能；在导电棒40四周用耐火砖砌成的支撑块60进行固定，支撑块60的高度与导电棒40的高度保持一致。

采用此阴极结构冷态阴极组压降为31mV，热态初始阴极组压降为274mV，一年后为296mV。

实施例2

实施例2提供了一种阴极结构，阴极结构包括炭块10、连接杆70、结合层50、支撑块60、导电棒40和导电块20，炭块10长度为4000㎜，炭块10高度为300㎜，炭块10的宽度为660㎜；导电棒40的长度为2130㎜，宽度为180㎜，高度为140㎜，数量2组；导电块20为铜，导电块20沿导电棒40长度方向的尺寸为650㎜，沿导电棒40宽度方形的尺寸为140㎜，竖向尺寸为45㎜；炭块10与导电棒40通过连接杆70固定，连接杆70为φ5㎜，高度50㎜的钢筋，结合层50为3㎜厚的高导电石墨粉和Cu-Ni合金粉两种混合物；在导电棒40四周用耐火砖砌筑的支撑块60固定，支撑块60的高度与导电棒40保持一致。

采用此阴极结构冷态阴极组压降为28mV，热态初始阴极组压降为263mV，一年后为279mV。

对比例1

对比例1提供了一种阴极结构，阴极结构包括炭块10和导电棒40，炭块10的两端分别设有固定导电棒40的两个燕尾槽，导电棒40设有两组，每组导电棒40包括两根导电棒40，导电棒40嵌设于对应的燕尾槽内，炭块10的长度为3500㎜，炭块10的高度为450㎜，导电棒40的长度为2130㎜，导电棒40的宽度为120㎜，导电棒40的高度为150㎜，导电棒40与燕尾槽的槽壁之间设有用于固定的糊料。

采用对比例的阴极结构，冷态阴极组压降为35mV，热态初始阴极组压降为286mV，一年后为323mV。

对比例2

对比例2的阴极结构包括炭块10导电棒40，炭块10与导电棒40通过连接杆70连接，炭块10的长度为3500㎜，炭块10的高度为300㎜；导电棒40的长度为2130㎜，导电棒40的宽度为180㎜，导电棒40的高度为140㎜，导电棒40设有2组，每组导电棒40设有两根导电棒40，连接杆70为φ5㎜，高度50㎜的钢筋，炭块10与导电棒40之间填充高导电石墨粉和Cu-Ni合金粉两种混合物组合的结合层50，结合层50的厚度为3㎜；导电棒40的四周用耐火砖制成的支撑块60固定，支撑块60的高度与导电棒40保持一致。

采用对比例1提供的阴极结构冷态阴极组压降为34mV，热态初始阴极组压降为279mV，一年后为307mV。

第二方面，本发明实施例还提供了一种铝电解槽，该铝电解槽包括槽体和实施例一的阴极结构，槽体设有上部开口的电解腔；阴极结构设有多个，多个阴极结构依次分布于电解腔内，导电棒40与电解腔的底部接触。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。