用于HALL‑HEROULT单元的阴极电流收集器制造技术

本发明专利技术涉及用于生产铝(2)的电解单元(1)，包括在阴极(4)下方的收集器棒结构变型(13，14，15，16)，即，保持在U形轮廓中或直接嵌入阴极的铜收集器棒。这导致在液态铝金属(2)中和/或碳阴极内部的优化的电流分布，从而允许以较低的电压操作单元。较低的电压由较低的阳极到阴极距离(ACD)和/或碳阴极内部从液态金属到收集器棒端部的降低的电压降产生。

For the cathode current collector HALL HEROULT unit

The present invention relates to an electrolysis unit (1) for producing aluminium (2) comprising a collector bar structure variants (13, 14, 15, 16) below the cathode (4), i.e., a copper collector rod held in a U profile or directly inserted into a cathode. This results in an optimized current distribution inside the liquid aluminum metal (2) and / or carbon cathode, which allows operating units at lower voltages. The lower voltage is generated by a lower anode to cathode distance (ACD) and / or a lower voltage drop from the liquid metal to the collector end of the carbon cathode.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于HALL-HEROULT单元的阴极电流收集器
本专利技术涉及使用Hall-Héroult工艺生产铝；尤其涉及为了能量消耗的降低、电流效率的最大化以及单元生成率的提高的收集器棒的优化。
技术介绍
铝是通过Hall-Héroult工艺、通过在高达1000℃的温度电解溶解在冰晶石基电解质中的氧化铝来生产的。典型的Hall-Héroult单元由钢壳、耐火材料的绝缘内衬和保持液态金属的碳阴极构成。阴极由多个阴极块组成，其中收集器棒嵌入在所述多个阴极块的底部以提取流过单元的电流。许多专利出版物已经提出了用于使液态金属到收集器棒的端部之间的电压降最小化的不同做法。WO2008/062318提出使用与现有的钢收集器棒互补的高导电材料并给出对WO02/42525、WO01/63014、WO01/27353、WO2004/031452和WO2005/098093的参考，这些参考公开了在钢收集器棒内部使用铜插入件的解决方案。美国专利4,795,540将阴极以及收集器棒拆分成区段。WO2001/27353和WO2001/063014在收集器棒内部使用高导电材料。US2006/0151333涵盖了在收集器棒中使用不同的电导率。WO2007/118510提出当朝着单元的中心移动时增加收集器棒的区段，用于改变在阴极的表面处的电流分布。US5,976,333和6,231,745给出了在钢收集器棒内部使用铜插入件。EP2133446A1描述了用于改变阴极的表面几何形状以便稳定金属焊盘表面处的波并因此使ACD(阳极至阴极距离)最小化的阴极块布置。WO2011/148347描述了铝生产单元的碳阴极，该碳阴极包括密封在碳阴极内的外壳中的高导电插入件。这些插入件更改阴极体的导电性，但是不参与由收集器棒进行的电流收集和提取。熔融冰晶石的电导率非常低，通常为220Ω-1m-1，并且由于磁流体动力学不稳定性的形成导致在金属浴(金属-冰晶石电解质)界面处的波浪，因此ACD不能大大降低。波浪的存在导致该工艺的电流效率的损失，并且不允许降低临界值下的能量消耗。在铝工业中平均而言，电流密度使得ACD中的电压降最小为0.3V/cm。因为ACD为3至5cm，所以ACD中的电压降通常为1.0V至1.5V。液态金属内部的磁场是在外部母线中流动的电流和内部电流的结果。液态金属内部的内部局部电流密度主要由阴极几何形状和阴极的局部电导率来限定。磁场和电流密度产生洛伦兹力场，其本身生成金属表面轮廓(contour)、金属速度场，并针对磁流体动力学单元稳定性限定基本环境。单元稳定性可以表示为降低ACD而不在金属垫的表面处生成不稳定波的能力。稳定性水平依赖于电流密度和感应磁场，也依赖于液态金属池的形状。池的形状依赖于阴极的表面和凸缘形状。现有技术解决方案响应于对所需的磁流体动力学状态的给定水平以满足良好的单元稳定性(低ACD)，但是使用铜插入件的解决方案非常昂贵并且常常需要复杂的机械加工工艺。
技术实现思路
本专利技术涉及用于生产铝的Hall-Héroult单元的碳阴极的阴极电流收集器(currentcollector)，其类型为该阴极电流收集器包括中心区段，该中心区段包括至少一个在使用中位于碳阴极下方的高导电金属棒，该高导电金属具有比钢的电导率更大的电导率。根据本专利技术，高导电连接器棒包括位于碳阴极的中心部分下方的中心部分，通常直接位于阴极槽或通孔中或者使用U形轮廓作为支撑件，高导电连接器棒的这个中心部分使得至少其上部外表面与碳阴极直接电接触或者通过由施加在高导电连接器棒的表面上方的导电胶和/或导电柔性箔或片形成的导电界面与碳阴极接触。高导电连接器棒包括与所述中心部分的一侧或两侧相邻并在所述中心部分的一侧或两侧上的一个或两个外部部分，以及从所述(一个或多个)外部部分向外延伸的一个或多个端部部分。而且，高导电收集器棒的这些(一个或多个)终端部分各自串联电连接到具有比高导电性连接器棒更大的截面面积的钢导体棒，所述(一个或多个)钢导体棒向外延伸，用于连接到外部电流源母线。高导电棒可以嵌入到具有或不具有U形梁的阴极槽或通孔中。但是，可以在整个嵌入区域上方实现电接触：特别是在高导电棒的顶部和侧面上方。有利地，高导电金属选自铜、铝、银及其合金，优选地是铜或铜合金。高导电金属的上部和可选地侧面的表面可以被粗糙化或设置有凹陷(诸如凹槽)或凸起(诸如翅片)，以增强与碳阴极的接触。当高导电金属和碳阴极之间存在导电界面时，这种导电界面可以选自金属布、金属网或金属泡沫，优选地是铜、铜合金、镍或镍合金、或者石墨箔或石墨织物、或者导电胶层，或者其组合。有利地，导电界面包括可以通过将2-组分可硬化胶的液体组分与固体含碳组分混合而获得的基于碳的导电胶。依赖于单元设计，高导电金属棒的侧面和可选地底部可以直接或间接地接触与碳阴极接触的捣固糊或耐火砖。高导电金属棒可以机械加工成具有至少一个槽或设置有另一个空间，槽或空间被布置成通过允许高导电金属向内膨胀到由(一个或多个)槽提供的空间中来补偿阴极中的棒的热膨胀。高导电金属棒的终端部分优选地串联电连接到形成过渡接头的钢导体棒，其中高导电金属棒和钢导体棒部分地彼此重叠并且通过焊接、通过导电胶和/或通过施加机械压力(诸如夹具，以实现压力装配，或通过热膨胀固定的接头)固定在一起。可替代地，固定的端部部分被螺纹连接在一起。形成过渡接头的钢棒向外延伸，用于连接到单元外部的母线网络，钢棒的向外延伸的端部区段具有增加的截面，以减小电压降并确保单元的热平衡。由于高导电金属上的碳阴极的重量，并且通过高导电金属的受控的热膨胀，阴极碳可以与高导电金属的开放的上部外表面电接触。上面提到的高导电连接器棒的(一个或多个)外部部分通常在单元底部的导电部分之下延伸或通过单元底部的导电部分，在这种情况下，高导电连接器棒的这些外部部分与单元底部的导电部分电绝缘，尤其是与碳阴极的侧面部分或捣固糊电绝缘。高导电金属棒的一些区段通过被封在绝缘体中而方便地与单元底部的导电部分绝缘，尤其是通过被封在一片或多片绝缘材料(诸如包裹在所述(一个或多个)外部部分周围的氧化铝)中或者一层电绝缘胶或水泥或者任何可以承受高达1200℃的绝缘材料中而方便地与单元底部的导电部分绝缘。在特定的实施例中，阴极电流收集器的中心区段中的高导电金属棒被保持在由在Hall-Héroult单元阴极中的温度处保持其强度的材料制成的U形轮廓中。这种U形轮廓可以具有在所述棒的下方的底部并且棒搁置在该底部上、具有可选地至少一个直立的翅片，以及具有在侧面上延伸并与高导电棒的侧面隔开或接触的侧面区段。所述高导电棒至少具有上部部分以及可选地还具有由U形轮廓任其自由的侧面部分，以使得高导电金属可以直接或经由导电界面与碳阴极接触。高导电金属的开放的上部和优选地还有侧面与碳阴极直接接触或通过导电界面与碳阴极接触。U形轮廓通常由诸如钢的金属或者由混凝土或陶瓷制成。本专利技术还涉及装配有如上所述的阴极电流收集器组件的用于生产铝的Hall-Héroult单元。本专利技术的进一步说明阴极电流收集器的中心部分中的高导电金属棒与碳阴极直接电接触或者可以胶合到碳阴极。它可以例如嵌入在凹槽或孔中，在凹槽或孔中它可以胶合或者通过施加在高导电连接器棒的表面上方的柔性箔或片来固定。胶通常本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阴极电流收集器组件，组装在用于生产铝的Hall‑Héroult单元的碳阴极中，所述阴极电流收集器组件包括至少一个位于碳阴极下方的高导电金属棒，高导电金属的电导率大于钢的电导率，其特征在于·所述高导电连接器棒或每个高导电连接器棒包括位于碳阴极的中心部分下方的中心部分，高导电连接器棒的所述中心部分至少具有与碳阴极直接电接触或者通过由施加在高导电连接器棒的表面上方的导电胶和/或导电柔性箔或片形成的导电界面与碳阴极接触的上部外表面；·所述高导电连接器棒或每个高导电连接器棒包括与所述中心部分的一侧或两侧相邻并位于所述中心部分的一侧或两侧上的一个或两个外部部分，以及从一个或多个所述外部部分向外延伸的一个或多个终端部分，以及·所述高导电连接器棒或每个高导电连接器棒的一个或多个所述终端部分各自串联电连接到比高导电收集器棒具有更大截面面积的钢导体棒，一个或多个所述钢导体棒向外延伸，用于连接到外部电流源。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.18 CH 01778/141.一种阴极电流收集器组件，组装在用于生产铝的Hall-Héroult单元的碳阴极中，所述阴极电流收集器组件包括至少一个位于碳阴极下方的高导电金属棒，高导电金属的电导率大于钢的电导率，其特征在于·所述高导电连接器棒或每个高导电连接器棒包括位于碳阴极的中心部分下方的中心部分，高导电连接器棒的所述中心部分至少具有与碳阴极直接电接触或者通过由施加在高导电连接器棒的表面上方的导电胶和/或导电柔性箔或片形成的导电界面与碳阴极接触的上部外表面；·所述高导电连接器棒或每个高导电连接器棒包括与所述中心部分的一侧或两侧相邻并位于所述中心部分的一侧或两侧上的一个或两个外部部分，以及从一个或多个所述外部部分向外延伸的一个或多个终端部分，以及·所述高导电连接器棒或每个高导电连接器棒的一个或多个所述终端部分各自串联电连接到比高导电收集器棒具有更大截面面积的钢导体棒，一个或多个所述钢导体棒向外延伸，用于连接到外部电流源。2.根据权利要求1所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属选自铜、铝、银及其合金，优选地是铜或铜合金。3.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中与碳阴极界面接合的高导电金属的表面被粗糙化或设置有诸如凹槽的凹陷或诸如翅片的突起，以增强与碳阴极的接触面积。4.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，包括在高导电金属和碳阴极之间的导电界面，所述导电界面选自优选地是铜、铜合金、镍或镍合金的金属布、金属网或金属泡沫，或者石墨箔或石墨织物，或者导电胶层，或者其组合。5.根据权利要求4所述的阴极电流收集器组件，其中导电界面包括可通过将2-组分可硬化胶的液体组分与固体含碳组分混合而获得的基于碳的导电胶。6.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属棒的侧面和可选地底部直接或间接地接触与碳阴极接触的捣固糊或耐火砖。7.根据任一前述权利要求所述的阴极电流收集器组件，其中高导电金属棒包括至少一个槽，所述槽被布置成通过允许高导电金属向内膨胀到由一个或多个槽提供的空间中来补偿阴极中的棒的热膨胀，或者其中高导电金属棒中的两个或更多个被彼此隔开以允许补...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·万卡奈勒，G·斯皮内蒂，
申请(专利权)人：诺瓦拉姆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH