用于铝电解槽的阴极装置的制作方法

本发明涉及通过熔盐电解的铝生产，特别涉及电解槽的阴极组件，并且研究了阴极壳的纵向和端壁的上带的组件。

背景技术：

1、阴极组件通常是包括阴极壳和内衬的组件，其使得电解能够在冰晶石-氧化铝熔体(也称为浴)内发生。

2、阴极壳由金属罐构成，该金属罐包括纵向壁和端壁，具有覆盖罐壁和基部的基部和支承构件(壳体加强杆、反作用力支架和梁等)，并且通常由钢构成。阴极壳内部衬有内衬材料(耐火隔热砖、碳化硅板、具有钢阴极棒的碳石墨阴极块等)。

3、阴极壳被设计成保护内衬不受在电解槽操作时由阴极组件内产生的力引起的任何变形或损坏。因此，它必须具有必要的机械强度和刚度以确保阴极组件的长使用寿命。

4、阴极壳的另一个重要功能是确保从电解处理区域的强烈除热和将多余的热散发到环境中。这有助于在阴极组件的内衬(侧)壁上形成固化的冰晶石-氧化铝熔体/垢层(scale)，这保护它们免受侵蚀性环境和高温(870–970℃)的影响，因此提供了用于电解还原的最佳条件，并保护侧壁免受浴和电解还原产物的侵蚀性影响。

5、因此，通过为阴极壳的强烈冷却创造合适的条件，可以解决三个问题：

6、-保护侧壁免受磨损和撕裂并且确保侧壁的长使用寿命，

7、-通过增加电解槽的单位容量来强化电解铝生产过程，

8、-通过温度条件的受控调节来增加电解槽操作的效率。

9、已知一种冷却铝电解槽的方法(us 4087345，c25c 3/08，1978年5月2日)，该电解电解槽包含钢罐形式的阴极壳，该阴极壳包括具有底部的竖直(纵向和端部)壁。竖直加强件(t形梁和/或i形梁)沿着壳体的长度和宽度以一定间隔连接到壁。梁与钢罐的壁具有良好的热接触。钢罐的壁由水平加强件(t形梁和/或i形梁)围绕整个外周，形成单个刚性结构。在一些修改中，壁可以另外由支承构件(壳体加强杆、反作用力支座)覆盖。

10、因此，沿着竖直加强件、罐的竖直壁和水平加强件之间的阴极壳的周边，形成竖直空气通道，设计用于空气的无阻碍通过，以从结构的壳体壁和竖直加强件移除和耗散热量。

11、壳壁通过由竖直空气通道的上部(在熔体高度)中的空气加热所产生的升力(阿基米德力)和沿壳壁高度所产生的温差所引起的对流气流来冷却。这使得可以增加通过壳的垂直侧壁的除热并降低壳壁的温度，从而为在阴极组件的内衬壁上形成固化的冰晶石-氧化铝熔体/垢层创造条件。

12、现有方法的主要缺点在于，由于有限的冷却面积和低速度的对流空气流，从阴极壳移除和耗散热量的效率低。因此，在这种情况下，在侧壁内衬的内表面上施加稳定且足够厚的垢层变得有问题。垢层的缺乏通常导致侧壁内衬的强烈磨损，这不利地影响了电解槽的使用寿命。

13、已知一种铝电解电解槽(ru 2230834，c25c 3/08，2004年6月20日)的阴极组件，其配备有阴极壳，包括从内部加衬的金属罐，具有纵向和端壁以及底部，安装在由横向壳体加强杆(支承构件)形成的刚性框架内。罐的端壁用加强带加强，该加强带由通过捆扎(弯曲)板彼此连接的竖直和水平加强件形成。在这种情况下，水平加强件在水平面上与竖直端壁间隔一定距离，这样在它们之间形成竖直空气通道，其宽度为从罐端壁到捆扎板的距离的1/3到2/3，其用于冷却壳的空气的流动。另外，在竖直加强肋之间有1–4件数量的竖直钢冷却肋，高度等于侧内衬的高度，优选地，肋的尺寸如下：厚度6–8mm，高度640–650mm，宽度120mm。

14、已知的方法使空气能够沿着竖直空气通道流动，穿过焊接到壁上的冷却肋，以通过与环境的自然对流热交换从阴极壳的端壁上除去和耗散热量。

15、已知解决方案的主要缺点是，建议仅在阴极壳的端壁上安装冷却肋，结果，热将仅从阴极壳的端部更集中地移除，而纵向壁的冷却问题仍然存在。这种解决方案的另一个缺点是从阴极壳的端壁去除热量的效率低，因为传热系数的增加不明显(从约15到25w/m2·k)。这通过实心凸缘板的存在来解释，该实心凸缘板防止自由空气流动，并且由st3钢制成的冷却肋的相对低的热导率，该冷却肋在300℃下的热导率为50w/m·k)，因此肋的热传递效率低。

16、已知一种冷却用于铝生产的电解槽的方法(us 4608134，c25c 3/08，1986年8月26日)，该电解槽包含外部阴极壳，该外部阴极壳以钢罐的形式制成，其中具有由耐火和绝热衬里材料和碳-石墨阴极块构成的包封在其内部的衬里，并且该外部阴极壳位于衬里的阴极壳侧部的侧壁的内部上(碳-石墨或碳化硅板)。在熔体高度处沿阴极组件的侧面，在阴极外壳的内表面和衬里的侧面部分的外壁之间，存在空气腔，其与用于空气进入的入口和装备有空气流动控制阀的出口连通。冷却如下进行：从电解槽侧面的环境中抽出的冷空气通过入口被吸入并沿侧壁内衬被导入气腔，从而使其冷却，同时通过配有阀的出口控制热空气流量。因此，通过调节热空气流速，可以控制在阴极组件侧面上形成垢层。

17、已知解决方案的主要缺点是需要对电解槽的阴极组件进行显著修改以放置冷却管(线圈)、通过管泵送大量冷却剂(空气)以及放置设计用于泵送冷却剂(空气)的附加基础设施。所有这些都需要相当大的财务成本。

18、此外，必须解决保护侧壁内衬不被从外部吸入的空气中的氧气氧化的问题，或者，如果内侧内衬用抗氧化材料(例如钢)绝缘，则必须解决保护侧壁内衬不被从外部吸入的空气中的氧气氧化的问题，以确保该材料与内衬之间的良好热接触。

19、这种解决方案的另一个缺点是，由于从用于冷却的环境吸入大量的空气，并且将其释放到罩中，所以必须从电解槽罩下方去除大量的加热的气体-空气混合物(废气和空气)。这使得烟雾提取和气体处理设备的能力增加。

20、用于铝生产的电解槽是已知的(su 605865，c25c 3/08，1978年5月5日)，包括钢罐形式的金属阴极壳，从内部加衬，其底部和垂直壁设有以气密腔形式制成的箱形部分。由单独的板制成的隔热罩安装在气密腔内，并且具有空气分配阀的空气管路连接到它们，空气通过风扇或压缩机吹到其中。

21、已知方案的缺点是需要形成复杂且笨重的空气管线网络，这显著地使电解槽周围的空间杂乱，同时由吹入气密腔或壳体的大气中的空气产生的高噪声水平对操作人员产生不利的条件。此外，由于空气的低热容量，需要相当大的空气流速来有效除热，因此需要压缩机站或强力风扇，且因此在经济上不可行。

22、在技术本质和所实现的结果方面，最接近所提出的发明的是根据专利ru2321682，c25c 3/08，2008年4月10日的铝电解槽的阴极组件的设计。该组件包括金属罐，该金属罐具有底部和覆盖浴的壁和底部的支承构件，从而形成阴极壳。在阴极壳内是内衬和具有阴极棒的阴极块，阴极棒形成电解槽阴极。在金属罐的纵向壁和端壁上，在支承构件之间的间隙中，设有由具有高导热性的材料制成的固定板肋。一个板肋的面积为0.03–0.3m2。板肋通过爆炸焊接制成的铝-钢或铜-钢双金属接头紧固到金属罐。双金属接头的钢部件被焊接到金属罐的壁，并且板肋被焊接到铝或铜部件，板肋分别由铝或铝合金或铜合金制成。在支承构件的上部中设置了设计成枢转翻板的调节器，其控制从罐壁的除热效率。在支承构件之间的间隙中，安装了风扇和鼓风机形式的用于强制冷却板肋的装置。该装置使得能够通过调节除热效率来强化铝电解槽中的电解铝生产过程，以提供用于稳定生产过程的条件，并增加铝电解槽的阴极组件的使用寿命。

23、已知的阴极组件使得可以从电解槽向罐侧壁并且进一步向板肋提供有效的除热，所述板肋在空气流动期间通过对流热交换冷却，所述对流热交换由在肋之间的空间中的空气加热和沿槽壁的高度的温度差引起。这使得在铝电解电解槽的密集操作条件下确保在阴极组件的侧壁内衬的内表面上形成稳定的凝固浴(垢层)层成为可能，从而增加铝电解槽的阴极组件的使用寿命。

24、原型中阴极组件的缺点在于，在强化还原过程的条件下，提高生产效率的必要条件是确保在浴过热(操作温度与液相线温度之间的差异)的高温下操作电解槽的能力，以避免浮渣沉积和底部上硬壳的形成，这降低了过程效率并导致相关缺点。因此，主要任务是在高于25℃(最好约40℃)的过热下产生一层保护性垢层，而已知的解决方案仅在约20℃的过热下可保证垢层形成。这是因为这种设计提供从电解槽到罐侧壁的有效热传递，而从壳的外表面的热耗散，并且因此板肋对于生产过程不是足够有效的。

25、通常，肋由铝或铝合金、铜或铜合金、或特殊钢，即具有高导热性的材料制成。板肋通过双金属接头以其端部附接到金属罐的纵向壁和端壁，该双金属接头通过爆炸焊接或通过螺栓连接和/或铆接连接制成。

26、如果使用双金属接头，则存在太多的具有低热导率的层：金属罐的壁是12–30mm钢，加上双金属接头的钢部分是24–35mm，这是总共大约36–65mm的钢，在300℃下具有大约50w/m·k(w/m·k＝w/m·℃)的热导率。此外，板肋借助于焊接接头固定，即，热仅通过焊脚而不是双金属接头的整个横截面传递。这确保了约30–50℃的最小温差。

27、在螺栓或铆钉连接的情况下，肋和金属罐壁之间的热阻太高；如果拼合接头不是一直紧固，那么它将由于温度波动而松开。

技术实现思路

1、本发明的任务是开发一种用于铝电解槽的阴极组件的设计，其具有从金属罐侧面的上部部分的增加的热耗散，能够在25℃以上的过热下操作。

2、技术效果是解决了该问题，即由于阴极组件的设计能够移除和耗散在电解槽中释放的热能，所以在铝电解槽中通过还原(增加单位电流)更多地生产铝。

3、解决该问题并且实现技术效果，在用于铝生产的电解槽的阴极组件中，包括金属罐(1)，所述金属罐具有底部(3)、覆盖罐壁(2)和底部的支承构件(5)、包封在金属罐内的衬里(6)、阴极块(7)以及阴极棒(8)，阴极棒形成电解槽的阴极，根据本发明，在支承构件(5)之间的间隙中的金属罐(1)的纵向壁和端壁(2)上，具有由具有高热导率的材料制成的用于除热的改进结构的固定板肋(15)和/或指肋(16)，由复合材料制成的带(9)安装在金属罐的纵向壁和端壁(2)的上部。

4、本发明通过其特定实施例进行补充，这些实施例有助于实现技术效果。

5、该带复合材料可以包括至少两个金属层，其中带的总高度为0.2–0.5m。如果该高度小于0.2m，则从带移除和耗散的热量不足，并且该方案将无效。如果高度大于0.5m，则热移除变得过度，结果冷却将影响金属区域(液态铝)，这将不利地影响还原过程。

6、带复合材料的上层(13)由具有高导热性的金属制成。带复合材料的上层(13)可以由铝或铝合金制成。带复合材料的上层(13)可以由铜或铜合金制成。

7、带复合材料通过脉冲焊接将金属层接合而制成。带复合材料可以包括由钛制成的中间层(14)。

8、在本技术的情况下，本技术使用由几层金属制成的带，这些金属层在化学组成上不同并且由明显的边界分开。

9、在支承构件上方可以安装构成为枢转翻板(18)的除热调节器(17)。

10、在这种情况下，提供自调节系统。通过增加和减少垢层厚度来调节除热。然而，在观察到装置操作中的不期望的偏差的情况下，可以提供强制冷却元件(装置)。在支承构件(5)之间的间隙中可以设置强制冷却装置，例如风扇。

11、阴极组件的所描述设计使得可以确保从电解槽到罐侧壁的有效除热，并且通过在空气流动期间的对流热交换有效地消散热能，该对流热交换由在肋之间的空间中的空气加热和沿着罐壁的高度的温差引起。这使得在铝电解槽的密集操作条件下，确保在高于25℃的过热时在阴极组件的侧壁内衬的内表面上形成稳定的凝固浴(垢层)层，并确保铝电解槽的稳定和稳健的操作成为可能。

12、已知的是，通过简单的方法可以确保装置在高达25℃过热时的操作，并且在25℃以上，由于保护垢层从侧壁内衬脱落，并且壁开始快速劣化(氧化)，因此极度困难。

13、技术专家还知道，高热导率(对于金属)从>＝60w/m·k开始。

14、本发明由针对即将出现的问题的特殊情况来补充。

15、阴极组件的补充在于，复合材料通过脉冲焊接制成，所获得的化合物是钢/铝、钢/铜，并且在钛(ti)夹层的情况下，它们是钢/钛/铝、钢/钛/铜。复合壁中的钛层对于在300℃以上的温度操作侧壁是必要的，以避免在通过脉冲接合的两种金属的边界处形成金属间化合物以及该化合物的降解。

16、为了提高阴极组件的效率，复合材料的外层由具有高热传导系数的金属制成，例如铝、铜、青铜或特殊钢。例如，铝等级а0-а85(λ＝210–230w/m·k，w/m·k＝w/m·℃)或铝合金(ad0，ad1，ad31，ad33，ad35，d1，d16，ak7，ak9，ak12，amz，amts，amg3，amg4，amg5，amg6，b63，b93，b94，b95)，具有大约λ＝110–230w/m·k的热导率；铜λ＝360–390w/m·k或铜合金(青铜、黄铜等)，具有大约70至380w/m·k的热导率的；特殊钢(55、60、65、70、20g、30g、40g等)，具有大约50–80w/m·k的热导率。

17、为了更有效地从由复合材料制成的上部带的表面散热，由具有高热导率材料(铝、铜、青铜或特殊钢)制成的板肋以3–10件的量固定在上部带上，并且板肋的面积为0.03–0.6m2。

18、阴极组件被补充，因为为了进一步提高效率，板肋可以由具有用于散热的更发达表面的指状物(可以是杆、棒、“棍”等的形式)代替。

19、阴极组件的补充在于，在支承构件的上部中安装有从设计为枢转翻板的金属罐壁除热效率的调节器，这使得可以根据环境温度的季节变化调节垢层厚度或调节其形状。

20、阴极组件通过风扇和鼓风机形式的强制冷却装置位于支承构件之间的间隙中来补充。