(12)发明专利
(10)授权公告号 CN 110029359 B(45)授权公告日 2020.03.27
(21)申请号 201910368116.3(22)申请日 2019.05.05
(65)同一申请的已公布的文献号
申请公布号 CN 110029359 A(43)申请公布日 2019.07.19
(73)专利权人 中南大学
地址 410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南
路932号(72)发明人 张红亮 于心岩 李劼 李天爽
张凯 国辉 王佳成 李家琦 孙珂娜 (74)专利代理机构 长沙市融智专利事务所(普
通合伙) 43114
代理人 邹剑峰
(51)Int.Cl.
C25C 3/08(2006.01)C25C 3/16(2006.01)
(56)对比文件
CN 101709485 A,2010.05.19,WO 03062496 A1,2003.07.31,CN 103484893 A,2014.01.01,CN 1673418 A,2005.09.28,WO 2004083488 A2,2004.09.30,CN 1986898 A,2007.06.27,US 4865701 A,1989.09.12,CN 2045742 U,1989.10.11,
审查员 张海平
权利要求书1页 说明书5页 附图2页
CN 110029359 B(54)发明名称
多室铝电解槽及其母线系统(57)摘要
本发明公开了一种多室铝电解槽及其母线系统，所述多室电解槽内部在水平方向交替布置阳极和阴极，所述阳极和阴极采用尺寸相同的板式电极结构，相互之间竖直平行固定在电解槽内部，相邻的阳极和阴极之间形成至少两个电解室。所述铝电解槽内部所有阳极的阳极导杆并联汇集到同一根阳极母线上，所述铝电解槽内部所有阴极的水平集流钢棒从铝电解槽同一侧伸出，并通过阴极母线并联汇集到立柱母线上，所述立柱母线连接至电源负极或者接入下一串联电解槽的阳极母线，所述阳极母线连接至电源正极或者接入上一串联电解槽的立柱母线。本发明对于铝电解槽节能与经济运行具有重要意义，能为多室铝电解槽的深度节能与环保提供保障。
CN 110029359 B
权 利 要 求 书
1/1页
1.多室铝电解槽，其特征在于：所述电解槽内部在水平方向交替布置阳极和阴极，所述阳极和阴极采用尺寸相同的板式电极结构，相互之间竖直平行固定在电解槽内部，相邻的阳极和阴极之间形成至少两个电解室；
所述阴极为方体板状结构，包括整体预焙成型的阴极炭块以及预埋在阴极炭块内部的垂直导电钢棒、水平集流钢棒和电流均化钢棒，所述水平集流钢棒沿阴极炭块的长度方向水平布置在阴极炭块的下半部，其中水平集流钢棒的一端端头伸出阴极炭块至铝电解槽外部，作为阴极母线连接端，若干根所述垂直导电钢棒一端固定连接在水平集流钢棒上，另一端沿阴极炭块的高度方向延伸布置，每个垂直导电钢棒上连接有若干沿阳极厚度方向布置的电流均化钢棒；
所述阳极为自焙阳极，包括自焙阳极糊以及承载阳极糊的阳极框架，所述阳极框架为板状结构的框架，底部由完整的绝缘复合板封闭，在阳极框架的竖向侧面设置镂空结构，所述阳极内部分布有阳极钢爪结构，包括埋设在自焙阳极糊内的水平集流钢爪、垂直集流钢爪以及水平电流均化钢爪，所述水平集流钢爪沿阳极的上部长度方向布置，并且与伸出阳极顶部的阳极导杆固定连接，若干所述垂直集流钢爪的顶端与水平集流钢爪连接，另一端沿阳极的高度方向向下延伸布置，垂直集流钢爪之间等距平行分布，每个垂直集流钢爪上连接有若干沿阳极厚度方向布置的水平电流均化钢爪，所述水平电流均化钢爪的中间位置与垂直集流钢爪固定连接，相互之间等距平行布置。
2.根据权利要求1所述的多室铝电解槽，所述铝电解槽的槽体底面朝一侧倾斜，并在较低的一侧设置相对槽体底面凹陷的聚铝沟。
3.根据权利要求2所述的多室铝电解槽，所述阳极和阴极在铝电解槽的槽体底面的垂直投影与聚铝沟错开设置。
4.多室铝电解槽母线系统，其特征在于：所述铝电解槽为权利要求1-3中任一项的多室铝电解槽，所述铝电解槽内部所有阳极的阳极导杆并联汇集到同一根阳极母线上，所述铝电解槽内部所有阴极的水平集流钢棒从铝电解槽同一侧伸出，并通过阴极母线并联汇集到立柱母线上，所述立柱母线连接至电源负极或者接入下一串联电解槽的阳极母线，所述阳极母线连接至电源正极或者接入上一串联电解槽的立柱母线。
5.根据权利要求4所述的多室铝电解槽母线系统，所述阴极母线和阴极软母线构成一个电流通道，并与每块阴极的水平集流钢棒一一对应连接，位于电解槽两个端头阴极的电流通道电阻为中间位置阴极的电流通道电阻的1/2。
6.根据权利要求5所述的多室铝电解槽母线系统，所述阳极母线上设置若干立柱软母线接入的进电接入口，将电流均化接入铝电解槽的阳极上。
7.根据权利要求5所述的多室铝电解槽母线系统，所述阴极母线、阴极软母线、立柱母线和阳极母线均采用铝导线。
2
CN 110029359 B
说 明 书
多室铝电解槽及其母线系统
1/5页
技术领域
[0001]本发明属于铝电解技术，特别涉及一种单边出电经济型铝电解槽母线结构。背景技术[0002]霍尔-埃鲁特法(Hall-Héroult)铝电解工艺一直是工业炼铝的唯一方法，其核心反应在铝电解槽内进行。[0003]在铝电解系列中，所有电解槽都属于串联，而母线则主要承担着将电流从上游电解槽阴极棒输送至下游电解槽阳极棒的功能。同时，电解槽的母线尤其是阴极母线，对于电解槽的稳定性有着决定性的作用，不同阴极配置方式会产生完全不同的磁场配置及稳定性。此外，电解槽的母线系统成本也相当昂贵，约占基建费用的25％左右。在电解槽的设计中，槽膛尺寸基本类似，均为长方形，但母线却存在巨大的差异，各槽型的母线完全不一样。尽管母线的技术已经较为成熟，但现有技术体系下，现有铝电解槽的母线却存在以下重大的缺陷：
[0004]1.母线投资巨大。由于现有电解槽的电解反应界面为水平的，因此电解槽越大则电解槽占地面积越大，而现有的母线全部为绕行电解槽，相应的电解槽母线用量大。[0005]2.母线结构复杂，设计施工难度大。由于铝液层通有电流，且受到电磁力的作用剧烈波动，故为了维持电解槽磁流体的稳定，且对于电解槽的磁场还需要通过母线进行平衡，即现有电解槽的母线均为从电解槽的两侧出电，在进电侧和出电侧的母线均按照一定的方式围绕电解槽布置，将槽内的垂直磁场维持在较低水平。这样的母线设计结构复杂，母线用量巨大，且易产生短路的风险。[0006]由此可见，现有铝电解槽的母线设计不能高效利用电解槽的有效空间，母线的用量大，且对磁流体的补偿效果有限，节能潜力已临近极限，因此，为了实现铝电解的进一步深度节能及降低成本，需要从根本上改变铝电解槽的电解结构来配合母线结构设计。发明内容
[0007]本发明所要解决的技术问题是：针对现有铝电解槽的电解结构导致母线系统结构复杂、成本高且不稳定的缺陷，提供一种新型的多室铝电解槽及其母线系统。[0008]本发明采用如下技术方案实现：[0009]多室铝电解槽，所述电解槽内部在水平方向交替布置阳极和阴极，所述阳极和阴极采用尺寸相同的板式电极结构，相互之间竖直平行固定在电解槽内部，相邻的阳极和阴极之间形成至少两个电解室。[0010]进一步的，所述铝电解槽的槽体底面朝一侧倾斜，并在较低的一侧设置相对槽体底面凹陷的聚铝沟。[0011]进一步的，所述阳极和阴极在铝电解槽的槽体底面的垂直投影与聚铝沟错开设置。
[0012]本发明还公开了上述多室铝电解槽的母线系统，所述铝电解槽内部所有阳极的阳
3
CN 110029359 B
说 明 书
2/5页
极导杆并联汇集到同一根阳极母线上，所述铝电解槽内部所有阴极的水平集流钢棒从铝电解槽同一侧伸出，并通过阴极母线并联汇集到立柱母线上，所述立柱母线连接至电源负极或者接入下一串联电解槽的阳极母线，所述阳极母线连接至电源正极或者接入上一串联电解槽的立柱母线。[0013]进一步的，所述阴极母线和阴极软母线构成一个电流通道，并与每块阴极的水平集流钢棒一一对应连接，位于电解槽两个端头阴极的电流通道电阻为中间位置阴极的电流通道电阻的1/2。[0014]进一步的，所述阳极母线上设置若干立柱软母线接入的进电接入口，将电流均化接入铝电解槽的阳极上。[0015]进一步的，所述阴极母线、阴极软母线、立柱母线和阳极母线均采用铝导线。[0016]采用上述技术方案的多室铝电解槽，其母线系统与现行预焙铝电解槽存在根本性差异，具体表现母线走向、母线对磁场的作用等，采用该母线系统用于可连续运行的多室铝电解槽中，将具备如下有益效果：[0017](1)巨大的节约成本的潜力。该技术方案母线的用量将减少至现有主流母线用量的1/10以下，可节省电解槽投资成本20％以上。[0018](2)更加安全可行。同一侧出线，母线结构更简单，出现问题的可能性越低，且母线中焊接点越少，母线部分电压降可降低150mV以上，母线布置更安全。[0019](3)巨大节能优势。本发明中的多室铝电解槽中聚铝沟内的铝液层不存在电流，阴阳极的极距可设置到极限水平，彻底解决铝电解槽的稳定性差的难题，从而大幅降低电解槽的槽电压(>500mV)，相应的节能效果显著。[0020]综上所述，本发明的母线系统大幅度节约多室铝电解槽的阴极母线用量，且铝电解槽内部彻底消除传统电解槽中电解质和铝液的界面扰动问题，无需设计阴极补偿母线对电解槽的磁流体进行优化，从而可最大幅度简化阴极母线的设计及母线用量，实现电解槽投资的最小化，能为多室铝电解槽的深度节能与环保提供保障。[0021]以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
[0022]图1为实施例中的多室铝电解槽的俯视图状态下的母线连接示意，主要体现阴极母线的连接。
[0023]图2为实施例中的多室铝电解槽的侧视图状态下的母线连接示意，主要体现阳极母线的连接。
[0024]图3为实施例中的多室铝电解槽的主视图状态下的母线连接示意，主要体现阳极母线的结构。
[0025]图4为实施例中的多组多室铝电解槽母线串联的母线连接示意。[0026]图中标号：1-槽体，107-聚铝沟，2-阳极，211-阳极导杆，3-阴极，33-水平集流钢棒，41-立柱母线，42-阳极母线，421-进电接入口，43-阴极母线，44-阴极软母线，45-阳极软母线。
4
CN 110029359 B
说 明 书
3/5页
具体实施方式[0027]实施例
[0028]参见图1-3，图示中的多室铝电解槽为本发明的优选实施方案，具体包括槽体1以及交替布置在槽体1内部的若干组阳极2和若干组阴极3，阳极2和阴极3均采用相同尺寸的板式电极结构，相邻的阳极2和阴极3之间竖直布置并且形成平行的电解室，整个电解槽的槽体1内部沿水平方向形成至少两个以上这样的电解室。电解槽的槽体1底面朝一侧倾斜设置，并在较低的一侧设置相对槽体底面凹陷的聚铝沟107，在阳极2和阴极3之间电解室内的电解质进行竖向电解，电解产生的铝液直接沉到阳极2和阴极3底部的槽体1底面，并沿着倾斜的槽体底面汇流到聚铝沟107内，实现铝液的自流收集。
[0029]聚铝沟107设置在阳极2和阴极3在铝电解槽的槽体底面的垂直投影区域以外的区域，沿着阳极2和阴极3分布的方向布置，将聚铝沟107和阳极2以及阴极3的区域错开设置，铝液的流动路径在电解槽的电解范围之外，避免聚铝沟107内部的铝液被阳极2和阴极3之间的电场通电而磁化。[0030]具体的，本实施例中的阴极3为方体板状结构，包括整体预焙成型的阴极炭块以及预埋在阴极炭块内部的垂直导电钢棒、水平集流钢棒和电流均化钢棒，垂直导电钢棒、水平集流钢棒和电流均化钢棒整体构成阴极炭块的骨架结构，作为阴极炭块的骨架提高阴极炭块的整体强度的同时，通过在阴极炭块内部均匀分布的立体结构实现电流在阴极炭块表面的均匀分布。水平集流钢棒沿阴极炭块的长度方向水平布置在阴极炭块的下半部，其中水平集流钢棒的一端端头伸出阴极炭块至铝电解槽外部，作为阴极母线连接端，若干根垂直导电钢棒一端固定连接在水平集流钢棒上，另一端沿阴极炭块的高度方向延伸布置，每个垂直导电钢棒上连接有若干沿阳极厚度方向布置的电流均化钢棒，垂直导电钢棒以及电流均化钢棒均全部埋设在阴极炭块内部，整个阴极炭块表面只有水平集流钢棒的一端伸出阴极炭块，作为电流接入。
[0031]本实施例中的阳极2为自焙阳极，包括自焙阳极糊、阳极框架以及阳极导杆、水平集流钢爪、垂直集流钢爪、水平电流均化钢爪和阳极糊下料系统。由耐高温绝缘复合板构成的阳极框架用来承载自焙阳极糊自动添加与成型，自焙阳极糊经过阳极糊下料系统输运至阳极框架上部自动填装到阳极框架中，并在阳极框架中通过铝电解槽内部高温环境完成自动焙烧成型。阳极框架为一个板状结构的框架，即自焙阳极糊在阳极框架内部焙烧成型后形成一个板状结构的阳极块。阳极框架的底部由完整的绝缘复合板封闭，在阳极框架的竖向侧面设置镂空结构，便于铝电解槽内部的电解质与阳极框架内部的阳极材料接触，阳极框架的顶面保留设置加料口，用于向阳极框架内部连续加入自焙阳极糊来补充消耗的阳极材料。本实施例中板状结构的阳极2与平行的板状阴极3配合，交错分布在铝电解槽的槽体1内部，因此阳极框架的前后两侧大侧面(或者位于边缘的其中一侧大侧面)为与板状阴极形成竖式电解的电解表面，在与铝电解槽的阴极平行相对的阳极框架侧面设置露出内部阳极材料的网状结构，其余竖直侧面与阳极框架底面一样通过完整的绝缘复合板封闭设置。自焙阳极糊进入阳极框架内部后，快速被铝电解槽内部高温被烧成型，不会大量从网状结构漏出，部分露出的阳极材料因为凸出于阳极表面，通过集中分布的电流也会被快速消耗掉，因此设置网状结构的阳极表面能够形成较平整的阳极电解表面。[0032]阳极2的顶部也配置由阳极导杆211，作为将阳极2悬挂在铝电解槽内部的连接部
5
CN 110029359 B
说 明 书
4/5页
件以及阳极的导电部件。由于板状结构的阳极分布面积较大，为了提高阳极导杆211对阳极整体的连接强度以及电流在阳极内部的分流均化，在阳极2内部分布有阳极钢爪结构，包括埋设在自焙阳极糊内的水平集流钢爪、垂直集流钢爪以及水平电流均化钢爪，水平集流钢爪沿阳极2的上部长度方向布置，并且与伸出阳极顶部的阳极导杆211固定连接，若干垂直集流钢爪的顶端与水平集流钢爪连接，另一端沿阳极的高度方向向下延伸布置，垂直集流钢爪之间等距平行分布，保证在阳极内部的均匀分布，每个垂直集流钢爪上连接有若干沿阳极厚度方向布置的水平电流均化钢爪，水平电流均化钢爪的中间位置于垂直集流钢爪固定连接，相互之间同样等距平行布置，水平电流均化钢爪的长度可以随着与阳极导杆之间的距离逐渐变远，根据电流的走向，依次从上到下增加长度。
[0033]以上多室铝电解槽的阳极和阴极通电连接的母线系统包括阳极母线42和阴极母线43的布置连接，具体如图1中所示，所有阳极2的顶部设置一根将所有阳极的阳极导杆211并联汇集的阳极母线42，所有阴极3的水平集流钢棒33从铝电解槽槽体1的同一侧伸出，该侧为铝电解槽的出电侧，在槽体1的同一侧将所有阴极通过阴极母线43并联汇集到铝电解槽一侧的立柱母线41上，如果是单一台铝电解槽，直接将阳极母线42接入铝电解电源的正极，将立柱母线41通过软母线接入铝电解电源的负极。在实际铝电解生产中，大多是将多台铝电解槽串联在一起提高生产效率，这种情况下，位于两端的立柱母线和阳极母线分别接入铝电解电源，位于中间的铝电解槽则是将立柱母线41接入下一串联铝电解槽的阳极母线42，阳极母线42则接入上一串联电解槽的立柱母线41，如图4中所示。[0034]如图1中所示，本实施例中的阴极3数量较阳极2多一块，即位于铝电解槽的槽体1两外侧端头为阴极3，然后再在中间交替布置阳极和阴极，阴极母线43和阴极软母线44构成一个电流通道，并与每块阴极3的水平集流钢棒33一一对应连接，由于中间的阳极2和阴极3均在两侧面分别形成电解室，而两端头的阴极3只有一侧面与内侧的阳极形成电解室，因此，位于中间位置的阴极电流通道电阻均形同，而位于电解槽两个端头阴极的电流通道电阻为中间位置阴极的电流通道电阻的1/2，以保证所有的电解室的电压统一。阴极母线43仅在铝电解槽的出电侧将全部的水平集流钢棒33中的电流经阴极软母线44进行汇集，再汇集至立柱母线41接入下一台串联的电解槽。[0035]如图2和图3所示，阳极母线42位于阳极2的中间，便于直接与阳极顶部中间伸出的阳极导杆211连接，数量只有一根，长度覆盖所有的阳极分布方向，且超出阳极边界200mm。阳极母线42由于只有一根，故无需过桥母线，在相应的位置设置若干进电接入口421，进电接入口421与串联的铝电解槽上的立柱母线一一对应，从而便于通过阳极软母线45将串联铝电解槽上的立柱母线41输入的电流一一接入到本铝电解槽的阳极并进行均化传输到铝电解槽内部的所有阳极上。阳极导杆211与进电接入口421分别位于阳极母线42的两侧。[0036]再次参见图1，本实施例中电解槽的容量为400kA，共有10组阴极3、9组阳极2，且在竖直方向上平行的相邻阴极3和阳极2共同构成一个小型独立的电解室，电解得到的铝液沉入槽底汇入聚铝沟107内。本实施例中根据阴极的数量采用了三根立柱母线41进电，立柱母线41、阳极母线42、阴极母线43、阴极软母线44、阳极软母线45的材质均为金属铝。[0037]本实施例可大幅度节约多室铝电解槽的阴极母线用量，母线用量由传统的60吨/槽减少到10吨/槽，电解槽的投资降低效果明显；此外，由于彻底消除传统电解槽中电解质和铝液的界面扰动问题，无需设计阴极补偿母线对电解槽的磁流体进行优化，母线结构可
6
CN 110029359 B
说 明 书
5/5页
以最简化，易于安装和维护，且具有显著的节能效果，电压降幅达500mV以上,以93％的电流效率计算，可节能1600kWh/t-Al，对于铝电解槽节能与经济运行具有重要意义。[0038]以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
7
CN 110029359 B
说 明 书 附 图
1/2页
图1
图2
图3
8
CN 110029359 B
说 明 书 附 图
2/2页
图4
9
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容