一种能减缓阴极凸起磨蚀的新型阴极结构铝电解槽 【技术领域】
本发明属于电解铝技术领域，具体涉及一种能减缓阴极凸起磨蚀的新型阴极结构铝电解槽。
背景技术
目前工业上生产的金属铝都是用熔盐电解法生产的，其专用设备为内衬为碳质材料(或氮化硅结合碳化硅砖)的电解槽，碳质内衬与钢制槽壳之间为耐火材料和保温材料。电解槽的底部内衬为其底部安装有导电钢棒的碳块，此碳块称为电解槽的阴极碳块。阴极碳块与阴极碳块之间用碳素糊捣固连接，诸多的阴极碳块和它们之间捣固糊组成电解槽的底部碳阴极。通常工业电解槽的槽电压在4.0～4.3伏左右，而极距在4.0～5.0cm之间。目前工业铝电解槽之所以还能大幅度地降低极距使电解槽槽电压降低的原因在于现行工业铝电解槽内由于电磁力的作用和阳极气体从阳极表面和电解质熔体中逸出时引起了阴极铝液面产生很大的波动，如果这种波动的流速和波幅能够得以降低，那么就可以使目前电解槽的极距和槽电压降低，从而达到大幅度降低铝电解生产电耗的目的。为此，CN200710010523.4提出了一种新型阴极结构的铝电解槽，这种新型阴极结构的电解槽在工业上应用后确实起到了大幅度地降低铝电解生产电耗的结果，但在实践中也发现，这种新型阴极结构的电解槽其阴极表面上的凸起结构的高度会逐渐降低，其消耗速度约在2～4cm/年，一般来说这种消耗主要来源于铝液中钠的化学渗透作用时碳阴极表面晶格的侵蚀和破坏，以及而后的阴极铝液的流动对碳阴极表面的冲刷造成碳阴极表面的脱落而引起的。
【发明内容】
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种能减缓阴极磨蚀的铝电解槽，解决阴极表面凸起因受物理、化学的磨蚀引起的寿命低的问题。
本发明的铝电解槽，具有阴极碳块凸起，具体为：在每个阴极碳块上沿长度方向的边部加工有凸起结构，称为长度方向凸起；或在阴极碳块上部加工与阴极碳块的长度方向相垂直的凸起，称为宽度方向凸起；或在阴极碳块上边部同时加工长度方向凸起和宽度方向凸起。
各种阴极碳块凸起的材质与阴极碳块相同，为一体结构。
紧靠电解槽出铝端的阴极碳块的靠近出铝口的边部不加工凸起。
长度方向凸起的高度为10～18cm，宽度为5～15cm，位于每个阴极碳块沿长度方向的边部，且该长度方向凸起的外侧表面与阴极碳块边缘的水平距离为1～3cm，在砌筑电解槽时，两个相邻阴极碳块的中缝用碳素捣固糊捣固连接，捣固糊的高度与阴极碳块的高度相等，然后在两个相邻阴极碳块捣固糊的上表面安放一条耐火材料墙板，该耐火材料墙板的材料为氮碳化硅或高密度镁砖或镁铝尖晶石砖，其中高密度镁砖的体积密度为2.6～3.0g/cm3。这些耐火材料墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向安放，其宽度比相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起之间的宽度小1～3mm，长度与阴极碳块边部长度方向凸起长度相等，这些耐火材料墙板的上表面与阴极碳块边部长度方向凸起上表面高度一样或高于阴极碳块长度方向凸起地上表面1～5cm。
在每两个相邻阴极碳块之间，耐火材料墙板与相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起构成一个整体长度方向凸起，该整体长度方向凸起的横截面可以为矩形也可以是梯形，也可以是矩形和梯形的复合形状。每个阴极碳块上，该整体长度方向凸起的数量为2～8个，当整体长度方向凸起数为2个时，每两个整体长度方向凸起之间的距离为10～20cm。当整体长度方向凸起数为3～8个时，除阳极中缝下边两个整体长度方向凸起之间的距离为10～20cm外，其它整体长度方向凸起之间的距离为5～20cm。
当长度方向凸起和宽度方向凸起同时存在时，宽度方向凸起位于上述的两个整体长度方向凸起之间。宽度方向凸起与阴极碳块为一个整体，在每个阴极碳块上，宽度方向凸起与其相邻的整体长度方向凸起之间的距离为5～10cm。对于一个整体电解槽而言，位于出铝口端的阴极碳块边部不设置宽度方向凸起。与上述的整体长度方向凸起相似，宽度方向凸起的横截面为矩形，或梯形，或两者的组合，宽度方向凸起的宽度为15～35cm。每个宽度方向凸起中间沿阴极碳块宽度方向镶嵌耐火材料墙板，耐火材料墙板为氮碳化硅耐火板或高密度镁砖或镁铝尖晶石板。其中高密度镁砖的体积密度为2.6～3.0g/cm3。
当铝电解槽阴极碳块上只有宽度方向凸起时，每个阴极碳块上，每两个宽度方向凸起之间的距离为20～40cm，宽度方向凸起的高度为10～18cm，宽度为18～30cm，长度与阴极碳块的宽度相一致或小于阴极碳块的宽度2～6cm。每个宽度方向凸起中间沿阴极碳块宽度方向镶嵌耐火材料墙板，耐火材料墙板同样为氮碳化硅耐火板或高密度镁砖或镁铝尖晶石板，其中高密度镁砖的体积密度为2.6～3.0g/cm3。所镶嵌的耐火材料墙板宽度为5～10cm，高度与宽度方向凸起的高度相一致或高于宽度方向凸起1～5cm，长度与宽度方向凸起的长度相一致，或小于宽度方向凸起的长度4～10cm，当镶嵌的耐火材料墙板的长度小于宽度方向凸起时，在耐火材料墙板的两端再镶嵌碳砖，使镶嵌的耐火材料墙板与碳砖的长度之和与宽度方向凸起的长度一致。宽度方向凸起的横截面可以为矩形也可以是梯形，也可以是矩形和梯形的复合形状。
本发明的优点在于，耐火材料墙板与阴极碳块凸起构成的整体凸起具有减缓铝液流速、减少铝液波动、提高电解槽铝液面稳定性的作用，且由于耐火墙板是由抗磨蚀、抗腐蚀的铝镁尖晶石或碳氮化硅等材料制成的，不仅对铝电解过程和铝的质量没有影响，而且在阴极碳块凸起被磨蚀后由于耐火材料墙板比碳的电化学磨蚀性小，耐火材料墙板能继续起到减缓铝液流速的作用。
【附图说明】
图1为阴极碳块具有长度方向凸起的电解槽俯视图；
图2为具有宽度方向凸起的电解槽的俯视图；
图3为兼有长度方向和宽度方向凸起的电解槽的俯视图；
图4为图1中A-A剖面示意图，耐火材料墙板与长度方向凸起高度相等；
图5为图1中A-A剖面示意图，耐火材料墙板比长度方向凸起高；
图6为图1中B-B剖面示意图；
图7为图1中C-C剖面示意图；
图8为图2中D-D剖面示意图；
图9为横截面为梯形的长度方向凸起或宽度方向凸起的示意图；
图10为横截面为矩形和梯形组合形状的长度方向凸起或宽度方向凸起的示意图；
图11为横截面为矩形的长度方向凸起或宽度方向凸起的示意图。
图中：1侧部斜坡，2长度方向凸起，3耐火材料墙板，4碳素捣固糊，5阴极碳块，6阴极钢棒，7.宽度方向凸起，8槽壁保温材料，9侧部钢壳，10浇注耐火材料，11侧部碳块，12槽底保温材料，13底部钢壳。
【具体实施方式】
以下通过实施例进一步说明本发明的能减缓阴极凸起磨蚀的新型阴极结构铝电解槽。
如附图所示，能减缓阴极磨蚀的铝电解槽的外部有侧部钢壳9、底部钢壳13，紧贴侧部钢壳9的为槽壁保温材料8，槽壁保温材料8内部为侧部碳块11(或碳氮化硅砖)，阴极碳块5与侧部碳块11(或碳氮化硅砖)通过侧部斜坡1连接。电解槽的整体阴极由多块阴极碳块5组成，相邻两个阴极碳块5通过碳素捣固糊4相连，电解槽阴极碳块5通过阴极钢棒6与外部电源连接，在阴极碳块5底部有槽底保温材料12，槽底保温材料12下部为底部钢壳13。与普通铝电解槽不同的是本发明的电解槽的阴极碳块5上加工有长度方向凸起2或宽度方向凸起7，或同时加工有长度方向凸起2和宽度方向凸起7，在两个相邻阴极碳块凸起中间，碳素捣固糊4的上部安有与阴极碳块凸起长度相同的耐火材料墙板3，阴极碳块凸起与耐火材料墙板3构成的整体凸起有降低铝液流速、保持铝液稳定的作用，耐火墙板抗磨蚀能够延长阴极碳块凸起的寿命，同时防止了铝液进入阴极中缝造成电解槽的早期破损。
实施例1
本发明的铝电解槽结构如图1、图5、图6、图7、图11所示，本发明的铝电解槽，在每个阴极碳块上沿长度方向的边部加工有凸起结构，称为长度方向凸起。
紧靠电解槽出铝端的阴极碳块的靠近出铝口的边部不加工凸起。
长度方向凸起的高度为14cm，宽度为10cm，位于每个阴极碳块沿长度方向的边部，且该长度方向凸起的外侧表面与阴极碳块边缘的水平距离为2cm，在砌筑电解槽时，两个相邻阴极碳块的中缝用碳素捣固糊捣固连接，捣固糊的高度与阴极碳块的高度相等，然后在两个相邻阴极碳块捣固糊的上表面安放一条耐火材料墙板，该耐火材料墙板的材料为氮碳化硅，这些耐火材料墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向安放，其宽度比相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起之间的宽度小2mm，长度与阴极碳块边部长度方向凸起长度相等，这些耐火材料墙板的上表面与阴极碳块边部长度方向凸起上表面高度一样。
在每两个相邻阴极碳块之间，耐火材料墙板与相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起构成一个整体长度方向凸起，该整体长度方向凸起的横截面为矩形。每个阴极碳块上，该整体长度方向凸起的数量为5个，除阳极中缝下边两个整体长度方向凸起之间的距离为15cm外，其它整体长度方向凸起之间的距离为12cm。
实施例2
本发明的铝电解槽结构如图1、图5、图6、图7、图9所示，本发明的铝电解槽，在每个阴极碳块上沿长度方向的边部加工有凸起结构，称为长度方向凸起。
紧靠电解槽出铝端的阴极碳块的靠近出铝口的边部不加工凸起。
长度方向凸起的高度为18cm，宽度为15cm，位于每个阴极碳块沿长度方向的边部，且该长度方向凸起的外侧表面与阴极碳块边缘的水平距离为3cm，在砌筑电解槽时，两个相邻阴极碳块的中缝用碳素捣固糊捣固连接，捣固糊的高度与阴极碳块的高度相等，然后在两个相邻阴极碳块捣固糊的上表面安放一条耐火材料墙板，该耐火材料墙板的材料为高密度镁砖，其中高密度镁砖的体积密度为2.8g/cm3。这些耐火材料墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向安放，其宽度比相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起之间的宽度小3mm，长度与阴极碳块边部长度方向凸起长度相等，这些耐火材料墙板的上表面高于阴极碳块长度方向凸起的上表面3cm。
在每两个相邻阴极碳块之间，耐火材料墙板与相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起构成一个整体长度方向凸起，该整体长度方向凸起的横截面为梯形。每个阴极碳块上，该整体长度方向凸起的数量为2个，每两个整体长度方向凸起之间的距离为15cm。
实施例3
本发明的铝电解槽结构如图1、图5、图6、图7、图10所示，在每个阴极碳块上沿长度方向的边部加工有凸起结构，称为长度方向凸起。
紧靠电解槽出铝端的阴极碳块的靠近出铝口的边部不加工凸起。
长度方向凸起的高度为10cm，宽度为5cm，位于每个阴极碳块沿长度方向的边部，且该长度方向凸起的外侧表面与阴极碳块边缘的水平距离为1cm，在砌筑电解槽时，两个相邻阴极碳块的中缝用碳素捣固糊捣固连接，捣固糊的高度与阴极碳块的高度相等，然后在两个相邻阴极碳块捣固糊的上表面安放一条耐火材料墙板，该耐火材料墙板的材料为镁铝尖晶石砖。这些耐火材料墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向安放，其宽度比相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起之间的宽度小1mm，长度与阴极碳块边部长度方向凸起长度相等，这些耐火材料墙板的上表面高于阴极碳块长度方向凸起的上表面5cm。
在每两个相邻阴极碳块之间，耐火材料墙板与相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起构成一个整体长度方向凸起，该整体长度方向凸起的横截面为矩形和梯形的复合形状。每个阴极碳块上，该整体长度方向凸起的数量为8个，除阳极中缝下边两个整体长度方向凸起之问的距离为20cm外，其它整体长度方向凸起之间的距离为18cm。
实施例4
本发明的铝电解槽结构如图2、图8、图11所示，在阴极碳块上加工与阴极碳块的长度方向相垂直的凸起，称为宽度方向凸起。
紧靠电解槽出铝端的阴极碳块的靠近出铝口的边部不加工凸起。
每个阴极碳块上，每两个宽度方向凸起之间的距离为30cm，宽度方向凸起的高度为14cm，宽度为24cm，长度与阴极碳块的宽度相一致。每个宽度方向凸起中间沿阴极碳块宽度方向镶嵌耐火材料墙板，耐火材料墙板为氮碳化硅耐火板，所镶嵌的耐火材料墙板宽度为8cm，高度与宽度方向凸起的高度相一致，长度与宽度方向凸起的长度相一致。
宽度方向凸起的横截面为矩形。
实施例5
本发明的铝电解槽结构如图2、图8、图9所示，在阴极碳块上加工与阴极碳块的长度方向相垂直的凸起，称为宽度方向凸起。
紧靠电解槽出铝端的阴极碳块的靠近出铝口的边部不加工凸起。
每个阴极碳块上，每两个宽度方向凸起之间的距离为40cm，宽度方向凸起的高度为18cm，宽度为30cm，长度小于阴极碳块的宽度4cm。每个宽度方向凸起中间沿阴极碳块宽度方向镶嵌耐火材料墙板，耐火材料墙板为高密度镁砖，高密度镁砖的体积密度为2.8g/cm3，所镶嵌的耐火材料墙板宽度为10cm，高度比宽度方向凸起高3cm，长度小于宽度方向凸起的长度7cm，在耐火材料墙板的两端再镶嵌碳砖，使镶嵌的耐火材料墙板与碳砖的长度之和与宽度方向凸起的长度一致。
宽度方向凸起的横截面是梯形。
实施例6
本发明的铝电解槽结构如图2、图8、图10所示，在阴极碳块上加工与阴极碳块的长度方向相垂直的凸起，称为宽度方向凸起。
紧靠电解槽出铝端的阴极碳块的靠近出铝口的边部不加工凸起。
每个阴极碳块上，每两个宽度方向凸起之间的距离为20cm，宽度方向凸起的高度为10cm，宽度为18cm，长度小于阴极碳块的宽度6cm。每个宽度方向凸起中间沿阴极碳块宽度方向镶嵌耐火材料墙板，耐火材料墙板为镁铝尖晶石板，所镶嵌的耐火材料墙板宽度为5cm，高度比宽度方向凸起高度5cm，长度小于宽度方向凸起的长度10cm，在耐火材料墙板的两端再镶嵌碳砖，使镶嵌的耐火材料墙板与碳砖的长度之和与宽度方向凸起的长度一致。
宽度方向凸起的横截面是矩形和梯形的复合形状。
实施例7
本发明的铝电解槽的结构如图3、图11所示，在阴极碳块上边部同时加工长度方向凸起和宽度方向凸起。
紧靠电解槽出铝端的阴极碳块的靠近出铝口的边部不加工凸起。
长度方向凸起的高度为14cm，宽度为10cm，位于每个阴极碳块沿长度方向的边部，且该长度方向凸起的外侧表面与阴极碳块边缘的水平距离为2cm，在砌筑电解槽时，两个相邻阴极碳块的中缝用碳素捣固糊捣固连接，捣固糊的高度与阴极碳块的高度相等，然后在两个相邻阴极碳块捣固糊的上表面安放一条耐火材料墙板，该耐火材料墙板的材料为氮碳化硅，这些耐火材料墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向安放，其宽度比相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起之间的宽度小2mm，长度与阴极碳块边部长度方向凸起长度相等，这些耐火材料墙板的上表面与阴极碳块边部长度方向凸起上表面高度一样。
在每两个相邻阴极碳块之间，耐火材料墙板与相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起构成一个整体长度方向凸起，该整体长度方向凸起的横截面为矩形。每个阴极碳块上，该整体长度方向凸起的数量为5个，除阳极中缝下边两个整体长度方向凸起之间的距离为15cm外，其它整体长度方向凸起之间的距离为12cm。
宽度方向凸起位于上述的两个整体长度方向凸起之间。宽度方向凸起与阴极碳块为一个整体，在每个阴极碳块上，宽度方向凸起与其相邻的整体长度方向凸起之间的距离为8cm。对于一个整体电解槽而言，位于出铝口端的阴极碳块边部不设置宽度方向凸起。与上述的整体长度方向凸起相似，宽度方向凸起的横截面为矩形，宽度方向凸起的宽度为25cm。每个宽度方向凸起中间沿阴极碳块宽度方向镶嵌耐火材料墙板，耐火材料墙板为氮碳化硅耐火板。
实施例8
本发明的铝电解槽的结构如图3、图9所示，在阴极碳块上边部同时加工长度方向凸起和宽度方向凸起。
紧靠电解槽出铝端的阴极碳块的靠近出铝口的边部不加工凸起。
长度方向凸起的高度为18cm，宽度为15cm，位于每个阴极碳块沿长度方向的边部，且该长度方向凸起的外侧表面与阴极碳块边缘的水平距离为3cm，在砌筑电解槽时，两个相邻阴极碳块的中缝用碳素捣固糊捣固连接，捣固糊的高度与阴极碳块的高度相等，然后在两个相邻阴极碳块捣固糊的上表面安放一条耐火材料墙板，该耐火材料墙板的材料为高密度镁砖，高密度镁砖的体积密度为2.8g/cm3。这些耐火材料墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向安放，其宽度比相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起之间的宽度小3mm，长度与阴极碳块边部长度方向凸起长度相等，这些耐火材料墙板的上表面高于阴极碳块长度方向凸起的上表面3cm。
在每两个相邻阴极碳块之间，耐火材料墙板与相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起构成一个整体长度方向凸起，该整体长度方向凸起的横截面为梯形。每个阴极碳块上，该整体长度方向凸起的数量为2个，每两个整体长度方向凸起之间的距离为15cm。
宽度方向凸起位于上述的两个整体长度方向凸起之间。宽度方向凸起与阴极碳块为一个整体，在每个阴极碳块上，宽度方向凸起与其相邻的整体长度方向凸起之间的距离为10cm。对于一个整体电解槽而言，位于出铝口端的阴极碳块边部不设置宽度方向凸起。与上述的整体长度方向凸起相似，宽度方向凸起的横截面为梯形，宽度方向凸起的宽度为35cm。每个宽度方向凸起中间沿阴极碳块宽度方向镶嵌耐火材料墙板，耐火材料墙板为体积密度为2.8g/cm3的高密度镁砖。
实施例9
本发明的铝电解槽的结构如图3、图10所示，在阴极碳块上边部同时加工长度方向凸起和宽度方向凸起。
紧靠电解槽出铝端的阴极碳块的靠近出铝口的边部不加工凸起。
长度方向凸起的高度为10cm，宽度为5cm，位于每个阴极碳块沿长度方向的边部，且该长度方向凸起的外侧表面与阴极碳块边缘的水平距离为1cm，在砌筑电解槽时，两个相邻阴极碳块的中缝用碳素捣固糊捣固连接，捣固糊的高度与阴极碳块的高度相等，然后在两个相邻阴极碳块捣固糊的上表面安放一条耐火材料墙板，该耐火材料墙板的材料为镁铝尖晶石砖。这些耐火材料墙板沿与阴极碳块的长度方向相平行的方向安放，其宽度比相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起之间的宽度小1mm，长度与阴极碳块边部长度方向凸起长度相等，这些耐火材料墙板的上表面高于阴极碳块长度方向凸起的上表面5cm。
在每两个相邻阴极碳块之间，耐火材料墙板与相邻两个阴极碳块边部的长度方向凸起构成一个整体长度方向凸起，该整体长度方向凸起的横截面为矩形和梯形的复合形状。每个阴极碳块上，该整体长度方向凸起的数量为8个，除阳极中缝下边两个整体长度方向凸起之间的距离为20cm外，其它整体长度方向凸起之间的距离为18cm。
宽度方向凸起位于上述的两个整体长度方向凸起之间。宽度方向凸起与阴极碳块为一个整体，在每个阴极碳块上，宽度方向凸起与其相邻的整体长度方向凸起之间的距离为5cm。对于一个整体电解槽而言，位于出铝口端的阴极碳块边部不设置宽度方向凸起。与上述的整体长度方向凸起相似，宽度方向凸起的横截面为矩形和梯形的复合形状，宽度方向凸起的宽度为15cm。每个宽度方向凸起中间沿阴极碳块宽度方向镶嵌耐火材料墙板，耐火材料墙板为镁铝尖晶石板。