經修改的電解池及用于修改其的方法與流程

本發明涉及在用于鋁生產的霍爾赫勞爾特(hall-héroult)型電解池中減小金屬盤不均勻性和優化mhd(磁體流體動力學)穩定性的方法，以及對應地修改的電解池。

背景技術：

為了提高用于鋁生產的電解池的產量，電解池被設計得更大，并且具有更高的生產電流。

隨著液體(電解質和鋁金屬)在電解池中的占地面積的增加，影響導電液體的磁場的平衡將更為關鍵。

隨著生產電流趨于增加甚至超過400ka，控制由電解池內部和周圍的各種導體和電流引線生成的磁場的強烈影響將代表設計新電解池時的挑戰，并且陽極/陰極構造以及母線系統必須仔細地設計。任何相鄰電解池列(串聯的多個電解池)的磁場也將隨著生產電流(線電流)的增加而變得更強有力，并且必須被仔細考慮。

類似地，當現有的電解池關于生產電流的增加而被調整時，關于電解池的金屬盤(pad)中的磁體流體動力學(mhd)不穩定性會出現若干挑戰。除了其它因素，mhd不穩定性也受到速度場和金屬起伏(heaving)的影響。

在現有技術中，存在若干涉及優化電解槽中的金屬盤的形狀和金屬流動的出版物。此外，還存在可用于計算力和速度場還有金屬起伏以及金屬盤中的mhd穩定性的建模工具。

例如，用于計算力和速度場以及金屬起伏的建模工具在以下文章中公開：

“revisedbenchmarkproblemformodelingofmetalflowandmetalheavinginreductioncells”，hua,j.、droste,c.、einarsrud,k.e.、rudshaug,m.、r.、giskeodegard,n.-h.，tmslightmetals2014，691-695頁。

ep0371653b1公開了在一個橫向布置的電解池下方的母線的不對稱布置，以改善電解池中的bz場。

但是，電解池列的母線系統在棕色地帶(brownfield)修改相當麻煩，并且整個電解池列的電源中斷對于進行修改可能是必要的。

根據以前的挪威專利no139829和no140602，對于電解池mhd穩定性，有利的是在更靠近相鄰的一行或多行的電解池的短端周圍或下方的非對稱母線系統中傳導更多的電流。

但是，不均勻的母線系統在金屬中建立主要將金屬從相鄰行推開的力，并導致電解池中金屬的不均勻分布，以及也可以是不對稱的增加的金屬盤曲率，其中金屬趨于在電解池的一端分配。

增加的金屬盤曲率或金屬盤不均勻將導致不均勻的浴分布，這將潛在地導致惡化的氧化物分布。

也是不對稱的增加的金屬盤曲率將導致單個陽極的不均勻磨損，因此將導致平均較大的陽極頭(butt)。

由于浴和金屬以及側邊緣之間的傳熱系數可能存在差異，因此金屬的不對稱分布(電解池的抽頭相對于電解池的管道側，或上游相對于下游)也可能導致不均勻的熱損失。

還存在若干涉及影響陰極塊和對應陰極板中的電流分布的方法的出版物。修改可以涉及陰極塊材料、集電器棒或陰極塊和集電器棒之間的電連接件(即，陰極塊和集電器棒的組件)的導電性。

通常這可以通過若干方式完成：

i)陰極塊質量，即，以碳為基礎的主體的導電性可以沿著主體的長度而變化，通常朝著電解池的中心具有更高的導電性，或者整體上被修改，

ii)具有改進的導電性的陰極集電器棒，例如通過使用cu插入物

iii)陰極集電器棒維度(橫截面增加)，以降低電壓降

iv)用于將陰極棒與基于碳的陰極塊電絕緣的各種方法

v)經修改的陰極塊中的降低的導電性

通過這些方法的常規使用，已經證明在一些情況下難以減小金屬曲率或優化金屬流動而不犧牲mhd穩定性，反之亦然。

wo2008/062318公開了使用與集電器棒互補的棒，其中所述互補棒(優選地是銅)具有大于含鐵集電器棒的導電性的導電性。所述集電器棒和互補棒優選地與塊的端部區域中的陰極塊電絕緣。通過這種解決方案，可以降低陰極電壓降并且還減少朝著電解池外部的熱損耗。

us6,231,745公開了在集電器棒中使用銅插入物，以及如何將其應用于在霍爾赫勞爾特電解池中重定向電流，以減少或消除歸因于不均勻和/或水平電流的低效率。沿著電解池的中心長軸以對稱的方式進行修改。

修改電解池的基本對稱的做法的其它示例是：

wo2013/016930a1、cn201162052y、us33857778a。

us3787311a公開了逐步對稱的做法。

ep0016728a1公開了對角線對稱的做法。

通常，這些方法會依賴于“技術人員的眼睛”，其中在某些區域中進行修改，例如在母線的集中度高的位置或者以更垂直的方式改變經由陰極的電流提取。

常規電解池定期重襯(reline)，比如說每5-7年。在這個操作期間，陰極元件(諸如包括在其集電器棒中的陰極塊)都被取出并更新。這是在電解池“壽命”結束時進行的相當昂貴的維護工作。

如果陰極板中某些選定位置處的陰極塊組件僅通過全面的試驗和失敗方法進行修改，那么這將與更頻繁的重襯和對應的成本相關聯。

技術實現要素：

利用本發明，可以確定如何選擇性地修改單個或多個陰極塊組件或陰極塊區段組件的導電性，以減少上述缺點。

這是通過在基于計算機的建模程序中建立實際電解池的模型來完成的，其中每個陰極塊組件或陰極塊區段組件被表示。建模程序能夠識別哪個陰極塊組件或陰極塊區段組件優選地應當被修改。通過選擇性地改變單個陰極塊組件或陰極塊區段組件中的電流分布，在電解池中實現至少一個修改，使得陰極板上方的金屬中的局部電流路徑和對應的局部力被修改為增強金屬盤的不均勻性和電解池的整體mhd穩定性。

這些和進一步的優點可以利用如由所附權利要求限定的本發明來實現。

附圖說明

在下文中，將通過示例和附圖進一步解釋本發明：

圖1公開了電解池的示意性俯視圖，

圖2公開了正常陰極塊組件中的典型電流路徑，

圖3公開了經修改的陰極塊組件中的電流路徑，

圖4公開了具有正常整體陰極組件的電解池中的電流分布，

圖5公開了具有經修改的整體陰極組件的電解池中的電流分布，

圖6公開了對于正常電解池由于在z方向上的磁場而在金屬中引起的力分量(x方向)，

圖7公開了對于選擇性修改的電解池由于在z方向上的磁場而在金屬中引起的力分量(x方向)，

圖8公開了用于正常電解池的模型化金屬高度，

圖9公開了用于經修改的電解池的模型化金屬高度，

圖10公開了用于正常電解池的實測金屬高度，

圖11公開了用于經修改的電解池的實測金屬高度，

圖12公開了具有陰極棒連接件的陰極塊組件，

圖13公開了具有經修改的陰極塊區段組件的電解池的示意性俯視圖，

圖14公開了具有經修改的陰極塊區段組件的電解池的示意性俯視圖，

圖15公開了具有經修改的陰極塊區段組件的電解池的示意性俯視圖，

圖16公開了具有經修改的陰極塊區段組件的電解池的示意性俯視圖。

具體實施方式

對于本發明，具有一個或多個集電器棒的基于碳的陰極塊被稱為陰極塊組件。陰極塊可以由兩個陰極塊區段組成，其中每個區段包括陰極棒。每個區段(包括(一個或多個)陰極棒)在這里被定義為陰極塊區段組件。

陰極塊組件或陰極塊區段組件經由其陰極棒連接件連接到電解池列的對應母線系統。在某些修改中，陰極棒連接件可以具有增加或減小的導電性。

這種陰極棒連接件包括通常由銅制成的柔性體。在某些修改中，柔性體可以具有較小的導電性(較高的電阻率)。

在某些修改中，包括陰極棒的外部部分的陰極棒連接件具有改進的導電性，例如，其外部部分設有具有良好導電性的材料的附加元件，諸如基于銅的延伸件。

將參考圖12-16進一步解釋這些修改。

如圖1中所示，公開了具有兩個長邊和兩個短邊的電解池的示意性俯視圖，其中i-i指示中心軸線。陰極板可以由若干陰極塊組成。在這個簡化圖中，示出了在電解池的長邊之間延伸的八個陰極塊。另外，陰極塊組件通常包括至少一個基于碳的塊或主體，其中嵌有一個或多個金屬集電器棒。

作為起點，各個陰極塊可以沿著中心軸線i-i被分成兩個陰極塊區段，如在圖中位置1'，1”；2'，2”；3'，3”；4'，4”；5'，5”；6'，6”；7'，7”和8'，8”稍微指示的。從1'，1”直到8'，8”的陰極塊區段關于中心軸線i-i在導電性方面可以是對稱的，由圖1中的虛線和斷線指示。因此，在這種情況下中，中心軸線i-i將表示關于所有陰極塊的導電率的對稱軸。

在所示的實施例中，條紋塊是具有如圖2中所示的特征電流路徑的未經修改的陰極塊組件，而白塊是具有如圖3中所示的特征電流路徑(較小的水平電流)的經修改的陰極塊組件。

另外，在圖1中，示出了坐標系中x軸和y軸的方向。z軸沒有示出，而是指出紙平面，這在這種類型的可視化中是標準的。

在未經修改的陰極塊區段組件2”處，在圖2中監視橫截面b-b處的電流路徑，并且在經修改的陰極塊區段組件6”處，在圖3中監視橫截面a-a處的電流路徑。

在圖2中，公開了正常未經修改的陰極塊區段組件的典型電流路徑，如在圖1中的陰極塊區段組件2”和橫截面b-b所示。這圖示z-y平面中的電流路徑沿y軸被拉平(flattenout)，從中心軸線i-i開始并朝著方向y中電解池的長邊。由于z在這里沿著中心軸線i-i布置在垂直平面中，因此類似的鏡面對稱電流路徑可以存在于對應未經修改的陰極塊區段組件2'中。

在圖3中，公開了在經修改的陰極塊區段組件中的電流路徑，如在圖1中的陰極塊區段組件6”和橫截面a-a所公開的。電流路徑在垂直方向上更陡，由此減小了水平電流分量。與陰極塊區段組件2”類似，類似的對稱電流路徑可以存在于陰極塊區段組件6'中，假定這具有與陰極塊區段組件6”類似的修改。

如圖4中所示，公開了在現有技術電解池的狀態下的正常電流分布的示例。

圖5公開了根據圖1在陰極板中的單獨陰極已經被選擇性地修改之后的電流分布。

如圖6中所示，公開了對于正常的電解池由于z方向中的磁場而在金屬中引起的力分量(fx)。

在圖7中，根據圖1對于選擇性修改的電解池公開了對應的力分量。可以清楚地看出，在陰極電流分布通過減小水平電流分量而被修改的區域中，力分量較低。

如圖8中所示，對于正常的電解池公開了模型化的金屬高度。

對應地，圖9公開了根據圖1用于經修改的電解池的模型化的金屬高度。

對于未經修改的電解池，金屬高度的變化相對較高，其右側的最低高度遠低于左側。對于經修改的電解池，總金屬起伏較低，并且金屬更均勻地分布在電解池的左側和右側之間。

如圖10中所示，公開了對于正常電解池的實測金屬高度。上游測量點的y位置由圖1中電解池的下端和電解池中心(i-i)之間的中間面給出，如由細點線標記的us(上游)所指示的。下游測量點的y位置由圖1中電解池的下端和電解池中心(i-i)之間的中間面給出，如由細點線標記的ds(下游)所指示的。所有測量點的x位置從電解池的左側到電解池的右側從測量點1到5單調增加。所測得的實際電解池不具有與圖1中所示的相同的陰極塊組件。

對應地，在圖11中示出了用于經修改的電解池的結果。除了修改例的減少的整體起伏之外，結果顯示電解池左右兩側之間的金屬分布更均勻。

以下修改將增加陰極塊組件中的導電性，也參見圖12：

cbs：陰極塊區段

cb：陰極塊

ccb：陰極集電器棒

cbsa：陰極塊區段組件

cba：陰極塊組件

f：柔性體

a：具有減小的橫截面或類似物的柔性體

b：銅(cu)延伸件或類似物

bus：母線連接件

i)陰極塊質量，即，以碳為基礎的主體的導電性可以沿著主體的長度而變化，通常朝著電解池的中心具有更高的導電性，或者整體上被修改，

ii)具有改進的導電性的陰極集電器棒，例如通過使用cu插入物

iii)陰極集電器棒維度(橫截面增加)，以降低電壓降

以下修改將降低陰極塊組件中的導電性：

iv)用于將陰極棒與基于碳的陰極塊電絕緣的各種方法

v)經修改的陰極塊中的降低的導電性

優選地，經修改的陰極塊組件的導電性及其到母線系統的對應陰極棒連接件整體保持不修改。

可以通過以下方式降低陰極棒連接件的導電性：

a)減小銅柔性體或類似物的橫截面

可以通過以下方式增加陰極棒連接件的導電性：

b)添加銅延伸件等

當在電解池中實現修改時，優選的是保持陰極塊組件連同其(一個或多個)集電器棒連接件的總電阻率不變。一種替代方案是在未經修改的位置處修改集電器棒連接件，以在陰極板的所有位置具有相同的電阻。

例如，所選擇的塊中減少的陰極集電器棒電阻率(方法ii或iii)將導致金屬區中減小的水平電流分量(iy)。陰極集電極棒電阻率的降低可以通過增加連接母線系統的柔性體的電阻率(減小的橫截面)由對應的陰極棒連接件的增加的電阻率來補償。在替代方案中，用于其余陰極塊組件的陰極棒連接件可以用與經修改的陰極塊組件對應的更好的導電性進行修改。

參考圖13，公開了類似于圖1的電解池的電解池的示意性俯視圖，其中位置1”、2”和3”的陰極塊區段組件的導電性分別根據方法i、ii和iii增加，并且其中柔性體根據用于修改陰極棒連接件的方法a而具有降低的導電性。其余位置未修改。

參考圖14，公開了如圖13中所示的位置1”、2”和3”中的陰極塊區段組件的導電性的相同修改，但是在這里，在除位置1”、2”和3”之外的所有位置處陰極棒連接件的導電性根據方法b(增加)被修改。

參考圖15，公開了類似于圖1的電解池的電解池的示意性俯視圖，其中位置4”和5”中陰極塊區段組件的導電性分別根據方法iv和v減小，并且其中陰極棒連接件根據方法b被修改。其余位置未修改。

參考圖16，公開了如圖15中所示的位置4”和5”的陰極塊區段組件的導電性的相同修改，但是在這里，在除位置4”和5”之外的所有位置處陰極棒連接件的導電性根據方法a(減小)被修改。

金屬區中的水平電流分量(iy)的總體減小一般將減少金屬起伏。電流分量與垂直磁場bz相乘(叉積)，因此負責沿著電解池的延伸件作用在金屬上的水平力場fx，即，將金屬推向電解池的中心。通過減少一個或幾個所選擇的陰極塊組件中的力分量，可以修改電解池中的力分布，從而重新分布電解池中的金屬分布。

在一些修改中，調節陰極柔性體橫截面的減小，以保持陰極組件中的電阻率恒定。實現其的替代方法是增加陰極集電器棒和陰極塊之間的電絕緣的長度。

根據這個例子，針對所有可能的修改計算金屬起伏和mhd穩定性，但是對于每個計算僅有一個修改。通過在基于計算機的建模程序中建立實際電解池的模型來輔助計算，其中每個陰極塊組件或陰極塊區段組件被表示。建模程序能夠識別哪個陰極塊組件或陰極塊區段組件優選地應當被修改。然后最有希望的(一個或多個)修改應當在電解池中實現。電解池可以通過(一個或多個)修改在綠色地帶(greenfiled)建立或者作為普通重襯維護的一部分而在棕色地帶建立。

最重要的步驟是：

●為所有陰極位置建立用于正常陰極設計的代表性模型。必須定義陰極塊組件或陰極塊區段組件的數量以及陰極棒的對應設計。

●根據以下步驟，在基于計算機的建模操作中選擇要修改哪些陰極棒：

●對于所有陰極位置1-n都從正常陰極設計開始，數字n是陰極塊或陰極塊區段的數量，

●必須定義陰極棒的對應設計，例如對于典型的陰極塊是兩個棒，

●將位置1中的陰極棒1修改為具有降低的陰極棒電阻率，并且可選地對應地增加陰極柔性體電阻率，以達到與正常陰極塊或陰極塊區段相同的總電阻率，計算金屬起伏和mhd穩定性并存儲結果，

●對所有其余的陰極位置2-n再次以正常陰極設計開始，

●將位置1中的陰極棒2修改為具有降低的陰極棒電阻率，并且可選地對應地增加陰極柔性體電阻率，以達到與正常陰極塊或陰極塊區段相同的總電阻率，計算金屬起伏和mhd穩定性并存儲結果

●對所有陰極棒和位置重復上述步驟，

●然后獲得的結果被用來尋找經修改的和未經修改的陰極塊的有希望的組合，

●其后通過計算金屬起伏和mhd穩定性來測試有希望的組合，

●其后在生產電解池中實現至少一個修改。

在替代方案中，要修改哪些陰極棒的選擇也可以基于研究力分量并且對于若干所選擇的情況(試驗和錯誤)計算結果所得的金屬起伏和mhd穩定性。

基于詳細描述中所獲得的結果，產生了對于每個經修改的陰極棒以及可選地柔性體的金屬起伏和mhd穩定性的概述。然后，該概述被用來分析關于金屬起伏的減少和提高的mhd穩定性修改哪些陰極棒是有利的。

基于上述分析，對由至少一個陰極棒修改(具有對應的陰極柔性體修改)組成的幾種設計進行建模和計算。

利用低金屬起伏、金屬盤在電解池中的均勻分布和mhd穩定性作為選擇標準，可以選擇最佳設計。

但是，原則上可以應用如前所述修改陰極塊組件或陰極塊區段組件的導電性和對應地電流分布的所有常見方式。

該方法可以應用于包括一個、兩個或更多個陰極棒的陰極塊組件或陰極塊區段組件。

根據具有適當建模工具的模型計算，在所選擇的陰極處的集電器棒絕緣(非對稱設計)通過減小將過量金屬推入電解池的一側的力明顯地改進金屬起伏和不穩定率(ir)。電解池操作的改進是預期的。

通過在所有位置延伸集電器棒絕緣，觀察到相當大的起伏減少。實際上，通過在電解池周圍全都將這個絕緣從150mm增加到450，起伏低于任何其它解決方案，并且不對稱性也顯著降低。但是，由于更長的絕緣長度而導致的增加的電壓降必須通過例如使用cu插入物來補償。增加的陰極電壓降的補償將需要比其它非對稱設計更多的cu，因為在所有位置都需要cu并且可能是更昂貴的解決方案。

如上面所提到的，應當理解的是，為了簡化的原因，在上述實施例中描述的電解池的修改的建模原則上基于陰極集電器棒電阻率相對于陰極塊的修改。應當理解的是，操作電解池中的最終修改實際上可以基于如先前所提及的方法i-v和陰極棒連接方法a-b所述的修改陰極塊或陰極塊區段的導電性的其它方式。