用于产生金属的低电阻电极组件 |
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| 申请号 | CN201410782014.3 | 申请日 | 2014-12-16 | 公开(公告)号 | CN104831320B | 公开(公告)日 | 2017-12-22 |
| 申请人 | 铝还原技术公司; | 发明人 | W·R·P·贝伦兹; S.D.哈利; | ||||
| 摘要 | 一种在用于产生金属(诸如 铝 )的 电解 槽 中使用的 电极 组件。该电极包括导电 碳 电极 块 ，其中导电金属构件连接至该碳电极块。至少一个固态导电金属插入件以 过盈配合 至少部分地容纳在碳电极块中，以使得插入件在碳电极块上施加横向 力 。该插入件在碳电极块与导电金属构件之间提供改善的导电连接，且具有减小的 电阻 。该插入件可提供电极块与金属构件之间的直接连接，或者该连接可通过设在电极块与金属构件之间的 铸 铁 层或其他金属元件来提供。电极组件可包括 阳极 或 阴极 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种在用于产生金属的电解槽中使用的电极组件，所述电极组件包括： |
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| 说明书全文 | 用于产生金属的低电阻电极组件[0001] 相关申请的交叉引用 技术领域[0003] 本主题内容涉及供在精制材料的电解还原中使用的电极组件，包括但不限于在铝电解槽中使用。本主题内容更具体地涉及阳极和阴极组件中的电阻减小及电流分布改善，从而降低功耗、改善电解槽性能以及改善阳极和阴极的工作寿命。 背景技术[0004] 霍尔-埃鲁特法(Hall-Heroult process)是公知的通过电解还原氧化铝来进行铝合成的过程。该过程使用电解槽中与相对的碳阴极成对的预焙碳阳极或就地烘焙碳阳极、以及覆在阴极顶部上的导电铝的熔融金属垫，该阴极与阳极由包含溶解氧化铝的熔融电解质(‘电解液(bath)’)分隔开。在该过程期间，电流在阳极与阴极之间流过以将溶解氧化铝还原成熔融铝并且从阳极底部产生一氧化碳/或二氧化碳。导电熔融铝沉至碳阴极顶部上的铝层或‘金属垫’，由此变成电路的一部分。从悬挂料斗向电解液添加氧化铝，同时通过间歇虹吸至移动坩埚来从电解槽提取熔融铝。 [0005] 预焙碳阳极附连至垂直导体杆的下端并由其支撑，并且该导体杆的上端被夹至电汇流梁。垂直导体杆由铝或铜制成，并且通常通过较低的水平钢轭以及附连至该轭的1到8个(或更多个)圆棒钢短柱来接合至碳阳极。 [0006] 碳阳极形成有预制凹口(短柱孔)，相应的短柱装配到这些凹口中。短柱和阳极随后通过用铸铁或用碳胶粘合剂填充它们之间的空间而被接合。在使用铸铁进行接合时，短柱与碳阳极之间的固化铁环被称为‘套环’。碳阳极在还原过程中通过与从还原氧化铝衍生的氧结合而大部分被消耗。阳极组件在电解槽中具有通常为20-30天的工作职责寿命。这种类型的典型阳极组件在授予Bonfils等人的美国专利No.3,398,081中公开。 [0007] 预焙阴极组件包括预焙碳(碳或石墨)阴极，其由铸铁或碳胶连接至一个或多个位于阴极底侧的槽中的钢集流条。集流条长于阴极并且突出穿过电解槽侧壁以用于连接至汇流条。阴极具有通常为5-10年的工作职责寿命，在该时段期间，碳会腐蚀，优先是在最低电阻和最高电流密度的电路径中。阴极块经历来自电解液的钠吸附、渗铝、以及因由于贯穿碳的不均匀温度轮廓造成的热应力而垂直上升，这些条件逐渐增大阴极组件的电阻。当电阻变得过高、或者所提取的铝包含太多铁(这指示溶解了集流条)时，从服务中移除电解槽以便更换新材料。 [0008] 将氧化铝还原成铝并将进入的氧化铝加热至还原温度所需的电能是通常在阳极汇流条至阴极汇流条连接之间所消耗的总电能的很小一部分。所消耗能量的平衡来自由于电解槽电路的各个组件及连接界面中的电阻所产生的热，该热被移除至环境中。影响界面处的电阻的因素包括邻接材料的电阻、界面的表面积和清洁度、以及邻接材料之间的接触压力。尽管阳极和阴极组件中所使用的铸铁连接是导电的，但它们仍展现出相当大的电阻，其产生对电解还原过程没有直接贡献的欧姆加热。高电阻至少部分地是由于铁在凝固期间所经历的收缩。该问题可因电极组件的各种材料在电解槽被加热至工作温度时的不同热膨胀而加剧。 [0009] 以往用于提高用于金属生产的电解法效率的努力要么专注于改善阳极和阴极中的电流分布，和/或减小电极组件的各个元件之间的电阻。例如，数项专利和已公布专利申请公开了具有延伸部以增大与阳极的表面接触面积的套环，从而改善电流分布并减小电阻。此类构造的示例在美国专利No.4,552,638、4,557,817和4,824,543中公开。其他人已尝试了通过向套环添加底切或横向延伸部来改变套环中的垂直电流分布(例如，US 4,621,674)。其他人已尝试了改变电极组件的碳电极与其他元件之间的接触压力，例如通过在阴极集流条槽中提供膨胀的石墨衬垫(例如，授予Hiltmann等人的US专利No.7,776,190)，或者提供锥形的、直的、或带螺纹的连接件，该连接件以低压配合与连接销中的应力消除槽进行组装，或者以松配合进行组装，该销仅随升高的温度而膨胀和收紧(例如，US专利No.3, 179,736、3,390,071、3,489,984和3,499,831)。其他人已使用替换材料和方法来在短柱与阳极之间提供分开的机械和导电连接(例如，国际公开No.WO 2009/099335)。 [0010] 虽有以往用于提高电解法效率的努力，但仍然存在对将帮助达成每千克所产生金属所消耗的能量的进一步减少、减少的碳排放和碳损耗、以及更长的电极寿命的阳极和阴极组件的需要。发明内容 [0011] 在一个实施例中，提供了一种在用于产生金属的电解槽中使用的电极组件，该电极组件包括：(a)具有第一表面和第二表面的导电碳电极块，其中当该电极组件在使用时，第一表面面向电解槽的内部；(b)具有第一端和第二端的导电金属构件，其中该金属构件的第一端以导电方式连接至碳电极块，并且该金属构件的第二端适配成用于以导电方式连接至汇流条；(c)至少部分地容纳在碳电极块中的固态导电金属插入件，其中该插入件从碳电极块的第二表面延伸进入该碳电极块；以及其中该金属插入件以过盈配合容纳在碳电极块中，以使得该插入件在碳电极块上施加横向力。 [0012] 根据一个方面，该电极是预焙碳阳极，其中该碳电极块的第一表面是其底表面，并且其中该导电金属构件包括垂直导体杆。该导电金属构件可进一步在其第一端包括垂直短柱，该碳电极块具有与底表面相对的顶表面、在顶表面中形成的凹口，其中该垂直短柱的一端容纳在该凹口中。该插入件在其中延伸的第二表面可包括该凹口的内表面，该内表面选自该凹口的底表面和侧表面。例如，该插入件可延伸进入该凹口的底表面并从其垂直向下延伸，和/或该插入件可延伸进入该凹口的侧表面并从其径向往外延伸，其中每个该插入件的可任选地从该凹口的底表面或侧表面突出的一部分可任选地包括扩大头部。该插入件可从第二表面向下且向外倾斜。多个插入件可设在该凹口的底表面和/或侧表面中，其中每个插入件至少部分地容纳在该碳电极块中。 [0013] 根据另一方面，该凹口可设有导电金属衬垫，通过该导电金属衬垫在该短柱与碳电极块之间形成导电连接，并且其中该插入件或该多个插入件与该凹口的导电金属衬垫直接导电地接触。该导电金属衬垫的至少一部分可包括铸造部分，该铸造部分是在该短柱与碳电极块之间就地形成的。例如，该导电金属衬垫的一部分可包括固态预制件，该固态预制件在金属衬垫的形成期间与该铸造部分组合，并且其中该插入件或该多个插入件在形成该铸造部分之前与该预制件直接导电地接触。该预制件可包括与该凹口的底表面接触的底板。 [0014] 根据又一方面，该电极组件可进一步在其第一端包括多个垂直短柱，这些短柱彼此间隔开，其中碳电极块在其顶表面中形成有多个凹口，每个垂直短柱的一端容纳在相应的一个凹口中；以及其中每个垂直短柱通过导电金属轭来固定至垂直导体杆。该电极组件可进一步包括多个导电旁路构件，其中每个导电旁路构件旁路掉该轭以及一个垂直短柱，其中每个旁路构件的第一端通过导电连接来连接至垂直导体杆，且第二端通过导电连接来连接至碳电极块。该碳电极块在其顶表面中设有多个插入件，并且其中每个旁路构件的第二端连接到至少一个插入件。每个旁路构件的第二端可通过至少一个插入件被固定至该电极的顶表面，并且其中每个旁路构件的第二端包括可伸展或柔性部分。 [0015] 根据又一方面，该碳电极块具有与底表面相对的顶表面，并且在其顶表面中设有多个插入件，其中该电极组件进一步包括领状连接件，该领状连接件具有侧壁以容纳导电金属构件的第一端并提供导电金属构件与碳电极块之间的导电连接，以及其中该领状连接件进一步包括至少一个附连部分，该附连部分连接至该侧壁并从其向外延伸，每个附连部分被连接到所述插入件中的至少一个插入件以提供该附连部分与该至少一个插入件之间的导电连接。该多个插入件可跨碳电极块的顶表面分布，其中(诸)附连部分被连接至每个插入件。该导电金属构件可进一步在其第一端包括垂直短柱，其中每个垂直短柱通过导电金属轭来固定至垂直导体杆；该电极组件进一步包括多个领状连接件，并且每个领状连接件的侧壁容纳一个垂直短柱的一端；以及每个附连部分通过该领状连接件导电地连接至所有垂直短柱。 [0016] 根据又一方面，碳电极块具有与底表面相对的顶表面，并且在其顶表面中设有多个插入件，其中该电极组件进一步包括轭组件，通过该轭组件在导电金属构件与碳电极块之间提供导电连接；其中该轭组件包括多个弯曲金属撑杆，每个弯曲金属撑杆具有上端和相对的下端，该上端通过导电连接被固定至导电金属构件的下端，该下端由至少一个插入件通过导电连接来固定至碳电极块。该撑杆的下端可偏离彼此并且偏离导电金属构件向外延伸，并且该轭组件可包括彼此相对地布置的一对撑杆。 [0017] 根据又一方面，该电极是预焙碳阴极，其中该碳电极块的第一表面是其顶表面，且该碳电极块具有与顶表面相对的底表面，并且其中该导电金属构件包括集流条，该集流条的一端容纳在底表面中的槽中，该集流条和底表面基本上平行。可在该槽中在集流条与碳电极块之间设有铸铁层。该插入件在其中延伸的第二表面可包括该槽的内表面，该槽的内表面选自该槽的顶表面和侧表面。该插入件可具有平坦头部，该头部容纳在铸铁层与碳电极块之间，并且导电金属内衬和/或导电金属垫圈可容纳在该插入件的平坦头部与碳电极块之间。 [0018] 根据又一方面，该集流条设有一个或多个集流条锚定件，每个锚定件具有附连至集流条的第一端和嵌入铸铁层中的第二端。例如，每个锚定件的第一端包括螺纹杆柄，该螺纹杆柄容纳在集流条的螺纹孔中。 [0019] 根据又一方面，该插入件容纳在其中的第二表面包括碳电极块的底表面，该集流条具有与碳电极块的底表面基本共面的平坦底表面。导电金属连接件可被附连至碳电极块的底表面和集流条的平坦底表面，以提供集流条与碳电极块之间的导电连接。该导电金属连接件可通过插入件被附连至碳电极块的顶表面，且与插入件导电地接触。该导电金属连接件是一层或多层平坦金属条带的形式。该条带可具有可伸展部分，以准许导电金属连接件响应于集流条与碳电极块沿集流条所定义的轴的不同热膨胀而变型。替换地，该导电金属连接件可包括柔性线缆连接件，其可设有凸耳端。 [0020] 根据又一方面，该电极组件可包括设在碳电极块的底表面中的多个插入件，其中每个插入件至少部分地容纳在碳电极块中，并且该电极组件可进一步包括多个导电金属连接件，每个导电金属连接件提供集流条与至少一个插入件之间的导电连接。插入件可沿碳电极块的长度间隔开，和/或插入件可有不同尺寸，以控制碳块的顶表面相对于集流条的外部的电阻。 [0021] 根据又一方面，插入件的厚度和孔的宽度的大小相对于彼此被设计成使得插入件与邻接碳电极块之间的界面接触压力至少为约1kPa。例如，界面接触压力可以小于约10MPa，和/或界面接触压力可在约1MPa到约10MPa之间。最大界面接触压力可小于使周围碳电极块破裂所需的破裂压力的约一半。 [0023] 根据又一方面，插入件容纳在碳电极块中预钻的或形成的孔中。 [0024] 根据又一方面，该电极是预焙的，并且插入件在预焙该电极之前或之后被插入碳电极块。 [0025] 根据又一方面，集流条由至少一个悬挂组件支撑在碳电极块的槽内，该悬挂组件包括可滑动地容纳在槽部中的舌部。该槽部可通过一个或多个导电金属插入件来固定至碳电极块，并且该舌部被固定至集流条。 [0026] 根据又一方面，提供了一种用于可移除地附连至用于产生金属的电解槽的钢槽壳的磁性安装散热片。该磁性安装散热片包括：(a)具有底表面和顶表面的底板，其中底表面适配成抵靠槽壳被容纳；(b)从底板的顶表面延伸出的一个或多个翼部；(c)一个或多个具有至少约为500摄氏度的居里温度点的磁体，该一个或多个磁体被固定至底板。 [0027] 根据又一方面，磁性安装散热片的磁体可包括稀土磁体和/或非铁磁体。例如，磁体可包括钐钴或铝镍钴(磁钢)合金磁体。 [0028] 根据又一方面，该磁性安装散热片可进一步包括附连至磁体的底表面、且坐落在磁体与槽壳之间的隔热件，其中该隔热件包括具有低导热性的非易燃材料薄层。 [0029] 根据又一方面，提供了一种用于可移除地附连至用于产生金属的电解槽的钢槽壳的磁性安装垫。该磁性安装垫包括：(a)一层或多层具有至少约为600摄氏度的熔点的柔性耐高温材料；以及(b)多个磁体，其附连至该材料以将垫保持至槽壳。 [0030] 根据又一方面，该磁性安装垫的磁体的居里温度点和保持力使得它们在与钢槽壳的难以接受的高温相对应的预定温度时失去足够的保持力。磁体可以由含铁合金、非铁合金、或稀土合金构成。 [0032] 为了使得所要求保护的主题内容更全面地被理解，将对附图作出参考，其中： [0033] 图1是贯穿现有技术电解槽的横截面； [0034] 图2和3是示出现有技术阳极组件的短柱在插入阳极块的短柱孔之前和之后的立体视图； [0035] 图4和5是示出图2和3的现有技术阳极中的套环的铸造的立体视图； [0036] 图5a是贯穿图5的现有技术阳极的短柱、套环和阳极块的放大的部分垂直横截面视图； [0037] 图6和7是示出设有导电旁路构件的图5的电极的立体视图； [0038] 图8是示出根据本文描述的实施例的用于容纳短柱的凹口的部分立体横截面视图； [0039] 图8a是图8中所示的短柱孔的壁中所嵌入的插入件的特写剖视图； [0040] 图9是示出根据本文描述的另一实施例的用于容纳短柱的凹口的部分立体横截面视图； [0041] 图9a示出根据本文描述的实施例的用于形成套环的预制件； [0042] 图10是示出具有套环锚定件的电极的剖面侧视图； [0043] 图11和12示出包括用于将短柱附连至阳极块的顶表面的组件的电极组件； [0044] 图13是具有如本文描述的低电阻轭组件的电极组件的立体视图； [0045] 图14a至14e是如本文描述的各种类型的导电插入件和连接的侧视图； [0046] 图15和16是示出现有技术阴极组件中的铸铁层的铸造的立体视图； [0047] 图17是示出阴极块的立体视图，其中由多个条带连接件来提供至集流条的连接； [0048] 图18是图17的阴极块的侧视图； [0049] 图19是示出一实施例的贯穿阴极块的部分横截面，其中由替换形式的条带连接件来提供至集流条的连接； [0050] 图20是部分地以横截面示出另一实施例的阴极块的部分立体视图，其中由替换形式的条带连接件来提供至集流条的连接； [0051] 图21是具有导电金属表面覆层的钢阴极集流条的立体视图； [0052] 图22是根据本文所公开的实施例的阴极组件的槽的部分视图； [0053] 图23是示出用于阴极槽的导电衬垫的一部分的立体视图； [0054] 图24是根据本文所公开的另一实施例的阴极组件的槽的部分视图； [0055] 图25至28是阴极组件的视图，示出了用于将集流条连接至阴极块的替换方法； [0056] 图29是根据本文所公开的另一实施例的贯穿阴极组件的部分横截面； [0057] 图30是图29的区域A的特写； [0058] 图31是示出根据本文所公开的另一实施例的阴极块的一端的立体视图； [0059] 图32是根据本文所公开的另一实施例的贯穿阴极组件的纵向横截面； [0060] 图33示出图32的阴极组件连同槽锚定件的可能位置； [0061] 图34是根据本文所公开的实施例的磁性安装散热片的分解图；以及[0062] 图35是根据本文所公开的实施例的磁性安装垫的分解图。 具体实施方式[0063] 现在将参照用于通过电解还原氧化铝进行铝合成的霍尔-埃鲁特法来描述某些实施例。然而将领会，本文描述的实施例可被修改以在也可使用连接到碳阳极或阴极的金属电极的其他用于产生金属或化学物的电解还原或电蚀法中使用，包括但不限于锂、钠和镁的电解还原。 [0064] 尽管预焙阳极技术已随时间推移发展到了具有较大或更多短柱的较大阳极，并且发展到了具有较高施加安培数的较大电解槽，但本文所公开的主题内容可应用于所有形式和配置的预焙碳阳极和预焙碳阴极。此外，本文针对套环锚定件或预制件所公开的主题内容可在烘焙阳极之前或之后应用，阳极的碳材料在烘焙之前在本文中被称为“未烧结”。 [0065] 图1是示出用于铝生产的电解槽10的元件的剖视图。电解槽10包括多个相对的电极组件，包括多个阳极组件12(图1中示出其中两个)和多个阴极组件14(图1中示出其中一个)。 [0066] 每个电极组件12、14包括具有第一表面和第二表面的导电碳电极块，其中在使用时，第一表面面向电解槽10的内部16。就这点而言，每个阳极组件12包括碳阳极电极块18(本文也称为“阳极块18”)，且每个阴极组件包括碳阴极电极块20(本文也称为“阴极块20”)，它们在以下更详细地进行描述。每个阳极块18的第一表面是下表面22，而每个阴极块 20的第一表面是上表面30。如图1中所示，表面22、30面向彼此且面向电解槽10的内部16。 [0067] 电解槽10的内部16包含熔融电解液26(其包含溶解的氧化铝)和覆在阴极块20的顶表面30上的导电铝的熔融金属垫28。随着氧化铝被还原为铝，其沉至熔融垫28中并且变成电路的一部分。从悬挂料斗32向电解液26添加氧化铝，同时通过间歇虹吸至移动坩埚(未示出)来从金属垫28提取熔融铝。电解槽10的内部16由侧壁耐火材料34和底部耐火材料36包封。电解槽10还包括金属外壳11(本文称为“槽壳”)，其包封耐火材料34、36。 [0068] 每个电极组件12、14还包括具有第一端和第二端的导电金属构件，其中该金属构件的第一端以导电方式连接至碳电极块18或20，并且该金属构件的第二端适配成用于以导电方式连接至汇流条。 [0069] 就这点而言，每个阳极组件12的导电金属构件37包括通常由铝或铜制成的垂直导体杆38，导体杆38的第一(下)端40连接至阳极块18的顶表面42，且其第二(上)端44连接至阳极汇流条46，例如通过夹住或类似方式将领会，导电金属构件37承载从阳极汇流条46至阳极块18的电流，并且还将阳极块18悬挂在电解液26中。 [0070] 每个阳极组件12的导电金属构件37还在其第一端40包括一个或多个垂直短柱48。在图1中所示的电解槽中，阳极组件12各自具有两个短柱48，它们沿阳极块18的顶表面42彼此间隔开。然而，将领会，阳极组件可包括单个短柱48、或两个以上的短柱48。短柱48通常由钢构成且通常具有圆柱形，但短柱48可具有其他横截面形状，诸如正方形或矩形。 [0071] 每个阳极组件12的导电金属构件37还包括导电金属轭50，短柱48通过该导电金属轭50连接至垂直导体杆38的下端40。轭50包括水平构件，诸如厚导电钢板或其他导电金属板。替换地，轭50可与短柱48整体地形成。 [0072] 每个阴极组件14的导电金属构件包括集流条52。集流条52的一段位于槽10内且连接至阴极块20。集流条52的一端或两端位于槽10外部且连接至位于槽10外部的阴极汇流条24。因此，如图1中所示，集流条52延伸穿过槽10一侧或两侧的侧壁耐火材料34。阴极块20具有与顶表面30相对的底表面54。集流条52可拆分成两片(未示出)并在阴极块20中间分开，每一片使得集流条52的一端和一部分连接至阴极块20，以及使得相对端穿透电解槽10的侧壁耐火材料34并连接至位于槽10外部的阴极汇流条24。 [0073] 如图15和16中的分解视图中最清楚地示出的，阴极块20的底表面54具有在底表面54上开口的狭长槽56，其中容纳集流条52的末端。图15和16中所示的槽56沿其长度具有恒定的形状和横截面面积。然而，在其他实施例中，槽56可中断或者沿其长度其横截面面积可以变化。 [0074] 阴极块20和集流条52可由设在槽56的内表面与集流条52之间的铸铁或碳胶层57来连接。在所示实施例中，铸铁或碳胶层57设在集流条52的被容纳在槽56内的顶表面55和两个侧表面59上，而底表面没有层57。在另一实施例中，铸铁或碳胶层57也可设在集流条52的底表面53上，从而跨集流条52的底表面53接合层57的两侧。 [0075] 在操作期间，阴极块20经受来自电解液26的钠吸附、来自金属垫28的渗铝、以及由于贯穿碳的不均匀温度轮廓造成的在顶表面30与底表面54之间的热应力，这些状况逐渐使阴极块20向上弯曲，这增大了阴极组件14的电阻。当电阻变得过高、或者阴极块20腐蚀到允许铝与集流条52接触的程度时，从服务中移除电解槽10以便更换新材料。 [0076] 图2到5示出了常规阳极组件12，其具有大致矩形的阳极块18、矩形横截面的垂直导体杆38以及与一对垂直短柱48整体形成的水平轭50，轭50通过焊接、铜焊、或类似方式并且通常在双金属过渡接头51的任一侧上导电地连接至导体杆38的下端。在阳极组件12被夹住且悬挂在汇流条46上之后，阳极块18的顶表面42被由冰晶电解液和粉状氧化铝的组合构成的层(称为“电解液覆盖层”25，图1)覆盖，以防止空气与阳极块18的顶表面42接触并隔离阳极12以免过度热损失。 [0077] 图2和3示出了垂直短柱48的下端插入阳极块18的顶表面42中形成的凹口58中，凹口58在本文中有时被称为“短柱孔”。如图8、8a和9的放大视图中最佳地可见的，凹口58具有大致圆柱形的形状以匹配短柱48的形状，每个凹口58的内表面包括平坦、水平、圆形的底表面60以及大致圆柱形的侧表面62，侧表面62可呈锥形以在其底部具有比其顶部小的直径。侧表面62可设有螺旋沟66，如授予Bonfils等人的上述美国专利No.3,398,081中所公开的。 [0078] 短柱48和凹口58具有的直径使得能在每个短柱48的垂直侧表面与每个凹口58的圆柱形侧表面62之间提供环形空隙。图4和5示出了在短柱48与凹口58的内表面之间的间隙中形成导电金属衬垫64(本文中也称为“套环”)，以提供每个短柱48与阳极块18之间的导电连接。金属衬垫64是至少部分地现浇的，即，其中短柱48被容纳在凹口58中，且短柱的底部接触或紧邻底表面60，其中熔融金属27(诸如铸铁)被灌注到短柱48与凹口58的内表面之间的环形凹口中。金属衬垫64通常是由铸铁形成的，其易碎本质使得其在阳极12再循环过程中能容易地从钢短柱48移除。 [0079] 在就地从熔融铁快速冷凝套环64之际，铁经历凝固收缩。如图5a中所示，铁以主要平行于短柱48(其充当热沉)的垂直表面的冷凝等温线29凝固，且进一步在将套环64从其冷凝温度往下向其较低工作温度进行冷却之际经历固态铁的三维热收缩。铁的收缩导致垂直间隙31以及在套环64的外表面与凹口58的内表面之间的松配合。 [0080] 类似地，参照图15和16，阴极集流条52被容纳在阴极块20的槽56中，其中在集流条52与槽56的壁之间提供了间隔。此间隔由通过将熔融金属27灌注到集流条52与槽壁之间的间隔中来抵靠集流条52就地形成的铸铁层57填充。出于以上参照阳极12所描述的相同原因，由于金属层57的收缩，可能在槽56的表面与铸铁层57的外表面之间形成间隙。在电解槽 10的初始加热期间，钢短柱48、集流条52、铸铁连接57、64以及碳电极块18、20以不同速率膨胀，并且高碳铸铁可由于经历相变而略微膨胀，所有这些提供了比在较冷时更紧的组件配合，但在电极组件12和14中的每一者中仍存在相当大的电阻。 [0081] 阳极和阴极中的电流分布遵循最小电阻路径，从阳极汇流条46处的功率连接点传到集流条52的外端。该电流行为导致跨分别至条38和52的第一块表面22、30的不均匀电阻和电流密度，这进而可能导致不均匀的阳极消耗和不均匀的阴极磨损和腐蚀。跨阴极块20的顶表面30的不均匀电阻还可能造成水平电流由于铝非常低的电阻而流过铝金属垫28，该水平电流在金属垫28中产生电磁流动电流和湍流(波)。该湍流可迫使维持大于正常的阳极至阴极距离(ACD)以避免阳极块18的底表面与阴极块20的顶表面30之间的短路，其中附加ACD引发路径26中的额外电阻，从而消耗比该还原法原本所需的电能更多的电能。 [0082] 本主题内容通过提供以过盈配合容纳在电极组件12、14的碳电极块18和/或20中的固态导电金属插入件76、且在碳电极块18和/或20中具有或不具有伴随孔68(本文中也称为“钻孔”)来解决以上问题。每个插入件76的一端被嵌入电极块18或20的碳中，其中在插入件76与碳之间具有可控横向界面接触压力，该压力提供了进入碳中的低阻电路径，由此降低了功耗。过盈配合插入件76的应用在阳极12与阴极14之间有所不同，但遵循相同的一般性原理。 [0083] 如本文所定义的，过盈配合是在插入件76与电极块18或20的碳材料之间产生高‘横向’界面压力(即，该压力径向往外指向碳材料)的配合。高横向界面压力减小了跨插入件76与碳材料之间的‘横向’界面的电阻。作为高横向界面压力的替换或附加，过盈配合可通过插入件76的外表面与碳材料之间的高接触压力来提供轴向(即，沿由插入件76定义的轴)压缩或过盈配合。为了产生过盈配合，插入件76必须被插入固态碳材料中(而不是通过凝固被灌注或注入凹口或腔中的熔融金属来形成，这将在凝固之际经受收缩且在任何情况下将不会达成用于提供过盈配合的显著界面压力)。 [0084] 插入件76与碳电极块18或20之间的受控高接触压力可导致界面局部的微小碳材料破坏(通过压碎或剥落)，这种有限的碳破坏是可接受的，只要此类碳破坏不延伸成碳电极块18或20中的裂缝(这种裂缝会引入跨裂缝的高电阻区域，或者这种裂缝可能在操作期间传播，导致阳极或阴极电极块18或20在物理上裂开)。使用插入件76来提供过盈配合因此要求考虑在投入操作时由碳阳极或阴极电极块18或20内的插入件的热膨胀所引发的机械应力、以及阳极或阴极电极块18或20相对于插入件76位置的由围绕插入件76的碳的横向厚度决定的强度。界面压力可在阳极12或阴极14的工作寿命期间由于材料蠕变而改变，这取决于邻接材料的温度和热行为。阳极12或阴极14的破裂强度也可随着其工作寿命由于其温度和状况而改变。界面压力以及结果所得的连接电阻可通过调节插入件76的外部尺寸和/或碳材料中的孔68(例如，钻导孔等)的尺寸从而控制过盈配合量、接触面积和结果所得的接触压力来控制。 [0085] 插入件76与电极块18或20的碳材料之间的过盈配合使得插入件76与邻接电极块18或20的碳材料之间的界面接触压力至少约为0.1kPa。例如，界面接触压力通常高达约 10MPa，和/或在约1MPa到约10MPa之间。超过10MPa的界面接触压力尽管是可能的但并不会显著地进一步减小跨界面的电阻，并且不会显著地增大使碳基板裂缝的风险。 [0086] 为了避免使碳电极块18或20裂缝，由过盈配合所施加的压力可小于使碳电极块18或20破裂所需的应力的约一半。破裂压力取决于碳电极块18或20的碳材料的强度以及围绕插入件76的碳材料的最小宽度和厚度。将领会，破裂压力可在电极块18或20的不同区域中有所不同，在块中部比其边缘附近更高。 [0087] 在插入件与电极块18或20的周围碳材料之间引起的总施加压力取决于它们之间的接触面积。在有或无孔68的情况下限制插入件76在碳材料内的表面积可通过有限的总施加压力来实现高界面压力。选择小于周围碳的最小屈服强度的约一半的最大施加压力应当提供足够的误差余量，以使得阳极或阴极电极块18或20不会因在阳极和阴极操作期间可能产生的额外压力而破裂，该额外压力可能是由于插入件76相对于碳电极块18或20的碳的较大热膨胀、以及碳电极块18或20在其操作循环期间因电解液吸附和烧焦的潜在弱化而引起的。在替换方案中，在有或无孔68的情况下，每个插入件76的界面压力在理论上可使用针对过盈配合的Lames方程来确定。对插入件76的尺寸、位置和数量的选择将考虑插入件76中的可接受电流密度以及阳极或阴极电极块18或20中的期望电流分布。在电解槽10中实现之前，还可在实验上针对每个插入件76位置测量最大界面压力。 [0088] 插入件76将通常在电极块18或20已被形成并烘焙至硬化状态之后插入电极块18或20，从而产生如上所述的过盈配合。然而将领会，插入件76可在电极块18或20已被形成之后且处于未烧结状态时(即，在烘焙之前)插入电极块18或20。在插入件76在烘焙之前被安装到电极块18或20的碳中的情况下，碳是相对较软的且插入件76与周围碳之间的界面接触压力初始将较低。电极块18或20随后将在其中安装了插入件76的情况下通过烘焙来硬化，并且将导致插入件76与电极块18或20的周围碳之间的良好电接合。 [0089] 插入件76中以及插入件76与电极块18或20的周围碳材料之间的电流密度和电阻将产生会加热插入件76的欧姆加热，其温度应当维持在低于使经加热插入件76的屈服强度降至插入件76与周围碳材料之间的期望界面接触压力两倍以下的点，其中考虑了任何插入件76可承载的任何附加负载，例如在阳极12的情形中由于悬挂碳块18的质量所引起的负载。 [0090] 当插入件76被用在阳极组件12内(具体地，在阳极块18与铸铁套环64之间)时，插入件76在本文中有时被称为‘套环锚定件’。套环锚定件76增强了套环64与阳极块18之间的机械和电连接。套环锚定件76的一部分以如上定义的过盈配合嵌入在阳极块18中，位于套环锚定件76与阳极块18的周围碳材料之间。插入件与阳极块18之间的总界面接触面积取决于所使用的插入件76的直径、嵌入长度和数量。当使用大直径插入件76时，则可提供预钻的钻孔68供插入件76嵌入，以便限制最大横向界面接触压力，从而避免阳极块18的碳断裂。插入件76若是钉子样式的则可以是撞击驱动的，或者若是螺杆或螺栓样式的则可以被拧入碳中(无论有无钻孔68)，以提供期望的界面接触压力。插入件76也可以是膨胀锚定件的形式，其被松配合地插入预钻的钻孔68中并随后收紧以在插入件76与钻孔68的内表面74之间施加期望的横向界面接触压力。 [0091] 当用作套环锚定件时，插入件76执行两种功能，第一是提供铸铁套环64(其是在套环锚定件76的非嵌入端周围从熔融铁现浇的)与阳极块18之间的电导体的功能。第二，由于套环锚定件76的一端从阳极块18的表面突出到短柱孔58中，因此套环锚定件76通过在短柱孔58的内壁上设置热沉来改变了铸铁套环64的冷凝轮廓，这促进了跨短柱48外表面与短柱孔58内壁之间的间隔的整个宽度使铁在插入件76位置处凝固或冷凝，同时在插入件76上方有熔融金属针对凝固收缩进行填补。这种改变后的冷凝轮廓将减小或消除套环64与短柱孔58内壁之间在那些位置处的通常收缩间隙，由此当组件12在电解槽10中加热时实现了短柱 48、套环64以及短柱孔58壁之间的更紧接触和更低电阻。 [0092] 在图8、8a、9和10中所示的实施例中，插入件76在外观上类似于钉子，具有尖端、平滑杆柄和单个扩大头部。将领会，插入件76不一定具有这种配置，并且头部和尖端不一定是必需的。然而，为了增强套环锚定件76的突出部分作为热沉的功能，提供具有扩大头部的套环锚定件76是有益的，如以下进一步讨论的。套环锚定件76可例如具有单个头部或双重头部。 [0093] 图8是贯穿阳极块18一部分的剖视图，示出了短柱孔58之一的内部，且短柱48的下端被示为在块18上方。如图所示，阳极电极块18设有多个撞击驱动型、钉子样式的套环锚定件76，其在该实施例中是圆柱形的，并且从阳极块18的第二表面部分地延伸进阳极块18。在该实施例中，该第二表面是短柱孔58的内表面，包括平坦的底表面60、侧表面62、和/或在螺旋沟66中。尽管可能仅需要单个套环锚定件76，但通过提供多个套环锚定件76可获得改善的结果。如图8a中所示，每个套环锚定件76的第一端78从短柱孔58的内表面突出，并且每个套环锚定件76的第二端80以过盈配合嵌入短柱孔58的内表面。套环锚定件76的突出的第一端78可具有扩大头部，以增强当在短柱孔58与短柱48之间的间隙中灌注和凝固熔融金属以形成套环64期间其作为热沉的功能。将领会，由套环锚定件76的第一端78的扩大头部所提供的附加表面区域将提供与套环64的增强型机械接合、以及与套环64的增强型电连接。由此，通过提供如本文所公开的套环锚定件76，在短柱48、套环64及短柱孔58的内表面之间形成了更好的机械和电连接。 [0094] 取决于套环锚定件76的直径和类型，可能需要向图8的短柱孔58的内表面提供在数目上与套环锚定件76相对应的钻孔68，从而以如上所讨论的期望量的横向界面接触压力来达成过盈配合。这种可能性也在图8a的特写中图解，该特写示出了图8的一个撞击驱动的、钉子样式的套环锚定件76部分地嵌入在短柱孔58的侧表面62中预先形成的钻孔68中。钻孔68是在基板中预先钻出的并且在阳极块18的第二表面(即，内表面)具有第一开口端 70、以及在阳极块18内的第二封闭端72。钻孔68还具有内壁74、宽度(在圆柱形孔68的情形中与直径相同)、以及从孔68的第一端70延伸至第二端72的长度。除了套环锚定件76是膨胀型锚定件的场合，钻孔68的直径大小被设计成小于套环锚定件76的直径，以在套环锚定件 76与钻孔68的内壁74之间提供期望的横向界面接触压力。如图8a中所示，套环锚定件76的第一端78接近钻孔68的第一端70并与之间隔开，而套环锚定件76的容纳在钻孔68内的第二端80接近其第二端72。从图8a可以看出，钻孔68的初始直径(如钻孔68的第二端72处所示)小于套环锚定件76的直径，钻孔68和套环锚定件76的相对直径被选择成提供具有期望量的横向界面接触压力的过盈配合。 [0095] 如图所示，部分地嵌入在短柱孔58的底表面60中的套环锚定件76可从底表面60垂直向下延伸，但底表面60中的套环锚定件76可改为相对于垂直倾斜。侧表面62中部分嵌入的套环锚定件76可从侧表面62水平且径向往外地延伸。替换地，侧表面62中的套环锚定件76可相对于水平倾斜，从侧表面62向下且往外延伸，且一个此种倾斜锚定件76在图10中示出。 [0097] 套环锚定件76提供了套环64与阳极块18之间的电连接，同时铸铁套环64将阳极块18接合至短柱48。套环锚定件76和短柱48一起创建了穿过电极组件12的那些组件的良好电连接，即使在电极组件12较冷时亦然。此外，在短柱孔58的底表面60中用铸铁接合来提供至少一个套环锚定件76将通过短柱48实现短柱孔58的底表面60中的电流分布。这在短柱48在铁灌注期间直接坐落在短柱孔58的底表面60上时通常将不会发生，铁灌注妨碍了在短柱48的底部与短柱孔58的底表面60之间形成铸铁连接。 [0098] 必需注意短柱48底下的铸铁厚度是否太大，由此防止套环剥离压机打破套环64并将套环64从短柱48剥离。为了防止发生这种情况，可向套环64的底表面提供较弱的破裂区。例如，如图9中所示，可向短柱孔58的底表面60提供一个或多个碳凸脊86，其跨底表面60的直径完全或部分地延伸。脊86的高度低于设在底表面60中的插入件76的顶部，以使得脊86将允许铸铁27在铸造期间在这些脊上方流动以填充底表面60与短柱48的底部之间的间隔，同时在该层中创建必需的弱化以使得套环剥离压机能打破铸铁金属衬垫64并将铸铁金属衬垫64从短柱48剥离。脊86可通过改变阳极形成压模的形状通过以适合套环剥离压机需要的形状和取向从短柱孔形状的底部移除材料来形成。 [0099] 在另一方面，也在图9a中示出，套环64的仅一部分包括铸造结构，而其余部分包括预制件82。预制件82是圆盘形式，与套环64的材料相同，其大小设计成适合安装在短柱孔58的底部内抵靠其底表面60。当熔融铁被铸造时，预制件82变为被纳入套环64的结构中，并且帮助维持短柱48的底部与短柱孔58的底表面60之间的期望间隔。如图9a中所示，预制件82可具有孔径，插入件76可穿过这些孔径被驱入或旋入短柱孔58的底表面60。预制件82可在其下表面或上表面上形成有沟84，以在阳极再循环期间期望从短柱孔58移除短柱48和套环64时允许该预制件容易断裂。 [0100] 以上描述的预制件82将通常在烘焙阳极块18之后被紧固至短柱孔58的底表面60。然而，根据替换实施例，预制件82可在阳极块18处于相对较软的未烧结状态时被插入短柱孔58，在这种情形中预制件82可部分地嵌入短柱孔58的底表面60中。在此类实施例中，预制件82可在阳极形成过程期间(即，在形成短柱孔58时)被形成到阳极块18中。替换地，预制件 82可在形成短柱孔58之后被插入短柱孔58中。在预制件82被插入未烧结的阳极块18中的情况下，插入件76可任选地与预制件82整体地形成。 [0101] 尽管图8到10解说了使用撞击驱动型、钉子样式的套环锚定件76，但在该实施例中或在本文描述的其他实施例中也可以使用其他类型的插入件76。例如，插入件在外观和/或功能上可以类似于常规紧固件，诸如摩擦配合或挤压配合钉子、杆或长钉、螺杆或方头螺栓、膨胀锚定件(包括但不限于滞后护罩、套管或楔块类型膨胀锚定件等)、或产生受控的横向和/或轴向压力的机械安装式紧固件。例如，图14a至14c示出了三种形式的插入件，标记为76a、76b和76c。插入件76a是具有尖端、平滑杆柄和圆形扩大头部的钉子形式，类似于图8至10所示的钉子。插入件76b是方头螺杆或方头螺栓的形式，其具有六边形头部、尖端以及螺纹杆柄。图14a和14b各自示出了插入件76a或76b可任选地被插入预钻的孔68内，孔68的直径小于插入件76a或76b的杆柄，孔68因插入件76a或76b的插入而径向朝外变形。然而将理解，孔68并非总是必需的，这至少部分地取决于插入件76a或76b的直径。 [0102] 图14c中所示的插入件76c是膨胀锚定件的形式，其具有内螺纹杆部分和外纵剖套管部分。插入件76c初始以相对松配合被插入预钻孔68内，当螺杆部分旋入套管部分并收紧时，套管部分作为插入件76c被抵靠孔68的内壁74向外施力，从而导致孔68的径向朝外变形。 [0103] 尽管本文描述和示出的插入件76一般具有圆柱形杆柄，但是将领会，这不是必需的。确切而言，插入件可以有任何方便的横截面，包括正方形的、矩形的、星形的、槽形的、等等。 [0104] 在现在将参照图6和7描述的另一实施例中，导电金属插入件76被用于通过使用一个或多个导电旁路构件在垂直导体杆38与阳极块18之间添加一条或多条附加电路径来扩充现有的铸铁连接式组件，从而导致阳极组件12的较低总电阻。 [0105] 图6和7中所示的实施例包括多个“外部”导电旁路构件88，意味着它们形成从垂直导体杆38至阳极块18的碳材料的导电连接，而无需通过凹口58的金属衬垫64来形成连接。每个旁路构件88具有通过导电连接来连接至垂直导体杆38的第一端90、以及通过导电连接来连接至阳极块18的第二端92。 [0106] 阳极块18在其顶表面42中设有多个导电金属插入件76，从而与阳极块18的碳材料形成如上所定义的过盈配合。如以上所讨论的，取决于插入件76的直径和基板材料的强度，在有或无孔68的情况下提供插入件76。 [0107] 插入件76至少部分地容纳在顶表面42中。从附图可以看出，插入件76位于顶表面42中，以使得旁路构件88的第二端92通过至少一个插入件76连接至阳极块18。在所解说的实施例中，每个第二端通过两个插入件76连接至阳极块18。通过使用设有压缩垫圈77以维持界面压力的插入件76、或者使用其他导电连接(包括但不限于铜焊、焊接或使用焊接至第二端92的螺母79、或第二端92中的锁定螺纹81)，可以提供第二端92与插入件76之间的高压力接触，从而确保与插入件76的电连接。后两种选项分别在图14d和14e中解说。 [0108] 将领会，将旁路构件88附连至插入件76还导致旁路构件88的第二端92通过导电连接被固定至阳极块18的顶表面42。旁路构件88的第一端90借助于熔焊、钎焊、铜焊、过盈配合紧固件、螺杆、螺栓、铆钉、夹具或其他机械或熔合连接被紧固至垂直导体杆38，这形成了从垂直导体杆元件38至旁路构件88的导电路经。在图6和7的实施例中，旁路构件88的第一端90通过机械紧固装置83a和83b(包括螺母和螺栓，其各自穿过或毗邻导体杆38)连接至导体杆38。 [0109] 尽管图6和7示出了具有特定配置的旁路构件，但是将领会，旁路构件可取而代之包括柔性导体，诸如具有用于附连插入件76的凸耳端的线缆。 [0110] 根据另一实施例，插入件76与类似于上述旁路构件88的导电连接件组合使用以取代和消除常规铁连接，然而却无需改变电极形状的主要部分，从而允许用户从传统组件转换成本文所公开的低电阻组件。该实施例中可包括对碳电极块18、20的形状的细小改变以使得能使用插入件76，无论有或无孔68。 [0111] 图11和12解说了根据该实施例的阳极组件12，包括与以上描述的实施例中所解说的那些类似的垂直导体杆38、轭50和短柱48。然而，在本实施例中，每个短柱48的下端通过领状连接件94以导电方式固定至阳极块18的顶表面42。每个连接件94具有容纳短柱48的下端的垂直侧壁96。由于短柱48是圆柱形的，因此连接件94的所解说实施例中的侧壁96也是圆柱形的，并且其内径略大于短柱48的外径，从而紧密地将短柱48的下端容纳在其中空内部中。侧壁96通过焊接、铜焊、或导电机械紧固件来电连接至短柱48。将领会，侧壁96可具有任何期望形状，其提供与短柱48末端的导电连接尽管侧壁96被示为连续的，但未必是这种情况。将领会，侧壁96可取而代之是不连续的，或者包括多个分开的片，每一片机械且电学地附连至短柱48。 [0112] 连接件94还具有至少一个附连部分98，其以导电方式连接至侧壁96并且可与之整体地形成。每个附连部分98从连接件94的侧壁96往外延伸并且在有或无孔68的情况下通过一个或多个导电插入件76固定且导电地连接至阳极块18的顶表面42。通过以上参照图6和7以及图14a至14e描述的相同手段，例如通过使用设有压缩垫圈77以维持界面压力的插入件76、或者使用其他导电连接(包括但不限于铜焊、焊接或使用背衬板)，可以提供连接件98与插入件76之间的高压力接触，从而确保电连接。 [0113] 在图11和12的实施例中，领状连接件94包括径向突出凸片形式的多个附连部分98，其中每个附连部分98通过至少一个插入件76固定至顶表面42。附连部分98中的每一个附连部分98包括用于准许其相对于阳极块18不同的热膨胀的装置。在所解说的实施例中，用于准许膨胀的装置包括附连部分98中的折叠或弯曲100，从而准许附连部分98在支撑阳极负载时响应于不同热膨胀或收缩而膨胀、收缩或挠曲。尽管弯曲100被示为用于准许热膨胀的装置，但是可取而代之使用其他装置。例如，附连部分98可具有在附连部分98中切割或形成的膨胀狭缝，从而提供蜿蜒电路经，其使得能相对于阳极块18的顶表面42在诸插入件 76之间的热膨胀实现附连部分98在诸插入件76之间的不同热膨胀。 [0114] 如以上所讨论的，插入件76被用于将诸元件(诸如领状连接件94)连接至阳极块18的顶表面42，并且还通过插入件76本身将电传导至块18中。使用插入件76允许通过调整插入件76的材料及长度、直径、接触表面积、数量、位置以及插入件76与阳极块18之间的过盈配合或接触压力来改变阳极组件12中的电阻和电流分布。这些调整可实现从垂直导体杆38至块18的底表面22上任一点的更一致电阻，这促进了一致的电流密度、较低的总电阻、更一致的阳极消耗，从而在块18的工作寿命期间导致块18的更平坦底表面22。更平坦的阳极底表面22可使得在必须从操作中移除阳极12之前消耗掉块18的更多部分，由此减少再循环量并降低阳极更换的在进行中更换的成本。 [0115] 插入件76(有或无孔68)的使用也可在阴极组件14中应用在阴极块20与集流条52之间。集流条52通常通过集流条52与碳阴极收集块20底表面54中的相应凹口56(在该实施例中也称为“槽56”)之间的铸铁层57来接合至阴极块20。在组装至电解槽10中之前，集流条52在碳阴极收集块20处于颠倒时(参见图15)用熔融铸铁27接合至碳阴极收集块20。接合可取而代之使用碳粘合胶来进行。以下实施例适用于铸铁和碳粘合剂集流条连接两者。 [0116] 如将领会的，可存在连接至每个阴极块20的多个集流条52。每个块20跨电解槽10的宽度安装，并且多个块20并排安装以界定电解槽10的底板。如图15和16中所示，集流条52具有平坦底表面53(其与阴极块20的底表面54基本共面)、与底表面53相对的顶表面55、在顶表面55与底表面53之间延伸的一对侧表面59、以及一对端表面61。 [0117] 根据图17至19中所示的实施例，可提供一个或多个平坦、狭长条带形式的导电金属连接件112，该条带在有或无孔68的情况下通过插入件76附连至碳阴极收集块20的底表面54。插入件76毗邻槽56地容纳在底表面54中。每个条带连接件112跨底表面54基本横向地延伸，从而跨槽56延伸且其每一端通过至少一个插入件76固定至底表面54。每个条带连接件112的中部借助于熔焊、钎焊、铜焊、摩擦配合销、螺杆、螺栓或其他机械或熔合连接被电连接至集流条52，这形成了从集流条52至条带连接件112的导电路经。图17的条带连接件112通过熔合连接被连接至每个集流条52的底表面53，而图19示出了变型，其中在条带连接件与集流条52之间形成机械连接。如果条带连接件112突出至底表面54的平面下方是不期望的，则有可能在阴极块20的底表面54中机械加工出沟114(图19)或间隙腔以提供必需的间隙。 [0118] 尽管条带连接件112在图17中被示为跨槽58的两侧延伸，但未必是这种情况。确切而言，如图19中所示，条带连接件112可以是较短片，其一端通过插入件76电连接至阴极块20的底表面且另一端电连接至集流条52。例如，图19示出了螺栓形式的插入件76，其中锁定垫圈77被压缩在螺栓头部与条带连接件112的一端之间。条带连接件112的另一端通过螺栓和垫圈(它们类似地标记为76和77，但不一定与插入件76和锁定垫圈77相同)固定至集流条 52的底表面53。 [0119] 替换地，如图20中所示，连接件112可由柔性电导体(诸如线缆113)构成，其一端或两端具有凸耳115以附连至插入件76。可提供少量额外线缆113以允许集流条52与阴极块20之间的不同膨胀。 [0120] 将领会，使用条带连接件112允许铸铁或碳胶层57被旁路或消除，因为条带连接件提供集流条52与阴极块20的底表面54之间的直接导电连接。如图17中所示，可沿块20的长度提供多个间隔开的条带连接件112，每个条带连接件112由插入件76固定，从而提供块20与集流条52之间的多个电连接。这提供了跨块20的长度和宽度的改进电流分布。 [0121] 如同以上讨论的阳极组件，使用插入件76允许通过调整插入件材料、长度、直径、数量、位置以及相对于阴极块20的碳材料的过盈配合或接触压力来改变阴极组件14中从集流条52末端(其在这里离开电解槽10)至阴极块20的顶表面30的电阻和电流分布。例如，可通过相对于块20的末端朝向块20中心使用更长或更多的插入件76来使得阴极组件14的电流分布和电阻轮廓跨顶表面30更为均匀，如图18中所解说的。插入件76的实际长度和位置可在电解槽10外的阴极组装期间使用合适的欧姆计测量从顶表面30至集流条52末端的电阻来确定。这些改变促进了一致的电流密度、较低的总电阻、更均匀的阴极磨损、更长的阴极寿命、以及在其工作寿命期间更平坦的阴极顶表面30。 [0122] 由于集流条52的不同热膨胀，还期望向条带连接件112提供用于准许不同热膨胀的装置。如图18和19中所示，用于准许膨胀的装置包括连接件112中的折叠或折皱100，从而提供类风箱装置，其可响应于不同热膨胀或收缩而膨胀或收缩。 [0123] 将领会，条带连接件112可不限于单片导体，而是可包括多层薄条带，其比实心片更容易挠曲，同时提供类似的电阻。例如，图19中的条带连接件112被示为包括两层117。 [0124] 根据图13中解说的另一实施例，提供了低电阻轭组件126以用于形成垂直导体杆38的下端与阳极块18的顶表面42之间的连接。 [0125] 轭组件126包括一对弯曲金属撑杆128，它们可彼此相同。每个撑杆具有上端130和相对的下端132。每个撑杆128的上端130通过机械和导电附连来接合至垂直导体杆38下端的相对侧表面，垂直导体杆38被示为具有矩形横截面及4个垂直侧表面。撑杆128与杆38的匹配表面可被电镀，或用合适的表面材料来接合，以使得后续能通过焊接、铜焊或其他电连接将撑杆128接合至杆38。在将撑杆128附连至杆38之后，一个或多个机械贯穿紧固件136(诸如但不限于螺栓连同垫圈和螺母)被插入撑杆128和杆38，并被充分收紧以移除由于从杆38加载和卸载悬挂阳极块18的重量而导致的在电接合点上的周期性物理应力。 [0126] 两个撑杆128以彼此相对、面朝面的关系来安排。在该实施例中，它们由一个弯曲连接件或支柱134接合在一起，该弯曲连接件或支柱134有助于撑杆128的机械强度，同时在热膨胀应力下允许撑杆128有一定程度的挠曲。撑杆128可由单种金属合金制成，或者被不同导电金属覆盖或包裹。 [0127] 撑杆128的下端132偏离垂直导体杆38地往外弯曲，并且可形成有由狭缝138分隔开的多段。下端132与阳极块18的顶表面42匹配，并且为了达成此目的，下端132设有一个或多个孔以使得一个或多个插入件76能在有或无孔68的情况下贯穿下端132安装至阳极块18的顶表面42中。插入件76因此从撑杆128承载阳极块18的重量并提供从垂直导体杆38至阳极块18的电连接。为了提供增加的对插入件76回退的抵抗力，至少一些孔68可与垂直成角度、朝向垂直导体杆38，从而容纳在这些孔68中的插入件76将朝彼此成“内八字”。其他插入件76可在其他方向上与垂直成角度，以提供阳极块18内改善的电流分布。如图13中所示，如果在撑杆128的同一段内提供多个孔，以使得一段由两个或更多个插入件76来固定，则在这些孔和插入件76之间提供膨胀折叠101以允许撑杆128相对于阳极块18的不同膨胀，其中由于弯曲撑杆128的挠曲而施加在阳极块18上的应力是很小的。 [0128] 应领会，撑杆128的下端132可通过除机械紧固件136以外的装置来连接至垂直导体杆38，倘若在操作期间在这两个部件之间维持导电的话。 [0129] 相比于传统的杆组件，低电阻轭组件126的配置消除了双金属过渡接头上的一熔合焊接，通过在杆38的两侧上连接来增大了撑杆128至杆38连接的电接触表面积，通过使用贯穿螺栓连接来移除了双金属连接中来自悬挂负载的重量的物理应力，消除了轭至短柱焊接连接，消除了传统的轭及短柱组件由于重复的热应力和高温时的材料蠕变而遭受的短柱内倾状况，使得能使用具有内八字取向的插入件76通过插入件76的横截面来承载高负载。这些益处提供了具有长寿命的低电阻配置。 [0130] 按照惯例，铝或铜垂直导体杆38的上端44用汇流条夹具(未示出)暂时附连至阳极汇流条46。杆38与汇流条46的匹配表面中的电阻取决于匹配表面之间的清洁度、表面积和夹持压力。随着反复使用，杆38和汇流条46的表面可能因电弧放电而变得氧化或凹陷，这引入了表面粗糙和具有相对高电阻的表面氧化层。杆38至汇流条46连接的电阻可通过用导电耐蚀金属(诸如但不限于镍、铂或金)涂覆(例如，通过覆盖或电镀)汇流条46的匹配表面140(图11)和/或杆38的配合表面142(图11)来减小。尽管这种表面处理相比于干净金属界面(铝杆至铝汇流条或铜杆至铝汇流条)可能会增加小量的电阻，但这种覆盖或电镀表面在杆组件的寿命中将其电阻维持在小于氧化铝或氧化铜的电阻的水平。 [0131] 每个钢集流条52的一端或两端通过螺栓连接来连接至阴极汇流条24柔性连接件(未示出)。同样，每个集流条52的一部分通过铸铁层57与阴极块20处于电接触，如以上参照图3所解释的。集流条52的与铸铁层57处于电接触的匹配表面可能由于集流条在操作期间的高温而氧化并逐渐形成电阻性氧化层。类似地，集流条52的与阴极汇流条24的柔性连接件接触的匹配表面可能逐渐形成氧化。出于此原因，集流条52的与阴极汇流条柔性连接件和/或铸铁层57接触的匹配表面可涂覆(例如，覆盖或电镀)有导电耐蚀材料，诸如以上提及的任何导电耐蚀金属。 [0132] 图21示出了集流条52的一段，其中在汇流条52的顶表面55、底表面53和侧表面59上提供了导电耐蚀金属覆层141。覆层141可代替地仅涂布于与铸铁层57或阴极汇流条24接触的匹配表面。替换地，集流条52可例如通过电镀而设有导电耐蚀金属涂层。涂层或覆层可具有在从约0.05到10mm的范围内的厚度。 [0133] 集流条52通常由导电金属(诸如钢)构成，其具有显著高于电解槽的最大工作温度的熔点。然而，典型的钢集流条具有比铝金属垫的电阻高的电阻，且因此从电解液进入金属垫的电流将优先使其自己水平地通过金属垫向电解槽侧壁传导，然后向下穿过阴极组件14传导至外部汇流条连接。 [0134] 为了减小阴极组件内的电阻和金属垫中的水平电流，图29中所示的阴极组件14的实施例提供了包括集流条52，其具有由电阻比钢低的金属构成的芯170、以及包围芯170的外壳172，该壳由具有显著高于电解槽的最高工作温度的熔点的金属构成。例如，芯170可包括铜或其合金，而壳172可包括钢、镍、或合金(诸如不锈钢)。芯170向集流条52提供了减小的电阻，而金属壳减少了对集流条52的外表面的潜在腐蚀。此外，壳172的熔点和厚度足以在芯170在产生过多热的操作期间暂时熔化的情况下包含芯170的金属。在芯170可能在操作期间熔化的场合，将领会，壳172将包括在槽壳11内的所有侧(即，顶表面55、底表面53、侧表面59、以及端表面61)上包围芯170的密封罩。 [0135] 图29的集流条52可具有预制芯170，其中壳172通过任何合适的手段(诸如通过电镀、热镀、溅射，或者作为覆层通过接合)被涂布至芯170。替换地，壳172可包括预制外壳，而芯170可通过将金属铸造至壳172中来形成。在前一种情形中，预制芯170限定了集流条52的外表面形状，而在后一种情形中，预制壳172限定了集流条52的形状。集流条52的横截面形状可以是正方形、矩形或圆形，或是轮廓组合。集流条52的外表面可以是平滑的，或者其可以纹理化以增大集流条52与铸铁层57之间的接触面积。例如，集流条52的外表面可通过肋和/或沟来纹理化。 [0136] 集流条52通过集流条52中的热传导并通过集流条52的坐落在电解槽外的暴露部分的对流、发散和传导冷却而将热从电解槽移至环境中。在平衡电解槽的热损失时必须考虑这种热损失。在图31中所解说的实施例中，集流条52的位于槽56外和电解槽外的至少一个端部174的横截面区域被改动以改变集流条52的导热性和电阻。如图31中所示，集流条52的端部174的横截面区域相对于集流条52的容纳在阴极块20的槽56内的那些部分被减小。端部174的横截面区域的减小使得从电解槽的热损失减小。图31中所示的集流条52包括芯 170和壳172，如以上参照图29所讨论的。 [0137] 参照图22至26、31和32描述的以下实施例涉及减小集流条52、铸铁层57和阴极块20的碳之间的电阻。这些实施例中的一些类似于以上讨论的使用导电插入件76来减小阳极 12中的电阻的装置。然而，因以下事实故而必然存在一些差异：阳极12中的短柱48和套环64的热膨胀主要是径向的，在这些组件之间没有相对移动，而阴极14中的集流条52和铸铁层 57的热膨胀主要是轴向的且由于不同的热膨胀系数而在这些组件之间有相对移动。 [0138] 图24是阴极组件14的部分剖视图，示出了阴极块20在其底表面54中具有槽56，其中铸铁层57和集流条52容纳在槽56中。如图所示，槽56的内表面设有多个导电插入件76，它们通过过盈配合容纳在阴极块20的碳中，如以上参照阳极12所讨论的。以上关于将插入件76嵌入阳极块18的讨论同样适用于本实施例，除了以下讨论的不同之处。 [0139] 嵌入槽56的表面中的导电插入件76不显著突出到铸铁层57中。确切而言，图24和25中的插入件76的头部旨在是平坦的，可任选地具有倒圆边缘，从而准许铸铁层57相对于阴极块20的轴向膨胀移动。将领会，将插入件76的头部嵌入铸铁层57可能在铸铁层相对于阴极块20轴向地膨胀时导致碳材料破坏。此外，为了防止在插入件76与铸铁层57之间形成接合，插入件的头部可设有薄石墨粉涂层或其他导电的非粘性材料，其将不会显著增加插入件76与铸铁层57之间的电阻。 [0140] 现在将参照图30来描述准许铸铁层57相对于阴极块20的轴向膨胀移动的替换安排，图30是图29的画圈部分的放大视图。根据该实施例，嵌入在槽56的侧表面和/或顶表面中的导电插入件76设有突出到铸铁层57中的头部。这些头部可在铁层57的铸造期间变为嵌入其中，由此提供阴极块20与铸铁层57之间的良好导电路径。在该实施例中，插入件76安装穿过槽56的侧表面中所形成的腔182，其中腔182由金属护罩或垫圈184密封以免填充熔融铸铁，该金属护罩或垫圈184可附连至插入件176的杆柄。在电解槽的操作期间，由于阴极块20与集流条52之间的不同热膨胀、或者由于阴极块20的变形，集流条52和铸铁层57可相对于阴极块20移动较小距离。金属插入件76的杆柄可在腔182内挠曲或弯曲，和/或该杆柄可部分地拔出阴极块20，同时由于插入件76嵌入的头部而维持铸铁层57与阴极块20之间的良好导电。 [0141] 如图22中所示，导电金属槽内衬144可设在铸铁层57与槽56的内表面之间。该导电槽内衬包括薄金属板，插入件76贯穿该薄金属板延伸至阴极块20中，插入件76的头部将该内衬保持在如图22中所示的位置。如图23中所示，内衬144可在插入件位置(诸如孔148)之间具有膨胀狭缝146，以允许内衬144相对于阴极块20的不同热膨胀。内衬144可替换地包括多个紧密配合或交叠的导电金属板，其中每一片借助于至少一个插入件76附连至阴极槽56的内表面。将领会，提供内衬144可通过改善铸铁层57与阴极槽56的表面之间的电连接来改进阴极块20中的电流分布。 [0142] 代替使用内衬，可通过提供更多插入件76、或者如图24中所示地通过提供具有更大的头部和/或导电金属垫圈150的插入件76来增强电流分布。例如，图25中示出了具有带倒圆边缘78的扩大头部78(其可部分地嵌入在块20的碳中)的插入件76，其将在以下讨论。 [0143] 在阳极12的情形中，嵌入在阳极块18中的插入件76具有突出到短柱孔58中且嵌入套环64的头部以改变冷凝铁的形状，从而减小铸铁与短柱孔壁之间的收缩间隙。这减小了那些组件之间的电阻。如图25中所示，这种效果可在阴极14中通过提供一个或多个导电的集流条锚定件152来达成，集流条锚定件152的一端附连至集流条52且另一端突出到槽56中。集流条锚定件152的突出到槽56中的末端将变成嵌入在铸铁层57中并在层57的铸造期间提供热沉。出于以上讨论的相同原因，这将通过改变铸铁层57的冷凝轮廓以跨集流条52与阴极块20之间的间隔的整个宽度促进铁凝固来减小铸铁层57与槽56的内表面之间在集流条锚定件局部的凝固收缩间隙，如图26中的冷凝等温线29所解说的。这提供了集流条52与阴极槽56内的铸铁层57的“更紧”配合，由此减小了阴极块20、集流条52和铸铁层57之间的电阻。 [0144] 集流条锚定件152的数量、深度、尺寸和位置可被改动以调节阴极块20的顶表面30与集流条52之间的电阻，从而使电阻尽可能一致。为了增强热沉效应，集流条锚定件152可设有扩大头部，如图25中所示。另外，锚定件152和它们容纳于其中的孔154可以有螺纹，从而准许调节锚定件152的突出量。例如，突出程度可被调节，从而锚定件152的头部接触嵌入在阴极块20中的导电插入件76的头部。这将进一步改善集流条52与阴极块20之间的电连接。 [0145] 图26解说了根据图25中所示的实施例的变型的阴极组件14。图26的阴极组件包括具有扩大倒圆头部78的插入件76，插入件76被撞击驱动至阴极块20的碳中，而非被驱动至预制孔68中。集流条52的右侧设有可调节地容纳在螺纹孔154中的螺纹集流条锚定件152，集流条锚定件152是螺栓或螺杆的形式，不具有扩大头部，突出末端可任选地形成为锥形。集流条锚定件152的突出末端可以与插入件76的头部78接触或不接触。 [0146] 集流条52的左侧设有固定的集流条锚定件156，它们通过熔合接合(诸如通过焊接、铜焊或钎焊)固定至集流条的外表面。固定的锚定件156可以是圆柱形栓或杆的形式，并且突出末端可如图所示地形成为锥形。固定的锚定件156将充当热沉，并且对铸铁层57的冷凝轮廓具有类似作用，如图26左侧的冷凝等温线29所指示的。 [0147] 图32和33解说了阴极组件14的实施例，其中与图15-16中所见的传统阴极组件相比，通过跨阴极块20的顶表面30提供更低和更均匀的电阻来改善电流分布。这将降低功耗，减少阴极块20的不均匀腐蚀，并减小金属垫中的水平电流。根据该实施例，通过使用铜集流条170来减小阴极组件的电阻。根据该实施例，通过沿槽56的长度改变从铸铁层57的顶部边缘至集流条52的顶表面55的距离、以及从铸铁层57的顶部边缘至阴极块20的槽56的顶表面的距离来使得跨阴极块20的顶表面30的电阻更均匀。 [0148] 如图32中所示，集流条52借助于集流条52的驻留在阴极槽56内的两个横向相对侧表面59上的铸铁层57接合至阴极块20。与图15和16中所示的实施例形成对比，在集流条52的顶表面55与槽56的顶表面之间不提供铸铁层57。该空间可任选地填充有绝电且绝热的耐火材料178。 [0149] 另外，沿集流条52的每个侧表面59的铸铁层57的高度沿集流条52的长度变化，在集流条52和槽56的中部较高，而临近集流条52和槽56的末端较低。由此，每个铸铁层57具有顶部边缘180，其与集流条52的顶表面55的距离沿槽56的长度变化，其中由顶部边缘180的轮廓成型所引起的任何间隔可填充有绝缘耐火材料178。在所解说的实施例中，铸铁层57的顶部边缘180以近似弧形轮廓来定形，然而，该形状可与所示的不同，诸如是直的或多边形轮廓。另外，在该实施例中，铸铁层57的顶部边缘180在阴极块20的中点基本上与集流条52的顶表面55齐平。 [0150] 通过铸铁层57的轮廓成型顶部边缘180，阴极块20的顶表面30与铁层57的接触表面之间的阴极碳的电阻沿阴极块20长度呈现变化的电阻，该变化的电阻由沿着集流条52长度的变化电阻所弥补，由此给出了从沿阴极块20的顶表面30长度的任一处至集流条52的外端的几乎均匀的电阻。通过改变槽56以及阴极块20与集流条52之间的铁连接表面的尺寸，可使得跨阴极块20的顶表面30宽度的电流分布更加均匀。铁层57的顶部边缘180的形状轮廓、以及从铁层57的顶部边缘180至集流条52的顶表面55的距离也可在毗邻的阴极组件14中有所不同，从而平衡跨电解槽10宽度的电流分布。铸铁可等同地由碳胶代替，碳胶用于连接阴极块和集流条。 [0151] 阴极块20与集流条52之间的绝缘耐火材料178用于降低从阴极块20至集流条52的热传递速率。该材料178可以是可铸造的、使用临时形体，或者可被预制并在安置集流条52和铸造铸铁57之前安置到阴极槽56中。 [0152] 如图33中所示，插入件76(诸如图30中所示的那些)可沿集流条52的长度设置。 [0153] 图27和28示出阴极组件14的替换实施例，其中在集流条52与阴极块20之间的间隔中不设置铸铁层57。阴极块20通过条带连接件112导电地连接至集流条，条带连接件112包括具有凸耳115的线缆113，凸耳端115之一由导电插入件76导电地连接至阴极块20的底表面54，相对的凸耳端115由螺栓176导电地连接至集流条52的底表面53。替换地，可提供多个以上描述的任何条带连接件112。 [0154] 在图27和28中所示的实施例中，集流条52由一个或多个导电悬挂组件160保持在合适位置，其中一个导电悬挂组件160在附图中示出，包括舌部162和槽部164，舌部162沿集流条52的纵轴可滑动地底容纳在槽部164中，如图28的横截面侧视图中最佳地看出的。在所解说的实施例中，舌部162具有附连凸缘166，其由一个或多个螺栓176固定至集流条52的顶表面55(与底表面53相对)，尽管可取而代之使用其他机械或熔合连接。槽部沿其横向边缘具有一对附连凸缘168，这些凸缘由插入阴极块20的碳中的导电插入件76附连至槽56的内表面。将领会，舌部162和槽部164的位置可以颠倒，即槽部164附连至集流条52而舌部162附连至阴极块20。 [0155] 通过导电悬挂组件160，集流条52和阴极块20的相对热膨胀导致舌部162在槽部164内的轴向纵向移动，由此提供对集流条52的支撑，同时避免造成热应力。 [0156] 如果消除铸铁或胶层57，则集流条52与阴极槽56的内表面之间的间隙可填充有绝热料，以减少阴极块20与集流条52之间的热传递。 [0157] 必须贯穿电解槽的寿命维持电解槽的热平衡，从而将电解液维持在比其冷凝温度高约25-50摄氏度，同时使得电解液能抵靠侧壁冷凝以对侧壁耐火材料进行腐蚀保护，并且防止电解液在阳极和阴极表面上的过多冷凝。然而，电解槽的导热性随时间推移由于侧壁和阴极块20的腐蚀磨损而改变，并且至电解槽的能量(瓦特)输入可能随电解槽的电阻而变化。根据图34和35中所示的实施例，槽壳11(图1中所示)的外表面可设有用于贯穿电解槽10的工作寿命防止槽壳11变得过热或过冷的可移除装置。 [0158] 根据图34的实施例，槽壳11中的导热性可通过使用附连至槽壳11外侧的散热片186(有或无强制冷却)来在所选位置处增大。散热片186从槽壳11吸收热并通过至空气的热对流和/或至环境的热发散来冷却槽壳11。散热片186提供的冷却速率增大将降低槽壳11内侧上的耐火材料衬垫34、36(图1中所示)的温度，由此影响冷凝电解液层的厚度。 [0159] 每个散热片186可包括带有底板188的压出铝形状，底板188包括底表面190和顶表面192，其中底表面190接触槽壳11。一个或多个翼部194从顶表面192延伸出。散热片186可由铝构成，并且可包括表面阳极化处理，诸如着色阳极化，其增大了散热片材料的发射率，从而与未阳极化的铝散热片相比提高其向环境发散热的能力。 [0160] 可由一个或多个稀土和/或非铁磁体196磁性地保持散热片186抵靠槽壳11，该磁体196具有至少约为500摄氏度的居里温度点。例如，磁体196可包括钐钴或铝镍钴(磁钢)合金磁体。此类磁体196在高温时维持其磁力，并且在钢槽壳11已由于内部耐火材料衬垫的磨损而被加热到超过正常设计参数时保持散热片186抵靠钢槽壳11的侧面。 [0161] 磁体196被保持在底板188中。例如，底板188的底表面190可设有用于保持磁体196的一个或多个腔198，并且磁体196可通过保持螺杆200或其他机械装置和/或通过接合来保持在其中。底板188可沿板188的底表面190边缘具有沟202，以使得能将散热片186从槽壳11撬起以便移除。 [0162] 散热片186可进一步在磁体196与钢槽壳11之间包括薄隔热件204，穿过薄隔热件204进入磁体196的热传递将减少，但磁力将得以维持。隔热件204可附连至磁体196的外表面197，并且可包括具有低导热性的非易燃材料。隔热件204通过使磁体196保持在比无隔热件204的情况下更冷的温度来改善磁体196的性能。出于清楚起见，在图34中，隔热件204被示为从下磁体196的外表面移除。 [0163] 根据图35的实施例，槽壳11中的导热性可通过在槽壳11上使用外部绝热材料来在所选位置处减小，该绝热材料减少了槽壳11的对流和发散冷却。由于电解槽中的内部耐火材料随着其工作寿命而磨损(变薄)，槽壳11可能从过冷变为过热，从而期望具有能在局部槽壳温度超过某个水平时容易移除的绝热材料。 [0164] 根据本实施例，临时绝热材料以一个或多个磁性安装垫206的形式被施加于槽壳11的外部，其中一个磁性安装垫206在图35中示出。垫206由非易燃的、耐高温材料210构成，其熔点至少约为600摄氏度，诸如一层或多层织造或非织造的柔性玻璃或陶瓷纤维布。填充材料可任选地填塞在各层布之间。垫206降低了槽壳11至环境的冷却速率，由此提高了毗邻垫位置的槽壳11的内部温度。垫206可交叠和/或层叠，以覆盖毗邻区域和/或增强槽壳11的指定区域中的冷却速率降低。垫206的柔性允许它们被放置在槽壳11的结构性元件上。 [0165] 多个磁体208以充足的位置和数量附连至垫206的构造或被捕获在垫206的构造内，以保持垫206抵靠槽壳11，并由此减少槽壳11至环境的对流和发散冷却。磁体208可以是含铁的、非铁的，或者可由稀土合金构成。磁体208可按强度和居里温度点来选择，以在槽壳11或其一部分的温度达成难以接受的高水平时失去保持力。另外，磁体208有足够低的磁力以使得能手动将垫206从槽壳11移除。 |
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