[发明专利]阴极底、阴极底的生产方法和该阴极底在生产铝的电解槽中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及阴极底、用于生产阴极底的方法和阴极底在用于生产铝的电解槽中的应用。

背景技术

铝通常通过熔融电解在所谓的电解槽中生产。电解槽通常包括由铁板或钢板制成的托盘件，托盘件的底部覆设有绝热层。在该托盘件中，至多24个由碳或石墨构成的阴极块构成了另一托盘件的底，这些阴极块与电源的负极连接，另一托盘件的壁由碳、石墨或碳化硅的侧壁块构成。在两个阴极块之间分别形成一个间隙。阴极块和可能被填充的间隙的布置通常称为阴极底。传统上，阴极块之间的间隙由带有焦油的碳和/或石墨制成的捣打料填充。这用于在开工期间密封熔融态组分和补偿机械应力。阴极块和捣打料用作阴极底。挂在与电源正极连接的支架上的短的碳块用作为阳极。

在这种电解槽中，在大约960℃的温度下对氧化铝(Al₂O₃)和冰晶石(Na₃AlF₆)的熔融混合物，优选约15-20％的氧化铝和约85-80％的冰晶石的熔融混合物进行熔融电解。这里，溶解的氧化铝与固体碳块阳极发生反应，并形成液态的铝和气态的二氧化碳。熔融混合物给电解槽的侧壁覆盖上保护性外壳，而铝由于其密度大于熔融物密度，而在电解槽底部积聚在熔融物下面，以便保护其免于被空中氧气回返氧化。由此生产的铝从电解槽中取出并进行精炼。

在电解时，阳极被消耗，而阴极底在电解期间则展示化学惰性。因此，阳极是一种在工作期间需要更换的易耗件，而阴极底则被设计用于长期持久地使用。尽管如此，当前的阴极底也受到了损耗。跨越阴极底移动的铝层将对阴极表面造成机械磨损。此外，由于形成碳化铝和钠淀积，将产生阴极底的(电)化学腐蚀。而且，附着在阴极表面上的颗粒也导致其结构弱化。因为通常有100至300个电解槽串联起来，以便得到用于生产铝的经济的设备，且这种设备通常要使用至少4至10年，故这种设备中的阴极块的故障和替换比较昂贵，且需要麻烦的维修，这大大地降低了设备的收益能力。

前述具有带有焦油的碳和/或石墨制成的捣打料的电解槽一个缺点是，出于技术的原因，例如机械稳定性或捣实过程，无法实现粗大颗粒的捣打料的薄层，从而间隙明显，一方面，间隙缩小了阴极表面，另一方面，铝和颗粒会淀积到间隙中，这提高了阴极底的磨损程度。

通常使用的无烟煤捣打料的导电性和导热性小于特别是石墨化的阴极块。致使有效的阴极面有所损失，且由于总体阻力大而导致高能耗，这降低了工艺的收益能力。此外，较高的比流量提高了阴极底磨损的程度。

一个替换方案是把多个块粘结成一个整体的阴极底，但由于其热-机械应力而有问题，因而几乎无法应用。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种能增加阴极面的手段，其适合于形成具有较大阴极面的阴极底。此外，本发明的目的在于提出一种简单的用来生产具有较大阴极面的阴极底的方法。

本发明的目的通过具有权利要求1的特征的阴极底和具有权利要求8的特征的方法实现。

根据本发明，提出一种阴极底，所述阴极底包括可布置在至少一个阴极块上的材料，其特征在于所述材料包括基于膨胀石墨的预压板。下面也把基于膨胀石墨的预压板称为预压石墨板。对于本发明的目的，这两个概念可以互换，且表示由膨胀石墨制成的预压板，这种预压板还可以包括其它添加剂。用于增加阴极面的手段因此是一种包括预压石墨板的材料。这种材料可非型面相连到所述阴极块。根据本发明所使用的预压石墨板可以实施在电解槽的通常使用捣打料的区域中，即特别是形成在阴极块之间间隙内，但也可以实施在位于电解槽侧壁与阴极块之间的空隙中。预压石墨板尤其是用作阴极底的阴极块之间的密封手段。

由于可以通过非型面连接将多个阴极块排列起来，具有预压石墨板的阴极底具有大的有效的阴极面，其可行的尺寸受到在经济和技术方面可实现的限制。

一种有益的效果是，相比于传统含有有害健康的焦油沥青和多环芳烃的碳物质，预压石墨板在生理上无害。而且，相对于传统含有焦油沥青的碳物质，预压石墨板具有较高的导电性和导热性，进而也增大了阴极面。

膨胀的石墨具有如下有益的特性：它对健康无害、环保、柔软、可压缩、轻便、耐老化、抗化学腐蚀和耐热、在技术上不透气且不透液体、不可燃、易于加工。另外，它与液态铝不会形成合金。它因此适合作为用于生产铝的电解槽阴极底的材料。

对石墨例如天然石墨进行化学和热处理，即可得到膨胀的石墨。在生产工艺中，石墨体积大小膨胀200倍至400倍，其中导热性和导电性保持不变。