[发明专利]阴极装置以及带有具有引导凹部的凹槽的阴极块

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于铝电解槽的阴极装置、一种用于这种阴极装置的阴极块和一种用于制造这种阴极装置的方法。

背景技术

这种电解槽用于在工业上通常由霍尔-埃鲁法（Hall-Héroult process）实施的电解生产铝。在霍尔-埃鲁法中，由氧化铝和冰晶石组成的熔融物被电解。此处，冰晶石Na₃[AlF₆]用来将纯氧化铝的2045℃的熔点降低到包含冰晶石、氧化铝和添加剂诸如氟化铝和氟化钙的混合物的约950℃的熔点。

此法中所用的电解槽具有底部，该底部由形成阴极的多个邻接的阴极块组成。为了耐受在槽的操作期间主要的热条件和化学条件，阴极块通常由含碳材料组成。阴极块中的每个的底侧设有凹槽，在凹槽中的每个中布置至少一个汇流条，通过该汇流条，经由阳极供给的电流被放出。在该情形中，阴极块的限定凹槽的各个壁与汇流条之间的空隙经常用铸铁密封，以便凭借汇流条的利用铸铁产生的壳体将汇流条电连接和机械连接到阴极块。由单独的阳极快形成的阳极被布置在位于阴极顶侧的熔融铝层的上方约3cm至5cm，并且电解质即包括氧化铝和冰晶石的熔融物位于该阳极和铝的表面之间。在约1000℃下执行的电解期间，已经形成的铝沉淀在电解质层之下，即作为在阴极块的顶侧和电解质层之间的中间层，这是因为铝的密度与电解质的密度相比相对大。在电解期间，在冰晶石熔融物中溶解的氧化铝被电流的流动分开以形成铝和氧气。依照电化学，熔融铝层是实际的阴极，这是因为铝离子在熔融铝层的表面上被还原成元素铝。然而在下文中，用语“阴极”不会被理解为表示根据电化学观点的阴极，即熔融铝层，而是被理解为形成电解槽底部的并由一个或者多个阴极块组成的组件。

在霍尔-埃鲁法中使用的阴极装置的重大缺点是阴极装置的通过在电解期间阴极块表面的腐蚀而体现的自身相对低的耐磨性。在该情形中，由于阴极块内不均匀的电流分布，阴极块表面在阴极块的长度上不被均匀地腐蚀，而是被腐蚀为在阴极块的端部处增加的程度，因此，在一定的电解持续时间之后，阴极块的表面变成W形轮廓。作为阴极块表面的非均匀腐蚀的结果，阴极块的使用寿命被具有最大腐蚀的区域限制。

为了解决该问题，WO 2007/118510A2公开了一种阴极块，该阴极块具有凹槽，该凹槽被设计成用于接纳汇流条，且相对于阴极块长度，该凹槽在中央的深度比在阴极块端部的深度大。这在电解槽操作期间实现了在阴极块长度上的大致均匀的竖直的电流分布，结果是减少了在阴极块端部上的增强磨损，并且因此，增加阴极的使用寿命。

在霍尔-埃鲁法中使用的阴极装置的另一个缺点是它的相对高的电阻。相对高电阻的若干原因之一是，在汇流条和阴极的阴极块之间的接触电阻相对高，并且该接触电阻随阴极的操作时间增加而另外地增加。这首先是由于以下事实引起：在电解期间，熔融物的成分不期望地扩散到阴极块中，这导致形成例如β-氧化铝的绝缘层；其次是由于以下事实引起：在相对长的加载之后，汇流条的钢、铸铁和阴极块的碳开始蠕变，即在相对长的加载之后，汇流条的钢、铸铁和阴极块的碳不可逆地蠕变。

为了减少在汇流条和阴极块之间的接触电阻，并因而提高电解过程的能量效率，在WO 2007/071392 A2中已经提出在基于碳的或者基于石墨的阴极块的凹槽中的至少某些区域中衬有石墨箔。除了石墨箔由于石墨箔在两侧上良好的形状配合而降低在汇流条或嵌入石墨箔的固化铸铁层与阴极块之间的接触电阻的事实之外，石墨箔的弹性还意味着后者的该弹性还降低特别是随着阴极的操作时间增加而增加的该接触电阻，这是因为石墨箔填充了在汇流条的钢和阴极块的阴极蠕变期间所形成的在限定阴极块的凹槽的壁与汇流条之间的间隙。