[发明专利]具有槽状阴极的特别是用于生产铝的电解池

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解池，特别是用于生产铝的电解池，并且涉及一种适合在这样的电解池中使用的阴极。

背景技术

电解池例如用于电解生产铝，工业上通常根据霍尔-埃鲁工艺实施该电解生产。在霍尔-埃鲁工艺中，电解由氧化铝和冰晶石组成的熔体。此处使用冰晶石Na₃[AlF₆]，从而将熔点从纯氧化铝的2,045℃，降低至含冰晶石、氧化铝和添加剂的混合物的约950℃，该添加剂例如是氟化铝和氟化钙。

在该工艺中使用的电解池包括阴极底部，该阴极底部可由彼此相邻、并且形成阴极的多个阴极块组成。为了经受电解池运行期间主要存在的热和化学条件，阴极通常由含碳材料组成。每个阴极块的下侧通常都具有凹槽，在每个凹槽中都布置至少一个母线，通过该母线，释放通过阳极馈送的电流。阳极，特别是由单独的阳极块形成的阳极，被布置地高于液体铝层约3至5cm，液体铝层通常位于阴极上侧上15至50cm高，电解质，也就是说含有氧化铝和冰晶石的熔体，位于所述阳极和铝的表面之间。在以约1,000℃实施电解期间，由于与电解质相比，铝的密度更大，所以形成的铝沉降到电解质层之下，也就是说沉降为阴极的上侧和电解质层之间的中间层。在电解期间，在熔体中溶解的氧化铝被电流裂解，以形成铝和氧气。从电化学方面看，液体铝层实际上是阴极，这是因为铝离子在其表面被还原，以形成元素铝。然而，下文不应将术语“阴极”理解为是电化学观点上的阴极，也就是说液体铝层，而是应将其理解为形成电解池底部的组件部分，例如由一个或多个阴极块组成的组件部分。

霍尔-埃鲁工艺的明显缺点在于其非常耗能。为了产生1kg的铝，需要约12至15kWh的电能，电能占生产成本的最高达40％。因此，为了降低生产成本，期望在可能的情况下降低该方法的比能耗。

由于特别是与液体铝层和阴极材料相比，熔体的电阻相对高，所以特别是在熔体中发生焦耳耗散形式的相对高的欧姆损耗。考虑到熔体中比较高的比损耗，作出重大努力以尽可能地降低熔体层的厚度，并因此降低阳极和液体铝层之间的距离。然而，由于电解工艺期间存在的电磁相互作用，以及因而在液体铝层中产生的波的形成，因而过薄的熔体层存在以下风险，即液体铝层将接触阳极，这可能导致电解池短路，并且导致所形成的铝的不良再氧化，并且导致电解操作的电不稳定性，特别是导致调用电压波动。发生的短路也可导致磨损增大，因此导致电解池的使用寿命缩短。出于这些原因，不能任意地降低阳极和液体铝层之间的距离。

液体铝层中波形成的驱动力是阴极表面上的电流密度和磁通量密度的不均匀分布，该不均匀分布导致液体铝层中的洛伦兹力密度的促进波形成的分布。此处，洛伦兹力密度被定义为特定点处存在的电流密度和在该点处存在的磁通量密度的向量积。阴极上侧处电流密度和磁通量密度不均匀分布的其中一个原因又在于以下事实：优选地，阴极和铝槽中的电流采取最低电阻的路径。出于该原因，流经阴极的电流主要集中在阴极的侧边缘区域上，其中阴极被连接至接触所述阴极的母线，这是因为与通过阴极中心到达阴极表面的电流相比，通过边缘区域到达阴极表面的电流所产生的电阻更低，在通过阴极中心到达阴极表面的情况下，与通过边缘区域到达阴极表面的电流相比，必须穿过更长路线或电通路。

除了液体铝层中的增强的波形成之外，不均匀电流密度分布，特别是在阴极的横向方向上，与阴极中心的电流密度相比，处于阴极的侧边缘区域具有增加的电流密度，这也导致阴极侧边缘区域中的磨损加剧，这通常在相对长期的电解池运行之后，在阴极的横截面中导致阴极近似W形磨损轮廓的特征。

为了降低电解池的比能耗，最近已经提出，在电解池中使用以下阴极，其中当从阴极横截面中观察时，该阴极的上侧被实施为V形槽的形式。此处，被配置成V形槽形式的阴极表面中的凹陷导致阴极侧边缘区域中的电流密度降低，因此在这些区域中，波形成的可能性和磨损也降低。