[发明专利]用于产生金属的低电阻电极组件

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年12月16日提交的加拿大专利申请No.2838113的优先权和权益，该申请的内容通过援引纳入于此。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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)。

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