[发明专利]具有可润湿的耐磨表面的阴极块

说明书

本发明涉及铝电解槽用阴极块、其制造方法、其用途和包含所述阴极块的阴极。

例如将电解槽用于铝的电解生产，工业上通常通过霍尔-埃鲁(Hall-Héroult)法进行铝的电解生产。在霍尔-埃鲁法中，将由氧化铝和冰晶石构成的熔体电解。冰晶石Na₃[AlF₆]用于将熔点从纯氧化铝的2045℃降至含有冰晶石、氧化铝和添加剂如氟化铝和氟化钙的混合物的约950℃。

这种方法中使用的电解槽包含阴极基底，所述阴极基底可由形成阴极的多个相互相邻的阴极块构成。为了承受在电解槽运作期间存在的热和化学条件，阴极通常由含碳材料构成。通常，在阴极的每个底面上设置沟槽，在每个沟槽中至少布置一个母线，经由阳极供应的电流通过所述母线消散。通常将特别是由单独的阳极块形成的阳极布置在液态铝层上方约3cm～5cm处，所述液态铝层通常为15cm～50cm高，其位于阴极的顶面上，电解质，即含有氧化铝和冰晶石的熔体，位于所述阳极与铝的表面之间。在约1000℃下进行电解期间，所形成的铝由于其密度大于电解质密度而沉积在电解质层下面，即作为阴极的顶面与电解质层之间的中间层沉积。在电解期间，溶解在熔体中的氧化铝被电流分解成铝和氧气。在电化学术语中，液态铝层是实际的阴极，因为铝离子在其表面上被还原为单质铝。然而，在下文中，术语阴极不是指在电化学术语中的阴极即液态铝层，而是指例如由一个或多个阴极块构成的组件，所述组件形成电解槽基底。

霍尔-埃鲁法的主要缺点在于它是高度能量密集的。生产1kg的铝需要约12kWh～15kWh的电能，并且这构成高达生产成本的40％。为了降低生产成本，因此希望尽可能多地降低这种方法中的比能消耗。

因此，近来越来越多地使用石墨阴极，即由含有石墨作为主要成分的阴极块所构成的石墨阴极。石墨阴极块与石墨化阴极块之间存在差异，在石墨阴极块的制造中将石墨用作原料，而对于石墨化阴极块的制造，将石墨前体用作原料，所述石墨前体含有碳并且通过在2100℃～3000℃下的被称为石墨化的后续热处理而转化为石墨。通过与无定形碳进行比较，石墨的突出之处在于低得多的电阻率和显著更高的热导率，这是指在电解期间使用石墨阴极可以降低电解的比能消耗并且也使得可以在较高的电流强度下进行电解，从而使得可以增加铝生产。然而，由石墨制成的阴极或阴极块、特别是石墨化阴极块，在电解期间由于表面磨蚀而经受显著磨损，这种磨损远远大于由无定形碳制成的阴极块的磨损。除此之外，由无定形碳或石墨制成的阴极或阴极块具有比较差的与铝的润湿性。

因此为了增加阴极块、特别是由石墨制成的阴极块与铝的润湿性，以及为了增加由石墨制成的阴极块的耐磨性，先前已经提出由含有例如二硼化钛的石墨材料至少形成在阴极块运作期间阴极块的构成其顶面的面。例如，WO 2012/107400 A2公开了一种铝电解槽用阴极块，其包含基底层和覆盖层，所述基底层含有石墨并且所述覆盖层含有石墨复合材料，所述石墨复合材料含有1重量％至小于50重量％的熔点为至少1000℃的硬质材料。要么含碳材料如焦炭、无烟煤、煤烟或玻璃碳，要么可选地非氧化陶瓷、优选二硼化钛，可用作硬质材料。添加硬质材料旨在增加由石墨制成的阴极块的耐磨性，同时优选地使用硼化钛旨在提高与铝的润湿性。

在实验中已显示，添加例如二硼化钛确实增加了由石墨制成的阴极块的润湿性，使得可以降低电解槽中铝层的厚度并因此降低电解槽中的阳极-阴极距离，从而导致电解槽的比能消耗降低；然而，需要提高这些阴极块的耐磨性。由于需要提高的耐磨性，由这种类型的阴极块构成的阴极不适于或者仅有时适于特别是在高达600kA的高电流强度下运作的现代电解槽，这是因为其在这些运作条件下的使用寿命短。

因此，本发明的目的是提供一种阴极块，其特别适合用于铝电解槽，并且其不仅具有低的电阻率和与铝熔体的高润湿性，而且特别突出之处还在于，对于在熔体流动电解期间、特别包括在例如600kA的高电流强度下的运作期间存在的磨蚀性化学和热条件，具有高耐磨性。

根据本发明，通过铝电解槽用阴极块实现了这一目的，所述阴极块至少部分地由通过燃烧混合物可获得的材料构成，所述混合物含有：至少一种含碳材料，其在2800℃下热处理后根据Maire和Mehring从平均层间距c/2计算的石墨化水平为至多0.50；和至少一种非氧化陶瓷。

根据本发明的阴极块优选由基底层和覆盖层形成，所述至少一个含有前述混合物的部分是所述覆盖层的一部分。在本发明的含义内，这个部分可在整个覆盖层上延伸或者所述部分可以仅形成这个覆盖层的一部分。