[发明专利]具有具不同深度的狭槽和填充的中间空间的阴极块

说明书

本发明涉及用于铝电解槽的阴极块、该阴极块的利用并且还涉及包括该阴极块的阴极。

电解槽用于例如铝的电解生产，其在工业规模上通常根据霍尔赫鲁特过程(Hall-Héroultprocess)进行。在霍尔赫鲁特过程中，电解氧化铝和冰晶石的熔融混合物。此处，冰晶石，Na₃[AIF₆]，用于将熔点从纯氧化铝的2045℃降低到含有冰晶石、氧化铝和另外的物质(诸如，氟化铝和氟化钙)的混合物的大约950℃。

用于这个过程中的电解槽包括阴极底部，其由形成阴极的多个(例如，多达28个)相邻阴极块构成。此处，阴极块之间的中间空间通常填充有含碳捣固糊，以便针对电解槽的熔融组分密封阴极且以便补偿当电解槽开始操作时产生的机械应力。所述阴极块通常由含碳材料(诸如，石墨)制成，以便耐受当槽处在操作中时普遍存在的热条件和化学条件。所述阴极块的下侧通常设置有狭槽，在所述狭槽中的每个中布置了一根或两根母线，经由阳极供应的电流通过该母线放电。此处，所述母线和限定狭槽的单个阴极块壁之间的中间空间通常填充有铸铁，使得如此产生的使用铸铁的母线封装将母线电连接和机械连接到阴极块。在所述阴极的顶侧上的液态铝层(其通常为15到50cm厚)上方约3到5cm处，存在阳极，所述阳极具体地由单独的阳极块形成。电解质(换句话讲，含有氧化铝和冰晶石的熔融物料)存在于这个阳极与铝的表面之间。在电解(其通常在大约1000℃下进行)期间，如此形成的铝因为比电解质重而沉积在电解质层下方-换句话讲，其作为阴极的顶侧与电解质层之间的中间层。在电解中，溶解在熔融物料中的氧化铝通过电流流动被分解成铝和氧气。从电化学角度来看，液态铝层是实质上的阴极，这是因为铝离子在其表面上被还原成元素铝。然而，在下文中，术语阴极将不指代从电化学角度来看的阴极(换句话讲，液态铝层)，而是指代例如由一个或多个阴极块构成且形成电解槽的底部的部件。

用于霍尔赫鲁特过程中的阴极布置的一个主要缺点是其相对较差的耐磨性，这体现为电解期间从阴极块表面的材料移除。因此，由于电流在阴极块内的不均分分布，所以材料在阴极块的长度上从阴极块表面被不均匀地移除，而在阴极块的末端处移除程度较大，其结果是，在电解已进行一定的时间之后，阴极块的表面呈现W形轮廓。由于材料从阴极块表面的不均匀移除，所以阴极块的使用寿命受限于最大的材料移除的位置。

为解决这个问题，在WO2007/118510A2中提出一种阴极块，所述阴极块的狭槽(其旨在容纳一根或多根母线)相对于阴极块长度在其中心位置具有比在阴极块末端处更大的深度。在电解槽的操作中，这导致阴极块长度上的基本上均匀的垂直电流分布，由此减少了阴极块末端处的较高磨损且因此延长了阴极的使用寿命。此处，(多根)母线以惯常的方式被封入在铸铁中，这种封装通过将液态铸铁浇注到狭槽与(多根)母线之间的中间空间中来实现。然而，这种阴极块受到多个缺点的牵制。当将液态铸铁浇注到狭槽与(多根)母线之间的中间空间中时，且然后当包括阴极块的电解槽开始操作时，且然后当关闭且然后随后重新启动电解槽时，然后阴极块暴露于相当大的温度变化，其导致铸铁和(多根)母线相对于阴极块膨胀或收缩。这种膨胀或收缩效应可通过所出现的温度梯度被放大。当在下文中使用短语‘(多个)大温度变化’时，其应理解为指示所提及的效应中的一者或两者—换句话讲，存在膨胀/收缩或温度梯度。因为铸铁和(多根)母线的材料具有比阴极块材料高的热膨胀系数，所以当温度上升时，铸铁和(多根)母线相对于阴极块膨胀，而另一方面，温度下降导致铸铁和(多根)母线相对于阴极块收缩。这致使母线、铸铁和阴极块之间的电接触劣化(尤其就具有矩形横截面的常见狭槽而言)，且这继而导致所述布置的电阻较高且因此导致电解过程的低能量效率。除此之外，在将液态铸铁浇注到狭槽与(多根)母线之间的中间空间中时，(多根)母线不仅可垂直移动而且可水平移动，使得当液态铸铁被注入且接着当铸铁冷却且凝固时，(多根)母线可在狭槽中不受控制地移动。这还可导致母线、铸铁和阴极块之间不均匀的电接触。这还导致所述布置的电阻较高且因此导致电解过程的低能量效率。还可使用捣固糊来替代铸铁。基于无烟煤、石墨或它们的任何混合物的捣固糊均可用作捣固糊。优选地使用基于石墨的捣固糊。

在下文提及铸铁时，应理解，捣固糊可取代铸铁而这无需每次明确陈述。