[发明专利]铝电解槽电极(变体)

说明书

技术领域

本发明涉及用于从氧化铝电解产生铝的装置，特别是用于从溶于熔融电解质的氧化铝电解产生铝的电解槽的垂直或倾斜电极，即阴极或双极电极的阴极部分。

新型铝电解槽中垂直或倾斜的润湿阴极以及双极电极的应用可以通过降低电极之间的阳极到阴极的距离(ACD)来降低铝生产的特定额定功率消耗，并基于每个占用面积提高电解槽性能。配备垂直或倾斜电极的新型电解槽的发展滞后特别是与缺乏技术性、成本效益性和技术上可行的铝润湿电解槽电极相关，其可用作垂直或倾斜的润湿阴极或双极电极的阴极部分。出于此目的，这种电极必须表现出高导电性、机械强度、抗裂性，并且它们必须在1000℃对铝和熔融电解液的冲击具有抗性。此外，要求这些电极与金属集流体的连接的可制造性、可靠性和电阻率应与金属材料之间的焊接接触相当。将所有这些性质组合在一起是非常困难的，因此目前难以看到功能有效的铝润湿电极和工业上新型且更高效的铝生产电解槽的实施。

背景技术

目前，铝润湿阴极的适合材料是纯二硼化钛(TiB2)(Kvande H.Inert electrodes in aluminum electrolyzers//Light metals.–1999.–第369–376页)。其原因在于抗电解质和铝的相互作用的独特组合(Wendt H.；Dermeteik S.Dermeteik S.Erosion of sintered titanium diboride cathodes during cathodic aluminum deposition from lithium chloride/aluminum chloride melts.//J.Appl.Electrochem.–20.–1990.–第438-441页)、良好的抗氧化性(Tampieri A.，Landi E.，Bellosi A.On the oxidation behaviour of monolithic titanium diboride and alumina-TiB2 and silicon nitride-TiB2 composites.//J.Therm.Anal.–38(12).–1992.-第2657-2668页)和铝的润湿性。通常，添加到TiB₂中来改善某些性质的大部分添加剂对暴露于熔融铝的组合物化学稳定性具有负面影响(Odegard R.On the formation and dissolution of aluminum carbide in aluminum cells.//Aluminum.–64.–1988.-第84-86页)。

已知来自二硼化钛的具有96％二硼化钛的润湿阴极(美国专利4308114号，С25С 3/06，于1981年12月29日公开)通过在超过2000℃的压制而获得。已知有具有金属添加剂的来自二硼化钛的润湿阴极(美国专利申请2012/0222964号，С25С 7/02，于2012年9月6日公开)，对于在1400℃～2100℃烧结的二硼化钛，添加剂的添加量为0.01质量％～0.75质量％。考虑到二硼化钛的高价格和需要在约2000℃温度的阴极烧结所引起的技术难题，这种润湿阴极生产方法在工业规模生产的背景下不能使用。后者是使用二硼化钛基复合材料的原因。

用于润湿阴极生产的陶瓷复合材料B₄C-TiB₂-TiC(俄罗斯专利2143411，C04B35/563，于1999年12月27日公开)，TiB₂-SiC(国际专利申请WO 2013/089886，С25С3/06，С25С2/07，于2013年6月20日公开)是已知的。

上述材料的缺点包括与高烧结温度、低抗冲击性和弯曲机械荷载、高成本和与纯二硼化钛相比更低的电导率相关的技术难题。此外，难以确保金属阴极集流体与这些材料之间的接触将具有与金属材料之间的焊接接触一样的可靠性和电阻性。

复合材料TiB₂-C是已知的，其可用于生产铝润湿阴极或碳阴极的润湿涂层(俄罗斯专利2418888，C25C3/08，于2011年5月20日公开)。特别是，根据美国专利3400061(С25С3/08，于1968年9月3日公开)，通过混合含碳填料，10％～20％的粘合剂和10％～80％的二硼化钛或其他减少铝生产的阳极与阴极间距离和电解槽功耗的铝润湿难熔化合物来制造泄流式阴极。将所得阴极成型，然后在900℃～1800℃烧结。