[发明专利]用于电解还原氧化铝的霍尔槽及其侧壁

说明书

发明背景

常规的粗铝生产通常是对溶解在含冰晶石电解液中的氧化铝进行还原。还原反应在装有一个炭素阳极和一个炭素阴极的霍尔—埃鲁槽(“霍尔槽”)中进行，该槽也作为盛放电解液的容器。当电流通过电解液时，液态的铝沉积在阴极，而在阳极生成氧气。

霍尔槽的侧壁通常由以碳或碳化硅为基的多孔传热材料制成。然而，由于该领域中人们熟知，含冰晶石的电解液会侵蚀这些侧壁，所以侧壁被设计成只有约7.5-15cm(3-6英寸)厚，为的是使霍尔槽有足够的热量散失，从而可在侧壁表面形成一层冰晶石凝结层，以防止冰晶石对侧壁的进一步渗入和侵蚀。

尽管凝结冰晶石层能有效地防止冰晶石渗入而保护了侧壁，但它是以相当大的热量散失为代价的。因此，出于更佳效率的考虑，要求有更新的霍尔槽设计，其侧壁具有更佳的热绝缘性。然而，虽然这些设计很好的热绝缘性防止了大量的热量散失，冰晶石却不会在侧壁上凝结。因此，最初关于冰晶石渗入和侵蚀侧壁的问题重新出现。

美国专利No.4,592,820(“′820专利”)试图同时提供较高热效率和防止冰晶石渗入侧壁。′820专利提出了用两层侧壁代替多孔传热侧壁的办法，该种两层侧壁包含：

a)第一层由常规的绝缘材料制成，它有足够的厚度能保证冰晶石不会凝结在侧壁上，和

b)一个由陶瓷材料制成的衬里，它可抵抗槽电解液(冰晶石)和熔融铝的侵蚀，

见′820专利第二段，30—43行。′820专利还公开了较佳的衬里，它是由IVb，Vb或VIb高熔点金属碳化物、硼化物或氮化物、氧氮化物，特别是二硼化钛制成的，该专利还指出，这些选用的陶瓷材料可制成板或涂布在如氧化铝，或碳化硅的侧壁上。参见第二段，44-47行及第四段，24-32行。

尽管′820专利提供了一个抵抗冰晶石侵蚀的热效率提高的铝还原槽，但是它还可以改进。例如，该专利公开的衬里的成本高，其供应有限制。而且，′820专利的较佳衬里二硼化钛不仅成本很高，而且其抗氧化性有限，并且在运行时有导电性。

此外，′820专利较佳的霍尔槽在邻近侧壁的顶部边缘的电解液区形成了一层固体冰晶石层，用以防止陶瓷材料受空气氧化。这个顶部层可通过用碳包覆侧壁并减少其背衬热绝缘性，或通过在侧壁顶部边缘邻近设置一个通冷空气的钢管来实现。尽管这些措施提高了抵抗冰晶石侵蚀的性能，但是它们却也减少了槽的热效率。

美国专利No.4,865,701(“Beck”)公开了一个在侧壁绝缘层内装有冷却管的铝生产槽。

美国专利No.2,971,899(“Hannick”)公开了一个在含冰晶石约20％的的溶液中电镀铝的槽。美国专利No.2,915,442(“Lewis”)公开了在侧壁上有凝结表皮的铝生产槽。美国专利No.3,256,173(“Schmitt”)公开了一个有碳化硅，焦炭和沥青衬里的铝生产槽。美国专利No.3,428,545(“Johnson”)公开了一个有碳衬里的铝生产槽，该衬里用包括氮化硅的高熔点颗粒层作为背衬。

美国专利No.4,224,128(“Walton”)公开了用碳化硅砖砌成的侧壁衬里(图1)，其表面看来并没有被凝结的冰晶石层保护。然而在本领域中应当知道，碳化硅砖衬里需要用凝结冰晶石层保护，可参见例如公开的美国专利No.2,915,442(1995)(第5段，60行)、3,256,173(1966)(第1段，62-65行)、和4,411,758(1983)(第4段，62-65行)。而且，由于Walton主要关心的不是碳化硅砖的性能和它需要保护(而是关心包埋在阴极中的二硼化钛)，因此图1中不存在凝结层是一个疏忽。本领域技术人员应能推断Walton的碳化硅砖衬里还是需要用凝结冰晶石层保护的。

因此，有必要改进霍尔槽。

发明概要

本发明提供一种还原含冰晶石的熔融氟化物电解液中氧化铝的电解还原霍尔槽，槽的侧壁包括一个绝缘材料层和一个衬里；绝缘材料层的厚度足以保证当用于所述电解还原霍尔槽时，冰晶石不会在衬里上任何位置凝结，衬里用选自碳化硅，氮化硅和碳化硼的陶瓷材料制成，其密度至少为理论密度的95％，它至少有闭合孔隙，没有敞开孔隙。