[发明专利]用于铝电解的浸渍石墨阴极

说明书

本发明的主题是提供一种用于铝电解的石墨阴极。

大多数铝生产厂所采用的电解方法中，在具有耐火材料夹套的金属箱中的电解釜包括装有数个并列阴极块的阴极底架(sole)。这种组件构成的坩锅用防火衬糊料打底密封，它是在电流作用下电解质溶液中的物质向铝转变的场所。该反应一般在高于950℃的温度发生。为能承受电解釜操作期间的热条件和化学条件，以及满足通电解电流的需要，阴极块是用含碳材料制造的。这些材料包括从半石墨到石墨。在将原料混合后通过挤压或振动压实形成阴极块，所用原料是：

●若要制造的阴极块是半石墨状或石墨状的材料，是沥青、煅烧无烟煤和/或石墨的混合物。然后在约1200℃焙烧这些材料。石墨状的阴极不含无烟煤。由这些材料制成的阴极一般称作“碳阴极”。

●若要制造的阴极块是石墨，则是沥青和焦炭加石墨或不加石墨的混合物。这种情况下，在约800℃焙烧这些材料，然后在2400℃以上的温度石墨化。这种阴极称作“石墨阴极”。

已知碳阴极具有中等电性能和热性能，然而，这种阴极不再适用于现代电解釜的操作条件，尤其是高电流密度情况。降低能量消耗和增加电流密度可能性的要求(尤其在现有釜生产线上)已经促进了石墨阴极的使用。

为制造石墨阴极在高于2400℃的温度进行的石墨化处理可以增加导电性和导热性，因此为电解釜的优化操作创造了条件。能耗由于阴极的电阻下降而降低。从电阻下降获益的另一种方面，是能提高通入电解釜的电流密度，因此有可能提高铝的产量。阴极的高热导率可使增加电流产生的过度热量除去。另外，石墨阴极釜的电稳定性较好，与碳阴极釜相比，其电势的波动较小。

然而，配备石墨阴极的釜寿命比配备碳阴极的釜短。这种釜由于生产的铝中含有过多的铁而变得不稳定，原因是阴极棒被铝所腐蚀。由于石墨块的腐蚀，金属到达了阴极棒。碳阴极尽管也已经观察到腐蚀，但腐蚀得很少，不会影响釜的寿命，它是由于阴极腐蚀以外的其它原因而变得不稳定的。

与此对照，与配备碳阴极的釜情况所记录的寿命相比，石墨阴极的损耗很迅速，成为铝电解釜无法操作的重要原因，其寿命可以认为是过早结束的。已记录各种材料的损耗速率如下：

阴极         损耗速率(mm/年)

半石墨状碳      10-20

石墨状碳        20-40

石墨            40-80

所附的示意图中，图1所示为阴极块3，配有阴极供电棒2，阴极块3的最初轮线如数字4所示，用虚线标出的腐蚀后轮廓线5表明，这种腐蚀着重在阴极块的两端。

结果，石墨阴极的腐蚀速率是其弱点，如果不能增加其寿命，其在增加产量方面的经济吸引力就会消失。

尽管由不同的一些原料制造，但是碳阴极和石墨阴极的最终产品都是由固体石墨晶粒组成的，其差别主要在于对粘合剂进行的热处理。石墨状产品中的沥青是在近1200℃焙烧处理的。而石墨阴极的粘合剂在石墨化期间是加热到高于2400℃，因此转变为石墨。

碳阴极和石墨阴极的孔隙率产生于粘合剂的结焦。然而，在电解釜操作期间，这些孔隙被电解产物主要是氟化钠和氟化铝侵占。这些产物因此与来自粘合剂的碳或石墨接触。

Chemical Abstract Vol.73，No.22指出了阴极的浸渍，为的是堵塞孔隙并防止反应产物的渗入。可以用沥青和焦油以外的其它物质进行这种浸渍，作者认为这不是很有效，因为这些物质对碳的润湿性不够。

JP 02 2283 677涉及用于放电加工的电极。这种电极在进行2600-3000℃的石墨化热处理之前进行了浸渍和退火。

EP 0562591涉及室温下，使用树脂处理的沥青浸渍碳块和石墨块的方法，结果是达到大于40％的浸渍率，按浸渍物碳化后计。该文献既未涉及铝电解，也未涉及石墨阴极的腐蚀问题。

JP 54027313涉及一种用树脂浸渍的电极，这种电极用于生产氯。

本发明的目的是提供一种增加了寿命的石墨阴极。为此目的，这种阴极在其结构的孔隙内含有在低于1600℃焙烧后的含碳物质，它能保护石墨化的粘合剂而提高耐腐蚀性。

通过用含碳物质浸渍按已知方法制得的石墨阴极，引入该含碳物质。