[发明专利]碳电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种改善的碳电极及其制备方法，根据本发明制备的碳电极，特别是阳极，可以方便地用于根据包含预焙烧阳极的霍尔-赫劳尔特(Hall-Heroult)方法的电解生产铝。

本发明基于下述观察到的事实，即：根据采用的模制方法，碳电极的几种物理性能可具有方向性。这尤其适用于通过振动模制成型的电极，对于该方法，可发现在垂直与水平方向存在差异。

通常制备用于铝生产的阳极的方法是对在模具中的“生”料块(mass)(一种含碳粒子和粘结剂的粘性和延性的料块)进行振动模制，所述模具包括一个顶部敞开的箱体，在顶部有一个可以沿箱体的内壁向下滑动的铅锤(plumb)或重盖。阳极上用以将其固定至阳极吊杆(suspender)的连接孔或凹口通常由具有面朝下的凸起点的向下进入料块中的铅锤产生。以这种方法制备阳极意味着凹口的取向与振动方向(垂直方向)一致，上述制备方法的一个不足之处是：由于实际生产方法的局限性，阳极的物理性能不能得到最佳利用。

一种对方向性差异的说明可能与模制期间材料内部的粒子如何运动有关。例如，振动期间，料块外部几何尺寸在垂直方向减小，而尺寸在水平方向实际上保持不变。另一种原因可能是受到振动的料块含有碳粒子，碳粒子在很大程度上呈拉长片状。在“生”料块振动期间，碳粒子片趋于进行调整，以使其重力中心处于尽可能低的位置。这意味着在垂直方向上的碳粒子间的界面可能比水平方向多，这可以认为是物理性能如机械强度、电阻、热性能等的方向性与采用的模制方向有关的一个主要因素。

对于本发明，已能够制备物理性能可以得到最佳利用的碳电极。在本发明中，可以制备具有减小的电阻和更有利的导热性的碳电极。根据本发明，也能够使用比以前更为简单的材料，而同时又不降低所规定的性能要求。

下面，利用实施例和附图对本发明进行描述，所述附图中：

图1示出了碳电极的物理性能。

图2示出的是如何在碳电极上取样。

图3以图表形式示出了碳电极的电阻在垂直与水平方向间的差异。

图4示出了碳电极中密度与电阻间的比较。

下面称振动方向为垂直方向(V)。相应地，水平方向(H)与此垂直。

在典型的碳电极中从9个区域的两个方向上钻取出两种芯部样品，参见图2。所述区域均处于碳电极底面上方200mm处的平面中，即，在电解过程中工作寿命达到一半之后磨损表面所处的位置。该面与三个相对于所述碳成纵向的竖直平面和三个相对于所述碳成横向的竖直平面间的交叉点表示取样的位置。竖直样品的中心轴处于纵向平面与横向平面间的交汇处，这样，水平平面在所述样品高度的一半处与其相交。水平样品的中心轴在水平平面内并且与其它的尽可能靠近。

对图1示出的样品的一些参量进行了测试，其中包括：

——  二氧化碳反应性，R_CO2

      表示碳电极(阳极)在960℃与二氧化碳发生反应的倾向，

      此值高意味着反应性高。

——  烟灰指数，S_CO2

      表示与二氧化碳的选择性反应，这造成电解液中松散粒子(烟

      灰)。

——  密度(单位重量，体积重量)

      根据样品重量和其外部尺寸计算。

——  比电阻

      根据测得的样品上的电压降和其截面与长度计算。

——  杨氏模量，YM

      弹性模量，根据压缩强度试验中测得的压缩确定。

——  压缩强度，CS

      根据与压缩到开裂有关的施加力计算。

——  透气率，Perm

      表示孔隙的连续性。此值高对应的是开放的材料。

——  热膨胀系数，CTE

      温度变化引起的线性膨胀。

——  空气中的反应性，R_AIR

      表示碳电极(阳极)在525℃下与空气反应的倾向，此值高

      表示反应性大。

——  孔隙率，Por

      基于图像分析测得的总孔隙率。

图1中的表给出了水平和垂直方向上的典型结果。

水平方向的透气性比振动方向稍高，这与中心轴处样品确定的孔隙率相一致。然而，还没有证实这会使得碳内部的CO₂的反应性有显著增加。