[发明专利]多层阴极块

说明书

技术领域

本发明涉及在电解槽(电解池)中使用的阴极。更具体地，本发明涉及在电解还原槽中使用的并具有可湿润表面的多层阴极结构。

背景技术

金属硼化物，如二硼化钛(TiB₂)，在与碳成分的混合物中用来形成用于电解槽的捣固糊(ramming paste)、电解槽内衬以及阴极。金属硼化物已知可以改善它们被加入其中的电解槽组件的表面润湿性。虽然由于在保护阴极以免侵蚀和氧化方面的优越性能，TiB₂是优选的，使得阴极可润湿，但它的相当不利之处在于非常昂贵。

制造可湿润阴极块的另一种方法是混合例如，金属氧化物和硼氧化物的金属硼化物前体与含碳材料以生产复合材料，当在电解槽中暴露于熔融金属如熔融铝时，或当它暴露于在启动以及在操作期间的电解槽的热时，上述复合材料原位形成金属硼化物。在WO 00/29644和WO 05/052218中描述了这样的方法的实施例。

可湿润阴极块可以包括含碳材料-金属硼化物混合层，其具有大约100毫米(mm)的厚度并粘合于含碳基质。含碳材料-金属硼化物混合层经常称作表面层。为了降低制造成本，可以用金属硼化物前体来代替在表面层中的至少一部分的金属硼化物。

含碳基质不是可润湿的并且阴极块的工作寿命受到表面层的限制。而且，表面层的组成与含碳基质的组成之间的差异导致它们的物理性能的差异。这些差异可以最终导致在烘烤期间表面层开裂或导致在电解槽的操作期间的分层。为了克服这些问题，WO00/36187描述了多层阴极块，该多层阴极块包括含碳阴极基质和顺序在基质上的至少两个包含TiB₂的复合耐火材料(难熔材料)的涂敷层。随着层与基质之间的距离增加，在涂敷层中TiB₂的含量会逐步增加。基质并不包含TiB₂。

发明内容

因此，本发明的一个目的是解决上述问题。

根据一般方面，提供了一种用于电解槽的多层阴极块，该多层阴极块至少具有带有表面膨胀指数的表面层和带有第二膨胀指数的第二层，表面层包括第一总量的表面润湿剂；并且第二层包括第二总量的润湿剂，表面层直接叠加至第二层，第二层中的润湿剂包括金属硼化物前体，当阴极块暴露于电解槽的启动和操作条件时，该金属硼化物前体一起反应以原位产生金属硼化物成分，第二总量低于第一总量，并且被选择成使得表面层与第二层的膨胀指数之间的差异最小化。

根据另一个一般方面，提供了一种生产多层阴极结构的方法，其中上述多层阴极结构至少具有带有表面膨胀指数的表面层和具有第二膨胀指数的第二层。该方法包括以下步骤：形成包含含碳材料和第二总量的润湿剂的第二层，润湿剂包括金属硼化物前体，当阴极块暴露于电解槽的启动和操作条件时，该金属硼化物前体一起反应以原位产生金属硼化物成分；以及将表面层叠加至第二层，表面层包括第一总量的表面润湿剂。随着层与基质之间的距离增加，第二层和表面层中的润湿剂的总量会逐步减少，并且选择膨胀指数之间的差异以使表面开裂最小化。

根据另外的一般方面，提供了一种用于电解槽的多层阴极块，包括：包含表面润湿剂并且具有在2到8厘米之间范围的厚度的表面层；以及包含金属硼化物前体的第二层，当阴极块暴露于电解槽的启动和操作条件时，上述金属硼化物前体一起反应以原位产生金属硼化物成分，表面层直接叠加至第二层。

附图说明

图1是本发明可以一起使用的常规铝电解还原槽的部分截去的透视图；

图2是具有两个叠加层的阴极块的示意性截面图；以及

图3是具有三个叠加层的阴极块的示意性截面图。

应当注意到，在整个附图中，由相同的参考标号来表示相同的特征。

具体实施方式

参照图1，常规电解还原槽10包括阴极块20。阴极块20被填充捣固糊21的间隔(间隙，gaps)18分开。熔融电解质接触阴极和捣固糊21，并且熔融铝层形成在阴极上。

图2示出了具有两个叠加层32、34的多层阴极块30的实施方式，即，与熔融铝接触的表面层32和底层(基底层)34。表面层32直接叠加至底层34。

每层32、34的材料包含润湿剂。在表面层32中，润湿剂包括金属硼化物、金属硼化物前体、或金属硼化物和金属硼化物前体的组合。当阴极块暴露于电解槽的启动和操作条件时，金属硼化物前体一起反应以原位产生金属硼化物成分。在底层34中，润湿剂包括金属硼化物前体。它还可以包括金属硼化物和金属硼化物前体的混合物。