[发明专利]具有含硬质材料的盖层的阴极块

说明书

技术领域

本发明涉及用于铝电解槽的阴极块。

背景技术

这样的电解槽用于铝的电解生产，其在工业中习惯上通过Hall-Héroult方法来进行。在Hall-Héroult方法中，将由氧化铝和冰晶石构成的熔体电解。在此处，冰晶石Na₃[AlF₆]起到如下的作用：将纯氧化铝的2045℃的熔点降低到含有冰晶石、氧化铝和添加剂例如氟化铝和氟化钙的混合物的约950℃。

在这种方法中使用的电解槽具有如下的底部，其通常由形成阴极的多个毗连的阴极块构成。为了抵抗电解槽运行期间普遍的热和化学环境，阴极块通常由含碳材料构成。每个阴极块的底面设置有凹槽，在每个凹槽中布置有至少一个母线，经阳极馈送的电流通过所述母线放出。在这种情形中，在阴极块的限定凹槽的各个壁与母线之间的空隙，通常用铸铁密封，以便利用得到的具有铸铁的母线套将母线电学和机械地连接到阴极块。由单独的阳极块形成的阳极布置在位于阴极顶面上的熔融铝层上方约3至5cm处，并且电解质即含有氧化铝和冰晶石的熔体位于所述阳极与铝表面之间。在约1000℃下进行电解期间，形成的铝由于其密度与电解质的相比较大这一事实而沉降在电解质层下方，即作为阴极块的顶面与电解质层之间的中间层。在电解期间，溶解在冰晶石熔体中的氧化铝被流过的电流分解成铝和氧。根据电化学，熔融铝层是真正的阴极，因为铝离子在其表面上被还原成元素铝。然而，在下文中术语“阴极”将不被理解为是指从电化学观点来说的阴极即熔融铝层，而是指形成电解槽底部并由一个或多个阴极块构成的部件。

Hall-Héroult方法的显著缺陷在于它需要大量能量。为了生产1kg铝，需要约12至15kWh电能，其占到生产成本的高达40%。因此，为了能够降低生产成本，希望尽可能低降低这种方法的比能量消耗。

为此原因，近些时候越来越多地使用了石墨阴极，即含有石墨作为主要组成成分的阴极块。与非晶碳相比，石墨的独特之处在于低得多的电阻率以及明显更高的导热率，基于这种原因，在电解期间使用石墨阴极首先可降低电解的比能量消耗，其次可在更高的电流强度下进行电解，从而可提高每个电解槽的铝生产率。然而，石墨阴极块对电解槽运行期间发生的磨蚀性磨损过程具有非常低的、特别是相对低的抗性，因此与由非晶碳组成的阴极块相比具有较短的使用寿命。特别是，由未溶解的氧化铝构成的浆料容易沉降在石墨阴极块表面上，这首先由于浆料形成引起的粒子磨损而大幅降低阴极块的耐磨性，其次由于有效阴极表面的减少而阻碍电流在阴极块表面上的流动，造成电解期间比能量消耗的增加。这还导致电流密度的增加，其可导致电解槽的使用寿命更短。

为了改进阴极块表面的润湿，在WO96/07773A1中已提出向阴极块施加纯的二硼化钛、二硼化锆等的涂层。DE19714433C2公开了具有类似涂层的阴极块，所述涂层含有至少80重量%的二硼化钛，并通过将二硼化钛等离子体喷涂至阴极块表面上来生产。然而，这样的纯二硼化钛的涂层或具有非常高二硼化钛含量的涂层非常易碎，并因此易于开裂。此外，这些涂层的比热膨胀近似为非晶碳或石墨的两倍高，这是它们当在熔盐电解中使用时仅具有短的使用寿命的原因。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有低的比电阻率的阴极块，其特征在于高导热率，其能够在铝熔体的情况下充分地润湿，针对熔盐电解操作期间普遍存在的磨蚀、化学和热环境具有高耐磨性，并且特别地还以下述事实为特征，即在进行熔盐电解时没有浆料沉积或至多有少量浆料沉积在其表面上。

根据本发明，这种目的通过下述用于铝电解槽的阴极块来实现，所述阴极块具有基层并具有盖层，其中所述基层含有石墨，并且所述盖层由如下的碳复合材料构成，所述碳复合材料含有15至小于50重量%的熔点为至少1000℃的硬质材料。

这种解决方案是基于下述理解，即在含有石墨的基层上设置如下的盖层以产生如下的阴极块，其中所述盖层由如下的碳复合材料构成，该碳复合材料含有不少于15重量%但至多低于50重量%的熔点为至少1000℃的硬质材料，所述阴极块具有用于高能效熔盐电解操作的足够低的比电阻率，并对熔盐电解期间普遍存在的磨蚀、化学和热环境还具有非常高的耐磨性。在此处，特别令人预料不到的是，在这样的阴极块中，可靠地阻止了特别是浆料的形成或浆料在表面上的沉积，因此不仅由于减少或阻止由浆料形成引起的粒子磨损而大幅增加了阴极块的耐磨性，而且特别是可靠地阻止了由于浆料形成或浆料在阴极块表面上沉积而引起的电流流动的阻碍，并且可靠地阻止了在电解期间由其引起的比能量消耗的增加。