[发明专利]用于电解铝生产电池的二硼化钛-碳化硅复合材料及其生产方法

说明书

发明领域

本发明涉及用于在电解铝生产电池中使用的复合材料，并且更具体地涉及在铝生产电池中作为阴极有用的包括二硼化钛、碳化硅和含碳清除剂添加剂的复合材料。

背景信息

用于电解铝生产电池（也称为Hall-Héroult电池）的材料必须在1,000℃等级的高温下是热稳定的，并且必须能够经受极端严苛的条件例如暴露于高温下的熔融冰晶石、熔融铝和氧气。尽管不同类型的材料已经用作阴极并且用于对电解铝生产电池的壁加衬里，但是对于能够经受此类严苛条件的改进的材料仍然存在一种需求。

对于电解铝生产电池中作为一种阴极材料的应用，二硼化钛（TiB₂）将是令人希望的。当二硼化钛用作一种可沾湿的阴极时，可以极大地减少用于该电池工作的能量。二硼化钛具有很多所希望的特性包括可被熔融铝润湿性、高温稳定性以及优异的耐腐蚀性。然而，这些二硼化钛阴极的制造是困难的，因为二硼化钛粉末不容易烧结并且不易于形成致密的零件。二硼化钛粉末经常要求施加非常高的压力和温度（远超过2,000℃）以便减少该烧结料的孔隙率。甚至在如此极端的条件下，二硼化钛部件经常不是完全致密的或它们展现出微裂纹，二者都降低了性能。

已经将多种烧结助剂添加到二硼化钛中来尝试降低加工温度、微裂纹以及残留孔隙率。然而，已经发现常规的烧结助剂降低了二硼化钛部件的耐腐蚀性，尤其是在严苛的环境中例如在电解铝生产电池中所发现的。

发明概述

本发明提供了多种复合材料，这些复合材料包括二硼化钛、碳化硅（SiC）以及少量的含碳清除剂添加物例如碳化钨（WC）、碳化硼（B₄C）和/或碳。这些TiB₂/SiC复合材料可以用作电解铝生产电池中的阴极。控制二硼化钛、碳化硅和一种或多种含碳清除剂的量值以便提供最佳性能。这些TiB₂/SiC复合材料是导电的，展现出所希望的铝沾湿行为，并且能够经受暴露于电解铝生产电池工作过程中的高温下的熔融冰晶石、熔融铝和氧气。

本发明的一个方面是提供一种用于在电解铝生产电池中使用的复合阴极，该复合阴极包括从约70至约98重量百分数的二硼化钛、从约2至约30重量百分数的碳化硅、以及至少约0.2重量百分数的至少一种含碳清除剂。

本发明的另一个方面是提供一种用于制备在电解铝生产电池中使用的复合阴极的方法。该方法包括将二硼化钛、碳化硅和至少一种含碳清除剂的粉末混合、并且固结该混合物以便形成该复合阴极。

本发明的这些以及其他方面将从下面的说明中变得更清楚。

附图的简要说明

图1是根据本发明的一个实施例的电解铝生产电池的部示意侧截面视图，这种电池包括一个阴极，该阴极可以由TiB₂/SiC复合材料制成。

图2是根据本发明的一个实施例具有少量WC添加的、TiB₂/SiC复合材料的显微照片。

图3是根据本发明的另一个实施例具有少量WC和B₄C添加的、的TiB₂/SiC复合材料的显微照片。

详细说明

本发明提供了多种包括二硼化钛、碳化硅以及含碳清除剂添加剂的复合材料，这些复合材料特别适合用作电解铝生产电池中的阴极材料。图1示意性地展示了一种电解铝生产电池10，该电池包括一个底壁或阴极12以及侧壁14、16。一个阳极18延伸进入该电池10中。该阳极18可以是一个含碳的可消耗阳极、或可以是一个稳定的惰性阳极。在该电解铝生产过程中，该电池10含有熔融的冰晶石20（包括在一种氟化盐浴中的氧化铝），并且在该阳极18与该电池的阴极底壁12之间产生了电流。在该电解还原过程中，在该熔融的冰晶石20中的氧化铝转化成熔融的铝22，该熔融的铝沉积在该电池的阴极12上。典型地，该电池10对大气是开放的，并且至少侧壁14和16的上部的部分暴露于周围空气中的氧气。

阴极12和侧壁14和16中各自必须在电解过程中所经历的高温下是热稳定的，并且必须能够经受暴露于在如此高温下的熔融冰晶石、熔融铝以及氧气。此外，阴极12、以及侧壁14和16应该具有令人满意的铝沾湿特性以及受控的电导率水平。该电池10的阴极12、以及侧壁14和16能够以板的形式来制造，这些板安装在该电池的内部侧壁上。这些板可以具有任何适合的厚度。