[发明专利]用于制造铝熔炼中的可润湿阴极的组合物

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请是优先权日为2009年7月28日、发明名称为“用于制造铝熔炼中的可润湿阴极的组合物”的中国发明专利申请第201080040756.9号(国际专利申请号为PCT/US2010/043554)的分案申请。

本专利申请要求于2009年7月28日提交的发明名称为“用于制造铝熔炼中的可润湿阴极的组合物”(COMPOSITION FOR MAKING WETTABLE CATHODE IN ALUMINUM SMELTING)的美国临时专利申请No.61/229,083作为优先权，通过引用将其整体并入本文。

背景技术

铝电解槽使用阳极和阴极的系统。一般地，由耐久且廉价的无定形碳制造阴极。但是，具有更好的铝润湿性并通过减少熔融铝的移动允许更近的阳极-阴极间隔的阴极或阴极部件可改善热力学效率。二硼化钛(TiB₂)可被铝金属润湿，并且已努力从TiB₂制造阴极。参见Joo的美国专利No.4,439,382、Lewis的美国专利No.2,915,442、Ransley的美国专利No.3,028,324、Kibby的美国专利No.3,156,639、Ransley的美国专利No.3,314,876(1967年4月18日)，Lewis的美国专利No.3,400,061、Foster的美国专利No.4,071,420、加拿大专利No.922,384(1973年3月6日)和比利时专利No.882,992。但是，据认为当前没有商用的TiB₂阴极。

发明概述

公开了用于制造有待在铝电解槽中使用的可润湿阴极的组合物。一个实施方案公开了通常包含二硼化钛(TiB₂)的组合物。在一些实施方案中，组合物基本上由以下组成：二硼化钛和至少一种金属添加剂，余量为不可避免的杂质。在一些实施方案中，金属添加剂包括Co、Fe、Ni和W等。

在一种方法中，由该组合物制造电极。该电极包括：(i)二硼化钛、(ii)约0.01至约0.75wt.％的金属添加剂和(iii)余量为不可避免的杂质。在一个实施方案中，所述金属添加剂选自Fe、Ni、Co和W以及它们的组合。在一个实施方案中，该电极包括不大于0.65wt.％的金属添加剂。在其它实施方案中，该电极包括不大于约0.60wt.％、或者不大于约0.55wt.％、或者不大于约0.50wt.％、或者不大于约0.45wt.％、或者不大于约0.40wt.％、或者不大于约0.35wt.％的金属添加剂。在一个实施方案中，该电极包括至少约0.025wt.％的金属添加剂。在其它的实施方案中，该电极包括至少约0.050wt.％、或至少约0.075wt.％、或至少约0.10wt.％的金属添加剂。使用这些量的金属添加剂以及少量的不可避免的杂质，至少部分地有利于具有适宜的密度、电性能和耐腐蚀性能的电极的制造和使用。

例如，可从具有与上述类似的组成的粉末制造电极。在一个实施方案中，可通过使用常规的粉末烧结工艺如热压或无压烧结以及其它的粉末烧结工艺来制造电极。烧结是从粉末制造物体的方法，并且包括在烧结炉内在低于材料熔点下加热至少一种材料(固态烧结)，直到粉末的颗粒相互粘接。可以加入致密化助剂，如上述的金属添加剂，以制造致密烧制的二硼化钛组合物本体。致密化助剂可通过在加热期间产生液相而有利于烧结，从而使得能够降低能量(例如，温度和/或压力)并且减少/限制金属添加剂的总量。

关于烧结温度，可通过在约1400℃至约2100℃的温度下烧结来制造电极。在一些实施方案中，温度可在约1600℃至约2000℃的范围内。在一个实施方案中，可以使用压力辅助致密化工艺来制造电极。在这些实施方案中，可在烧结期间施加约70kg/cm²到至少约350kg/cm²的压力。

如上所述，使用上述量的金属添加剂有利于将粉末致密化为电极。在一个实施方案中，选择金属添加剂，使得制造的电极的密度是其理论密度的约80％至约99％。制造具有在该范围内的密度的电极有利于在铝电解槽(例如，使用碳阳极和/或惰性阳极)中的长期使用。如果密度太高，则电极会在电解槽中使用期间开裂。如果密度太低，那么材料可能没有足够的耐久性。

理论密度(ρ_理论)是从原子量和晶体结构计算的、材料能够达到的最高密度。

其中，

N_c＝单胞中的原子数

A＝原子量[kg mol^-1]