[发明专利]具有插槽几何形状的阴极块

说明书

本发明公开了一种具有插槽几何形状的阴极块，用于生产铝的电解槽的所述基于碳的阴极块设置有至少一个用于容纳至少一个阴极棒的插槽，所述至少一个插槽具有至少一个空腔，空腔的至少一些部分在插槽的纵向上延伸并包括至少一个切口。

技术领域

本发明涉及具有新型插槽几何形状的基于碳的阴极块、用于具有所述阴极块的铝电解槽的阴极底部以及具有所述阴极底部的电解槽。

背景技术

通常，通过熔盐电解的方式在熟知的电解槽中生产铝。电解槽通常包括由铁板或钢制成的储罐，储罐的底部衬有隔热层。在储罐中，多达28个由与电源的阴极连接的碳或石墨制成的阴极块形成另一储罐的底部，其壁由碳、石墨或碳化硅的侧块组成。在不同情况下，在两个阴极块之间形成有间隙。阴极块和被选择性填充的间隙的布置通常被称为阴极底部。阴极块之间的间隙通常用基于煤焦油的碳和/或石墨的捣打料来填充。这用于密封熔合的成分，并在操作期间补偿机械应力。悬挂在连接至电源的阳极的支撑结构上的碳块通常用作阳极。

在这样的电解槽中，氧化铝(Al₂O₃)和冰晶石(Na₃AlF₆)的熔融混合物优选包含约2％至5％的氧化铝、约85％至80％的冰晶石和其它添加物，并在约960℃的温度下进行熔盐电解。其中溶解的氧化铝与固体碳阳极反应并形成液态铝和气态二氧化碳。熔融混合物用保护壳来覆盖电解槽的侧壁，同时，由于与熔化物的密度相比铝的密度更大，铝聚集在熔化物下面的电解槽的底部上，因此可以得到保护而不被空气中的氧或二氧化碳再次氧化。由此产生的铝定期从电解槽中移除并进行进一步处理。

在电解过程中，阳极被消耗，而阴极底部在电解过程中保持很大的化学惰性。因此，阳极是消耗部件，其在使用年限内经常进行更换，而阴极底部设计用于长期持久的使用。然而，现今的阴极底部易受磨损。由于铝层在阴极底部上移动，阴极表面发生机械磨损。另外，通过碳化铝的形成和钠的结合，阴极底部发生(电)化学腐蚀。由于通常串联连接100至300个电解槽以建立用于生产铝的经济型设备，并且这种设备通常可以使用至少4至10年，所以在这种设备中电解槽中的阴极块的失效和更换是昂贵的并且需要复杂的修理，这极大降低了这种设备的收益性。

对于电解槽的操作，在不同情况下，阴极块各自具备至少一个用于容纳至少一个阴极棒的插槽，经阳极引入的电流通过该插槽传导。在这种情况下，阴极棒可以由钢、铜、其他导电金属、金属合金或金属复合材料组成，优选由钢组成。界定插槽的阴极块的各个壁与阴极棒之间的中间空间通常由铸铁镶铸，由此形成铸铁-阴极棒组合。通过这种插槽的填充，能确保在操作期间阴极棒电连接和机械连接至阴极块。这种镶铸过程也被称为“棒料加工(rodding)”。在这一加工步骤之后，由阴极棒、铸铁和阴极块组成的组件旋转180°进入已知的工作位置，并安装在槽中。在本发明的上下文中，工作位置应被理解为指相对于阴极棒的插槽的开口指向下方。然后，使其达到约960℃的操作温度，并连续运行数年。

关于汇流条在旋转进入工作位置的过程中或在安装过程中掉落的可能性，已知插槽几何形状对其有影响。采用楔形插槽的形式(参见图1a和图1b)可阻止镶铸阴极棒的掉落，由于是楔形插槽，所以阴极棒-铸铁组合被夹在插槽中。然而，在这种情况下，由于阴极棒-铸铁组合与阴极块相比具有不同的热膨胀系数(CTE)，具有约3至5倍的系数，所以在棒料加工和用于安装的布置的旋转之后的冷却中，在阴极棒-铸铁组合和阴极块的插槽的底部之间形成0.5mm至10.0mm的气隙。热膨胀系数(CTE)是热膨胀的特性，描述了物质的尺寸随着温度变化而变化的行为。CTE是根据2005年7月1日发布的ISO(国际标准化组织)14420来测量的。

在加热至操作温度时，阴极棒-铸铁组合发生膨胀，使得机械压力施加在不太强烈膨胀的阴极块上。这更大程度上发生在插槽的侧壁上，较小程度上发生在阴极块的插槽的底部上。因此，在阴极块中可能产生裂缝，这会导致液态铝或熔化物能够渗透到块中，因而最终缩短阴极块的使用寿命。