[发明专利]为电解池的含碳组件提供保护涂料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备在铝生产中所用电解池的含碳组件的保护涂料的方法。本发明更具体地涉及能使电解池的含碳组件在电解期间免受劣化影响的涂料组合物，以及含有它们的组件。

背景技术

铝的生产通常通过Hall-Heroult电解还原方法进行，其中氧化铝溶解在熔融的冰晶石中，并在约900-1000℃温度下电解。该方法在还原池中进行，还原池通常包括配有由合适耐火材料制成的绝缘衬里的不锈钢壳，该耐火材料又进一步包括与熔融组分接触的碳衬里。一个或多个阳极通常由预烘烤(prebaked)的炭精块制成，这些阳极与直流电源的正极连接，悬挂在池内。一个或多个与直流电源的负极连接的传导棒包埋在包含电池板的碳阴极基质中，从而使得阴极基质在施加电流时成为阴极。

在铝生产中所用的预烘烤的阳极由含石油焦炭与作为粘合剂的沥青的聚集体构成，碳衬里通常由一列预烘烤的阴极块构成，它们与通常包含无烟煤、滑石、煤焦油沥青的混合物一起冲压。

在电解池内按照以下反应以熔融的形式生产铝：

          

在传统的Hall-Heroult池设计中，铝是以沿着电解池底部的熔融铝池(pool)的形式收集。在此过程中，氧气被释放出来并与阳极表面上的碳反应，生成二氧化碳气体。理论上，如上述反应表示，每生产1kg铝要消耗0.334kg的阳极碳。但是实际上，阳极的消耗量要超出25-35％。

预烘烤的阳极的过量消耗是由于一系列副反应导致的，可以总结如下：

i)空气氧化：氧化反应是由于空气中的氧接触阳极上部且如果阳极没有受到保护，则反应生成二氧化碳；

ii)Boudouard反应：碳-氧化反应是由于阳极表面上的二氧化碳被浸没在电解质中，生成一氧化碳(称为Boudouard平衡)；和

iii)起尘：沥青焦炭对于石油焦炭的选择氧化反应，导致释放碳颗粒，产生粉尘，这对操作产生负面影响。

在电解池内由于这些副反应导致的损失占铝生产成本的大约10％。

铝生产的经济效率低可以进一步归因于电解池的碳衬里或阴极材料的劣化，这是由于电解质和液体铝的腐蚀和渗透，以及金属钠的嵌入。

尽管用于生产铝的Hall-Heroult方法目前是最可靠的，但是仍然需要改进。就该方法的经济效率低而言，相当多的努力集中在开发能经受铝电解的苛刻条件的、改进的电解池组件。

例如，Lorkin等人的美国专利3852107教导了用于电极的不可渗透的保护涂料，包含熔点低于1000℃的基体以及耐火填料，溶解或悬浮在液体载体如水中。作为一个实例，该涂料的基体组分是一种石墨可润湿的材料，例如硼酸和/或形成釉面的材料例如氟化铝钠。其中建议的耐火填料包括氧化物、碳化物、氮化物或硼化物。在特定情况下建议使用适宜的表面张力改进剂例如铬矿石，以便改进石墨的润湿性。

Boxall等人的美国专利4624766描述了用于铝电解池的铝可润湿的、固化的、碳化的阴极材料，其中在含碳基质中包含硬耐火材料，含碳基质包含含碳填料和被非石墨的无定形碳粘合的碳纤维，该基质具有与在电解池操作环境中的耐火硬材料的磨损和溶解速率基本上相等的烧蚀率。

Sekhar等人的WO98/17842(1998年4月30日公开)描述了将耐火硼化物施用于铝电解池组件的方法，其中在至少两个级别的胶态载体中形成粒状的预制耐火硼化物的浆液，所述胶态载体选自胶态氧化铝、氧化钇、铈土、氧化钍、氧化锆、氧化镁、氧化锂、磷酸一铝、乙酸铈和其混合物，两种胶态载体各自优选是相同的胶体，然后干燥。两个级别的胶态载体具有不同的平均粒径，相差约10-50纳米。

Manganiello等人的美国专利5486278公开了一种用含硼溶液浸渍含碳电解池组件以改进在电解池操作期间耐劣化性的方法。当水用作含硼溶液的溶剂时，需要使用表面活性剂以达到可接受的处理时间。或者，溶剂可以选自甲醇、乙二醇、甘油和其混合物。该方法需要将含硼溶液加入待保护组件中至1-10cm深度。该专利进一步公开了按照该方式处理的含碳组件的空气氧化与用传统铝保护涂料处理的相似组件的净消耗量相当。

尽管进行了上述努力，但是进行铝电解的传统技术仍在广泛应用。这表明还没有抵抗含碳电解池组件劣化的技术上更先进或更经济有效的方法。