[发明专利]用于具有膨胀石墨衬垫的铝电解池的阴极

说明书

技术领域

本发明涉及用于铝电解池的阴极，该阴极由阴极块和连接至这些 块的集电棒构成，而容纳集电棒的阴极槽衬有膨胀石墨。因而降低了 阴极块和铸铁密封体之间的接触电阻，从而提供通过该界面的较好电 流流动。因此，可使用在槽中心内的局部槽衬垫(lining)来产生更加 均匀的电流分布。这通过减少阴极耗损提供这样的阴极的较长有效寿 命并因此提供了提高的电解池生产率。另外，膨胀石墨还充当抵抗化 合物在铸铁和阴极块之间界面处沉积的阻挡层。根据选定的膨胀石墨 品质的具体特性，其还缓冲热机械应力。

背景技术

常规地由Hall-Heroult方法通过溶解在温度高至约970℃的冰晶 石基熔融电解液中的氧化铝的电解来生产铝。Hall-Heroult还原电解 池典型地具有钢壳，该钢壳具有难熔材料的绝缘衬垫，该绝缘衬垫进 而具有接触熔融组分的碳衬垫。连接至直流电源负极的钢制集电棒嵌 入在形成电解池底板(bottom floor)的碳阴极衬底中。在常规电解池 设计中，钢阴极集电棒从外部汇流条延伸，穿过电解池的各侧进入到 碳阴极块内。

每个阴极块在其下表面具有一个或两个在块的相对置横向端之间 延伸的槽或沟以容纳钢集电棒。典型地将这些槽加工成矩形。在电解 池的紧密附近，这些集电棒放置在所述槽中并且最通常用铸铁连接至 阴极块(称作“棒固定(rodding)”)，以促进碳阴极块和钢之间的电 连接。通过使用重设备如起重机将如此制得的碳或石墨制阴极块装配 在电解池的底部，并最终与无烟煤、焦炭和煤焦油的捣固材料结合以 形成电解池底板。在与电解池中心相重合的阴极块中心，阴极块的槽 可容纳一个单集电棒或两个互相面对的集电棒。在后一情形中，用可 压碎材料或者用碳的片块或者用捣实的接缝混合物或者优选用这些材 料的混合物填充集电棒之间的间隙。

在低电压(例如4-5V)和高电流(例如100,000-350,000A)下 操作Hall-Heroult铝还原电解池。所述高电流从顶部进入，通过阳极 构件并然后穿过冰晶石浴，通过熔融铝金属液层，进入碳阴极块，然 后通过集电棒来提供给所述电解池。

电流穿过铝液层和阴极的流动沿着最小电阻的通路。常规阴极集 电棒中的电阻与电流通路的长度成比例，所述电流通路为从电流进入 阴极集电棒的点处到最近的外部汇流条。起始于阴极集电棒上较接近 外部汇流条的位置的电流通路的较低电阻，导致熔融铝液层和碳阴极 块内电流的流动在该方向上偏斜。电流流动的水平分量与电解池内磁 场的竖直分量相互作用，不利地影响有效的电解池工作。

高温和电解质的侵蚀性化学性质结合产生苛刻的工作环境。因此， 现有的Hall-Heroult电解池阴极集电棒技术限于轧制或铸造的软钢 型材。相比之下，潜在的金属替代物例如铜或银具有高电导率但具有 低熔点和高费用。

直到若干年前，钢的高熔点和低费用弥补了其相对差的电导率。 钢的电导率相对于铝金属液层是如此差，以至于最接近坩埚侧部的集 电棒的外三分之一承载大部分载荷，从而在各阴极块内产生非常不均 匀的阴极电流分布。因为基于无烟煤的常规阴极块的化学性质、物理 性质和特别是电性质，直到近来钢的差电导率才呈现出严重的方法限 制。鉴于钢棒的相对差的电导率，相对于阴极和铸铁之间相对高的接 触电阻，可适用相同原理，所述接触电阻迄今在电解池效率改进努力 中没有起主要作用。然而，随着朝向较高能量费用的一般趋势，这种 作用对于熔炼效率变为不可忽视的因素。

从那时以来，为追求规模经济，铝电解池的尺寸随工作电流强度 提高而增加。因为提高了工作电流强度，基于焦炭和沥青而不是无烟 煤的石墨阴极块变得常见，并且还提高石墨在阴极中的百分比以利用 改善的电性质和使生产率最大化。在许多情形中，这已导致向部分或 全部石墨化阴极块发展。在始于约2000℃向上延伸至3000℃或甚至以 上的宽温度范围中发生碳块的石墨化。术语“部分石墨化”或“全部 石墨化”阴极涉及碳晶体结构的区域内的有序程度。然而，不能够在 这些状态之间绘出明显的边界线。原则上，结晶化或石墨化的程度分 别随碳块的加热处理所处的最高温度以及处理时间而增加。关于本发 明的描述，对于在高于约2000℃温度的任何阴极碳块，我们使用术语 “石墨”或“石墨阴极”概括这些术语。进而，对于已被加热至低于 2000℃的温度的阴极块，使用术语“碳”或“碳阴极”。

受利用碳和石墨阴极提供较高电导率的启发，逐渐增加对一些至 今尚未被密切注意的技术作用的关注：