[发明专利]具有抗磨表面的石墨化阴极块

说明书

发明领域

本发明涉及用于铝电解槽的阴极块。

背景技术

这样的电解槽用于铝的电解生产，其在工业中通常通过Hall-Héroult方法来进行。在Hall-Héroult方法中，将由氧化铝和冰晶石构成的熔体电解。在这里，冰晶石Na₃[AlF₆]用于将纯氧化铝的2045℃的熔点降低到含有冰晶石、氧化铝和添加剂例如氟化铝和氟化钙的混合物的约950℃。

在这种方法中使用的电解槽具有由形成阴极的多个毗连的阴极块构成的底部。为了经受电解槽运行期间普遍存在的热和化学环境，阴极块通常由含碳材料构成。每个阴极块的底面设有凹槽，在每个凹槽中布置有至少一个母线，经阳极馈送的电流通过所述母线流出。在这种情形中，在阴极块的限定凹槽的各个壁与母线之间的空隙，通常用铸铁密封，以便用得到的具有铸铁的母线套将母线与阴极块电学地和机械地连接。由各个阳极块形成的阳极被布置在位于阴极顶面上的熔融铝层上方约3至5cm处，并且电解质，即含有氧化铝和冰晶石的熔体，位于所述阳极与铝表面之间。在约1000℃下进行电解期间，形成的铝由于其密度与电解质密度相比相对较大这一事实而沉降在电解质层下方，即作为阴极块的顶面与电解质层之间的中间层。在电解期间，溶解在冰晶石熔体中的氧化铝被流过的电流分解成铝和氧。根据电化学，熔融铝层是实际的阴极，因为铝离子在其表面上被还原成元素铝。然而，在下文中术语“阴极”将不被理解为是指从电化学观点来说的阴极、即熔融铝层，而是指形成电解槽底部并由一个或多个阴极块构成的组件。

Hall-Héroult方法的显著缺陷在于它需要大量能量。为了生产1kg铝需要约12至15kWh电能，其占到生产成本的高达40%。因此，为了能够降低生产成本，希望尽可能地降低这种方法的比能量消耗。

因此，近来越来越多地使用了石墨阴极，即由含有石墨作为主要成分的阴极块制成的阴极。在此处，在使用石墨作为原料生产的石墨阴极块与使用含碳石墨前体作为原料生产的石墨化阴极块之间作出区分，所述石墨前体通过随后在2100至3000℃下的热处理转化成石墨。与非晶碳相比，石墨的特征在于低得多的比电阻率以及明显更高的导热率，因此，在电解期间使用石墨阴极首先可降低电解的比能量消耗，其次可在更高的电流强度下进行电解，从而可提高单个电解槽的生产率。然而，在电解期间，由于表面侵蚀，石墨的阴极或阴极块、特别是石墨化阴极块经历高度磨损，其比非晶碳阴极块所经历的磨损高得多。阴极块表面的这种侵蚀不是均匀地发生在阴极块的纵向上，而是在阴极块操作期间在出现最大局部电流密度的阴极块的边界区域处程度增加。这是由于母线与边界区域中的电流馈送元件发生接触，基于这种原因，得到的从电流馈送元件直至阴极块表面的电阻，在流过阴极块的边界区域的情形中比在流过阴极块的中心的情形中更低。由于这种不均匀的电流密度分布，以及随着运行时间的增加，当在阴极块的纵向上观察时，阴极块的表面变成近似W型的轮廓，这种不均匀的侵蚀意味着阴极块的使用寿命受到具有最大侵蚀的点的限制。不论这一点如何，在电解期间机械影响都增加了阴极块的磨损。由于电解期间普遍存在的高磁场和产生的电磁相互作用，熔融铝层处于连续移动之中，因此在阴极块表面上发生显著的粒子磨损，并且在石墨阴极块的情形中，这与由非晶碳制成的阴极块相比，引起高得多的磨损度。

此外，DE 197 14 433 C2公开了具有涂层的阴极块，所述涂层含有至少80重量%的二硼化钛，并通过将二硼化钛等离子体喷射至阴极块表面上来生产。这种涂层旨在提高阴极块的抗磨性。然而，这样的纯二硼化钛或具有非常高的二硼化钛含量的涂层非常易碎，并因此易于开裂。此外，这些涂层的比热膨胀约为碳的比热膨胀的两倍高，因此这样的阴极块涂层当在熔盐电解中使用时仅具有短的使用寿命。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种如下的阴极块，其具有低的比电阻率，能够优选地用铝熔体充分地润湿，并且特别是针对熔盐电解操作期间普遍存在的磨蚀、化学和热环境具有高的抗磨性和耐磨性。

根据本发明，这一目的通过下述用于铝电解槽的阴极块来实现，所述阴极块具有基层并具有盖层，其中所述基层含有石墨，而所述盖层由石墨复合材料构成，所述石墨复合材料含有1至小于50重量%的熔点为至少1000℃的硬质材料。