[发明专利]用于生产铝的阴极组件

说明书

本发明涉及一种新型阴极组件及其在电解槽中生产铝的用途。

技术领域

本发明涉及一种新型阴极组件及其在电解槽中生产铝的用途。

背景技术

例如，电解槽用于铝的电解生产，其在工业规模上通常根据Hall-Heroult工艺进行。在Hall-Heroult工艺中，电解氧化铝和冰晶石的熔融混合物。这里，冰晶石Na₃[AlF₆]用于将纯氧化铝的熔点2045℃降低至混合物的约950℃(该混合物为含有冰晶石、氧化铝和诸如氟化铝和氟化钙等其他物质的混合物)。

在该工艺中使用的电解槽包括阴极底部，该阴极底部由多个(例如多达28个)形成阴极的相邻阴极块组成。这里，阴极块之间的中间空间通常填充有碳素捣固糊，以便针对电解槽的熔融成分对阴极进行密封，并补偿在电解槽投入运行时产生的机械应力。阴极块通常由碳质材料(例如石墨)制成，以便承受电解槽运行时普遍存在的热和化学条件。阴极块的下侧通常设置有狭槽，在每个狭槽中设置一个或两个导电棒，经由阳极供给的电流通过该导电棒放电。这里，导电棒和形成狭槽的边界的的各个阴极块壁之间的中间空间通常填充有铸铁或捣固糊，使得由此产生的导电棒的铸铁套将该导电棒电连接和机械连接到阴极块。在通常为15～50cm厚的阴极顶侧的液态铝层上方约3～5cm处存在阳极，特别是由各个阳极块形成的阳极。在该阳极和铝的表面之间发现电解质(换句话说，含有氧化铝和冰晶石的熔体)。在大约1000℃下进行的电解过程中，由此形成的比电解质更稠密的铝沉降在电解质层下方，换句话说，作为阴极顶侧和电解质层之间的中间层。在电解中，溶解在熔体中的氧化铝通过电流流动分离成铝和氧。从电化学的观点来看，因为铝离子在液态铝层的表面被还原成元素铝，因此液态铝层是实际的阴极。尽管如此，在下文中，术语阴极不是指电化学观点的阴极(换句话说，液态铝层)，而是指例如由一个或多个阴极块组成且形成电解槽底部的组件。

如果导电棒和形成狭槽的边界的各个阴极块壁之间的中间空间填充有铸铁，则需要所谓的棒捣步骤。在该棒捣步骤过程中，将阴极块预热，并将熔融的铸铁注入导电棒和形成狭槽的边界的阴极块壁之间的间隙中，并通过冷却使其凝固，在冷却过程中铸铁会收缩。在电解槽启动期间，铸铁逐渐膨胀，但是它决不会再次达到与熔融铁相同的温度。由于不同的热膨胀，铸铁和阴极块之间的接触在狭槽中的所有表面上是不均匀的。因此，导电棒、铸铁和阴极块之间的电接触是不均匀的，从而导致这种装置的电阻更高，阴极电压降更高，并因此导致电解过程的能量效率低。此外，棒捣步骤需要时间，并且占熔炉阴极组件的总成本的40～60％，并且该步骤可能与健康和安全问题相关。

如果使用碳素捣固糊代替铸铁，则由于这些捣固糊通常含有多环芳烃，因此可能会产生健康和环境问题。然而，使用碳素捣固糊不需要如使用铸铁所需要的熔铸步骤。

WO 2016/079605描述了一种阴极装置，其中，使用由诸如铜等高导电金属制成的导电棒来代替由钢制成的导电棒。相应的导电棒能够与阴极块直接接触，即，既不使用铸铁也不使用碳素捣固糊，并且该导电棒水平地位于阴极块内。向外延伸的这些导电棒的一部分连接到钢连接棒，该钢连接棒的横截面积大于连接的导电棒的横截面积，并且该钢连接棒连接到外部电流源。钢连接棒和由高导电金属制成的导电棒彼此部分重叠，并且例如通过焊接、通过夹紧而固定在一起或者它们螺纹连接在一起。导电棒和钢连接棒的这种布置的目的是为了减小电压降，并确保电解槽的热平衡。WO 2016/079605没有解决在电解槽寿命期间(通常为3～6年)与运输、操作、安装、电解槽焙烧和启动以及阴极起伏有关的机械坚固性和化学防护的问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种阴极组件，该阴极组件不含有铸铁或碳素捣固糊，并且能够直接连接到外部母线系统，即，该阴极组件能够在运送时直接安装在电解槽中。此外，该阴极组件应在阴极块内提供更均匀的电流分布并减小电压降。