專利名稱：可熱更換的硼化鈦惰性陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種鋁電解槽用的可熱更換的惰性陰極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
作為鋁電解槽中的陰極常用的材料是硼化鈦耐熱陶瓷及其復(fù)合材料，但由于TiB2陶瓷價(jià)格昂貴，所以目前采用涂層或薄細(xì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)TiB2陶瓷在炭素電極上涂復(fù)和連結(jié)方式的不同，常見的惰性陰極結(jié)構(gòu)模式可分為三種類型〔1〕涂復(fù)型。用等離子噴涂、化學(xué)氣相沉積、熔鹽電鍍、直接涂抹和燒結(jié)等方法，在炭素電極表面形成一薄層TiB2涂層?！?〕粘貼型。將TiB2或其復(fù)合材料預(yù)制成瓦片，用粘結(jié)劑粘貼到炭素電極表面形成涂復(fù)層?！?〕非牢固連結(jié)型。TiB2或其復(fù)合陶瓷制成預(yù)制件不與炭素電極直接牢固連接，而是置與床架或插入非緊配合的插座內(nèi)。目前，常用的是第〔1〕，〔2〕類型的惰性陰極結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)的陰極在使用一定時(shí)間之后，由于炭素電極的熱變形或電解質(zhì)中鈉離子的滲入，會(huì)使槽底炭素陰極面出現(xiàn)隆起，導(dǎo)致TiB2涂層開裂；又由于鋁液和電解質(zhì)對(duì)TiB2的侵蝕或偶然的機(jī)械損傷也會(huì)引起TiB2涂層的局部破裂；此外TiB2與炭素電極之間熱膨脹系數(shù)的不同也會(huì)引起TiB2涂層產(chǎn)生裂縫。因此，一旦TiB2涂層形成裂縫會(huì)使TiB2涂層與炭素電極的連結(jié)界面滲入鋁液，生成難以析離的不良導(dǎo)體Al4C3化合物，這種化合物逐步向內(nèi)層界面生成，導(dǎo)致陰極導(dǎo)電阻力障礙，甚至造成涂層剝落，最終惰性陰極失效，使整槽的TiB2涂層報(bào)廢。近年來第〔3〕類非牢固連結(jié)型的惰性陰極結(jié)構(gòu)受到關(guān)注，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)中的TiB2預(yù)制組合件不與炭素電極基體直接連接，可以不受炭素基體形變的影響，對(duì)于個(gè)別或局部TiB2組合件在損壞或失效后可以在操作過程中熱更換下來，從而提高了TiB2陶瓷的有效利用率和延長(zhǎng)惰性陰極的實(shí)際使用壽命。但存在的缺點(diǎn)是〔1〕在使用中組合件容易粘結(jié)住或被沉積物卡住，給熱更換帶來種種困難，〔2〕由于TiB2組合件位置是固定不變的，隨著鋁產(chǎn)出量的增加，組合件由開始暴露與電解質(zhì)之內(nèi)到而后又深埋于鋁液之下，極距難以保持恒定的小距離。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種新型的陰極組合件，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可方便進(jìn)行更換，隨著鋁產(chǎn)出量的增加可恒定地保持既定的小極距。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是在材料選用上，采用比重較小的碳纖維增強(qiáng)的TiB2－C〈碳或石墨〉復(fù)合陶瓷代替純TiB2；在結(jié)構(gòu)上，采用有限位件的全活動(dòng)型的懸浮式惰性陰極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不同于美國(guó)專利US 4，349，427中所公開的陰極組件。由于本實(shí)用新型選用了上述材料和結(jié)構(gòu)，構(gòu)成的惰性陰極組合件是懸浮式的，這不僅可以使組合件隨著鋁產(chǎn)出量的增加而恒定地保持既定的小極距，還可避免長(zhǎng)期使用中組合件粘結(jié)后影響熱更換，而且其抗鋁液浸蝕性和機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于純TiB2陶瓷；成型工藝簡(jiǎn)單可制做大規(guī)格和形狀復(fù)雜的預(yù)制件；由于采用復(fù)合材料，相比于用純TiB2的成本顯著降低，使用壽命明顯增加，在目前常用的電解槽中使用不需作大的改動(dòng)。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種惰性陰極，包括導(dǎo)電的TiB2－C復(fù)合板和相連接的定位件組成的多個(gè)單元，裝在復(fù)合板上的絕緣的限位件，定位件在復(fù)合板的下部中間部位，定位件包括上定位件和下定位件，上定位件的頂端與復(fù)合板連結(jié)，下定位件固定在電解槽的炭素電板基體上，上定位件的主體與園筒形的下定位件相適匹，并可以作軸向的位移。復(fù)合板是圓形和方形中的一種，圓形復(fù)合板單元的外圍設(shè)置石墨定位柱。限位件可用絕緣的BN材料制成。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的另一種惰性陰極床架式結(jié)構(gòu)，它由帶兩個(gè)以上內(nèi)凹部位的石墨床架，放置在內(nèi)凹部位的TiB2－C復(fù)合板，和絕緣的限位件組成，在內(nèi)凹部位的托盤上開有長(zhǎng)槽，限位件一端凸起在復(fù)合板上，與限位件相連的連接件穿過長(zhǎng)槽后的另一端有一個(gè)定位端。
本實(shí)用新型所采用的復(fù)合陶瓷中TiB2的含量(重量％)在20－90范圍內(nèi)，最佳的選用范圍為35－65。復(fù)合陶瓷的比重小于鋁液的比重。


圖1表示鋁還原電解槽的示意結(jié)構(gòu)。
圖2表示本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種可熱更換TiB2惰性陰極結(jié)構(gòu)。
圖3表示圖2的惰性陰極中任一單元的上、下定位件，與TiB2復(fù)合板，限位件以及碳素電極之間的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4表示另一種可熱更換惰性陰極的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5表示一種采用石墨床架式可熱更換惰性陰極的結(jié)構(gòu)示意圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的惰性陰極作進(jìn)一步的描述。
附
圖1為鋁還原電解槽的示意結(jié)構(gòu)圖。它包括由外殼12，內(nèi)襯17，底襯18，炭素電極基體層16構(gòu)成的電解槽容器，浮動(dòng)式惰性陰極15，絕緣的限位件32，陽(yáng)極10，陰極金屬引線11，熔融電解質(zhì)13，熔融鋁14。隨著電解過程的進(jìn)行熔融鋁14不斷增加，浮動(dòng)惰性陰極隨之上浮，限位件32是絕緣材料制成的，當(dāng)惰性陰極上浮到一定高度時(shí)，限位件32碰到陽(yáng)極10的底部位置，使惰性陰極不能再上浮而達(dá)到保持既定的極距；從出料口取出一部分電解鋁后，則浮動(dòng)惰性陰極就隨之下降。本實(shí)用新型涉及的就是有關(guān)惰性陰極15的結(jié)構(gòu)。
附圖2和3示意表示一種可熱更換的懸浮式惰性陰極結(jié)構(gòu)，其中懸浮式惰性陰極包括導(dǎo)電的TiB2－C復(fù)合板1，復(fù)合板1是方形的，整個(gè)惰性陰極可以由多個(gè)如圖所示的方形復(fù)合板單元組合成，復(fù)合板上設(shè)有電絕緣的限位件2，它可以保證當(dāng)陰極上浮時(shí)復(fù)合板1與陽(yáng)極底端間有一定的距離既定的極距，以免它們相接觸，每復(fù)合板單元的下部中間部位設(shè)置定位件3，定位件3包括上定位件3b和下定位件3a，上定位件的頂端面3bs與復(fù)合板1固定連接，如粘接，下定位件3a呈中孔園柱形，其中孔內(nèi)可以適配上定位件3b。當(dāng)復(fù)合板1受力上下浮動(dòng)時(shí)連帶著上定位件3b順著下定位件3a的中孔的軸向作上下運(yùn)動(dòng)。下定位件3b的下端固定在炭素電極基體4內(nèi)。
另一種惰性電極的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它與圖2所示結(jié)構(gòu)的不同之處在于，構(gòu)成惰性陰極的多個(gè)復(fù)合板單元41是呈圓形的，為了防止每個(gè)單元的復(fù)合板41在作上下運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生傾斜，在炭素電極基體44上設(shè)置石墨定位柱5，以保證惰性陰極的復(fù)合板只作垂直于炭素電極基體的上下運(yùn)動(dòng)。圓形的復(fù)合板結(jié)構(gòu)單元除了可作上下運(yùn)動(dòng)外。還可以定位元件為軸作轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可使陰極組合件的復(fù)合板41上的限位件42的位置經(jīng)常變動(dòng)，使其與陽(yáng)極底部的接觸部位不斷改變，避免由于長(zhǎng)期固定接觸后該處陽(yáng)極不導(dǎo)電而形成凸起。
另一種惰性陰極的結(jié)構(gòu)如圖5所示，這是一種床架式結(jié)構(gòu)，整個(gè)石墨床架6放置在炭素基體上，床架也可用氮化硼或碳化硅制成，用這兩種材料時(shí)，在復(fù)合板與炭素電極基體之間要加設(shè)導(dǎo)電體?？筛?dòng)的TiB2－C復(fù)合板單元21分別放置在床架6的不同內(nèi)凹部位。內(nèi)凹部位的托盤8上開有長(zhǎng)槽7，限位件22的一端在復(fù)合板21上凸起一定距離，并架設(shè)在復(fù)合板21上，而與限位件22相連的連接件9向下方向穿過長(zhǎng)槽7，在連接件9的另一端有一個(gè)定位端40，該定位端的作用是當(dāng)TiB2－C復(fù)合板向上浮動(dòng)時(shí)，限定其上浮距離。床架式惰性陰極的工作原理與由圖2－4所述的基本相同。
本實(shí)用新型的惰性陰極組合件結(jié)構(gòu)中其導(dǎo)電的復(fù)合板均可采用碳纖維增強(qiáng)的TiB2－C復(fù)合陶瓷材料，這種復(fù)合陶瓷材料的比重比純的TiB2低，如純的TiB2的比重為4.5克／厘米3，而含20－90重量％TiB2－C復(fù)合陶瓷的比重在1.7－3克／厘米3之間，常用的50重量％TiB2－C復(fù)合陶瓷的比重為2克／厘米3。而鋁液以及電解質(zhì)的比重分別為2.38和2.09克／厘米3，所以TiB2－C復(fù)合陶瓷制成的復(fù)合板是容易浮動(dòng)的。
采用上述各種型式的惰性陰極結(jié)構(gòu)，在電解過程中。隨著電解鋁的增加均能具有浮動(dòng)的作用，并有限位元件防止陽(yáng)極與陰極的接觸，當(dāng)某一個(gè)陰極單元需要更換時(shí)，可以方便地裝拆以達(dá)到可更換的目的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作效率高?；谶@種懸浮式結(jié)構(gòu)特征還可有更多種其它的惰性陰極結(jié)構(gòu)模式，可廣泛地用于電解鋁的生產(chǎn)工藝中。
權(quán)利要求1.一種鋁電解槽用的可熱更換的惰性陰極，包括由導(dǎo)電板和相連接的定位件組成的多個(gè)單元，其特征是[1]所說的導(dǎo)電板是TiB2-C復(fù)合板，[2]所說的惰性陰極還包括裝在復(fù)合板上的絕源的限位件，[3]所說的定位件在復(fù)合板的下部中間部位，定位件包括上定位件和下定位件，上定位件的頂端與復(fù)合板連接結(jié)，下定位件固定在電解槽的炭素電板基體上，上定位件的主體與園筒形的下定位件相適匹，并可以作軸向的位移。
2.如權(quán)利要求1所說的惰性陰極，其特征是所述的復(fù)合板是圓形和方形中的一種。
3.如權(quán)利要求1或2所述的惰性陰極，其特征是所述的限位件是絕緣的BN材料制成的限位件。
4.如權(quán)利要求3所述的惰性陰極，其特征是在圓形復(fù)合板單元的外圍設(shè)置石墨定位柱。
5.如權(quán)利要求1所述的惰性陰極，其特征是所述的惰性陰極由帶兩個(gè)以上內(nèi)凹部位的石墨床架，放置在內(nèi)凹部位的TiB2－C復(fù)合板，和絕源的限位件組成，在內(nèi)凹部位的托盤上開有長(zhǎng)槽，限位件一端凸起在復(fù)合板上，與限位件相連的連接件穿過長(zhǎng)槽后的另一端有一個(gè)定位端。
6.如權(quán)利要求5所述的惰性陰極，其特征是所述的床架可以采用氮化硼或碳化硅制成，在所說的復(fù)合板和電解槽的炭素電板基體間有導(dǎo)電體。
7.如權(quán)利要求1、5所述的惰性陰極，其特征是TiB2－C復(fù)合陶瓷中TiB2的含量(重量％)為在20－90％，最佳選擇范圍是35－65。
專利摘要本實(shí)用新型是一種可熱更換的惰性陰極，所述的陰極是由TiB
文檔編號(hào)C25C3/08GK2073419SQ9020000
公開日1991年3月20日 申請(qǐng)日期1990年1月3日 優(yōu)先權(quán)日1990年1月3日
發(fā)明者徐煒, 李潤(rùn)慈, 張興維 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院