專利名稱：鋁生產(chǎn)爐的改進型襯里的制作方法
背景技術(shù)：
常規(guī)的粗鋁生產(chǎn)通常是對溶解在含冰晶石電解液中的氧化鋁進行還原。還原反應(yīng)在裝有一個炭素陽極和一個炭素陰極的霍爾-埃魯槽(“霍爾槽”)中進行，該槽也作為盛放電解液的容器。當電流通過電解液時，液態(tài)的鋁沉積在陰極，而在陽極生成氧氣。
霍爾槽的側(cè)壁通常由以碳或碳化硅為基的多孔傳熱材料制成。然而，由于該領(lǐng)域中人們熟知，含冰晶石的電解液會侵蝕這些側(cè)壁，所以側(cè)壁被設(shè)計成只有約3-6英寸厚，為的是使霍爾槽有足夠的熱量散失，從而可在側(cè)壁表面形成一層冰晶石凝結(jié)層，以防止冰晶石對側(cè)壁的進一步滲入和侵蝕。
盡管凝結(jié)冰晶石層能有效地防止冰晶石滲入而保護了側(cè)壁，但它是以相當大的熱量散失為代價的。因此，出于更佳效率的考慮，要求有更新的霍爾槽設(shè)計，其側(cè)壁具有更佳的熱絕緣性。然而，雖然這些設(shè)計很好的熱絕緣性防止了大量的熱量散失，冰晶石卻不會在側(cè)壁上凝結(jié)。因此，最初關(guān)于冰晶石滲入和侵蝕側(cè)壁的問題重新出現(xiàn)。
美國專利No.4,592,820(“′820專利”)試圖同時提供較高熱效率和防止冰晶石滲入側(cè)壁?！?20專利提出了用兩層側(cè)壁代替多孔傳熱側(cè)壁的辦法，該種兩層側(cè)壁包含a)第一層由常規(guī)的絕緣材料制成，它有足夠的厚度能保證冰晶石不會凝結(jié)在側(cè)壁上，和b)一個由陶瓷材料制成的襯里，它可抵抗槽電解液(冰晶石)和熔融鋁的侵蝕，見′820專利第二段，30-43行?！?20專利還公開了較佳的襯里，它是由IVb，Vb或VIb高熔點金屬碳化物、硼化物或氮化物、氧氮化物，特別是二硼化鈦制成的，該專利還指出，這些選用的陶瓷材料可制成板或涂布在如氧化鋁，或碳化硅的側(cè)壁上。參見第二段，44-47行及第四段，24-32行。
盡管′820專利提供了一個抵抗冰晶石侵蝕的熱效率提高的鋁還原槽，但是它還可以改進。例如，該專利公開的襯里的成本高，其供尚有限制。而且，′820專利的較佳襯里二硼化鈦不僅成本很高，而且其抗氧化性有限，并且在運行時有導電性。
此外，′820專利較佳的霍爾槽在鄰近側(cè)壁的頂部邊緣的電解液區(qū)形成了一層固體冰晶石層，用以防止陶瓷材料受空氣氧化。這個頂部層可通過用碳包覆側(cè)壁并減少其背襯熱絕緣性，或通過在側(cè)壁頂部邊緣鄰近設(shè)置一個通冷空氣的鋼管來實現(xiàn)。盡管這些措施提高了抵抗冰晶石侵蝕的性能，但是它們卻也減少了槽的熱效率。
美國專利No.4,865,701(“Beck”)公開了一個在側(cè)壁絕緣層內(nèi)裝有冷卻管的鋁生產(chǎn)槽。
美國專利No.2,971,899(“Hannick”)公開了一個在含冰晶石約20％的的溶液中電鍍鋁的槽。美國專利No.2.915,442(“Lewis”)公開了在側(cè)壁上有凝結(jié)表皮的鋁生產(chǎn)槽。美國專利No.3,256,173(“Schmitt”)公開了一個有碳化硅，焦炭和瀝青襯里的鋁生產(chǎn)槽。美國專利No.3,428,545(“Johnson”)公開了一個有碳襯里的鋁生產(chǎn)槽，該襯里用包括氮化硅的高熔點顆粒層作為背襯。
因此，有必要改進霍爾槽。
發(fā)明概要本發(fā)明提供一種生產(chǎn)鋁的方法，其步驟如下a)提供一個包括陰極，陽極和側(cè)壁的鋁生產(chǎn)槽，側(cè)壁有一定的厚度包括i)一個襯里，其材料基本上包括一種選自氮化硅，碳化硅和碳化硼，其密度至少為理論密度的95％，至少有閉合孔隙而無敞開孔隙，和ii)支持襯里的絕緣層，b)使襯里與包含至少60％冰晶石，溫度在650℃至1100℃之間的電解液接觸，和c)從陰極經(jīng)電解液向陽極提供電流，從而在陰極生成鋁，其中電解液的溫度和冰晶石濃度以及側(cè)壁的厚度均預先確定，使冰晶石在襯里任何位置上都不會形成凝結(jié)表層。
在一些較佳實施例中，側(cè)壁內(nèi)沒有包埋冷卻管，只包括襯里和絕緣層。
本發(fā)明也提供一個用于電解還原霍爾槽內(nèi)的側(cè)壁襯里，該槽用于還原含冰晶石熔融氟化物電解液中的氧化鋁來生產(chǎn)鋁，槽的側(cè)壁有一個頂部邊緣并包括一個絕緣材料層和襯里，其中a)絕緣材料層，它有足夠的厚度，能保證冰晶石不會在側(cè)壁頂部邊緣以外的任何地方凝結(jié)，
b)襯里，基本上是一種陶瓷材料，其密度至少為理論密度的95％，并至少有封閉的孔隙，陶瓷材料選自碳化硅、氮化硅和碳化硼，其中側(cè)壁的頂部邊緣上有一層凝結(jié)的電解液表層。
本發(fā)明還提供一種電解還原霍爾槽，它是通過還原熔融氟化物電解液中的氧化鋁來生產(chǎn)鋁，電解液的溫度維持在約960℃并含有冰晶石，槽包括i)維持熔融的氟化物電解液溫度在約960℃的裝置，和ii)包括一層絕緣材料層和一層襯里的側(cè)壁，其中a)絕緣材料層的厚度足以保證冰晶石不會在襯里的任何表面上凝結(jié)，和b)襯里用能抵抗冰晶石和熔融鋁侵蝕的陶瓷材料制成。
本發(fā)明還提供一種電解還原霍爾槽，它是通過還原熔融氟化物電解液中的氧化鋁來生產(chǎn)鋁，槽的側(cè)壁包括一個絕緣材料層和一個襯里，其中a)絕緣材料層的厚度足以保證冰晶石不會在襯里的任何表面上凝結(jié)，b)襯里用以抵抗冰晶石和熔融鋁侵蝕的陶瓷材料制成，其中襯里基本上為氮化硅，其密度至少為理論密度的95％，至少有閉合孔隙，沒有敞開孔隙。
本發(fā)明還提供一種電解還原霍爾槽，它是通過還原熔融的含冰晶石的氟化物電解液中的氧化鋁來生產(chǎn)鋁，槽的側(cè)壁包括一個絕緣材料層和一個襯里，其中a)絕緣材料層的厚度足以保證冰晶石不會在襯里的任何表面上凝結(jié)，b)襯里用能抵抗冰晶石和熔融鋁侵蝕的陶瓷材料制成，其中襯里基本上為碳化硼，其密度至少為理論密度的95％，至少有閉合孔隙，沒有敞開孔隙。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明一個較佳實施例的圖。
發(fā)明的詳細描述與′820專利中公開的材料相比，用碳化硅作為側(cè)壁襯里的優(yōu)點是它比二硼化鈦有更好的抗熱沖擊性能，成本更低，與冰晶石接觸時比氧氮化物更穩(wěn)定。有趣的是，′820專利兩處指出不宜用碳化硅作為側(cè)壁襯里。首先，它認定在美國專利No.3,256,173中公開的含碳化硅的襯里是不適用的，見′820專利第三段，40-43行。第二，它主張用碳化硅作為側(cè)壁時，在其上面要涂布硼化物，氮化物或氧氮化物涂層，見′820專利第二段，47行。
如果選用碳化硅作為側(cè)壁襯里，它至少應(yīng)具有95％的密度，且敞開孔隙率應(yīng)接近零。如果需要，碳化硅陶瓷材料中可有常規(guī)的燒結(jié)助劑如硼，碳和鋁。因此，本發(fā)明所考慮的范圍包括采用任何用熱壓，等靜熱壓或無壓力燒結(jié)的碳化硅陶瓷材料，其至少有閉合孔隙，不宜有敞開孔隙。
與′820專利中公開的材料相比，用碳化硼作為側(cè)壁襯里的優(yōu)點是它是一個電絕緣體，熱傳導率比二氧化鈦低，且成本比二氧化鈦還低。
如果選用碳化硼作為側(cè)壁襯里，它至少應(yīng)具有95％的密度，且敞開孔隙率應(yīng)接近零。如果需要，碳化硼陶瓷材料中可有常規(guī)的燒結(jié)助劑如硼、碳和鋁。因此，本發(fā)明所考慮的范圍包括采用任何用熱壓，等靜熱壓或無壓力燒結(jié)的碳化硼陶瓷材料，它至少有閉合孔隙，不宜有敞開孔隙。
與′820專利中公開的材料相比，用氮化硅作為側(cè)壁襯里的優(yōu)點是它是一個電絕緣體，熱傳導率比二氧化鈦低，且成本比二氧化鈦還低。
如果選氮化硅作為側(cè)壁襯里，它至少應(yīng)具有95％的密度，且敞開孔隙率應(yīng)接近零。如果需要，氮化硅陶瓷材料中可有常規(guī)的燒結(jié)助劑如氧化鎂，氧化釔和氧化鋁。因此，本發(fā)明所考慮的范圍包括采用任何用熱壓，等靜熱壓或無壓力燒結(jié)的氮化硅陶瓷材料，它至少有閉合孔隙，不宜有敞開孔隙。
′820專利關(guān)于熔融金屬槽的緩沖運動(第4段，57-66行)，將陶瓷材料固定在側(cè)壁上(第4段，20-44行)，使用電流收集系統(tǒng)用以保證電流基本上垂直通過碳床(第2段，58行至第3段，25行)和用0.25cm或0.5cm厚的板作為襯里(第4段，67行至第5段，3行)的內(nèi)容均適用于本發(fā)明，都參考結(jié)合在本發(fā)明中。
′820專利主張在側(cè)壁頂部宜有一層凝結(jié)冰晶石層的內(nèi)容盡管不是特別需要采用的，但也可用于本發(fā)明。然而，本發(fā)明較佳的實施例是采用連續(xù)垂直熱量損失分布的設(shè)計，因此，在上部不會形成凝結(jié)的冰晶石層。
現(xiàn)在參照圖1，它是本發(fā)明一個電解還原槽的截面?zhèn)纫晥D。在鋼外殼1中有熱電絕緣的氧化鋁塊砌成的側(cè)壁2。槽的陰極是一層熔融的鋁3，它的下面是石墨塊砌成的槽床4。覆蓋在熔融金屬鋁3上的是熔融電解液層5，其中懸掛著陽極6。陶瓷材料板7組成了側(cè)壁襯里。襯里的下端固定在石墨塊槽床4上加工成的槽子中，襯里的上端是自由的。由于側(cè)壁的頂部沒有冷卻裝置，因此在電解液層頂部邊緣沒有形成凝結(jié)的固體表層。
電流收集條10以石墨槽床4和氧化鋁側(cè)壁2之間的四個部分表示。每個部分在其兩端的中間與伸出外殼1外面的連接條相連接。圖中沒有顯示陽極6和外殼1外面連接條11之間的電源。
在使用時，電解液5通常維持在約800℃至1100℃，更通常維持在約900至1010℃中間，在許多應(yīng)用中為約960℃。然而，有一些場合溫度維持在約650℃至800℃。電解液通常含有至少約60％(重量)的冰晶石，較佳的至少有約85％(重量)的冰晶石，最好有至少90％(重量)的冰晶石。電解液通常還包含約2％至10％(重量)的氧化鋁(更常約6％(重量))及約4％至20％的氟化鋁(更常約8％(重量))。側(cè)壁厚度提供的熱絕緣性使得側(cè)壁上沒有凝結(jié)電解質(zhì)層形成。電流收集系統(tǒng)10和11保證了電流基本上垂直通過石墨的槽床4。
權(quán)利要求
1.一種用于電解還原霍爾槽的側(cè)壁襯里，該槽通過還原含冰晶石的熔融氟化物電解液中的氧化鋁來生產(chǎn)鋁，槽的側(cè)壁有一個上部邊緣，并包括一個絕緣材料層和襯里，其中a)絕緣材料層的厚度足以保證除側(cè)壁頂部外冰晶石不會在任何位置上凝結(jié)，b)襯里基本上采用包括一種陶瓷材料，其密度至少為理論密度的95％，并至少有閉合孔隙，該陶瓷材料選自碳化硅，氮化硅和碳化硼，其中側(cè)壁的頂部邊緣上有凝結(jié)的電解質(zhì)表層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的襯里，它基本上是基本無敞開孔隙率的碳化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的襯里，它為板狀或片狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的襯里，其中該板或片的厚度至少為0.5cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的襯里，它基本上是基本無敞開孔隙的碳化硼。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的襯里，它為板狀或片狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的襯里，其中該板或片的厚度至少為0.5cm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的襯里，它基本上是基本無敞開孔隙的氮化硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的襯里，它為板狀或片狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的襯里，其中該板或片的厚度至少為0.5cm。
11.一種電解還原霍爾槽，它通過還原熔融氟化物電解液中的氧化鋁來生產(chǎn)鋁，電解液的溫度維持在960℃并含有冰晶石，該槽包括i)維持熔融的氟化物電解液溫度在約960℃的裝置，ii)包括一個絕緣材料層和一個襯里的側(cè)壁，其中a)絕緣材料層的厚度足以保證冰晶石不會在襯里的任何位置上凝結(jié)，b)襯里用抵抗冰晶石和熔融鋁侵蝕的陶瓷材料制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的槽，其中襯里基本上為密度至少為理論密度95％的陶瓷材料，它至少有閉合孔隙，該耐火材料選自碳化硅，氮化硅和碳化硼。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的槽，其中襯里基本上無敞開孔隙。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的槽，其中襯里基本上為碳化硅。
15.一種電解還原霍爾槽，它通過還原含冰晶石的熔融氟化物電解液中的氧化鋁來生產(chǎn)鋁，槽的側(cè)壁包括一個絕緣材料層和一個襯里，其中a)絕緣材料的厚度足以保證冰晶石不會在襯里的任何表面上凝結(jié)，b)襯里用抵抗冰晶石和熔融鋁侵蝕的陶瓷材料制成，其中襯里基本上為氮化硅，其密度至少為理論密度的95％，至少有閉合孔隙，但沒敞開孔隙。
16.一種電解還原霍爾槽，它通過還原熔融的含冰晶石的氟化物電解液中的氧化鋁來生產(chǎn)鋁，槽的側(cè)壁包括一個絕緣材料層和一個襯里，其中a)絕緣材料層的厚度足以保證冰晶石不會在襯里的任何表面上凝結(jié)，b)襯里用抵抗冰晶石和熔融鋁侵蝕的陶瓷材料制成，其中襯里基本上為碳化硼，其密度至少為理論密度的95％，至少有閉合孔隙，但沒敞開孔隙。
17.一種生產(chǎn)鋁的方法，它包括步驟a)提供一個包括陰極，陽極和側(cè)壁的鋁還原槽，側(cè)壁具有一定的厚度包括i)一個襯里，它基本上為一種選自氮化硅，碳化硅，二氧化鈦和碳化硼的材料，其密度至少為理論密度的95％，至少有閉合孔隙，無敞開孔隙，ii)支持襯里的絕緣層，b)使襯里與包含至少60％冰晶石，溫度在650℃至1100℃之間的電解液接觸，c)從陰極經(jīng)電解液向陽極提供電流，從而在陰極生成鋁，其中電解液的溫度和冰晶石濃度以及側(cè)壁的厚度均為預先確定，使冰晶石在襯里任何位置上都不會形成凝結(jié)表層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中側(cè)壁基本包括襯里和絕緣層。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中襯里材料選自氮化硅，碳化硅和碳化硼。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電解液的溫度為約800℃至1100℃。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電解液的溫度為約900℃至1010℃。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電解液的溫度為約960℃。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電解液的溫度為約650℃至800℃。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電解液含有至少約85％(重量)的冰晶石。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電解液含有至少約90％(重量)的冰晶石。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電解液還含有約2至10％(重量)的氧化鋁。
27.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電解液還含有約6％(重量)的氧化鋁。
28.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電解液還含有約4至20％(重量)的氟化鋁。
29.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電解液還含有約8％(重量)的氟化鋁。
全文摘要
一種鋁制備方法,包括步驟:a)提供包括陰極,陽極和側(cè)壁的鋁還原槽,側(cè)壁包括:i)一個襯里,它基本上為氮化硅,碳化硅,二氧化鈦和碳化硼材料中的一種,密度至少為理論密度的95%,至少有閉合孔隙,無敞開孔隙,ii)支持襯里的絕緣層,b)使襯里與包含至少60%冰晶石的電解液接觸,c)從陰極向陽極提供電流,從而在陰極生成鋁,其中電解液的溫度和冰晶石濃度以及側(cè)壁的厚度均為預先確定,使冰晶石在襯里任何位置上都不會形成凝結(jié)表層。
文檔編號C25C3/08GK1185815SQ96194220
公開日1998年6月24日 申請日期1996年5月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月26日
發(fā)明者E·A·科特利尼 申請人:圣戈本工業(yè)陶瓷股份有限公司