用于鋁生產(chǎn)的電極及其制備方法
【專利說(shuō)明】用于鋁生產(chǎn)的電極及其制備方法
[0001] 本發(fā)明涉及用于鋁生產(chǎn)的電極及其制備方法。
[0002] 目前通過(guò)溶解在熔融電解質(zhì)中的含鋁化合物的電解來(lái)生產(chǎn)鋁金屬，并且在常規(guī)的 Hall-Iferoult設(shè)計(jì)的熔煉槽中進(jìn)行電解冶金工藝。用水平排列成行的電極裝備這些電解 槽，其中目前的槽的電學(xué)導(dǎo)電陽(yáng)極和陰極由碳材料制備。電解質(zhì)是基于氟化鈉和氟化鋁的 混合物，并且加入堿和堿土金屬鹵化物。隨著從陽(yáng)極通過(guò)電解質(zhì)到陰極的電流導(dǎo)致鋁離子 在陰極處放電時(shí)，發(fā)生該電解冶金工藝，產(chǎn)生鋁金屬。
[0003] 通常，對(duì)于在陰極塊中固定鋼集流體棒，在該塊中存在預(yù)成型的槽，該槽允許該棒 進(jìn)入其中。可以用熔化的鑄鐵填充該槽的壁與該棒之間的空間或空隙和/或可以施加導(dǎo)電 漿料。
[0004] 以類似的方式，將預(yù)烘干的碳陽(yáng)極固定至鋼螺栓，該鋼螺栓是陽(yáng)極支架的一部分。 該陽(yáng)極具有預(yù)成型的孔，其允許鋼螺栓進(jìn)入其中。通常通過(guò)在每個(gè)單個(gè)螺栓和陽(yáng)極中對(duì)應(yīng) 的孔之間的環(huán)形空間中澆注熔化的鑄鐵來(lái)進(jìn)行該螺栓與陽(yáng)極的固定。
[0005] 在可替代的方式中，可以以用棒搗實(shí)來(lái)施加導(dǎo)電顆粒，如在申請(qǐng)人自己的專利申 請(qǐng)TO09/099335中所示。
[0006] 在向用于鋁生產(chǎn)的低比能量消耗的追逐中，一個(gè)公知的并且有效的手段是目的在 于減小陰極和/或陽(yáng)極電壓降。事實(shí)上，減小陰極電壓降減小了陰極中的歐姆能量損耗，允 許操作員增加電解槽系列電流強(qiáng)度和/或減小電解槽電壓，最終導(dǎo)致生產(chǎn)每噸鋁的比能量 消耗的減小。
[0007] 使用了許多方法去實(shí)現(xiàn)陰極電壓降的減小，并且通常已知的一種方法是使用銅插 入件以提高常用的鋼集流體棒的電導(dǎo)率。許多出版物顯示出該銅插入件或元件具有至少一 個(gè)外部的側(cè)面或表面，該側(cè)面或表面靠在該鋼集流體棒的一個(gè)對(duì)應(yīng)的表面上。
[0008] 在W004031452中給出了實(shí)例，其公開了具有銅芯的鋼集流體棒，US5976333A和 W00163014均公開了插入鋼管中的各種不同設(shè)計(jì)的銅桿，該鋼管嵌入陰極塊的槽中。
[0009] 在測(cè)試中證明了鋼集流體棒中的銅插入件相對(duì)于常規(guī)的鋼集流體棒可以使陰極 電壓降減小約60mV。
[0010] 在陰極中使用銅作為高導(dǎo)電成分的另一個(gè)益處是以這樣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的更均勻的 陰極電流密度。尤其是對(duì)于石墨化陰極，更均勻的電流密度降低了最大侵蝕速率，由此增加 了陰極壽命。
[0011] 然而，以包含插入高導(dǎo)電成分的解決方案節(jié)省的每個(gè)mV是昂貴的，因?yàn)槌耸褂?的昂貴銅桿以外，裝配（集流體棒鉆孔和銅棒插入）幾乎是單獨(dú)的銅成本的三倍。
[0012] 另外，發(fā)明人觀察到對(duì)于在這種類型的復(fù)合導(dǎo)體所存在的高溫下，鋼集流體棒中 的Fe可擴(kuò)散進(jìn)入鄰近的銅插入件的Cu金屬中。
[0013] 這種擴(kuò)散可導(dǎo)致復(fù)合集流體棒的歐姆電阻率的增加，并且隨后導(dǎo)致陰極電壓降隨 著時(shí)間增加。
[0014] 當(dāng)對(duì)于陽(yáng)極應(yīng)用該Fe-Cu型復(fù)合導(dǎo)體時(shí)，關(guān)于歐姆電阻率可發(fā)生類似的影響。
[0015] 本發(fā)明涉及具有復(fù)合導(dǎo)體的電極、陽(yáng)極或陰極及其制備方法，其中可以降低或避 免這些不利的影響。
[0016] 更具體的，本發(fā)明涉及用于通過(guò)溶解在熔融電解質(zhì)中的含鋁化合物的電解來(lái)生產(chǎn) 錯(cuò)金屬的電極，其中在常規(guī)的Hall-HSroult設(shè)計(jì)的恪煉槽中進(jìn)行電解冶金工藝。該電極包 含含煅燒碳的本體，該含煅燒碳的本體具有與其固定的至少一種復(fù)合金屬性導(dǎo)體，該至少 一種復(fù)合金屬性導(dǎo)體包含含F(xiàn)e材料的導(dǎo)電成分和含Cu材料的導(dǎo)電成分。該復(fù)合導(dǎo)體在兩 種導(dǎo)電材料之間的界面處包含擴(kuò)散阻擋層材料。獲得了幾種用于擴(kuò)散阻擋層的材料以及用 于施加該層的方法。
[0017] 可以提及本發(fā)明的至少兩個(gè)重要目的；
[0018] 1)在槽的壽命期間保持最小的電阻率，以及
[0019] 2)在復(fù)合導(dǎo)體中使用較薄的Cu-部分，即Cu板，以增加該復(fù)合導(dǎo)體的品質(zhì)和成本 狀況。
[0020] 根據(jù)如在所附的權(quán)利要求中所要求的本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)這些和更多的優(yōu)勢(shì)。
[0021] 在下文中，將通過(guò)圖表進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中：
[0022] 圖1是揭露Fe擴(kuò)散到Cu中的相圖，
[0023] 圖2是顯示當(dāng)Fe擴(kuò)散到Cu中時(shí)電阻率的增加的圖表，
[0024] 圖3是顯示對(duì)于復(fù)合導(dǎo)體在沒(méi)有和具有各種阻擋體材料的情況下Fe在Cu中的濃 度的圖表。
[0025] 本發(fā)明通常涉及電極，但是當(dāng)涉及陰極時(shí)，通常對(duì)于集流體棒存在一個(gè)問(wèn)題，并且 該問(wèn)題在于它們的工作溫度遠(yuǎn)高于900°C，并且與該集流體棒接觸的其它成分可擴(kuò)散到該 材料中并且劣化該材料的電阻率。對(duì)于普通的鋼集流體棒，碳（C)擴(kuò)散到鋼中并且電阻率 增加。
[0026] 對(duì)于復(fù)合集流體棒（即Cu和Fe)，出現(xiàn)了額外的相互擴(kuò)散。Fe將擴(kuò)散到Cu中至 在圖1中的相圖中給出的含量。反之亦然，Cu也將擴(kuò)散到Fe中，但是這對(duì)于組件的電阻率 是不太關(guān)鍵的。
[0027] 測(cè)量了當(dāng)Fe擴(kuò)散到Cu中時(shí)電阻率的增加，并且在圖2中示出。當(dāng)Cu變成飽和有 Fe時(shí)，Cu的電阻率增加了幾乎100%。因此需要具有防止Fe在Cu中的相互擴(kuò)散的阻擋體。
[0028] 在復(fù)合集流體棒中防止Fe擴(kuò)散到Cu中的阻擋體所需要的性質(zhì)為：
[0029] 1)化合物在Fe和Cu兩者中的低溶解度 [0030] 2)在槽的工作溫度下為穩(wěn)定的
[0031] 3)保持電學(xué)電導(dǎo)率
[0032] 4)容易在薄層中施加
[0033] 在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，向Cu-桿施加 TiB2粉末的薄涂層，并且在擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)中測(cè)試效果。 在TiB2漿料中浸漬Cu桿并且施加了 100微米厚的層。在中空鋼中放入該桿并且將該組件 加熱至950°C持續(xù)14天。
[0034] 在下一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，以同樣的方式測(cè)試了 100微米的Mo和W箔，即在Cu桿的表面處 施加每個(gè)箔，隨后將其放入中空鋼中并且相應(yīng)地加熱。
[0035] 在圖3中顯示了濃度分布曲線。觀察到擴(kuò)散的明顯減小。對(duì)于TiB2涂層，觀察到 擴(kuò)散以10倍減小。Mo和W箔在測(cè)試的時(shí)段（14天）中看起來(lái)實(shí)際上阻止了擴(kuò)散。
[0036] 可能有其它的成分/化合物是更（成本）有效的并且沒(méi)有被測(cè)試，并且阻擋體不 限于這里提及的化合物。滿足標(biāo)準(zhǔn)的其它導(dǎo)電金屬、金屬間化合物或材料是潛在的阻擋體。
[0037] 當(dāng)選擇具有低擴(kuò)散系數(shù)的材料時(shí)，低溶解度也是重要的性質(zhì)。銅的電導(dǎo)率非常依 賴于雜質(zhì)量，因此材料的溶解度界定了該材料可以做出的損害的上限。該阻擋體材料應(yīng)該 能夠阻止Fe，同時(shí)該阻擋體材料本身必須不會(huì)進(jìn)入銅相。
[0038] 通常，與穿過(guò)晶體內(nèi)部相比，擴(kuò)散沿著晶界和在自由表面上更迅速地發(fā)生，即雜質(zhì) 將沿著晶界更快速地?cái)U(kuò)散到該金屬中。只要溶解度低，就還應(yīng)該預(yù)期銅中的累積低，并且因 此將會(huì)限制電導(dǎo)率的潛在減小。除了低擴(kuò)散率以外，好的擴(kuò)散阻擋體在銅中還必須具有低