專利名稱：碳電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改善的碳電極及其制備方法，根據(jù)本發(fā)明制備的碳電極，特別是陽極，可以方便地用于根據(jù)包含預(yù)焙燒陽極的霍爾-赫勞爾特(Hall-Heroult)方法的電解生產(chǎn)鋁。
本發(fā)明基于下述觀察到的事實，即根據(jù)采用的模制方法，碳電極的幾種物理性能可具有方向性。這尤其適用于通過振動模制成型的電極，對于該方法，可發(fā)現(xiàn)在垂直與水平方向存在差異。
通常制備用于鋁生產(chǎn)的陽極的方法是對在模具中的“生”料塊(mass)(一種含碳粒子和粘結(jié)劑的粘性和延性的料塊)進(jìn)行振動模制，所述模具包括一個頂部敞開的箱體，在頂部有一個可以沿箱體的內(nèi)壁向下滑動的鉛錘(plumb)或重蓋。陽極上用以將其固定至陽極吊桿(suspender)的連接孔或凹口通常由具有面朝下的凸起點的向下進(jìn)入料塊中的鉛錘產(chǎn)生。以這種方法制備陽極意味著凹口的取向與振動方向(垂直方向)一致，上述制備方法的一個不足之處是由于實際生產(chǎn)方法的局限性，陽極的物理性能不能得到最佳利用。
一種對方向性差異的說明可能與模制期間材料內(nèi)部的粒子如何運動有關(guān)。例如，振動期間，料塊外部幾何尺寸在垂直方向減小，而尺寸在水平方向?qū)嶋H上保持不變。另一種原因可能是受到振動的料塊含有碳粒子，碳粒子在很大程度上呈拉長片狀。在“生”料塊振動期間，碳粒子片趨于進(jìn)行調(diào)整，以使其重力中心處于盡可能低的位置。這意味著在垂直方向上的碳粒子間的界面可能比水平方向多，這可以認(rèn)為是物理性能如機(jī)械強度、電阻、熱性能等的方向性與采用的模制方向有關(guān)的一個主要因素。
對于本發(fā)明，已能夠制備物理性能可以得到最佳利用的碳電極。在本發(fā)明中，可以制備具有減小的電阻和更有利的導(dǎo)熱性的碳電極。根據(jù)本發(fā)明，也能夠使用比以前更為簡單的材料，而同時又不降低所規(guī)定的性能要求。
下面，利用實施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行描述，所述附圖中

圖1示出了碳電極的物理性能。
圖2示出的是如何在碳電極上取樣。
圖3以圖表形式示出了碳電極的電阻在垂直與水平方向間的差異。
圖4示出了碳電極中密度與電阻間的比較。
下面稱振動方向為垂直方向(V)。相應(yīng)地，水平方向(H)與此垂直。
在典型的碳電極中從9個區(qū)域的兩個方向上鉆取出兩種芯部樣品，參見圖2。所述區(qū)域均處于碳電極底面上方200mm處的平面中，即，在電解過程中工作壽命達(dá)到一半之后磨損表面所處的位置。該面與三個相對于所述碳成縱向的豎直平面和三個相對于所述碳成橫向的豎直平面間的交叉點表示取樣的位置。豎直樣品的中心軸處于縱向平面與橫向平面間的交匯處，這樣，水平平面在所述樣品高度的一半處與其相交。水平樣品的中心軸在水平平面內(nèi)并且與其它的盡可能靠近。
對圖1示出的樣品的一些參量進(jìn)行了測試，其中包括—— 二氧化碳反應(yīng)性，RCO2表示碳電極(陽極)在960℃與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)的傾向，此值高意味著反應(yīng)性高。
—— 煙灰指數(shù)，SCO2表示與二氧化碳的選擇性反應(yīng)，這造成電解液中松散粒子(煙灰)。
—— 密度(單位重量，體積重量)根據(jù)樣品重量和其外部尺寸計算。
—— 比電阻根據(jù)測得的樣品上的電壓降和其截面與長度計算。
—— 楊氏模量，YM彈性模量，根據(jù)壓縮強度試驗中測得的壓縮確定。
—— 壓縮強度，CS根據(jù)與壓縮到開裂有關(guān)的施加力計算。
—— 透氣率，Perm表示孔隙的連續(xù)性。此值高對應(yīng)的是開放的材料。
—— 熱膨脹系數(shù)，CTE溫度變化引起的線性膨脹。
—— 空氣中的反應(yīng)性，RAIR表示碳電極(陽極)在525℃下與空氣反應(yīng)的傾向，此值高表示反應(yīng)性大。
—— 孔隙率，Por基于圖像分析測得的總孔隙率。
圖1中的表給出了水平和垂直方向上的典型結(jié)果。
水平方向的透氣性比振動方向稍高，這與中心軸處樣品確定的孔隙率相一致。然而，還沒有證實這會使得碳內(nèi)部的CO2的反應(yīng)性有顯著增加。
其它與方向有關(guān)的參量，電阻(轉(zhuǎn)換成導(dǎo)熱性)，YM，CS和CTE需考慮熱應(yīng)力。對所考慮參量進(jìn)行的模型試驗沒有給出期望碳電極(陽極)中的這些力量變化的原因。
圖3以柱狀圖形式示出了9個樣品點中的每一個的垂直比電阻與水平比電阻間的方向差異。
通?？梢杂^察到密度和電阻，尤其是當(dāng)原材料和方法一般相同并且進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)采樣，即在振動方向時，二者對應(yīng)性很好(高密度產(chǎn)生低電阻)。圖4的表證實了這一點，但其也表明當(dāng)測量H方向的電阻時上述對應(yīng)性不那么顯著。后面的這一傾向也許隨著密度下降而增大。
圖4中表的最后一行表明密度與方向間的電阻差之間的關(guān)聯(lián)性低，至少對所述及的陽極質(zhì)量而言是如此。
如果制造方法可使陽極中的連接孔完全在模制后產(chǎn)生，例如，在煅燒后通過銑削(milling)或鉆削產(chǎn)生連接孔，則能夠?qū)B接孔所處的面進(jìn)行選擇。因此，能夠通過確保在電解中電流的流動方向同與振動有關(guān)的H方向一致來從各向異性中獲益。根據(jù)通常使用的振動/壓制技術(shù)，這將意味連接孔的排列基本與生坯態(tài)”電極的振動/壓縮方向垂直。
應(yīng)該理解的是，當(dāng)“生料塊”僅僅是靜態(tài)壓縮成型時產(chǎn)生的或者采用擠制技術(shù)制備的電極可能以上述相同的方式具有能夠根據(jù)本發(fā)明加以利用的方向性性能。
由此獲得的電力節(jié)約的大小取決于陽極的制備方法?；谌缜八龅牡湫碗姌O，依據(jù)下述條件，可知總的能量節(jié)約率為0.31％整個電解槽的總電壓降 4V陽極上的平均電壓降 150mV比電阻差異 4.5μΩm功率消耗 14KWh/kgAl碳本身電阻的降低 8.3％因此，本發(fā)明具有明顯的降低電能消耗的潛力，當(dāng)最終電極中的連接孔設(shè)置在夯實/振動期間料塊的幾何尺寸保持不變的方向時，本發(fā)明也能夠使與振動有關(guān)的碳電極的高度更加精確。
權(quán)利要求
1.碳電極的制備方法，其中，包括含碳粒子材料和粘結(jié)劑的“生”料塊經(jīng)歷模壓過程，該過程使料塊在一個或多個方向上受到外界強迫壓縮并且在使用之前進(jìn)行煅燒，所述方法的特征在于對碳電極加以排列，這樣，當(dāng)其使用時，電流的主方向?qū)⒅饕嗜∠蛐?，以便不與強迫壓縮方向一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于制備碳電極的方法，所述電極更確切地是在霍爾-赫勞爾特型電解槽中使用的陽極，其中，使所述陽極上至少存在一個用于固定至陽極吊桿上的凹口，所述方法的特征在于每個凹口定向排列，這樣，它主要與主要垂直于強迫壓縮的方向的方向一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述碳電極在排布有凹口之前進(jìn)行煅燒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于凹口的排布采用機(jī)械銑削或鉆削進(jìn)行。
5.由包括含碳粒子材料和粘結(jié)劑的“生”料塊制成的碳電極，其中，生料塊在一個或多個方向上受到外部的強迫壓縮，和碳電極使用之前進(jìn)行煅燒，其特征在于當(dāng)使用碳電極時，碳電極的電流的主方向主要不與強迫壓縮方向一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的碳電極，更確切地，它是用于霍爾-赫勞爾特型電解槽的陽極，其中，使所述陽極上有至少一個用于固定至陽極吊桿的凹口，其特征在于對每個凹口進(jìn)行定向排布，以使其主要與和強迫壓縮方向基本垂直的方向一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的碳電極，其特征在于其在排列凹口之前進(jìn)行煅燒。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的碳電極，其特征在于通過鉆削或銑削煅燒后的碳材料來排布凹口。
全文摘要
本發(fā)明涉及改善的碳電極及其制備方法。特別是,本發(fā)明涉及用于根據(jù)霍爾－赫勞爾特方法的鋁電解制備的陽極。振動碳陽極的各向異性會部分地導(dǎo)致物理性能,特別是電阻的顯著變化,這取決于樣品是如何相對于振動方向而取向的。對于一個測試的典型質(zhì)量的電極,與振動方向垂直的電阻比振動方向上低8.3%。如果這一點通過設(shè)置連接孔或懸掛吊架孔加以利用,從而當(dāng)電極在電解中使用時,電流流動方向與振動/壓縮方向基本呈90°,這能夠使用電能消耗降低約0.31%。
文檔編號H05B7/085GK1373819SQ00812659
公開日2002年10月9日 申請日期2000年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月10日
發(fā)明者E·朗德伯格 申請人:諾爾斯海德公司