CN103154326A

CN103154326A - 电解池用阴极

Info

Publication number: CN103154326A
Application number: CN2011800453129A
Authority: CN
Inventors: 克里斯蒂安·布鲁赫; 弗兰克·希尔特曼; 约翰·戴玛; 曼弗雷德·巴内克
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-06-12
Also published as: DE102010041082A1; EP2619353A1; CA2811355A1; JP2013537938A; WO2012038422A1; JP5635196B2; RU2013118029A

Abstract

本发明涉及一种用于从铝的氧化物获得铝的电解池用阴极（1），所述阴极（1）具有下侧面（1g）。根据本发明，所述阴极（1）配备有用于供电的多个销子（1f），其中所述销子在运行期间以供电方式从下面接触所述阴极（1）的下侧面（1g）。

Description

电解池用阴极

技术领域

本发明涉及电解池用阴极，其用于通过熔盐电解提取铝。

背景技术

目前将Hall-Héroult法用于从铝的氧化物中工业提取铝。这是一种其中将氧化铝（Al₂O₃）溶于熔融冰晶石（Na₃[AlF₆]）中且制得的混合物在电解池中充当液体电解质的电解方法。原理上，在图1a至1c中示意性描绘了用于实施Hall-Héroult法的这种电解池的设计，其中图1a显示了通过常规电解池的横断面，而图1b显示了该电解池的外部侧视图。图1c显示了电解池的透视图。

附图标记1表示阴极，其可以例如由石墨、无烟煤或其混合物制成。备选地，还可使用基于焦炭的石墨化阴极。通常将阴极1嵌入由钢和/或耐火材料等制成的底托2中。所述阴极1可以以整块的形式制成，还可以由单独的阴极块制成。

在电解池的整个长度上，将许多电流供应棒3引入阴极1中，但在图1a的横断面视图中仅能看到一个单独的电流供应棒3。在图1c中能够看到，例如可为每个阴极块提供两个电流供应棒。所述电流供应棒用于向所述电解池供应电解过程所需要的电流。存在多个与阴极1相对的通常棱柱形的阳极4，其中在图1a中示意性描绘了两个阳极4。图1c显示了电解池中阳极的详细配置。在实施所述方法期间，通过在阴极1与阳极4之间施加电压，将溶于冰晶石中的氧化铝分解成铝离子和氧离子，在这种情况中，铝离子向熔融铝移动，从电化学的角度考虑，所述熔融铝实际上是阴极，在这里它们接受电子。由于密度更大，所以铝5聚集在氧化铝和冰晶石的熔融物6下方的液相中。所述氧离子在阳极被还原成氧气，所述氧气与阳极的碳反应。

附图标记7和8分别示意性表示了用于提供电解过程所需要电压的电压源的负极和正极，其值为约3.5V至5V。

如在图1b的侧视图中所能看到的，底托2以及因此的整个电解池具有细长的形式，其中多个电流供应棒3垂直穿过底托2的侧壁。目前使用的电解池的纵向跨度通常为约8m至15m，而宽度跨度为约3m至4m。在例如EP1845174中公开了如此处图1a中所示的阴极。

当通过熔盐电解生产铝时，铝与氧之间的高结合能以及热损耗和电阻损耗使得对能量的要求高。相关的能量成本构成了工艺成本的主要部分。降低这些成本是熔盐电解领域中需要克服的主要问题之一。

关于能量效率低的一个因素是上述电流供应棒，除其它因素外，考虑到熔盐电解期间所发生的高温，所述电流供应棒常规上由钢制成。与能够在低温下用于其它技术应用中的其它电导体如铝和铜相比，钢却具有更高的比电阻。此外，常规地通过电流供应棒在横向水平上供应电流使得电流在阴极中的分布不均匀。

而且，在现有技术中，阴极与电流供应棒的热膨胀系数差可能在启动并运行电解池时造成问题，尤其是在通过所谓的“倾倒”而与液体铸铁接触时未考虑热膨胀系数差而采取合适措施的情况下。

发明内容

本发明致力于解决的一个问题是提供用于提取铝的电解池用阴极，其使得上述现有技术的问题能够被克服，使得与常规电解池相比能够特别提高能量效率，并且同时能够实现更均匀的阴极电流密度分布。

根据本发明，通过具有权利要求1的特征的阴极来解决该问题。在从属权利要求中提供了优选的实施方式。

根据本发明的实施方式，用于从铝的氧化物中提取铝的具有下侧面的电解池用阴极配备有多个用于电流供应的销子，其中所述销子在运行期间以供应电流的方式从下面接触阴极的下侧面。

在本发明的意义内，术语“阴极”具有非常广泛的解释。其可以为例如（但不限于）所谓的阴极底部，其由多个阴极块制成，从而通过这种阴极底部总体上实现根据本发明的核心方面，即如上所述以供应电流的方式使多个销子从下面接触阴极的下侧面。然而，术语阴极也旨在指形成这种阴极底部的部分结构，如在阴极块中的。在每种情况下无须如下明确解释的情况下，所有与“阴极”相关的可促成本发明的特征，在与“阴极块”相关时以相同方式促成本发明。

与现有技术相比，通过销子从下面向阴极供应电流。利用多个销子从下面向阴极供应电流的设计，比目前为止可能的通过少数电流供应棒从侧面向阴极供应电流的方式均匀得多。

在阴极的下侧面平坦的情况中，例如，通过根据期望的电流流量对销子进行设计和安排（例如通过横断面），这种均匀的电流分布例如可实现特别均匀的特性。例如，在每种情况下可有规则地和/或相对于相邻的销子在均匀间隔下布置销子。然而，还可根据模板或分布图选择性地布置销子，从而抵消电流在阴极中的不均匀分布。例如，在阴极的外围区域中，这可能是有利的。

另外，具有大量销子的这种布置也使得在实施熔盐电解过程期间在阴极上累积的液体铝中的波形成降低。其原因是，如已知的，这种波形成是由不均匀阴极电流分布及其与磁场的相互作用造成的在液体铝中的水平流动而产生的。通过借助于销子的横断面、数量和分布而实现的电磁设计，能够降低或最小化这种不期望的相互作用。

根据优选实施方式，所述销子中的至少一个，尤其是全部销子，在相对于所述下侧面的垂线成小于30°的角下，尤其是基本垂直的角度下与下侧面接触。从技术方面考虑，能够特别容易地并因此成本高效地实施这种布置，并且，关于销子的负载分布和机械布置，所述的这种布置特别简单。

在阴极的有利实施方式中，销子引入所述阴极中。这意味着，所涉及的销子面对所述阴极或其下侧面的一端在安装的状态下部分地位于所述阴极内。由此实现在所述销子与所述阴极之间特别好的电接触。

然而，备选地，其它接触变体也是可行的，其同样包括在本发明中。这例如可涉及其中阴极靠在销子上的布置，在这种情况中，销子不引入阴极中。在这种情况中，通过碳质或金属化合物例如碳化沥青、导电胶粘剂或碳化合物能够提高所述销子与所述阴极下侧面之间的电接触。

根据本发明特别优选的实施方式，通过螺丝连接将所述销子插入所述阴极的下侧面中。例如，这使得所述销子能够被预先安装在所述阴极中，然后将所述阴极安装在电解池中。此外，确保了特别可靠的固持，并且确保了根据需要简单地去除以进行维护或更换。

特别有利地，通过所述销子面对所述阴极下侧面的一端上的螺纹和所述阴极下侧面中的配对螺纹形成所述螺丝连接。由于这种变体不需要额外的螺丝装置，而是所述销子自身就是螺丝装置，所以产生了特别简单且节省材料的螺丝装置。

这种平头螺丝的几何形状可有利地与电工钢生产中所使用石墨电极用螺纹接头的几何形状相匹配。已经证明这种几何形状在电流分布、机械强度和螺丝性方面特别好。

从热和电的角度考虑，特别有利地是，平头螺丝由与所述阴极的材料相同的材料制成。由此最小化机械应力和接触电阻。

根据优选实施方式，所述销子由石墨制成。这使得能够实现所述销子的高热稳定性以及低电阻，从而在实施熔盐电解期间提高能量效率。

所述销子越长，则向它们供应电流的电流棒距所述阴极的距离越远，并因此距高处理温度的区域越远。随着距离的增大，由所述固体电流棒内的电流流动产生的电磁场的强度也下降，这又有助于避免上述在铝熔体中的波形成。已经证明，在该方面所述销子特别合适的长度为约100mm至500mm。

影响所述阴极中电流分布的可能方式是销子横断面的选择。另一方面，所使用的销子的数目越大且这些销子越细，则电流分布越均匀。然而，下限由使用多个销子所涉及的成本和输入来限定。在实践中，已经证明，在该方面，具有约30mm至200mm直径的销子特别合适。在这点上，应注意，单独的选择必须适应每种情况中所涉及的阴极形式的特殊设计特征，从而在适当情况下使用具有不同尺寸的销子也可能是有利的。

如上所述，根据本发明实施方式的阴极的一个优势是，在更大均匀性方面，能够影响向阴极的电流供应。实现该目的的一种手段是以尽可能靠在一起的方式放置所述销子。已经证明，例如，如果在所述阴极的每平方米底壁上存在约4至约100个销子，则特别有利。

为了将销子连接到电压源，例如，在一个实施方式中，将数个销子在每种情况中经由螺丝或夹具连接在它们背离所述阴极的末端处连接到公用电流棒。因此，如上所述，所述电流棒与所述阴极隔开如下的距离，该距离与所述销子不具有螺纹的长度相匹配。重要的是，在这种情况中能够确保，由于电流棒材料（金属）会发生热膨胀，所以必须以不在销子上施用过大机械力的方式设计所述螺丝连接。连接技术领域中的技术人员能够容易地实现销子与电流棒之间的这种金属螺丝连接，这是此处不再提供其细节的原因。

由于使用了根据本发明的一个实施方式的阴极，所述电流棒与所述阴极本身隔开，所以所述电流棒不需要由特别热稳定的材料制成。因此，所述电流棒不必由铁、钢等制成。相反，所述公用电流棒可以由含有超过50%铜或铝的材料制成。铜和铝两者都展示了比铁或钢更低的比电阻，从而能够提高熔盐电解中的能量效率。自然地，所述电流棒也可由纯铜或纯铝或者仅轻微合金化的铜或铝制成。如果例如将铜棒用作电流棒，则与先前使用的钢相比，比电阻能够降低至约四分之一。

根据另外的实施方式，将所述阴极的下侧面设计为向下逐渐变细的梯形体的形式。以此方式，将从下面引入的电流一致并均匀地引入所述阴极中。在所述阴极由单独的阴极块制成的情况中，所述阴极的至少一些阴极块优选具有这种向下逐渐变细的梯形体，在这种情况中，这些梯形体有利地相互平行地延伸。所述梯形体可以例如在所述阴极的纵向上延伸或与其垂直。

以此方式，所述热阴极槽或阴极与所述电流棒之间的距离能够进一步增大，从而在运行期间，在所述电流棒位点处的主要温度明显比靠近所述阴极槽处的温度更低。

附图说明

现在使用非限制性示例性实施方式，参照附图对本发明进行更详细地说明。在附图中：

图1a显示了根据现有技术用于提取氧化铝的电解池的横断面；

图1b以外部纵向视图的方式显示了图1a的电解池；

图1c显示了根据现有技术从氧化铝中提取铝的电解池的透视图，所述透视图的一部分为断面形式；

图2a显示了根据本发明实施方式的阴极的透视图；

图2b显示了图2a中的阴极旋转90°的透视图；以及

图3显示了根据本发明的电解池的螺丝连接的断面视图。

在所述附图中，使用相同的附图标记表示不同图像中的相同或相应元件。

具体实施方式

参照图2a和2b，在每种情况中从不同透视角显示了具有根据本发明的阴极的实施方式的电解池。所示阴极适用于使用Hall-Héroult法从氧化铝中提取铝。将侧壁1a布置在阴极1上。所述侧壁1a可以与阴极1以整块的形式形成，或在所示情况中，可将所述侧壁1a连接到所述阴极1上并沿阴极1的纵向侧面延伸。在该实施例中，所述侧壁1a由单独的侧壁块1a1构成。同样地，在该实施例中，阴极1由单独的阴极块1b1构成。

侧壁1a和阴极1限定了槽1c，在熔盐电解过程期间将液体电解质以及产生的铝熔体容纳在所述槽1c中。如从图中能够看出的，阴极1的下侧面1g呈向下逐渐变细的梯形体1d形式，所述梯形体1d沿阴极的宽度b相互平行着延伸。此处，将梯形体在底部设计为平面。在梯形体1d的底部中，后来固定销子1e。在该示例性实施方式中，将销子形成为平头螺丝，其与用于连接用于电工钢生产的石墨电极的螺纹接头类似，如图3中所示意性显示的。

然而，在备选实施方式中，例如还可选择不同的连接手段如夹具连接。

在这种情况中，平头螺丝1e具有圆形横断面，从电流密度的均匀性方面考虑，这是有利的。从图2b能够看出，销子1e以例如轻微的“之”字形分布。必须注意，尽管此处描绘了在其下侧面上具有梯形体1d的阴极1的形式，但是这种构型不是必须的。相反，正如阴极1的上侧面那样，可以将阴极1的下侧面1g设计为平面。在这种实施方式中，可以以任意形式将销子1e布置在下侧面上。

如图2a中所示，还可以以例如线性方式布置销子。在以此方式线性布置的销子中，当然还可以以相互平行的方式布置多个销子。

例如，在每种情况中沿梯形体1d布置的所有销子1e，在其下侧面，即在背离所述阴极1的侧面又通过螺丝连接与公用电流棒3连接。图3中显示了销子1e到电流棒3的可能的螺丝连接。在这种情况下，将两个螺丝从电流棒3的侧面插入销子1e的下侧面中。

从图中能够看出，由于在运行期间电流棒3与阴极1的槽1c间隔开，并因此与高温区域间隔开，所以电流棒3所必须承受的温度比根据图1a至1c的现有技术实施方式中的电流棒主要具有的那些温度低得多。换言之，在这种情况下，电流棒3远离所述高温区域，并因此能够由例如比钢耐温性差但导电性更好的材料制得。

在该示例性实施方式中，电流棒3由铝合金制成。备选地，能够使用已知的铜合金。所示的梯形体1d还具有提高阴极1的槽1c与电流棒3之间的距离的作用。

可优选通过合适的布局，特别是几何形状布局，来抵消在既导电又高度导热的金属中可能的过度散热。

在附图中能够看到，将数个电流棒3（在这种情况下，在每种情况中为三个电流棒3）各自连接到共用母线10上，所述母线10连接到电压源（未示出）。例如，母线10和电流棒3可以由相同材料制成。在备选情况下，整块的实施方式也是可行的。

取决于如何设计阴极1的下侧面，可以将多种布置用于销子1e。例如，如果在设计中所述下侧面是平面，则可以以规则的格子的形式将销子1e固定到所述下侧面。关于上述电流供应的均匀性，这是特别有利地。

关于阴极材料，可使用本领域技术人员已知的并适用于从氧化铝电解铝的任意材料。例如在DE10261745中提出了合适的材料，通过参考方式将所述文献在该方面的内容并入本文中。特别地，销子1e可由与阴极1相同的材料制成。由于石墨具有耐温性并由于其比电阻低，所以已经证明其在该方面特别有利。

附图标记列表

1 阴极

1b1 阴极块

1a 侧壁

1a1 侧壁块

1c 槽

1d 梯形体

1e 销子

1g 阴极下侧面

2 底托

3 电流棒

4 阳极

5 铝

6 混合物（氧化铝、冰晶石）

7 负极，电压源

8 正极，电压源

10 母线

Claims

1.一种用于从铝的氧化物提取铝的电解池用阴极（1），所述阴极（1）具有下侧面（1g），其特征在于，所述阴极（1）配备有用于供应电流的多个销子（1f），其中所述销子在运行期间以供应电流的方式从下面接触所述阴极（1）的下侧面（1g）。

2.根据权利要求1所述的阴极（1），其特征在于，所述销子中的至少一个在相对于所述下侧面（1g）的垂线成小于30°的角下，特别地至少基本垂直于所述下侧面（1g）的角度下接触所述下侧面（1g）。

3.根据权利要求1或2所述的阴极（1），其特征在于，所述销子（1f）引入所述阴极（1）中。

4.根据前述权利要求中的一项或多项所述的阴极（1），其特征在于，通过螺丝连接将所述销子（1f）插入所述阴极（1）的所述下侧面（1g）中。

5.根据权利要求4所述的阴极（1），其特征在于，通过在所述销子（1f）的面对所述下侧面（1g）的一端上的螺纹和在所述阴极（1）的下侧面（1g）中的配对螺纹形成所述螺丝连接。

6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的阴极（1），其特征在于，所述销子由石墨制成。

7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的阴极（1），其特征在于，所述销子的长度为约100mm至500mm。

8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的阴极（1），其特征在于，所述销子（1f）具有约30mm至200mm的直径。

9.根据前述权利要求中的一项或多项所述的阴极（1），其特征在于，在每平方米的阴极（1）上存在约4至约100个销子（1f）。

10.根据前述权利要求中的一项或多项所述的阴极（1），其特征在于，在每种情况下数个销子（1f）在其背离所述阴极（1）的末端处连接至电流棒（3）。

11.根据权利要求8所述的阴极（1），其特征在于，所述电流棒（3）由含有超过50%的铜和/或铝的材料制成。

12.根据前述权利要求中的一项或多项所述的阴极（1），其特征在于，以向下逐渐变细的梯形体（1d）的形式对所述阴极（1）的下侧面（1g）进行梯形设计。