CN109923243B - 用于生产铝的阴极组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型阴极组件及其在电解槽中生产铝的用途。

Description

用于生产铝的阴极组件

技术领域

本发明涉及一种新型阴极组件及其在电解槽中生产铝的用途。

背景技术

例如，电解槽用于铝的电解生产，其在工业规模上通常根据Hall-Heroult工艺进行。在Hall-Heroult工艺中，电解氧化铝和冰晶石的熔融混合物。这里，冰晶石Na₃[AlF₆]用于将纯氧化铝的熔点2045℃降低至混合物的约950℃(该混合物为含有冰晶石、氧化铝和诸如氟化铝和氟化钙等其他物质的混合物)。

在该工艺中使用的电解槽包括阴极底部，该阴极底部由多个(例如多达28个)形成阴极的相邻阴极块组成。这里，阴极块之间的中间空间通常填充有碳素捣固糊，以便针对电解槽的熔融成分对阴极进行密封，并补偿在电解槽投入运行时产生的机械应力。阴极块通常由碳质材料(例如石墨)制成，以便承受电解槽运行时普遍存在的热和化学条件。阴极块的下侧通常设置有狭槽，在每个狭槽中设置一个或两个导电棒，经由阳极供给的电流通过该导电棒放电。这里，导电棒和形成狭槽的边界的的各个阴极块壁之间的中间空间通常填充有铸铁或捣固糊，使得由此产生的导电棒的铸铁套将该导电棒电连接和机械连接到阴极块。在通常为15～50cm厚的阴极顶侧的液态铝层上方约3～5cm处存在阳极，特别是由各个阳极块形成的阳极。在该阳极和铝的表面之间发现电解质(换句话说，含有氧化铝和冰晶石的熔体)。在大约1000℃下进行的电解过程中，由此形成的比电解质更稠密的铝沉降在电解质层下方，换句话说，作为阴极顶侧和电解质层之间的中间层。在电解中，溶解在熔体中的氧化铝通过电流流动分离成铝和氧。从电化学的观点来看，因为铝离子在液态铝层的表面被还原成元素铝，因此液态铝层是实际的阴极。尽管如此，在下文中，术语阴极不是指电化学观点的阴极(换句话说，液态铝层)，而是指例如由一个或多个阴极块组成且形成电解槽底部的组件。

如果导电棒和形成狭槽的边界的各个阴极块壁之间的中间空间填充有铸铁，则需要所谓的棒捣步骤。在该棒捣步骤过程中，将阴极块预热，并将熔融的铸铁注入导电棒和形成狭槽的边界的阴极块壁之间的间隙中，并通过冷却使其凝固，在冷却过程中铸铁会收缩。在电解槽启动期间，铸铁逐渐膨胀，但是它决不会再次达到与熔融铁相同的温度。由于不同的热膨胀，铸铁和阴极块之间的接触在狭槽中的所有表面上是不均匀的。因此，导电棒、铸铁和阴极块之间的电接触是不均匀的，从而导致这种装置的电阻更高，阴极电压降更高，并因此导致电解过程的能量效率低。此外，棒捣步骤需要时间，并且占熔炉阴极组件的总成本的40～60％，并且该步骤可能与健康和安全问题相关。

如果使用碳素捣固糊代替铸铁，则由于这些捣固糊通常含有多环芳烃，因此可能会产生健康和环境问题。然而，使用碳素捣固糊不需要如使用铸铁所需要的熔铸步骤。

WO 2016/079605描述了一种阴极装置，其中，使用由诸如铜等高导电金属制成的导电棒来代替由钢制成的导电棒。相应的导电棒能够与阴极块直接接触，即，既不使用铸铁也不使用碳素捣固糊，并且该导电棒水平地位于阴极块内。向外延伸的这些导电棒的一部分连接到钢连接棒，该钢连接棒的横截面积大于连接的导电棒的横截面积，并且该钢连接棒连接到外部电流源。钢连接棒和由高导电金属制成的导电棒彼此部分重叠，并且例如通过焊接、通过夹紧而固定在一起或者它们螺纹连接在一起。导电棒和钢连接棒的这种布置的目的是为了减小电压降，并确保电解槽的热平衡。WO 2016/079605没有解决在电解槽寿命期间(通常为3～6年)与运输、操作、安装、电解槽焙烧和启动以及阴极起伏有关的机械坚固性和化学防护的问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种阴极组件，该阴极组件不含有铸铁或碳素捣固糊，并且能够直接连接到外部母线系统，即，该阴极组件能够在运送时直接安装在电解槽中。此外，该阴极组件应在阴极块内提供更均匀的电流分布并减小电压降。

根据本发明，该目的通过一种用于生产铝的阴极组件来实现，该阴极组件包括至少一个阴极块和至少一个集流体系统，所述阴极块是基于碳和/或石墨的阴极块，所述集流体系统是由导电率大于钢的导电率的高导电材料制成的，其中，所述至少一个集流体系统的末端部分延伸到所述至少一个阴极块的外部和/或，优选地，位于所述至少一个阴极块内，其中，当从所述阴极块的长度上观察时，所述至少一个集流体系统的至少一部分，优选所有部分向上倾斜。

具体实施方式

在本发明的上下文中，集流体系统应被理解为如下系统：其几何形状和位置产生与至少一个阴极块的有效电接触面或一系列电接触点。

此外，在本发明的上下文中，当从阴极块的长度上观察时向上倾斜中的术语"向上倾斜"指的是集流体系统的相应部分或整个集流体系统相对于阴极块的纵向水平面彼此独立地具有大于0°的角度，即，集流体系统的每个相应部分和/或不同的集流体系统可能具有不同的角度。该角度可以从大于0°变化到90°，其中，角度的选择，特别是最大可能的角度，取决于阴极块的长度和高度。优选地，选择1°～12°之间的角度，更优选地3°～10°之间的角度。在上下文中，纵向平面应被理解为沿阴极块的纵向轴线的方向延伸的平面。当从侧面观察时，其中至少一个部分向上倾斜的集流体系统例如可以具有梯形或半椭圆形的形式。如果这种集流体系统具有梯形形式，那么其两边由集流体系统的从阴极块的外端开始向上倾斜的两个部分形成，并且梯形的顶部是集流体系统的连接两个倾斜部分的一个部分，然而，这部分实际上不必物理连接这两个倾斜部分。阴极块的底侧可以被视为梯形的底。其中所有部分向上倾斜的集流体系统例如可以具有三角形的形式，其中，该三角形的两侧边由集流体系统的从阴极块的外端开始向上倾斜的两个部分形成，并且该三角形的底由阴极块的底侧形成。

根据本发明，已经认识到，可以通过使用至少一个集流体系统来减小阴极装置的阴极电压降，该集流体系统由导电率大于钢的导电率的高导电材料形成，其中集流体系统的至少一个部分，优选地所有部分向上倾斜。由于使用导电率大于钢的导电率的高导电材料，因此，基于碳和/或石墨的阴极块与集流体系统之间的电接触得到改善，原因是该集流体系统的大部分(如果不是全部)表面与阴极块紧密接触，使得电阻降低。因此，阴极电压降减小。此外，当选择集流体系统的正确位置和几何形状时，阴极块的长度上的垂直电流分布更均匀。使用至少部分向上倾斜的集流体系统在阴极块长度上产生基本均匀的垂直电流分布，其中进一步减小了阴极电压降。因此，通过减小阴极电压降，改善了电解槽的能量效率。

除此之外，通过使用上述集流体系统，不需要铸铁或碳素捣固糊来在常用的钢导电棒和阴极块之间产生电接触。由于不需要棒捣步骤，因此降低了成本，并可以防止与棒捣步骤相关的安全和健康问题。此外，由于与传统的钢棒相比，这些集流体系统的尺寸小得多，因此进一步降低了成本，由于阴极表面与集流体系统之间的阴极材料更多，因此电解槽的寿命可以更长，并且可以通过减小阴极高度来扩大电解槽腔。

根据本发明的优选实施例，集流体系统具有至少一个插入件，该插入件具有非分支构造或分支构造，优选地为非分支构造。

具有非分支构造的插入件可以优选地是杆、棒或薄板，其中，这些插入件例如具有矩形或圆柱形的横截面。通常，这些插入件是一件。然而，在本发明的上下文中，一件插入件可能由两个半插入件代替。当使用梯形或三角形的集流体系统时，相应的集流体系统可以由一件制成，或者它可以由两个或三个插入件组合在一起制成，以便获得三角形或梯形形状。使用这种插入件(在该插入件之间具有空间)允许热膨胀，特别是纵向热膨胀。如果不允许热膨胀，则插入件可能会弯曲或变形，因而对阴极块和周围材料施加应力。根据阴极组件的设计，也可以将至少两个插入件平行地间隔开放置，也允许热膨胀和对其间的阴极材料施加热机械应力。应该理解，将插入件的几何形状，特别是其横截面，以及插入件的数量选择为使高导电材料的量最小化，从而使成本、热损失和接触电阻最小化，并具有均匀的电流分布，因此具有电解槽稳定性。

具有分支构造的插入件可以是杆、棒或薄板，其包括水平或倾斜部分，其中至少一个垂直部分间隔地向上延伸。如果使用多于一个垂直部分，则这些部分的端点形成斜面，即，这些垂直部分的高度从阴极块的外端向其中心逐渐增大。这些分支的端点构成与至少一个阴极块之间的一系列电接触点。插入件也可以具有网的形式。使用这种分支构造的优点是，需要较少的高导电材料，原因是它可以以最小量使用并且仅在需要它的点处使用。在某些情况下，分支构造可能更容易制造，例如，在阴极体的一半中形成或插入导体的网或网络然后与另一半闭合时，将导体的网或网络嵌入阴极体内。

优选地，至少一个插入件嵌入阴极块的狭槽和/或通孔中。根据插入件的尺寸加工狭槽，并且还可以根据相应插入件的尺寸在阴极块中钻出通孔。通过具有这样的狭槽或通孔，由于插入件可以在由狭槽或通孔提供的空间内膨胀，因此允许插入件的热膨胀。

根据本发明的另一个优选实施例，高导电材料选自以下材料：金属、合金、金属碳复合材料、石墨烯、石墨和碳复合材料。

在本发明的上下文中，应该理解，金属碳复合材料可以是金属基质复合材料(例如，金属基质中的碳或石墨颗粒或纤维)，或金属碳复合材料粉末衍生的材料，或例如通过粉末冶金法制备的金属和碳粉末衍生的材料，或金属浸渍碳或镀金属碳纤维或金属结合碳纤维增强复合材料或金属石墨复合材料。

根据本发明，石墨可以选自天然、合成、热解或膨胀石墨，并且碳复合材料可以选自碳纤维/碳复合材料或石墨/碳复合材料。

高导电材料优选为金属或合金，优选地为铜、银或铜合金，更优选地为铜。铜合金可以是与银或铝的合金。作为铜，可以使用市售的无氧和CuAgO.1P等级的ETP(Electrolytic Tough Pitch Copper：电解韧性铜)。优选的是，这些高导电材料在电解槽运行期间具有高于阴极块温度(其通常在850～950℃之间)的熔点。

根据本发明的另一个优选实施例，在至少一个阴极块与至少一个集流体系统之间存在直接接触，或者至少一层导电材料位于至少一个阴极块与至少一个集流体系统之间。

如果阴极块与集流体系统之间存在直接接触，则电接触由阴极块的重量和集流体系统的受控热膨胀和延展性产生。在没有中间导电层(例如石墨或金属箔)的直接接触的情况下，通过在插入件与狭槽或通孔之间精确配合并允许从加热到最终电解槽温度的热膨胀来实现阴极和集流体(current collector)插入件之间的良好电接触(低接触电阻)。插入件选自热膨胀系数大于阴极的热膨胀系数的材料。差别热膨胀确保良好的配合和电接触。从室温到电解槽使用温度(通常在阴极内为850-950℃)，阴极/集流体界面的接触电阻低于10μΟhm.m²，优选地低于5μΟhm.m²，并且更优选地低于1μΟhm.m²。

集流体系统可以是光滑的或粗糙的，这取决于碳表面的类型。对于石墨化阴极材料，光滑表面可能是优选的，而粗糙表面可能更适合非晶阴极材料。如果粗糙表面提供与碳的更好接触，则可以通过使用诸如喷砂、金刚砂抛光、喷丸、研磨、氧化或蚀刻等方法来获得这些粗糙表面。

为了产生或改善其中存在要桥接的间隙或不合适配合的阴极块与集流体系统之间的电接触，作为导电界面的至少一层导电材料也可以位于阴极块与集流体系统之间。优选地，导电材料选自以下材料：石墨箔(优选膨胀石墨箔)、箔、布、网、金属或合金(优选铜或铜合金)的泡沫或浆料，或导电胶或其任意混合物。这些导电材料的另一个功能是用于补偿高导电材料相对于阴极块的碳质材料的不同热膨胀。如果使用多于一层的导电材料，例如膨胀石墨，则层结构可以增加某些所需的性能，例如导电性。

在本发明的另一个优选实施例中，在延伸到至少一个阴极块的外部和/或位于至少一个阴极块内的至少一个集流体系统的末端部分通过导电联结杆连接到外部母线系统。在至少一个集流体系统的末端部分延伸到外部的情况下，它们可以在导电连杆处连接在一起。

在本发明的上下文中，导电连杆可以是钢棒、双金属板、柔性部件、碳部件、石墨部件或其任意组合，如钢棒与双金属板的组合。这些导电连杆的主要功能是将集流体系统电连接到外部母线系统，使得熔炉能够采用传统的母线连接方法，例如焊接或夹紧。其他功能包括提供机械稳定性、允许由于阴极起伏而引起的移动或平衡电解槽内的热管理，由此这些导电连杆减少了热通量。

上述碳部件可以由碳纤维制成，优选地涂层碳纤维或金属浸渍碳纤维，并且石墨部件可以由石墨纤维或镀金属石墨纤维或金属浸渍石墨纤维制成。这些部件可以单独使用，也可以封装在刚性金属外壳或柔性金属管中。

如果将钢棒用作导电连杆，则该钢棒可以连接到阴极块外和/或内的集流体系统的末端部分。与集流体系统的末端相比，该钢棒的横截面增大了，以便减小电压降，并确保电解槽的热平衡。钢棒的长度以及钢与集流体的末端部分之间的重叠不是固定的，而是取决于目标阴极电压降、电流密度分布和电解槽设计中的热损失以及所需的机械稳定性的量。电绝缘材料(例如砂浆或陶瓷纤维毯/薄片)可以放置在钢与阴极之间，以防止杂散电流绕过嵌入阴极内的集流体系统。如果需要实现所需的电流分布，则绝缘材料也可以进一步延伸一定距离进入在集流体系统与阴极之间的阴极，但代价是阴极电压降的会有某种程度的增加。

集流体系统的末端可以插入钢棒中，即，钢棒与集流体系统之间存在部分重叠，或者这两部分可以通过焊接、施加导电胶、夹紧或其他机械固定方法而固定在一起或者末端与钢棒之间的接缝通过热膨胀闭合。还可以以任何所需的方式组合这些固定方法。钢棒为集流体系统提供机械支撑，并且如果容纳该集流体系统的阴极块起伏，则钢棒还承受来自集流体系统的一些应力。此外，对包括这种钢棒的阴极组件的在运输和安装过程中的机械处理进行了改进。

如果导电连杆表示双金属板，则其每个侧面优选地由与其面对的部件相同的材料制成。这种双金属板可以焊接到延伸到外部的集流体系统的终端，并且通过夹紧或焊接连接到外部母线系统。双金属板的面对集流体系统的一侧由与该集流体系统相同的材料制成，例如铜。双金属板的面对外部母线系统的另一侧由与该外部母线系统的连接面相同的材料制成，例如铝、铜或钢。这种材料选择有助于到集流体系统或外部母线系统的连接。此外，相同的材料确保易于连接、良好的结合和相似的导电性，避免在任何电解质(例如，水分)存在下不同材料之间的不同电化学电势引起的腐蚀，并避免不同材料的相互扩散，这会改变局部化学成分和微观结构，并因此改变物理性质，例如机械和电气性能。

优选的是，在将钢棒用作导电连杆的情况下，其中母线连接表面不是钢并且例如通过焊接进行该连接，那么将钢棒与双金属板组合。将双金属板放置在钢棒与外部母线系统之间。双金属板的面向钢棒的一侧也是钢制的。由于该组合，与母线的连接变得更容易，并且与适用的熔炉采用的传统方法相同。其他优点如上所述。

这些双金属板的尺寸至少与钢棒的横截面尺寸相同，并且可能更大，这取决于熔炉的实践。

导电连杆也可以表示市售的柔性部件。该柔性部件由选自以下的材料制成：碳、石墨、铜、铝、银和其任意混合物或组合，优选铜或铝，更优选铜。该柔性部件优选是编织的或层压的。由于这些部件的柔性，阴极组件的安装更容易，并且在电池寿命期间，由于阴极起伏或其他力而产生的阴极运动被接纳。

附接装置(优选地是钢板)附接到末端部分从其处延伸的阴极块的侧面和/或底部。该附接装置用于机械地支撑连接连杆和/或围绕集流体系统的突出部分的保护壳。它优选地是机械附接。优选地，由与板相同的金属制成的螺钉、螺栓或销可以用于将板机械地固定到阴极块。该板具有至少一个开口，该开口的尺寸几乎不大于延伸到阴极块的外部的集流体系统的末端或用作导电连杆的钢棒的横截面。为了防止电流在金属板与阴极块之间流动，可以在其间放置电绝缘体，例如柔韧的耐火自粘片，并且为了防止电流通过机械固定装置(螺钉、螺栓或销)流到金属板，可以在其间放置绝缘垫圈。

在本发明的另一个优选实施例中，延伸到外部的集流体系统的末端的至少一部分(优选地全部)被保护壳包住。该保护壳由金属制成，优选地由钢制成。如上所述，优选的是，保护壳通过金属板(优选为钢板)附接到阴极块。保护壳为本发明的阴极组件提供了部分机械稳定性，特别是当该组件被运输和操作时以及在其使用时，并且如果在阴极块之间的接缝中或在阴极块末端与电解槽侧壁之间的大型外周接缝中有泄漏，则该保护壳可防止在电解槽启动和运行过程中来自腐蚀性气体等的化学冲击以及集流体系统与熔融铝或熔池的接触。

在本发明更优选的实施例中，延伸到外部的集流体系统的末端和保护壳之间的空间填充有可压缩材料，该可压缩材料具有与耐火绝缘材料类似的且不高于焦炭或木炭的低导电率，具有0.05～20W/m K的低导热率，优选材料为电绝缘体且具有5～10W/m K范围内的低导热率。该材料基于陶瓷材料或碳，更优选地基于陶瓷材料或无定形碳的材料，甚至更优选地陶瓷纤维片、陶瓷纤维羊毛、颗粒、无烟煤、焦炭、炭黑、炭毡，最优选地陶瓷纤维片、陶瓷纤维羊毛或颗粒。填充材料允许由于阴极起伏或其他力而引起的集流体系统的封装部分的移动或变形，并且它支持电解槽的热管理和电气管理。与电解槽内衬设计和导电连杆相结合，填充材料的导热性影响集流体系统的末端处的热通量和温度，并有助于电解槽的热平衡。

根据本发明的阴极组件包括基于碳和/或石墨的至少一个阴极块。优选地，阴极块的组成包含按重量比至少50％，更优选地至少60％，甚至更优选地至少80％，特别优选地至少90％，最优选地至少95％的碳和/或石墨。

碳可以是无定形碳，例如无烟煤，石墨可以是天然石墨和/或合成石墨。在本发明的上下文中，如果至少一个阴极块表示层状阴极块，则还可以将碳和/或石墨与耐火硬金属(优选地TiB₂)混合，并且这种混合物表示阴极块的上层，而阴极块的下层具有碳和/或石墨。

在本发明的另一个优选实施例中，阴极组件的至少一个阴极块包括至少一个电活性部分和至少一个电惰性部分。在本发明的上下文中，电活性部分由存在从阴极表面流到集流体系统的电流线路限定，而电惰性部分由不存在电流线路限定。电惰性部分优选位于集流体系统下方。电活性部分优选由如上限定的碳和/或石墨制成。电惰性部分优选由碳或耐火材料制成。可以使用电活性部分的材料和电惰性部分的材料的任意组合。电惰性部分的功能是为至少一个集流体系统提供机械稳定性，并且作为化学惰性屏障来保护至少一个集流体系统免受气体氧化或腐蚀。此外，电惰性部分优选由比制造电活性部分的材料便宜的材料制成，即，可以降低成本。作为电惰性部分的耐火材料的实例包括砂浆、可浇铸耐火材料、速凝溶胶-凝胶耐火产品和混凝土。可浇铸或速凝溶胶-凝胶耐火产品可用于填充大的或不规则形状的空间。电绝缘部件与集流体系统的几何形状和定位的组合有助于在电解槽中实现所需的电流分布。

优选的是，当从阴极块的长度上观察时，至少一个电活性部分和至少一个电惰性部分均具有变化的厚度，更优选地，至少一个电惰性部分在其外端处具有比在其中心(与整个阴极的中心对应)处更浅的厚度，并且至少一个电活性部分在其外端处具有比在其中心(也是整个阴极的中心)处更高的厚度。

根据本发明，至少一个阴极块还可以包括间隔开的至少两个电活性部分，并且其中至少一个电惰性部分填充至少两个电活性部分之间的间隙，电惰性间隙位于氧化铝送料器下方的中心通道附近的整个阴极块的中心。这些电活性部分在外阴极端部处或附近具有比阴极的中心处或附近更高的厚度。优选地，这些电活性部分在其外端部处各自包括表示电惰性部分的部分。通过使用更多的电惰性材料并将电活性部分限制在阳极正下方的阴极区域，可以进一步降低成本。在电活性部分的外端部处的两个电惰性部分确保沿阴极块的长度的更好的电流分布。

此外，本发明涉及一种用于进行熔盐电解以生产铝的前述阴极组件的用途。

在基于Hall-Heroult技术的传统电解槽中，阴极块之间存在间隙(称为短接缝)以及阴极块与侧壁耐火材料之间存在间隙(称为外周接缝或大的接缝)。这些间隙通常填充有捣固糊；大的接缝也可以用预焙碳块部分地或完全地填充，其中相应的捣固表面或碳表面从阴极表面朝向侧壁向上倾斜。与钢壳相邻的侧壁块由昂贵的碳化硅或碳制成。次阴极内衬，即，阴极块下面的内衬也可以由陶瓷材料制成。

通过使用本发明消除由铸铁或捣固糊引起的棒捣所带来的环境、健康和安全益处可以通过将这种阴极组件安装在用于生产铝的电解槽中而得到进一步增强，其中至少一个大的接缝，优选所有大的接缝，都没有填充捣固糊，而填充速凝溶胶-凝胶耐火产品，速凝溶胶-凝胶耐火产品已经商业化或可以进行改进以适应铝电解槽环境。

捣固糊涉及使用焦油粘合剂和其他碳质粘合剂，它们在焙烧过程中都会释放出有害的多环芳烃(PAH)。即使所谓的环境友好型粘合剂在碳化时也会产生少量的PAH。在电解槽构建期间手动完成捣固操作。工作条件通常令人不愉快，并且需要考虑人体工程学问题。用无机产品替代可以消除这些危害和PAH释放，从而产生无糊电解槽。

诸如速凝溶胶-凝胶耐火材料之类的无机产品优于更传统的可浇铸产品，因为它们含有必须在受控加热条件下缓慢释放以避免开裂的化学束缚水。这种约束限制了只能存在非常小量或薄层的原位应用。在引入熔池和铝金属之前，必须在电解槽焙烧过程中除去所有水，以避免灾难性的熔融金属爆炸。

溶胶-凝胶耐火材料应用于高炉、玻璃熔炉和铝铸造炉。有些配方可以耐熔融金属，甚至可以应用于热加工炉。可以调节胶体粘合剂体系，以适应应用温度和快速凝固时间。由于水只能在溶胶凝胶耐火材料中进行物理结合，因此在启动电解槽系列中重新安装的电解槽之前，它们可以在低于100℃的温度下被安全地除去。

在本发明的另一个优选实施例中，碳阴极块之间的短接缝可以用溶胶-凝胶耐火材料或薄石墨箔代替(WO2010/142580A1中描述了薄石墨箔的用途)。对围绕阴极周边的大接缝的功能要求与小接缝不同。除了密封电解槽底部而防止熔池和金属泄漏，大接缝必须保持阴极块不动且在压缩作用下压在一起。

在本发明的另一个优选实施例中，溶胶-凝胶可泵送的浆料耐火材料正在取代所有捣固的大接缝，并且正在用更便宜的碳侧壁取代昂贵的SiC侧壁，所述碳侧壁在顶部和外表面覆盖有氧化保护涂层，并且内表面上有人造突部(ledge)，所有这些都由相同类型的溶胶-凝胶耐火浆料形成，但其成分和性能经过改进以适应铝电解槽各部分的功能要求。由于大的接缝中的溶胶-凝胶耐火材料是电绝缘的，因此，阴极和钢壳壁之间的耐火材料部件可以用低导热率的碳块代替。

本发明还涉及一种不含任何捣固糊的铝电解槽，即所谓的无糊电解槽。这种无糊电解槽包括：根据本发明的阴极组件、溶胶-凝胶耐火材料涂布的碳侧壁、溶胶-凝胶耐火材料大接缝、石墨箔或溶胶-凝胶耐火材料短接缝；在这种情况下，所有接缝，即，所有短接缝和大接缝，都没有填充任何捣固糊。优选地，陶瓷耐火材料用于次阴极内衬和导电棒周围。这种电解槽消除了与捣固糊相关联的所有健康、安全和环境问题。

溶胶-凝胶浆料耐火材料是可泵送的，并且在电解槽构建期间容易在现场应用(可以使用来自Magneco/Metrel Inc.,Illinois/US的市售产品Metpump)。其化学和物理性质通过选择组成来适应功能要求。关键成分是涉及释放物理水的合适的胶体粘合剂，其允许在低温(100-200℃)下快速干燥而不会开裂。在加入任何熔融的冰晶石或铝之前，在200℃以下焙烧电解槽的第一部分的过程中，所有的水都会被释放出来，所以应该没有蒸汽或熔融金属爆炸的问题。浆料的流变性使其能够流动并充分填充间隙，从而确保大接缝、小接缝(如果不使用石墨箔)以及侧壁块与钢壳壁之间的间隙中的良好密封。已知其在加热到使用温度期间膨胀而不是收缩，从而再次确保了大接缝中的良好密封并且保持阴极块和石墨箔处于压缩状态。

耐化学性取决于浆料填料的选择以匹配使用环境。例如，大接缝中的溶胶-凝胶耐火材料必须耐熔融铝，并且可能与铝铸造炉内衬中使用的相同或相似。在碳侧壁上，它将是富含SiC的组合物，用于空气氧化保护。作为碳侧壁的内表面上的人造突部，它很可能是富含氧化铝的组合物，其足以抵抗冰晶石和铝金属，直到天然突部形成。

Claims (18)

1.一种用于生产铝的阴极组件，其包括至少一个阴极块和至少一个集流体系统，所述阴极块是基于碳和/或石墨的阴极块，所述集流体系统是由导电率大于钢的导电率的高导电材料制成的，其中，所述至少一个集流体系统的末端部分延伸到所述至少一个阴极块的外部和/或位于所述至少一个阴极块内，其特征在于

当从所述阴极块的长度上观察时，所述至少一个集流体系统的至少一部分向上倾斜，并且其中所述高导电材料是铜或铜合金。

2.根据权利要求1所述的阴极组件，其特征在于：

所述至少一个集流体系统具有至少一个插入件，所述插入件具有非分支构造或分支构造。

3.根据权利要求1或2所述的阴极组件，其特征在于：

在所述至少一个阴极块与所述至少一个集流体系统之间存在直接接触，或者至少一层导电材料位于所述至少一个阴极块与所述至少一个集流体系统之间。

4.根据权利要求1或2所述的阴极组件，其特征在于：

延伸到所述至少一个阴极块的外部和/或位于所述至少一个阴极块内的所述至少一个集流体系统的末端部分通过导电连杆连接到外部母线系统。

5.根据权利要求4所述的阴极组件，其特征在于：

所述导电连杆选自钢棒、双金属板、柔性部件、碳部件、石墨部件或其任意组合。

6.根据权利要求5所述的阴极组件，其特征在于：

所述双金属板的每一面由与其面对的部件相同的材料制成。

7.根据权利要求5所述的阴极组件，其特征在于：

所述柔性部件由选自以下的材料制成：碳、石墨、铜、铝、银和其任意混合物或组合。

8.根据权利要求4所述的阴极组件，其特征在于：

如果所述导电连杆是双金属板或柔性部件，或者所述至少一个集流体系统的末端部分的至少一部分从所述阴极块突出，那么所述至少一个集流体系统的延伸到外部的部分和所述导电连杆的一部分或全部被保护壳包住。

9.根据权利要求8所述的阴极组件，其特征在于：

所述至少一个集流体系统与所述保护壳之间的空间填充有可压缩材料，所述可压缩材料具有低的导电率和低的导热率。

10.根据权利要求1或2所述的阴极组件，其特征在于：

所述至少一个阴极块由按重量比至少50％的碳和/或石墨组成。

11.根据权利要求10所述的阴极组件，其特征在于：

所述至少一个阴极块由按重量比至少60％的碳和/或石墨组成。

12.根据权利要求11所述的阴极组件，其特征在于：

所述至少一个阴极块由按重量比至少80％的碳和/或石墨组成。

13.根据权利要求12所述的阴极组件，其特征在于：

所述至少一个阴极块由按重量比至少90％的碳和/或石墨组成。

14.根据权利要求13所述的阴极组件，其特征在于：

所述至少一个阴极块由按重量比至少95％的碳和/或石墨组成。

15.根据权利要求1或2所述的阴极组件，其特征在于：

所述至少一个阴极块包括至少一个电活性部分和至少一个电惰性部分。

16.根据权利要求15所述的阴极组件，其特征在于：

所述至少一个电活性部分由碳和/或石墨制成，并且所述至少一个电惰性部分由碳或耐火材料或其任意组合制成。

17.根据权利要求1～16中任一项所述的阴极组件的用途是进行熔盐电解以生产铝。

18.包括至少一个根据权利要求1～16中任一项所述的阴极组件的用于生产铝的电解槽，其特征在于，其不含任何捣固糊。