CN117120673A - 电极的管脚组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于向电极提供电流的管脚组件及其制造方法。例如，所述电极为惰性阳极或析氧阳极。管脚组件被配置为插入到电极的电极主体中，以向电极主体提供电流。管脚组件包括被配置为机械地支撑电极主体的结构支撑构件，以及被配置为嵌入结构支撑构件的保护性传导构件。保护性传导构件包括至少一种金属或其合金，其适于在电极的给定使用时间期间传导电流，同时保护结构支撑构件免受腐蚀。管脚组件实现了电极的便捷电连接，结合了电性能和热性能以优化池效率，提供了结构强度和耐腐蚀性以延长管脚组件寿命，并采用了可靠的连结工艺以获得高可靠性。

Description

电极的管脚组件及其制造方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2021年3月24日在美国专利商标局提交的第63/165,406号美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明总体上涉及一种电极的管脚组件及其制造方法，更特别地涉及一种用于阳极的管脚组件，该阳极例如是惰性阳极或析氧阳极，其将在电解池内部使用，例如用于生产金属，例如铝。

背景技术

铝金属(也称为铝)是通过在包含于多个电解池中的大约750-1000℃的熔融电解质的电解槽中电解矾土(也称为氧化铝(IUPAC))而生产的。电解池具有由能够包含电解质的耐火材料制成的坩埚、至少一个阴极和至少一个阳极。在电解液中循环通过阳极和阴极的电解电流导致氧化铝还原反应，并且还能够通过焦耳效应将电解槽保持在目标操作温度。定期对电解池供应氧化铝，以便补偿由电解反应导致的氧化铝的消耗。

在传统的Hall-Heroult方法中，阳极由碳制成，并且在电解反应期间被消耗。阳极需要在3到4周后更换。含碳材料的消耗在大气中释放大量的二氧化碳。铝生产商一直在寻找由非消耗性材料制成的阳极，称为“惰性阳极”或“析氧阳极”，以避免与制造和使用由含碳材料制成的阳极相关联的环境问题和成本。用惰性阳极代替传统的碳阳极确实与显著的环境益处相关联，因为惰性阳极不产生CO₂或CF₄排放。已经提出了几种材料，特别是陶瓷材料(例如SnO₂和铁氧体)、金属材料和复合材料，例如包含陶瓷相和金属相的被称为“金属陶瓷”的材料，特别是包含金属铜基相的铁酸镍。

在开发用于通过电解生产铝的惰性阳极中遇到的问题不仅在于制造阳极的材料的选择和制造，还在于每个阳极和将用于电解池的电源的导体之间的电连接。通常，惰性阳极管脚组件从支撑件(例如配电板)的底部延伸，用于将阳极悬挂在铝电解池中并且用于提供到阳极的电路径而不允许过多的电解池热损失。惰性阳极例如经由连接到惰性阳极的导体棒电连接到电解池，其中阴极将电流引导到电解槽中以产生有色金属，电流经由阳极离开电解池。惰性阳极电连接到通常由金属(例如镍、或钢)制成的导体。然而，在金属导体和包括例如陶瓷或陶瓷金属(金属陶瓷)的惰性阳极之间形成低压降电连接是一个挑战。必须在宽范围的温度和操作条件下保持连接具有良好的完整性(低压降)。低压降电连接对于最小化池电压和工艺的能量消耗是重要的。

惰性阳极组件(更具体地，导电棒)的领域中的主要挑战是找到在高温下既可在富氧环境中也可在富氟化物环境中继续存在的材料。例如，已经测试了吹扫气体方法以对吹扫空间加压，从而防止腐蚀性物质侵蚀结构支撑件和导电构件。然而，吹扫每个导电棒或管脚通常需要复杂的管道系统和昂贵的用于气体输送的基础设施。例如，管脚吹扫可能需要这样的管脚设计：其可以包括一系列穿过管脚的长度的同心管，以保护结构支撑棒不受腐蚀性物质的影响。此外，这种类型的管脚设计制造成本高。

阳极不是必须是不透气体和不透液体的。阳极可允许氧气和氟化物都迁移通过阳极壁并进入阳极孔，从而导致对电连接的严重腐蚀，并且使阳极管脚还原，从而使阳极还原。几个月后，管脚可能被腐蚀穿透，并且阳极顶部可能被腐蚀产物分开。

已经提出了几种用于连接惰性阳极的方法和装置，例如在美国专利7,544,275的背景技术部分中列出的那些，该专利的内容通过引用结合于此。这些解决方案存在几个缺点，例如通过对阳极的活性部分的焙烧参数施加约束，或通过对形成中间层的工艺施加完美的控制并因此施加复杂的附加步骤，从而使得阳极的制造更加困难。本领域已知的其他解决方案需要在形成接头之前化学还原接触表面，这使阳极的制造和电连接的组装相当复杂。

美国专利4,456,517、4,450,061、4,609,249和6,264,810描述了适用于具有中心空腔的阳极的机械连接。当使用阳极时，这些连接对其组成元件的机械性质的变化敏感，并且在阳极和金属零件之间引入机械张力。此外，这些解决方案对电解池的腐蚀性环境气氛敏感。为了克服这个困难，这些专利中的一些还提出添加筛网和/或惰性填充材料。这些互补的保护装置使连接的制造变得复杂，并且使其更加昂贵。在上述引用的美国专利6,264,810中提出的解决方案具有另外的缺点，即其需要大量不同的零件，这些零件必须在长时间段内保持其机械特性。

惰性阳极管脚组件的现有设计利用广泛的机加工和手工处理，以便能够在不需要昂贵的工具修改的情况下测试许多设计迭代。

因此，需要一种新的设计和一种新的制造惰性管脚组件和新的阳极的方法，其克服了现有技术的缺点，同时允许具有高可靠性和耐久性的大批量生产。

发明内容

现有技术的缺点通常通过一种新的电极管脚组件、包含该管脚组件的电极及其制造方法来减轻，其优选地用于铝的电解生产。

首先公开了一种管脚组件，其被配置为插入到电极的电极主体中，用于向电极主体提供电流。管脚组件包括：结构支撑构件，其被配置为机械地支撑电极主体；以及保护性传导构件，其被配置为嵌入结构支撑构件，所述保护性传导构件包括至少一种金属或其合金，其适于在电极的给定使用时间期间在保护结构支撑构件免受腐蚀的同时传导电流。

根据优选实施方式，结构支撑构件进一步被配置为机械地支撑电极的耐火部件。

根据优选实施方式，结构支撑构件包括钛、镍、铁或其合金。优选地，结构支撑构件包括不锈钢或镍基合金，例如

根据优选实施方式，保护性传导构件是围绕结构支撑构件装配的管。优选地，该管是双金属管，其具有包括第一金属的上段和包括第二金属的下段，第一金属和第二金属都传导所述电流。更优选地，上段的第一金属比下段的第二金属具有更低的热导率。

根据优选实施方式，管的上段和下段通过焊接连接在一起，优选地通过惯性焊接或摩擦焊接连接在一起。

根据优选实施方式，双金属管的第一金属包括钛、镍、铁或其合金，优选地钢合金，更优选地不锈钢合金，或镍基合金，例如合金，并且双金属管的第二金属包括钴、铜和/或其合金中的至少一种。

根据优选实施方式，结构支撑构件包括从管脚头部纵向延伸的管脚，该管脚被配置为穿过管的中心孔口。优选地，管脚头部被配置为径向地延伸超过管的下段的外表面，以将管脚头部连接到由第二金属形成的管的底端。优选地，管脚通过铆接或焊接连接到双金属管的上段。

根据优选实施方式，如本文公开的管脚组件进一步包括金属模板，该金属模板包括导电金属或其合金。金属模板包括从杯状件的底端纵向延伸的杆，杯状件被配置为围绕在管脚头部周围，使得一旦管脚插入到管中就在模板和管脚之间形成互锁连接。模板的杆被配置为，当管脚组件可操作地连接到电极主体时，插入到电极主体的孔口中。优选地，金属模板包括钴、铜和/或其合金中的至少一种。

根据优选实施方式，杯状件和模板的杆形成为一件。

根据优选实施方式，杯状件具有圆形的侧向段，该侧向段的杯状直径大于管脚头部的直径，模板被组装在管脚头部上，使得杯状件在双金属管的下段上延伸，从而例如形成环绕管脚头部的径向间隙。优选地，模板通过金属成形或锻造操作(例如径向间隙的旋锻)而永久地连接到双金属管。

根据另一优选实施方式，杯状件具有限定长轴和短轴的椭圆状侧向段，长轴大于管脚头部的直径，然后将模板组装在管脚头部上，使得杯状件在双金属管的下段上延伸，从而例如形成沿着长轴在管脚头部和杯状件之间的两个相对间隙。优选地，模板通过金属成形或锻造操作(例如两个相对间隙的旋锻)而永久地连接到双金属管。

根据优选实施方式，一旦永久连接在管脚头部周围，杯状件就形成肩部，当管脚组件可操作地连接到电极时，电极主体由管脚组件的肩部支撑。

根据优选实施方式，保护性传导构件被配置为在其外表面上形成腐蚀产物，该腐蚀产物适于受到机械约束而不会断裂或破裂。优选地，约束材料包括以下中的一种：烧结氧化铝管、氧化铝粉末、可浇注耐火材料、铜粒、惰性阳极材料或烧结氧化锡管。

根据优选实施方式，电极是阳极，更优选地，阳极是惰性阳极或析氧阳极。

本文还公开了一种用于将铝生产到电解池中的电极组件。电极组件包括：多个电极，每个电极包括连接到管脚组件的电极主体，管脚组件如本文所限定和公开的；以及配电板，其被配置用于经由其相应的管脚组件而可操作地连接该多个电极中的每个，以提供到电极的电路径。

根据优选实施方式，该多个电极是阳极，优选地是惰性阳极或析氧阳极。优选地，该多个阳极是从配电板向下延伸的垂直阳极。

根据优选实施方式，电极组件进一步包括可浇注水泥，其具有围绕每个电极的管脚组件的耐火包装，从而限制保护性传导构件的腐蚀产物。

根据优选实施方式，电极组件进一步包括陶瓷管，其至少部分地包围管脚组件的保护性传导构件，用于将保护性传导构件的腐蚀产物限制在阳极主体内。

还进一步公开了一种用于制造电极的方法，该电极包括电极主体和管脚组件，该管脚组件被配置为插入到电极的电极主体中以向电极主体提供电流。该方法包括：

a)提供结构支撑构件，其被配置为机械地支撑电极主体；

b)将结构支撑构件嵌入保护性传导构件，该保护性传导构件包括至少一种金属或其合金，其适于传导电流，同时在电极使用的给定时间期间保护结构支撑构件免受腐蚀；以及

c)电连接管脚组件和电极主体以形成电极。

根据优选实施方式，电极组件进一步包括陶瓷管，其至少部分地包围管脚组件的保护性传导构件，用于将保护性传导构件的腐蚀产物限制在阳极主体内。

根据优选实施方式，结构支撑构件包括钛、镍、铁或其合金。优选地，结构支撑构件包括不锈钢或镍基合金，例如

根据优选实施方式，保护性传导构件是管，方法的步骤b)包括：将管装配在结构支撑构件周围。

根据优选实施方式，管是双金属管，其具有包括第一金属的上段和包括第二金属的下段，第一金属和第二金属都传导所述电流。优选地，上段具有比下段低的热导率。

根据优选实施方式，该方法在步骤b)之前进一步包括以下步骤：通过焊接(优选惯性焊接或摩擦焊接)而将上段和下段连接在一起。

根据优选实施方式，双金属管的第一金属包括钛、镍、铁或其合金，优选地钢合金，更优选地不锈钢合金，或镍基合金，例如合金，并且双金属管的第二金属包括钴、铜和/或其合金中的至少一种。

根据优选实施方式，在该方法的步骤a)中，结构支撑构件包括从管脚头部纵向延伸的管脚，则该方法的步骤b)包括：使管脚穿过管的中心孔口。优选地，管脚头部被配置为径向地延伸超过管的下段的外表面，则该方法的步骤b)包括：将管脚头部连接到由第二金属形成的管的底端。

根据优选实施方式，该方法的步骤b)进一步包括：通过铆接或焊接将管脚连接到双金属管的上段。

根据优选实施方式，管脚组件进一步包括金属模板，该金属模板包括导电金属或其合金，该金属模板包括从杯状件的底端纵向延伸的杆，则该方法的步骤b)进一步包括：一旦管脚插入到管中，就将杯状件围绕在管脚头部周围，以在模板和管脚之间形成互锁连接；并且则该方法的步骤c)包括：将模板的杆插入到电极主体的孔口中，以将管脚组件可操作地连接到电极主体。优选地，金属模板包括钴、铜和/或其合金中的至少一种。

根据优选实施方式，杯状件和模板的杆形成为一件。

根据优选实施方式，杯状件具有圆形的侧向段，该侧向段的杯状直径大于管脚头部的直径，该方法的步骤b)包括：将模板组装在管脚头部上，使得杯状件在双金属管的下段上延伸，从而形成环绕管脚头部的径向间隙。

根据优选实施方式，该方法进一步包括将模板通过金属成形或锻造操作(例如径向间隙的旋锻)永久地连接到双金属管。

根据优选实施方式，杯状件具有限定长轴和短轴的椭圆状侧向段，长轴大于管脚头部的直径，该方法的步骤b)包括：将模板组装在管脚头部上，使得杯状件在双金属管的下段上延伸，从而例如形成沿着长轴在管脚头部和杯状件之间的两个相对间隙。

根据优选实施方式，该方法进一步包括：将模板通过金属成形或锻造操作(例如两个相对间隙的旋锻)永久地连接到双金属管。

根据优选实施方式，将模板永久地连接在双金属管周围的步骤包括：利用在管脚头部周围成形或锻造的杯状件形成肩部，由此在使用中，当管脚组件可操作地连接到电极时，电极主体由管脚组件的肩部支撑。

根据优选实施方式，将管脚组件电连接到电极主体的步骤c)包括：

-在固定装置中将管脚组件安装并对准到电极主体的孔口中；

-将第一铜粒倒入电极主体的孔口中；

-可选地，压实第一铜粒；

-在第一铜粒上将可浇注材料倒入孔口中；以及

-让可浇注材料固化。

根据优选实施方式，该方法进一步包括将第二铜粒倒在第一铜粒上方，其中，第二铜粒的铜颗粒的尺寸小于第一铜粒的铜颗粒。优选地，压实铜粒包括使电极主体振动。

根据优选实施方式，可浇注材料的下限邻近肩部。

根据优选实施方式，保护性传导构件被配置为在其外表面上形成腐蚀产物，该腐蚀产物适于受到机械约束而不会断裂或破裂。优选地，约束材料包括以下中的一种：烧结氧化铝管、氧化铝粉末、可浇注耐火材料、铜粒、惰性阳极材料或烧结氧化锡管。

根据优选实施方式，通过如本文公开的方法制造的电极是阳极，更优选地，阳极是惰性阳极或析氧阳极。

因此，本文还公开了通过如本文公开的方法制造的包括多个电极(优选地阳极，更优选地惰性阳极或析氧阳极)的电解池的用于生产金属(例如铝)的用途。

本发明允许保护电极(例如阳极)的结构支撑管脚，使其不被电解池的基于冰晶石的熔融电解槽降解，并且不被HF、O₂和在电解池中产生的其他气体降解。

本发明还通过例如限制潜在的电解槽和金属被管脚和/或电极材料污染而改进了金属生产，例如铝生产。

本发明还提供了一种更容易的制造管脚组件的方法和一种将阳极主体连接到阳极组件的方法，以便获得在电解池的操作期间被保护不发生降解的阳极。

本发明限制了管脚的断裂氧化或断裂腐蚀，使得阳极的使用寿命是可预测的。

在阅读将要描述的或将在所附权利要求中指示的示例性实施方式，将更好地理解本发明的其他和进一步的方面和优点，并且本领域技术人员在实践中使用本发明时将想到本文未提及的各种优点。

附图说明

参考以下附图，从以下描述中，本发明的上述和其他方面、特征和优点将变得更显而易见。

图1是根据本发明的优选实施方式的管脚组件的侧视图；

图2是图1的管脚组件沿着线A-A的横截面视图；

图3A和图3B是根据优选实施方式的图1所示的管脚组件的连接段的横截面示意图，其中，图3A是平面图，图3B是透视图；

图4A至图4D示出了根据优选实施方式的将管脚组件连接到电极主体的不同步骤(A)至(D)；

图5是根据优选实施方式的包括电极主体和管脚组件的电极的横截面局部视图；以及

图6是根据本发明的优选实施方式的惰性阳极组件内的两个不同管脚组件的截面图。

具体实施方式

在下文中将描述一种新颖的电极管脚组件。尽管在具体的说明性实施方式方面描述了本发明，但是应理解，本文描述的实施方式仅作为实施例，并且本发明的范围不旨在由此而被限制。

本文使用的术语是根据下面阐述的定义来进行的。

除非另有说明，否则如本文使用的％或wt.％是指重量％。当在本文使用时，％是指与所讨论的相或组合物的总重量百分比相比的重量％。

“大约”是指重量％(wt.％)、时间、长度、体积或温度的值可在一定范围内变化，这取决于用于评估这种重量％、时间、长度、体积或温度的方法或装置的误差容限。通常接受10％的误差容限。

通过本发明的原理和方面的特定实施方式的实施例的说明，提供了下面的描述和其中描述的实施方式。提供这些实施例是为了解释而不是限制本发明的那些原理的目的。在以下描述中，在整个说明书和附图中，相同的零件和/或步骤用相同的相应附图标记或符号来标记。

如前所述，在惰性阳极组件，更具体地导电棒的领域中的主要挑战是找到一种可在富氧环境和富氟化物环境中都继续存在的材料。

本文首先公开了一种用于电极的管脚组件，该电极例如但不限于阳极，管脚组件被配置为插入到电极的电极主体中以向电极主体提供电流。如图1和图2所示，管脚组件100包括被配置为机械地支撑电极主体的结构支撑构件120；以及被配置为嵌入结构支撑构件的保护性传导构件110。保护性传导构件包括至少一种金属或其合金，其适于在电极的给定使用时间期间传导电流，同时保护结构支撑构件免受腐蚀。

根据优选实施方式，例如图1至图3所示的实施方式，管脚组件100可以包括嵌入在管110中的结构支撑构件120，该管包括至少一种传导电流的金属或其合金。

如图2、图3A或图3B所示，管110限定包围结构支撑构件120的周向壁111，用于从阳极主体传导电流。管110的周向壁111在尺寸上被配置为约束结构支撑构件120，以便在阳极的给定使用时间期间保护结构支撑构件120免受腐蚀。

根据优选实施方式，管110可以是双金属管(图1或图3)，其具有纵向中心孔口113，并且具有包括第一金属的上段112和包括第二金属的下段114，第一金属和第二金属都是导电的。优选地，上段的金属的热导率低于下段的金属的热导率。例如，上段112可以包括钢，并且下段114可以包括钴和/或铜，这两个段优选地通过焊接连接在一起，例如惯性焊接或摩擦焊接。

必须理解的是，本申请中提及的所有金属涵盖金属本身，而且涵盖所述金属的任何合金，或者包括所述金属或合金的任何复合材料，只要金属、合金和复合材料是导电的。本申请公开了钛、镍、铁和/或铜或其合金的使用。优选地，铁基合金可以包括钢或不锈钢，并且镍基合金可以包括合金。

如前所述，根据优选实施方式，惯性焊接可以用于制造双金属管。惯性焊接是一种经济且可靠的用于连结金属的工艺，其中旋转工件被压靠在固定工件上，从而在界面处导致摩擦加热。优点包括循环时间快、表面制备最少和没有孔隙。而且，由于热量直接在界面处快速产生，所以惯性焊接是不需要预加热的能量有效且一致的过程。惯性焊接的另一个优点是可连结不同的金属，甚至是熔点差别很大的金属。铜和钢可通过惰性焊接来连结，用于各种工业。此外，使用实际的管脚组件零件的惯性焊接已经非常成功，这在整个界面上产生强结合。

根据图3所示的优选实施方式，结构支撑构件120可以包括钉形管脚120，其具有管脚头部122和从管脚头部延伸的管脚或柄124。管脚头部122被配置为连接到管110的下段114的底端116，其中柄被配置为穿过双金属管110的孔口113。柄124还通过例如铆接或焊接连接在管的上段112的顶端118处。根据图3A或图3B所示的优选实施方式，管脚头部122可以径向地延伸，超过管的壁111的外表面，从而这样邻接在管的壁上。可考虑将结构支撑构件连接和阻挡到管的其他构造。管脚120可以使用线材成形工艺来制作，例如通常用于生产钉子和其他紧固件的工艺。

如图所示的管脚组件100还包括模板130，优选地包括与双金属管110的下段114相同的金属或其合金，例如钴和/或铜。模板130包括杯状件132，以及从杯状件132的底端136延伸的长杆或棒134。

根据优选实施方式，杯状件132和杆134优选地使用被称为组合冲击挤出的工艺形成为一件，其中金属筒在竖直液压机中被压缩在具有形成杯状件的内部和顶端的阶梯式管脚的下模之间。在单个冲程中，筒被向前挤出到下模中，并且被向后挤出到上模中。这是非常快速和材料有效的过程，其还消除了二级连接的成本和相关的故障模式。

根据优选实施方式，然后可将模板130组装在管脚头部122上，使得杯状件在下管段114上延伸，从而形成径向间隙(未示出)。然后模板130例如通过旋锻、锻造工艺永久地连接到双金属管110。在该锻造工艺中，成组的相对的凸轮致动模具围绕圆周反复地冲击杯状件以闭合径向间隙并将周边壁压缩到双金属管上。旋锻的杯状件132还紧紧地围绕管脚头部122围绕以形成互锁连接，使得形成杯状件的壁。在此过程中，管脚组件的肩部140可形成在管脚的内部管脚头部122附近。肩部140可以用于支撑阳极主体。

旋锻非常快速、能量有效、材料有效并且容易自动化，使得其对于大批量生产非常经济。此外，原型样品的旋锻试验表明，蠕动轴型旋锻机也可用于生产气密接头，基于更早期的测试，该气密接头将导致扩散结合的形成，该扩散结合对于保持管脚组件的电连续性、耐腐蚀性和结构完整性是期望的。

根据优选实施方式，模板130的杯状件132的截面可以是圆形的，从而形成围绕双金属管110和管脚头部122的圆形间隙。然后环绕杯状件132的圆周施加旋锻以闭合间隙。或者，模板的杯状件的截面可以是椭圆状的。管脚头部然后可以适于具有与杯状件的形状相匹配的形状，以便插入到杯状件内。然后，仅在形成间隙的相对截面上施加旋锻，以闭合间隙。虽然本文公开了具有圆形或椭圆形横截面的杯状件，但是必须理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可使用具有不同几何形状(例如，正方形、矩形、正交等)的杯状件。

制造方法：

图4A至图4D示出了一种用于制造电极(例如阳极200)的方法。

根据优选实施方式，该方法可以包括以下步骤：

a.将管脚组件100插入到阳极主体210的孔口220中，并且将管脚组件和阳极主体在固定装置F1-F2中对准(图4A)；

b.将第一铜粒230倒入阳极主体210的孔口220中(图4B)；

c.可选地，在粗铜230上将第二铜粒240倒入阳极中(图4C)；

d.可选地，在步骤b或步骤c之后压实每个铜粒，例如通过使阳极振动；

e.在细铜240上将可浇注陶瓷或金属材料250倒入阳极中(图4D)；以及

f.使所述可浇注陶瓷或金属材料固化。

第一铜粒和第二铜粒可包括粗铜颗粒或细铜颗粒。优选地，第一铜粒可以包括粗铜颗粒，而第二铜粒可以包括细铜颗粒。

所得的电极，例如图5所示的阳极200，可以包括：

-阳极主体210；

-阳极主体210的孔口220；

-如本文公开的管脚组件100插入并对准到阳极主体的孔口220中；

-倒入阳极孔口中的第一铜颗粒230；

-倒在第一铜颗粒上方的第二铜颗粒240，并优选地大致直到由型锻杯状件132形成的肩部140附近；以及

-在第二铜颗粒240上方的固化的可浇注材料250，优选地邻近肩部140。

如图5所示，连接到形成肩部140的杯状件132的长铜杆134延伸到阳极的狭槽或孔口220中。嵌入在双金属导电管110内的支撑管脚120包括延伸穿过管110的柄124，然后肩部内的头部122延伸超过管周边以轴向支撑肩部140。

双金属管110的上段112形成金属圆柱形适配器，用于焊接到例如阳极组件400的配电板410，例如图6所示，并且限制热损失。适配器提供管脚组件和配电板之间的电连接和结构连接。

图6示出了插入并连接到阳极主体中的管脚组件的两个不同实施方式。图6右侧的管脚组件进一步包括另一个保护管300，用于包围、约束和保护管脚组件100。该另一个保护管300可以包括氧化铝或铜，优选地由耐火可浇注材料约束的铜。

铜腐蚀不会因液池或池蒸气而增加。铜腐蚀的关键机理是氧化。因此，可消除先前用于吹扫气体流动方法测试的同心管，从而为增加保护/约束管110的厚度提供更多空间。

为了保持氧化物粘附到基底金属，将铜约束在阳极内部，靠近阳极壁，用铜粒围绕管脚填充阳极，并且通过耐火封装围绕管脚浇注水泥，或者用陶瓷管包围铜管脚。当铜被约束并允许自由氧化时，氧化物产物将填充约束空间中的空隙，致密化，并且氧化显著减慢，而不向约束材料施加大的载荷，在此情况下，约束材料为陶瓷阳极、氧化铝管、可浇注水泥或其他材料。这是由于铜氧化，铜氧化主要由铜离子通过氧化物层的向外晶界扩散驱动。在高温压缩下，铜具有将阳极和耐火封装的结构负载传递到内部结构构件的能力，使得管脚能够用作结构支撑件和电导体。

优选实施方式和现有技术的腐蚀场试验

制造阳极管脚组件并将其安装到阳极中，然后将其投入使用。也就是说，管脚组件支撑正在进行电解的阳极的重量并将电传导到该阳极。所有条件都是通常在申请人的铝电解池中发现的标准条件。测试时间的范围从0.06年至＞1年。由单一材料制成的两个整体管脚已经与本文公开的优选实施方式一起进行了测试。

对于整体设计，测试了各种铁基、镍基和钴基工程合金的腐蚀性能，包括300系列的不锈钢、许多合金和几种更特殊的(即昂贵的)合金中的全部，其在存在氧或氟的情况下具有推测上优异的性能。对于/>600，整体的单一材料管脚的结果在表1中给出，因为其是所有测试的铁基和镍基合金的典型结果。简单的结果是这些整体管脚的腐蚀速率太高而不能用于长寿命惰性阳极。

本申请的优选实施方式的腐蚀结果也在表1中给出。在此情况下，必须给出外部构件(铜管)和内芯(在此情况中是600)的腐蚀速率。在最大腐蚀位置的外铜管的平均腐蚀速率比对比已知技术低20倍。同样重要的是，腐蚀速率的标准偏差也同样降低了10倍。这是一个重要的发现，因为更低的标准偏差意味着使用寿命更可预测。受保护的结构构件的腐蚀速率低于可检测极限，甚至在使用超过1年之后。

表1.最大腐蚀位置处的阳极管脚的腐蚀速率的比较：

上表1中给出的结果假设腐蚀程度随时间线性增加。这是对整体金属的腐蚀数据的合理解释，特别是对于比大约0.1年长的腐蚀测试。然而，在这种环境中，优选实施方式的铜构件的腐蚀似乎更接近地遵循所谓的抛物线腐蚀速率。也就是说，铜腐蚀的程度大致与时间的平方成比例。更简单地，铜腐蚀速率随着时间而减慢。这强烈地暗示着氧化铜层保持压实和粘附，可能是由于其被坚固材料(例如可浇注耐火材料)约束的结果。因此，可认为铜作为抗腐蚀保护的真实性能超过了表1所示的性能，特别是对于长于1年的时间。

当腐蚀产物保持粘附到基底金属时，铜腐蚀的抛物线速率应该被维持。为了保持这种粘附，铜受到约束。铜可以由相对较弱的材料约束，例如铜粒，如果该铜粒进一步由更强的材料(例如陶瓷阳极)约束的话。或者，铜可以用更强的构件限制，例如陶瓷管，例如氧化铝，或者更优选地通过在其周围浇注耐火材料。当约束铜时，重要的是为铜和约束构件的不同热膨胀留出空间。当用管约束时，管的尺寸可设计成在铜和管之间提供小的间隙。当用可浇注耐火材料约束时，应当在两个构件之间放置薄的顺应性膨胀材料，如在美国专利2004/0195091A1中公开的，该专利的内容通过引用结合于此。当铜被这样约束时，腐蚀产物保持粘附，填充约束构件的空隙(如果其是多孔的)并使其致密化，但是不施加大到足以使约束构件断裂的载荷。保持此载荷的最外侧约束构件是陶瓷阳极、氧化铝管、可浇注耐火材料或其他材料。然而，以这种方式约束的铜也可将电极和耐火封装的结构载荷传递到内部结构支撑构件，使得管脚组件能够用作结构支撑件和防止腐蚀的电导体。

测试结果表明，不锈钢增强的铜导体可被配置为承受结构和环境应力，同时提供用于增强池效率的电性能和热性能。

本文公开的管脚组件的新设计通过使用固体金属(例如铜)来保护结构构件120(芯部)，利用所发现的关键突破来抵抗管脚腐蚀，从而将管脚减小至其最简单的部件。这消除了所有结构构件腐蚀。

本管脚组件的优点：

·实现了到配电板和阳极的便捷连接；

·结合了电性能和热性能以优化池效率；

·提供了结构强度和耐腐蚀性以延长阳极寿命；和/或

·采用了可靠的连结工艺以获得高可靠性。

虽然上文已经详细描述了本发明的说明性和目前优选的实施方式，但是应理解，本发明的概念可以以其他方式不同地实施和采用，并且所附权利要求旨在被解释为包括除了由现有技术限制的范围之外的这种变化。

Claims (62)

1.一种管脚组件，被配置为插入到电极的电极主体中以向所述电极主体提供电流，所述管脚组件包括：

结构支撑构件，被配置为机械地支撑所述电极主体；以及

保护性传导构件，被配置为嵌入有所述结构支撑构件，所述保护性传导构件包括至少一种金属或其合金，其适于在所述电极的给定使用时间期间传导电流，同时保护所述结构支撑构件免受腐蚀。

2.根据权利要求1所述的管脚组件，其中，所述结构支撑构件进一步被配置为机械地支撑所述电极的耐火部件。

3.根据权利要求1或2所述的管脚组件，其中，所述结构支撑构件包括钛、镍、铁或其合金。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的管脚组件，其中，所述结构支撑构件包括不锈钢或镍基合金。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的管脚组件，其中，所述保护性传导构件是围绕所述结构支撑构件装配的管。

6.根据权利要求5所述的管脚组件，其中，所述管是具有包括第一金属的上段和包括第二金属的下段的双金属管，所述第一金属和所述第二金属都传导所述电流。

7.根据权利要求6所述的管脚组件，其中，所述上段的所述第一金属具有比所述下段的所述第二金属低的热导率。

8.根据权利要求6或7所述的管脚组件，其中，所述上段和所述下段被配置为通过焊接连接在一起。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的管脚组件，其中：

所述双金属管的第一金属包括钛、镍、铁或其合金；并且

所述双金属管的第二金属包括钴、铜或其合金中的至少一种。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的管脚组件，其中，所述结构支撑构件包括从管脚头部纵向延伸的管脚，所述管脚被配置为穿过所述管的中心孔口。

11.根据权利要求10所述的管脚组件，其中，所述管脚头部被配置为径向地延伸超过所述管的下段的外表面，以将所述管脚头部连接到由所述第二金属形成的所述管的底端。

12.根据权利要求10或11所述的管脚组件，其中，所述管脚通过铆接或焊接连接到所述双金属管的上段。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的管脚组件，进一步包括金属模板，所述金属模板包括导电金属或其合金，所述金属模板包括从杯状件的底端纵向延伸的杆，其中，所述杯状件被配置为围绕在所述管脚头部周围，从而一旦所述管脚插入到所述管中就在所述模板和所述管脚之间形成互锁连接；并且其中，所述模板的杆被配置为当所述管脚组件能够操作地连接到所述电极主体时插入到所述电极主体的孔口中。

14.根据权利要求13所述的管脚组件，其中，所述金属模板包括钴、铜或其合金中的至少一种。

15.根据权利要求13或14所述的管脚组件，其中，所述杯状件和所述模板的杆形成为一个零件。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的管脚组件，其中，所述杯状件具有圆形横截面，所述圆形横截面的杯状直径大于所述管脚头部的直径，所述模板被组装在所述管脚头部上，使得所述杯状件在所述双金属管的下段上延伸，从而形成环绕所述管脚头部的径向间隙。

17.根据权利要求16所述的管脚组件，其中，所述模板通过金属成形或锻造操作而永久地连接到所述双金属管。

18.根据权利要求16或17所述的管脚组件，其中，所述模板通过所述径向间隙的旋锻而永久地连接到所述双金属管。

19.根据权利要求13至15中任一项所述的管脚组件，其中，所述杯状件具有限定长轴和短轴的椭圆状横截面，所述长轴大于所述管脚头部的直径，然后将所述模板组装在所述管脚头部上，使得所述杯状件在所述双金属管的下段上延伸，从而沿着所述长轴在所述管脚头部和所述杯状件之间形成两个相对间隙。

20.根据权利要求19所述的管脚组件，其中，所述模板通过金属成形或锻造操作而永久地连接到所述双金属管。

21.根据权利要求19或20所述的管脚组件，其中，所述模板通过所述两个相对间隙的旋锻而永久地连接到所述双金属管。

22.根据权利要求17、18、20或21所述的管脚组件，其中，一旦永久连接在所述管脚头部周围，所述杯状件就形成肩部，所述电极主体被配置为当所述管脚组件能够操作地连接到所述电极时由所述管脚组件的肩部支撑。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的管脚组件，其中，所述保护性传导构件被配置为在其外表面上形成腐蚀产物，所述腐蚀产物适于受到机械约束而不会断裂或破裂。

24.根据权利要求23所述的管脚组件，其中，所述约束材料包括以下中的一种：烧结氧化铝管、氧化铝粉末、可浇注耐火材料、铜粒、惰性阳极材料或烧结氧化锡管。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的管脚组件，其中，所述电极是阳极。

26.根据权利要求25所述的管脚组件，其中，所述阳极是惰性阳极或析氧阳极。

27.一种用于生产铝的电解池的电极组件，包括：

多个电极，所述多个电极中的每个包括连接到管脚组件的电极主体，所述管脚组件如权利要求1至24中任一项所限定；以及

配电板，其被配置为经由所述多个电极中的每个的相应管脚组件能够操作地连接所述多个电极中的每个，以提供到所述电极的电路径。

28.根据权利要求27所述的电极组件，其中，所述多个电极中的每个是阳极。

29.根据权利要求28所述的电极组件，其中，所述阳极是惰性阳极或析氧阳极。

30.根据权利要求27至29中任一项所述的电极组件，其中，所述多个阳极是从所述配电板向下延伸的竖直阳极。

31.根据权利要求27至30中任一项所述的电极组件，进一步包括围绕每个电极的所述管脚组件的具有耐火封装的可浇注水泥，从而限制所述保护性传导构件的腐蚀产物。

32.根据权利要求27至31中任一项所述的电极组件，进一步包括陶瓷管，所述陶瓷管至少部分地包围所述管脚组件的所述保护性传导构件，以将所述保护性传导构件的腐蚀产物限制在所述阳极主体内。

33.一种用于制造电极的方法，所述电极包括电极主体和管脚组件，所述管脚组件被配置为插入到所述电极的所述电极主体中以向所述电极主体提供电流，所述方法包括：

a)提供结构支撑构件，所述结构支撑构件被配置为机械地支撑所述电极主体；

b)使所述结构支撑构件嵌入保护性传导构件，所述保护性传导构件包括至少一种金属或其合金，其适于传导电流，同时在所述电极的给定使用时间期间保护所述结构支撑构件免受腐蚀；以及

c)电连接所述管脚组件和所述电极主体以形成所述电极。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述结构支撑构件包括钛、镍、铁或其合金。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述结构支撑构件包括不锈钢或镍基合金。

36.根据权利要求33至35中任一项所述的方法，其中，所述保护性传导构件是管，则步骤b)包括：

将所述管装配在所述结构支撑构件周围。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述管是具有包括第一金属的上段和包括第二金属的下段的双金属管，所述第一金属和所述第二金属都传导所述电流。

38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述上段具有比所述下段低的热导率。

39.根据权利要求38所述的方法，在步骤b)之前进一步包括通过焊接将所述上段和所述下段连接在一起的步骤。

40.根据权利要求37至39中任一项所述的方法，其中：

所述双金属管的第一金属包括钛、镍、铁或其合金，优选地钢合金，更优选地不锈钢合金，或镍基合金，例如合金，并且

所述双金属管的第二金属包括钴、铜和/或其合金中的至少一种。

41.根据权利要求40的方法，其中，所述双金属管的第一金属包括不锈钢合金或镍基合金。

42.根据权利要求37至41中任一项所述的方法，其中，在步骤a)中，所述结构支撑构件包括从管脚头部纵向延伸的管脚，则所述方法的步骤b)包括：

使所述管脚穿过所述管的中心孔口。

43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述管脚头部被配置为径向地延伸超过所述管的下段的外表面，则所述方法的步骤b)包括：

将所述管脚头部连接到由所述第二金属形成的所述管的底端。

44.根据权利要求42或43所述的方法，其中，步骤b)进一步包括：

通过铆接或焊接将所述管脚连接到所述双金属管的上段。

45.根据权利要求37至44中任一项所述的方法，其中，所述管脚组件进一步包括金属模板，所述金属模板包括导电金属或其合金，所述金属模板包括从杯状件的底端纵向延伸的杆，则所述方法的步骤b)进一步包括：

一旦所述管脚插入到所述管中，就将所述杯状件围绕在所述管脚头部周围以在所述金属模板和所述管脚之间形成互锁连接；并且

步骤c)包括：

将所述金属模板的杆插入到所述电极主体的孔口中，以将所述管脚组件能够操作地连接到所述电极主体。

46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述金属模板包括钴、铜或其合金中的至少一种。

47.根据权利要求45或46所述的方法，其中，所述杯状件和所述金属模板的杆形成为一个零件。

48.根据权利要求45至47中任一项所述的方法，其中，所述杯状件具有圆形横截面，所述圆形横截面的杯状直径大于所述管脚头部的直径，步骤b)包括：

将所述金属模板组装在所述管脚头部上，使得所述杯状件在所述双金属管的下段上延伸，从而形成环绕所述管脚头部的径向间隙。

49.根据权利要求48的方法，进一步包括通过所述径向间隙的金属成形或锻造操作而将所述金属模板永久地连接到所述双金属管。

50.根据权利要求49所述的方法，其中，所述金属模板通过所述径向间隙的旋锻而连接到所述双金属管。

51.根据权利要求45至47中任一项所述的方法，其中，所述杯状件具有限定长轴和短轴的椭圆状横截面，所述长轴大于所述管脚头部的直径，步骤b)包括：

将所述金属模板组装在所述管脚头部上，使得所述杯状件在所述双金属管的下段上延伸，从而沿着所述长轴在所述管脚头部和所述杯状件之间形成两个相对间隙。

52.根据权利要求51所述的方法，进一步包括通过所述两个相对间隙的金属成形或锻造操作而将所述金属模板永久地连接到所述双金属管。

53.根据权利要求52的方法，其中，通过所述两个相对间隙的旋锻将所述金属模板连接到所述双金属管。

54.根据权利要求45至53中任一项所述的方法，其中，将所述金属模板永久地连接在双金属管周围包括，利用在所述管脚头部周围成形或锻造的所述杯状件形成肩部，由此在使用中，当所述管脚组件能够操作地连接到所述电极时，所述电极主体由所述管脚组件的肩部支撑。

55.根据权利要求33至54中任一项所述的方法，其中，将所述管脚组件电连接到所述电极主体的步骤c)包括：

-在固定装置中将所述管脚组件安装并对准到所述电极主体的孔口中；

-将第一铜粒倒入所述电极主体的孔口中；

-可选地，压实所述第一铜粒；

-将可浇注材料在所述第一铜粒上倒入孔口中；以及

-让可浇注材料固化。

56.根据权利要求55所述的方法，进一步包括将第二铜粒倒在所述第一铜粒上方，其中，所述第二铜粒的铜颗粒在尺寸上小于所述第一铜粒的铜颗粒。

57.根据权利要求55或56所述的方法，其中，压实所述铜粒包括使所述电极主体振动。

58.根据进一步限制于权利要求54的权利要求55至57中任一项所述的方法，其中，所述可浇注材料的下限邻近所述肩部。

59.根据权利要求33至58中任一项所述的方法，其中，所述保护性传导构件被配置为在其外表面上形成腐蚀产物，所述腐蚀产物适于受到机械约束而不会断裂或破裂。

60.根据权利要求59所述的方法，其中，所述约束材料包括以下中的一种：烧结氧化铝管、氧化铝粉末、可浇注耐火材料、铜粒、惰性阳极材料或烧结氧化锡管。

61.根据权利要求33至60中任一项所述的方法，其中，所述电极是阳极。

62.根据权利要求61所述的方法，其中，所述阳极是惰性阳极或析氧阳极。