CN1272471C - 用于电解铝的石墨阴极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单块阴极，其电阻率沿纵轴是不均匀的，在阴极(3)末端区的电阻率比阴极中部区的电阻率高。

Description

用于电解铝的石墨阴极
本发明的主题是用于电解铝的石墨阴极。
大多数工厂生产铝的电解法中，电解槽是一个外包耐火材料的金属槽，其中有由若干个阴极块并排放置构成的阴极板。这种装置就构成了可装熔体的容器，内衬浆料使其密封不漏后，就成为在电流作用下将电解浴转化为铝的场所。该电解反应一般在超过950℃的温度下发生。
为了承受电解槽工作中起主要作用的热条件和化学条件，并满足电解电流传导的需要，阴极块用含碳材料制成。这种碳材料可以为半石墨或石墨。这些材料在混合下述原料后通过挤压或振动压实来成形：
·在半石墨和石墨材料的情况下，原料是沥青煅烧过的无烟煤和/或石墨的混合物。这种材料随后约在1200℃焙烧。石墨阴极不含无烟煤。由这些材料制成的阴极通常称为碳阴极。
·在石墨材料的情况下，原料是沥青和焦炭的混合物，加或者不加石墨。在这种情况下，材料约在800℃焙烧，然后在超过2400℃的温度下石墨化。该阴极通常称为石墨阴极。
人们知道碳阴极具中等的电特性和热特性，不再适用于现代电解槽的操作条件，特别是高电流强度的条件下不适用。现在的工厂特别需要降低能耗和增加电流强度，这就促进了石墨阴极的使用。
石墨阴极在超过2400℃的温度下进行石墨化处理，使得电导率和热导率增加，因而为优化电解槽的操作提供了令人满意的条件。由于阴极电阻下降，能耗降低了。利用这种电阻下降的另一种方法是增加通入电解槽的电流强度，这样能使铝产量提高。阴极的高热导率数值又使其能放出电流强度增加所产生的过多热量。此外，石墨阴极电解槽的电不稳定性比碳阴极电解槽小，即其电势起伏较小。
然而，装有石墨阴极的电解槽表现出比装有碳阴极的电解槽寿命短。由于铝对阴极棒的侵蚀作用，铝中就大量富含了铁，使石墨阴极电解槽报废。由于石墨块收到腐蚀，金属就对阴极棒产生侵蚀作用。虽然也会观察到碳阴极腐蚀，但它是非常轻微的，而且不会对电解槽寿命造成有害影响，该种电解槽报废是阴极腐蚀以外的原因。
与此不同，石墨阴极的损耗较快，成为该种铝电解槽报废的主要原因，其寿命比装有碳阴极的电解槽寿命短。下面是不同材料阴极所记录的损耗率：
阴极                                损耗率(毫米/年)
碳，半石墨                          10-20
碳，石墨                            20-40
石墨                                40-80
附图的一张显示了碳阴极块3，它装有通入电流阴极的碳棒2，用参照面4表示阴极块的初始外形，用虚线表示的经腐蚀面5表明阴极块末端区的腐蚀很大。
文献FR 2 117 960揭示了一种用于电解制铝的阴极。该阴极是由数块电阻率各不相同的半石墨碳块构成的。由于这几个半石墨碳块并排放置，该结构复杂，并由此会产生电的间断，这种情况不是为了减小阴极的腐蚀，因为该类型的阴极对腐蚀不敏感。而是为了减少中部区域阴极板的膨胀。
所以石墨阴极块的腐蚀速率是它的弱点，如果不能增加它的施用寿命，即使产量增加也不会有经济效益。
阴极中电流密度的计算显示，在阴极棒电流引出端方向的电流密度较高。电流密度随阴极电阻的降低而增高。因此，每块阴极的经腐蚀的表面，特别是在阴极末端区观察到的高腐蚀对应于阴极中高电流密度的区域。
摆在面前的问题就是要降低石墨制的阴极的腐蚀，特别是降低阴极末端区的腐蚀。
本发明的目的是提供一种通过减少在末端区产生的腐蚀来延长寿命的石墨阴极。
为此，本发明阴极中的石墨制阴极是单块的，并且其电阻率沿其纵轴是不均匀的，该电阻率在阴极末端区比阴极的中部区高。而阴极的平均电阻率保持在适合电解槽最优化操作的数值。阴极末端区较高的电阻率使电流流向电解槽的中部。由于这个缘故，通常观察到的流向阴极棒引出端的高电流强度就降低了，因而抑制了这些部位的腐蚀作用。电解槽的寿命从而得以延长。需要指出的是，阴极的末端区可以视为是位于距离两端大约0到800毫米之间的范围。
根据一种可能性，在石墨化过程期间，阴极末端区被加热到约2200-2500℃，而中部区被加热到约2700到3000℃。
依照第一个实施方式，通过减少石墨化炉子在阴极末端区的热绝缘和/或放置散热器以增大热量散失，来达到阴极末端区和中部区的热处理差异。
依照另一个实施方式，通过在石墨化过程中局部改变电流，由此改变所产生焦耳效应，来达到阴极末端区和中部区的热处理差异。
可以在同一石墨化过程期间结合采用这两种办法。
依照本发明阴极的一个实施方式，在对互相平行地放置在炉子(6)的若干阴极同时进行石墨化处理的情况下，阴极的末端区和中部区之间的热处理差异是通过改变两根阴极间电阻颗粒的电阻率和/或放置面向末端区的散热器获得的，所述炉子的实例是Acheson型炉子，其中阴极用电阻颗粒填充物相互分隔，电阻颗粒填充物的实例是碳粒或焦炭颗粒。
任何情况下，通过下述关于附图的说明就可充分理解本发明，附图仅是非限制性例子，表示了本发明制造阴极的几种设备。
图1是一个阴极的视图，它具体指出经过一定的操作时间后阴极受腐蚀后的轮廓。
图2到4是三张分别从Acheson型石墨化炉子上面、前面和侧面看的视图。
图5到7是三张分别从纵向型石墨化炉子上面、前面和侧面看的视图。
图2到4显示了Acheson型炉子6，其中有若干阴极3互相平行地放置成数排，用电阻颗粒7插在各个阴极之间。该电阻颗粒可由例如碳粒或焦炭粒制成。上述组件又放在绝热颗粒8内部。将电能输入炉子进行石墨化操作，这时由焦耳效应产生热量。在这种类型的炉子中，电流流向与阴极3的轴垂直。为了减少阴极3末端区的热量，在对应于阴极3末端区的第9区中的电阻颗粒的电阻率比对应于阴极中部区的第10区中的电阻颗粒的电阻率高。也可以通过减少阴极末端区中绝热颗粒8的厚度，从而通过热散失来限制这些末端区中的石墨温度。
图5表示纵向型炉子11，其中若干个阴极3首尾相接，但用石墨化接头12插在相邻两个阴极之间。石墨化接头具有尽可能低的电阻，以防止阴极之间接头产生不希望有的热量。另外，通过减小绝热材料8的厚度和/或放置散热器，在阴极末端区就产生热散失(用箭头表示)。散热器可用石墨制成，可垂直于阴极放置，面向要冷却的部位。
如上所述，本发明通过提供一种由已知手段得到的，末端区的电阻率比中部区的电阻率高的常规结构的阴极，因而能够减少阴极在末端区的电流强度，并增加这些末端区的抗腐蚀性，从而大大改进了现有技术。

Claims (7)

1.用于电解铝的石墨阴极，其特征在于它是单块的，其电阻率沿纵轴是不均匀的，阴极(3)末端区的电阻率比阴极中部区的电阻率高，并且
阴极(3)末端区和中部区的电阻率差异是由石墨化过程中在这些不同区域中的热处理差异产生的，末端区的温度低于中部区的温度。
2.如权利要求1所述的石墨阴极，其特征在于石墨化过程中阴极(3)的末端区被加热到2200-2500℃，而中部区被加热到2700到3000℃。
3.如权利要求1或2所述的石墨阴极，其特征在于阴极(3)末端区和中部的热处理差异是通过减少石墨化炉子(11)的绝热材料(8)和/或设置面向阴极末端区的散热器来增加热散失来达到的。
4.如权利要求1或2所述的石墨阴极，其特征在于阴极(3)末端区和中部的热处理差异是通过在石墨化过程中局部改变电流流向，并因此改变所产生的焦耳效应达到的。
5.如权利要求1或2所述的石墨阴极，其特征在于在对互相平行地放置在炉子(6)的若干阴极(3)同时进行石墨化处理的情况下，阴极(3)的末端区和中部区之间的热处理差异是通过改变两根阴极间电阻颗粒的电阻率和/或放置面向末端区的散热器获得的，其中阴极(3)用电阻颗粒填充物(7)相互分隔。
6.如权利要求5所述的石墨阴极，其特征在于所述的炉子是阿切孙型炉子。
7.如权利要求6所述的石墨阴极，其特征在于所述的电阻颗粒填充物是碳粒或焦炭颗粒。
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