CN1768164B - 电流导体到惰性阳极的机械连接 - Google Patents
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Abstract
一种惰性电极(10)，它用于电解过程中以制造金属如铝，该电极具有：中空内部，该中空内部具有敞开的顶部分(16)；内部封闭的底部(18)；及内部侧壁(19)，顶部内侧壁(16)具有至少一个内槽(20)，该内槽(20)有助于减小阳极材料上的应力并且有助于提供阳极的锁紧和支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种中空的惰性阳极，该阳极具有顶部内部槽从而有助于机械连接到内部电流收集器中，例如它可以用于金属电解过程中。
背景技术
借助电解方法可以制造包括铝、铅、镁、锌、锆、钛和硅在内的许多金属。这些电解方法中的每一个优选地采用了具有中空内部的电极。
金属生产的电解过程的一个例子是公知的、制造铝的Hall-Heroult过程，在该过程中，在大约960℃到1000℃的温度下，对溶解在熔化氟化物槽中的氧化铝进行电解。作为今天通常实践的是，该过程依赖于作为阳极的碳来减少氧化铝熔化铝。尽管在实现该过程时通常使用碳作为电极材料，但是它的使用具有许多严重的缺点，因此试图用惰性阳电极来取代它们，其中该阳电极例如由陶瓷或者多金属陶瓷“cermet”材料来形成。
陶瓷和金属陶瓷(cermet)电极是惰性无消耗的电极，并且在电解槽工作的条件下，尺寸大小稳定。用惰性阳极来取代碳阳极可以利用高度多产的电解槽设计，从而减小了费用。由于惰性电极基本上不产生CO2或者碳氟化合物或者烃排放物，因此明显有利于环境保护。惰性阳极结构的一些例子可以在全部授权给Alcon Inc的美国专利No.4374761、5279715和6126799、6217739、6372119、6416649、6423204和6423195中发现。
尽管陶瓷和金属陶瓷电极可以生产出能接受的较小杂质含量的铝，但是它们相对较贵。此外，为了最大限度地节约费用，因此具有中空内部，而导体杆在该中空内部的合适位置上进行烧结/密封。绕道平滑的圆形心轴，模制、常常以大约30,000psi挤压或者优选地均衡挤压这些惰性阳极，在释放压力和拆下心轴之后，该阳极提供了未烧结的、中空的、未加工处理的阳极。随后，这个阳极一定得进行烧制从而烧结它。
在用来生产铝和其它金属的、非金属的不消耗的电极的发展中，需要在导体、常常是金属导体和非金属电极之间提供连接装置。由于机械性能如热膨胀系数、强度和两种材料之间的塑性本身失配，这会引起技术问题。已提出各种技术方案，这些技术方案包括干涉配合、锁紧锥形配合、扭曲和锁紧布置、嵌入式螺栓、及扩散焊接。所有这些方案具有一个或者多个严重的缺点，如需要精确机加工的极端劳动集约，依赖于精确配合(这在易碎的电极材料上施加了相当大的应力)，或者需要较长的处理时间或者额外的炉加热。
可用来生产铝的惰性阳极的一个例子示出在美国专利申请2001/0037946A1(D′Astolfo Jr.等人)的图3中。这些阳极在非常热的腐蚀性环境中进行工作，并且在插入到熔化的冰晶石电解液之前一定得进行加热。
在制造惰性阳极的一种方法中，固体圆柱形心轴和伴随的柔性模子用来通过均衡挤压把陶瓷/金属陶瓷材料合并到中空阳极形状中。在挤压之后，从阳极形状中拆下心轴，并且从模子中拆下该形状。
然后，使未烧制的、未加工处理的零件阳极形状颠倒地放置在烧制盘中以进行烧结。在炉中进行烧结之后，阳极组件就形成了。
所需要的是一种改进型惰性阳极设计，这种设计将不需要惰性阳极/金属导体的精确配合，并且减小惰性阳电极材料上的应力。本发明的主要目的是提供这种惰性阳极。
发明内容
借助提供一种惰性电极来满足上面需要和实现该目的，该电极具有：中空内部，该中空内部具有顶部敞开部分；内部封闭的底部；及侧壁，顶部的内侧壁具有至少一个内槽。本发明还在于，电极组件包括：(1)惰性电极，它具有：中空内部，该中空内部具有顶部敞开部分；内部封闭的底部；和侧壁，其中顶部的内部侧部具有至少一个内槽；(2)金属销导体，它具有底部和侧表面，该导体设置在电极内部内，但是不接触电极内壁，从而形成了环形间隙；及(3)密封材料，它包围电极顶部处的金属销导体，密封材料基本上填充位于至少一个内部槽和导体顶部之间的所有顶部环形空间，导电的填充材料填充位于电极底部和导体底部之间的至少一部分底部环形间隙。优选的是，合适的膨胀材料设置在导体和密封材料之间，从而防止密封材料进行不同的热膨胀。惰性阳极材料包括陶瓷、金属陶瓷或者含金属的材料如上面Alcoa专利中所描述的这些材料。
根据本发明的一个方面，提供了一种惰性电极，该电极具有：中空内部，该中空内部具有顶部敞开部分；内部封闭的底部；及侧壁，顶部的内侧壁具有至少一个内槽，导电的填充材料位于一金属销导体、侧壁和内部封闭的底部之间，并且与金属销导体、侧壁和内部封闭的底部保持导电连通。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电极组件，它包括：
(1)惰性电极，它具有：中空内部，该中空内部具有顶部敞开部分；内部封闭的底部；和侧壁，其中顶部的内侧壁具有至少一个内槽；
(2)金属销导体，它具有底部和侧表面，该导体设置在电极内部内，但是不接触电极内壁，从而形成了环形间隙；
(3)密封材料，它在电极顶部处包围金属销导体，密封材料基本上填充位于该至少一个内部槽和导体顶部之间的所有顶部环形空间，导电的填充材料填充位于电极底部和导体底部之间的至少一部分底部环形间隙，以及
(4)导电的填充材料位于金属销导体、侧壁和内部封闭的底部之间，并且与金属销导体、侧壁和内部封闭的底部保持导电连通，
其中导电的填充材料使得在(i)金属销导体和侧壁以及(ii)金属销导体和内部封闭的底部之间导电连通。
本发明实现机械连接，这种机械连接完全位于电极内部。绕着密封材料下方的导体销设置支撑台，该支撑台用作支撑的主要装置。在电极顶部的内部中，圆形或者其它形状的槽提供了锁紧机构。密封材料可以是可铸的陶瓷或者难熔的材料，从而相对于导体把电极锁紧在合适位置上。此外，把绝缘材料加入到可铸材料和导体或者支撑环之间。本发明的优点包括：不需要精确的机加工，不需要精确的误差，电极材料上的应力极小或者根本就没有，不需要额外的炉加热或者较长的处理步骤，并且所使用的材料不贵。
附图说明
当结合附图来阅读时，从上面和下面描述中可以完全理解本发明，其中：
图1最好地描述了本发明，它是横剖视图，在图1a中示出了大直径的惰性阳极和具有一个内部阳极槽和平台支撑的电极组件，图1b示出了具有一个内部阳极槽的小直径惰性阳极和一个更加简单的支撑台，该支撑台包括位于金属导体上的许多部分；及图1c示出了1b的惰性阳极的横剖视图，并且更加详细地示出了导体上的突出部；
图2以用来形成未加工处理的、具有内部阳极槽的惰性阳极的过程的一个实施例的示意视图示出了步骤2a到2f。
具体实施方式
现在参照图1，中空的、填充的惰性阳电极的两个实施例和它们的相关组件示出在图1a和1b中。这两个附图中的惰性阳电极10由惰性阳极材料的烧结压缩粉未形成。这种粉未是惰性陶瓷、金属陶瓷或者含金属的材料中的至少一种。所示出的圆形固体金属导体12设置在中空电极形状10内。如这里所使用的一样，术语“惰性阳极”是指基本上不消耗的非碳阳极，该阳极能够满意地防止腐蚀，并且在金属形成过程期间尺寸大小稳定。
这种中空型的惰性阳极形状10具有顶部16、底部内壁18和侧内壁19。在初始形成并且在从大约1300℃到1600℃上进行烧结从而提供所示出的、中空的烧结结构之后，示出了惰性阳电极形状10，其中导体杆12可以插入到该中空的烧结结构中并且借助各种装置来连接。本发明的附件借助至少一个内槽/凹口20进入到阳极形状的顶部16的内侧壁中。在图1a和1b中具有一个内槽20设置在两个平坦的内部电极壁22之间。在内部电极壁和外部导体之间具有环形间隙，如图1a和1b所示一样。密封材料26在电极的顶部16包围着导体12，从而基本上填满了位于槽20和导体顶部之间的所有顶部环形空间。例如由陶瓷毡和类似物或者其它薄材料所形成的膨胀接头28可以设置在密封材料26和导体12之间，如图1a和1b所示一样。密封材料26是可浇铸的陶瓷如铝硅酸盐、铝酸钙或者其它材料。
图1a所示的导电填充物32可以用在底部环形空间中，它作为Inconel或者其它支撑环34在图1a中示出在环形空间顶部的附近。位于电极顶部上的膨胀接头28是适应的膨胀材料，并且选择成在铝电解槽中在例如大约960℃上进行加热和电极工作时保护密封材料26。在图1b中，导电填充物32填充着大部分的环形简化结构。图1b和1c示出了位于槽20下方的导体12的顶表面上的突出部30。这些突出部例如可以简单地是堆焊在导体表面上，常常是大约3-6的堆焊。
图2a-2f是步骤和附图，它们示意性地示出了制造惰性阳电极形状10的许多可能过程中的一个。如图2a所示一样，光滑表面心轴17在陶瓷/金属陶瓷粉未49顶部上设置在柔性模子42如高强度聚亚安酯内。绕着心轴把额外粉未51设置在位于心轴和模子之间的环形空间内。然后，例如借助以从大约20,000psi到40,000psi(137,800kpa到206,700kpa)来进行均衡挤压，把压力60施加在柔性模子的外侧上，从而形成加固压缩陶瓷/金属陶瓷零件。当挤压循环完成并且压力减小时，在图2b中，辅助夹紧装置62抓住心轴的顶部，并且从挤压零件10的孔垂直地移动它。在图2c中，示出了阳极拔出的一个装置，例如不同的芯夹紧装置62′被插入到该零件的芯的内部中并且进行径向膨胀以接合零件孔的表面。然后，使该装置和所抓住的零件垂直地上升，从而从模子42中拔出压缩陶瓷/金属陶瓷零件。在模子拔出之后，该零件从孔夹紧装置中释放并且如图2d所示一样进行输送，在图2d中，陶瓷/金属陶瓷零件的外侧借助另一个夹紧装置65来夹住，同时具有相关旋转箭头的旋转切割器70在零件孔的上部、顶部上机加工出一个或者多个正方形/环形或者其它形状的槽20。在图2e中，在完成槽20的机加工及零件从装置65中释放之后，借助使新装置66绕着它的外径来夹紧压缩/机加工陶瓷/金属陶瓷零件。接下来使该零件颠倒，即使敞开侧向下，并且全部如图2f所示一样，放置在盘上以进行烧结。
图1a、1b和2d-2f所示的槽可以是一个槽、多个槽或者连续槽，其中该多个槽不需要配合在每侧上，并且如图1a所示一样，该槽的深度60可以是阳极壁厚62的大约10％到50％，优选为大约10％到40％。在小于10％的情况下，压力重量和槽的支承表面变得太小，从而在阳极材料的小区域上聚中了太大的力。在大于50％的情况下，槽会危及阳极的强度和整体性。该槽可以具有圆形底部、平坦的底部或者任何其它理想的几何形状。槽的底部和侧部起着重量支承表面的作用，与槽内部的可铸材料26相结合有助于支撑惰性阳极。
应该知道，在没有脱离本发明的精神实质的情况下，本发明可以包含其它形式，及相应地，可以参照附加的权利要求和前面描述来表明本发明的范围。
Claims (12)
1.一种惰性电极，该电极具有：中空内部，该中空内部具有顶部敞开部分；内部封闭的底部；及侧壁，顶部的内侧壁具有至少一个内槽，以及
导电的填充材料位于一金属销导体、侧壁和内部封闭的底部之间，并且与金属销导体、侧壁和内部封闭的底部保持导电连通。
2.如权利要求1所述的惰性电极，其特征在于，该电极是陶瓷材料。
3.如权利要求1所述的惰性电极，其特征在于，该电极是烧结电极。
4.如权利要求1所述的惰性电极，其特征在于，该电极具有多个内槽。
5.如权利要求1所述的惰性电极，其特征在于，该至少一个内槽的深度为阳极壁厚的10％到50％。
6.如权利要求1所述的惰性电极，其特征在于，该至少一个内槽的深度为阳极壁厚的10％到40％。
7.一种电极组件，它包括：
(1)惰性电极，它具有：中空内部，该中空内部具有顶部敞开部分；内部封闭的底部；和侧壁，其中顶部的内侧壁具有至少一个内槽；
(2)金属销导体，它具有底部和侧表面，该导体设置在电极内部内，但是不接触电极内壁，从而形成了环形间隙；
(3)密封材料，它在电极顶部处包围金属销导体，密封材料填充位于该至少一个内槽和导体顶部之间的顶部环形空间，导电的填充材料填充位于电极底部和导体底部之间的至少一部分底部环形间隙，以及
(4)导电的填充材料位于金属销导体、侧壁和内部封闭的底部之间，并且与金属销导体、侧壁和内部封闭的底部保持导电连通，
其中导电的填充材料使得在(i)金属销导体和侧壁以及(ii)金属销导体和内部封闭的底部之间导电连通。
8.如权利要求7所述的电极组件，其特征在于，该至少一个内槽的深度为阳极壁厚的10％到50％。
9.如权利要求7所述的电极组件，其特征在于，该至少一个内槽的深度为阳极壁厚的10％到40％。
10.如权利要求7所述的电极组件，其特征在于，该电极是陶瓷材料。
11.如权利要求7所述的电极组件，其特征在于，该电极是烧结电极。
12.如权利要求7所述的电极组件，其特征在于，该电极具有多个内槽。
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