CN1863941A - 用于通过干法电解生产铝的惰性阳极的联接装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一阳极组件(1)，其用于通过干法电解生产铝的生产单元中。该组件包括：一袋囊形的惰性阳极(2)；一联接导体(3、4、5)；机械联接装置，其能相互配合以便在导体与阳极之间建立一机械联接；一金属接缝(31)，该接缝是通过或者可能是通过钎焊而形成的，其位于阳极(2)开口端(22)的至少一个表面(20、20′、20″)的全部或部分与导体(3、4、4′、5)联接端(42)的至少一个表面(40、40′、40″)的全部或部分之间。本发明简化了包括一惰性阳极的阳极组件的制造。

Description

用于通过干法电解生产铝的惰性阳极的联接装置和方法

技术领域

[01]本发明涉及利用干法电解来生产铝。本发明尤其涉及用于该生产的阳极以及这些阳极与电流输入导体之间的电联接。

背景技术

[02]在工业上，利用干法电解来生产金属铝，也就是说，通过对处于一熔液中的溶解态氧化铝执行电解来生产铝，其中的熔液是以熔融冰晶石为基础的，其被称为电解液，该生产过程尤其是利用公知的Hall-Héroult方法进行的。电解过程是在一些电解池中完成的，电解池包括：一坩埚，其是用耐火材料制成的，并能容纳电解液；至少一个阴极和至少一个阳极。

[03]经阳极和阴极在电解液中环流的电解电流使得铝发生还原反应，并能通过焦耳效应将电解池保持在指定的工作温度上，该温度一般约是在950℃的数量级上。向电解单元定期地供应氧化铝，以补偿被电解反应消耗掉的氧化铝。

[04]在标准化的技术中，阳极是用碳质材料制成的，且被铝的还原反应所消耗。碳质材料的消耗会释放出大量的二氧化碳。

[05]几十年来，铝材生产商一直在寻找用非消耗性材料制成的阳极—即所谓的“惰性阳极”，以避免与使用和制造碳质材料阳极相关的环境问题和成本问题。人们已提出了几种材料，这些材料尤其是陶瓷材料(例如SnO₂和铁氧体)、金属材料、以及复合材料，其中的复合材料例如是含陶瓷相和金属相的、被称为“金属陶瓷”的材料，这种材料尤其是含一种铜基金属相的铁镍尖晶石。

[06]在研制用于电解法生产铝的惰性电极中遇到了一些问题，这些问题不仅在于选择并生产阳极所用的制造材料，而且还在于各个阳极与被用来向电解池供电的导体之间的电联接。人们已提出了用于联接惰性阳极的多种方法和装置。

[07]第4 500 406号美国专利提出使用这样的阳极：其具有一活性部分、一适于进行联接的金属部分、以及位于活性部分与金属部分之间的一合成梯度。第4 541 912号美国专利介绍了一组件，该组件是通过将一金属陶瓷材料用热等压方法压到一金属质导电基底上而制成的。这些方案使得阳极更难制造，且为阳极活性部分的焙烧参数施加了约束条件。

[08]第4 623 555号美国专利公开了这样的方案：利用一合成梯度形成一联接部，而合成梯度是由等离子溅射法形成的。该方案需要对形成中间层的过程实施精确的控制，并增加了另一个复杂的步骤。

[09]第4 468 298、4 468 299、4 468 300号美国专利描述了通过扩散焊、摩擦焊、或其它焊接方法形成的接缝。第4 457 811号美国专利公开了一种联接结构，其包括一个或数个弹性条带，条带被焊接到一阳极的内表面或外表面上。这些方案需要在形成接缝之前对接触表面执行化学还原，这会显著增大阳极制造的复杂性。这些方案的另一个缺点在于会使电联接部的组装变得复杂。

[10]第4 357 226号和4 840 718号美国专利公开了适于应用在实心阳极组件上的机械联接结构。这些联接结构是复杂的。

[11]第4 456 517号、第4 450 061号、第4 609 249号、以及第6 264810号美国专利公开了适用于带有中央空腔的阳极的机械联接结构。当使用阳极时，这些联接结构对其组成元件机械性能的变化是敏感的，并会在阳极与金属部件之间引发机械拉伸作用。此外，这些方案对电解池中的腐蚀性气氛环境也是敏感的。为了克服这一困难，上述的某些专利还提出增加屏蔽物和/或惰性填料的方案。这些互补的保护措施使联接结构的制造复杂，并提高了成本。第6 264 810号美国专利中所提出的方案还具有另外一个缺点：其需要很多个特殊的部件，这些部件必须能长期保持其机械特性。

[12]因而，申请人寻求能解决现有技术中这些缺陷的技术方案。

发明内容

[13]本发明的一目的是提供一阳极组件，其包括至少一个惰性阳极和至少一个联接导体，所述联接导体被用来向阳极供电，该阳极组件的特征在于：

[14]-阳极是中空的，且为一袋囊的形式；

[15]-导体与阳极之间的接触表面接近于阳极的开口(一般靠近环周部)；

[16]-导体与阳极之间的电和机械联接包括一金属钎焊接缝，该接缝可通过在使用过程中完全或部分地执行钎焊来形成。

[17]在本发明的一有利的实施方式中，当将上述组件应用在通过电解法生产铝的生产单元中时，所述钎焊接缝可获得巩固。有利的是，通过包含从一组元素中选出的至少一种元素而实现上述效果，该组元素包括：铝、银、铜、镁、锰、钛、以及锌。

[18]阳极一般为柱形袋囊或“手套指”的形状，为此，其封闭端的外表面是圆形的或者是圆化的四边形，在后者的情况下，封闭端外表面的四个拐角是圆形的。这些形状能避免出现如下情况：在使用过程中，当封闭端被浸入到以熔盐为基础的电解液中时，局部的电流密度会变得不均匀。

[19]申请人已经注意到：现有的联接模式是将电流直接输送到浸没在电解液中的部分的中心或其附近，这些联接模式使得电流线的分布很差——尤其是在袋囊形的阳极中。申请人还注意到：电流线的这种分布状况可能导致某些部位上电流密度太低(换言之，一般低于约0.5A/cm²)，这将局部地利于腐蚀；并能导致另外一些部位上电流密度太高(换言之，一般高于1.5A/cm²，甚至大于2.5A/cm²)，这将局部使由于电化学溶解作用的衰退进程加速。

[20]申请人的设想是：或者是在将组件用在一电解池中之前(全部或部分地)，或者是在组件被用在电解池过程中(全部或部分地)的生产现场，使用能在热处理过程中增大强度的钎焊接缝。钎焊接缝可以避免对惰性阳极上用于进行机械联接的部分施加机械拉伸作用。钎焊接缝可以形成一共用而有效的机械-电路联接，这将极大地简化制造过程。这种变型的优势还归因于：它可使用一机械组件，其尺寸被设计成足以将阳极令人满意地且临时地机械地保持就位，直到钎焊接缝被强化，但不必足以保证使用过程中对联接的所有机械要求，原因在于钎焊接缝强度的增加能提供使用过程中所需的额外机械强度。

[21]本发明的另一目的是提供一种用于制造根据本发明的阳极组件的方法。

[22]本发明的再一个目的是：为了用干法电解生产铝，使用至少一个根据本发明的阳极组件，该阳极组件或者是利用根据本发明的制造方法制得的。

[23]本发明的再一个目的是提供一种用于通过干法电解生产铝的生产单元，其包括至少一个根据本发明的阳极组件、或者是利用根据本发明的制造方法制得的阳极组件。

附图说明

[24]在阅读了下文对特定实施方式的详细描述以及附图之后，能更好地理解本发明。

[25]图1到图7与本发明相关。图1和图3至图6均为纵向剖面图，表示根据本发明的阳极组件。图2表示图1所示阳极组件中的两个元件。图7表示在钎焊过程中钎焊材料的形态变化。

具体实施方式

[26]根据本发明的阳极组件1包括：至少一个中空的惰性阳极2；至少一个联接导体3、4、4′、5；以及至少一个钎焊金属接缝或可由钎焊形成的接缝31，其中，所述接缝31能在导体与阳极之间实现机械联接和电联接部30。

[27]阳极的中空形状可控制制造成本，并在阳极内部留出一个有用的空间21例如，该空间或空腔21可被用来插置一个或多个加热电阻9，所述电阻9在被浸入到液态的电解液中之前，可被用来对阳极进行加热。

[28]阳极具有一内表面210和一外表面230。阳极在不同部位处壁23的厚度E可以是不同的。阳极壁23的侧部23′的厚度可以是一致的，也可以是不一致的。

[29]在本发明的一特定实施方式中，阳极以及联接导体具有相对于一中心轴线A的轴向对称性。

[30]阳极2的封闭端24具有一称为“活性”的表面240，该表面将被浸入到一种以熔盐为基础的电解液中。优选地是，阳极的活性表面240不带有尖锐的拐角，以防止在使用过程中电流分配产生尖端效应；该活性表面可以是半球形的，或者可包括带有圆化拐角的多边形。

[31]根据本发明，阳极2上与封闭端24相反的开口端22被用来与至少一个联接导体3、4、4′、5进行一机械和电联接。接缝31位于阳极的联接区域25处。

[32]更确切来讲，根据本发明的、用于通过干法电解生产铝的生产单元中的阳极组件1包括：

[33]-至少一个惰性阳极2，其为一袋囊的形式且长度为L，其包括一空腔21、一具有一开孔200的开口端22、一环绕着空腔21的壁23、一封闭端24、以及至少一个机械联接装置26、27、28、29；

[34]-至少一个联接导体3、4、4′、5，其包括一联接端42和至少一个机械联接装置44、45、46，其中的机械联接装置能与阳极2的机械联接装置26、27、28、29相配合，从而在导体与阳极之间建立一机械联接；

[35]-至少一钎焊金属接缝31或至少一钎焊材料，其中的钎焊材料能在使用过程中通过完全或部分地进行钎焊而形成一钎焊金属接缝31，所述接缝31位于阳极2开口端22的至少一个表面20、20′、20″的全部或部分与导体3、4、4′、5联接端42的至少一个表面40、40′、40″的全部或部分之间。

[36]有利地是，根据本发明的阳极组件的元件——尤其是所述的机械联接装置26、27、28、29、44、45、46的尺寸可被设计成这样：在组件被用在一电解池中之前或此过程中，其足以只对阳极提供令人满意的临时机械保持作用，直到钎焊接缝加强。

[37]所述接缝31位于阳极2开口端22至少一个表面20、20′、20″的全部或部分与导体3、4、4′、5联接端42至少一个表面40、40′、40″的全部或部分之间。

[38]联接导体3、4、4′、5将被用来向阳极2输送电。它可包括一中央空腔8。联接导体3、4、4′、5可由多个部件形成，且有利的是包括至少一个用镍基合金(换言之，即镍含量的重量比大于50％)制成的构件4，且联接端42有利地是位于该构件4上。有利地是，该镍基合金是被称为“625合金”的UNS N06625合金，更好地是被称为“602合金”的UNS N06025，对于后者的情况，所添加的铝含量使其具有更好的耐热腐蚀性。

[39]如图1、3和4所示，联接导体3、4、4′、5可包括：一中间导体4，其通常是由镍基合金制成的，被用来建立与阳极的机械及电联接；以及一“外部”导体5，其被用来对阳极组件提供机械支撑，以及与电解池外界进行电联接，该联接通常是利用一外部联接装置6实现的。如图5所示，联接导体3、4、4′、5可包括两个或多个中间导体4、4′。这些部件3、4、4′、5利用一个或多个中间联接部7相互固定起来。

[40]联接导体3、4、4′、5的形状通常是长形的，且可能是管状的。

[41]阳极2的机械联接装置26、27、28、29处于开口端22的附近。这些联接装置覆盖阳极开口端22的一部分，它们在阳极总长L上占据的比例通常小于10％，甚至小于5％。

[42]为了保证足够的电接触，阳极联接表面20、20′、20″的总面积能使得：使用过程中在额定的电流强度下，单位面积的电流密度优选地是在1A/cm²至50A/cm²之间，更为优选地是在2A/cm²到20A/cm²之间，并且更为优选地是在5A/cm²到15A/cm²之间。这表示这些面积数值通常是阳极外表面230总面积的1％至20％之间，甚至在5％至15％之间。

[43]阳极2的机械联接装置26、27、28、29通常包括至少一个元件，该元件是从凸圈26、环形凹腔27、环形沟槽28、以及环形凸肩29中选出的。这些形状易于在轴对称式的惰性阳极上获得。

[44]优选地是，导体3、4、4′、5的机械联接装置44、45、46靠近联接端42。

[45]导体3、4、4′、5的机械联接装置44、45、46通常包括至少一个元件，该元件是从环形沟槽44、裙部45、以及环形凸肩46中选出的。这些形状易于通常利用螺纹切削的方式在轴对称式的机械部件上获得。

[46]有利地是，阳极的联接装置26、27、28、29和导体的联接装置44、45、46通过至少一种方式而相互配合起来，所述方式选自：螺纹联接、卡锁、摩擦、插入或压配。插入和压配可在将阳极和/或联接导体加热后进行。

[47]阳极组件1可包括一个或多个互补的组装装置34、340、36，该装置例如是一个或多个压圈34、340以及一个或多个开口或封闭的环件36。

[48]有利地是，靠近阳极2开孔200的联接表面20是倾斜的(一般是相对于组件的轴线A倾斜)，从而可防止在执行钎焊操作和/或使用该阳极组件的过程中钎焊材料31′流入到空腔21中。为此，阳极2的联接表面20、20′、20″通常包括至少一个平的表面元件20，其切线与阳极的主轴线A形成一角度α，所述角度介于45°到90°之间，甚至介于60°到90°之间。

[49]当构成阳极的材料的膨胀系数小于构成联接导体的材料的膨胀系数时，则联接表面20、20′、20″通常至少部分地位于阳极2的外表面230上；否则，所述联接表面通常至少部分地位于阳极的内表面210上。

[50]阳极组件1还可包括至少一个互补的密封件33，其被用来限制钎焊接缝31，一般情况下，其是通过限制钎焊材料的流动来限制。所述流动可以在热处理过程中或使用过程中发生。该互补的密封件33一般是从开口或封闭的环圈以及O型圈中选出的。互补密封件33可以是金属或非金属的。

[51]优选地是，导体3、4、4′、5与阳极2的组装并不会在阳极与导体之间形成任何紧固作用或应力，以便限制钎焊之前和/或钎焊过程中机械拉伸的发展。

[52]优选地是，在使用过程中，联接装置26、27、28、44、45、46位于电解池的一部分处，该部分至少部分地与腐蚀性气体隔离开，且处在一远低于电解液温度的温度(优选地是低于850℃)，这可以通过对惰性阳极的长度L进行适配调整实现。

[53]在图1、3和5所示的实施方式中，阳极2开孔200的环周部包括一面向阳极外侧的凸圈26和一环形凹腔27，凹腔27也面向阳极的外侧。联接导体3、4、5包括一裙部45，其内侧制有螺纹。联接装置还包括一压圈34，其外侧上制有螺纹，且可旋拧到裙部45的内部。

[54]在图1所示的实施方式中，金属接缝31是由一钎焊材料制成的，该材料为扁平薄环的形式，其被放置在联接表面20、20″与联接表面40、40″之间的空间32中。联接装置可包括一用于限制钎焊材料流动的环件33。在执行钎焊操作之前，螺纹压圈34被旋拧到裙部45的内部，以便于使联接表面20、20″和表面40、40″靠近钎焊环31。可以使联接表面与钎焊环相接触或者承压在钎焊环上。

[55]如图3到图5所示，金属接缝31可由一钎焊材料形成，该材料完全或部分地来源于至少一个储容部35。空间32、32′被用来蓄积钎焊材料，并在钎焊过程中形成接缝31。优选地是，靠近开孔200的表面20是倾斜的，以防止钎焊材料流入阳极空腔21中。

[56]在图3所示的实施方式中，在执行钎焊操作之前，螺纹压圈34被旋拧到裙部45中，从而使联接表面20、20′与表面40、40′相互靠近，同时留出一空间32、32′，所述空间用于蓄积钎焊材料，并在钎焊过程中形成一接缝31。

[57]在图4所示的实施方式中，阳极2开孔200的环周部包括一面向阳极外侧的环形沟槽28。联接导体3、4、5包括一裙部45，所述裙部设置有一面向内侧的环形沟槽44。联接装置还包括一卡接配合环36，其能与环形沟槽28和44相配合，以便于在导体4与阳极2之间形成一机械联接。在这些实施方式中，在执行钎焊操作之前，阳极2被插入到裙部45内部，直到沟槽28与44嵌卡配合上。联接表面20、20′与联接表面40、40′之间形成一空间32。

[58]在图5所示的实施方式中，阳极2开孔200的的环周部包括一面向阳极外侧的凸圈26和一也面向阳极外侧的环形凹腔27。联接导体3、4、4′、5包括一裙部45，一压圈340通常可以利用如螺栓的固定装置37固定在该裙部上。在执行钎焊操作之前，压圈340被固定到裙部45上，从而将凸圈26固封住，同时留有一空间32、32′，所述空间被用来蓄积钎焊材料，并在钎焊过程中形成接缝31。导体4与阳极2之间的结合部保持松散状态，直到进行钎焊时为止。

[59]在图1、3和5所示的实施方式中，联接装置可包括一环圈(图1和图5中)或一O型圈33(图3中)，以限制钎焊材料的流动。

[60]在图6所示的实施方式中，联接导体4上设置有一个环形的凸肩46，所述凸肩能与阳极2上一对应的环形凸肩29相配合。这些凸肩的尺寸使得可以通过两部件其中之一的热膨胀完成组装：(A)当处于热态时，两部件之间的间隙G足够大，足以允许将阳极插入到导体中；(B)当处于冷态时，两凸肩相互插接着，并提供临时性的机械保持，直到钎焊接缝31固结。优选地是，为进行组装的加热温度低于钎焊材料的熔融温度，以防止所述钎焊材料在组装过程中流动。

[61]与图6所示结构的情况相同，位于将要被钎焊起来的、相互面对着的表面20′、40′之间的空间32′基本上是垂直的或呈锥形。

[62]在钎焊过程中，钎焊材料的位置和形状可发生改变。因而，如图7所示，最初具有确定的初始形状和位置(见图7A)的钎焊材料31′可在热处理过程中发生变形——一般是通过流动而变形，从而占据与联接表面20、20′、20″、40、40′、40″紧密接触的最终容积31(见图7B)。初始位置可完全或部分地位于储容部35中。

[63]阳极组件可包括一个位于阳极中央空腔21中的隔热体10，以便尤其可以防止外部联接导体5由于受阳极的内部辐射而过热。

[64]一般情况下，阳极2选自以下阳极：具有一陶瓷材料的阳极、具有一金属材料的阳极、以及具有一金属陶瓷材料的阳极。

[65]根据本发明的阳极组件1的制造方法包括以下步骤：

[66]-提供至少一个惰性阳极2，其为一袋囊的形状且长度为L，其包括一空腔21、一具有一开孔200的开口端22、一环绕着空腔21的壁23、一封闭端24、以及至少一个机械联接装置26、27、28、29；

[67]-提供至少一个联接导体3、4、4′、5，其包括一联接端42和至少一个机械联接装置44、45、46，其中的机械联接装置能与阳极2上的机械联接装置26、27、28、29相配合，从而在导体与阳极之间建立一机械联接；

[68]-提供至少一种钎焊材料，其能形成一金属接缝；

[69]-将钎焊材料布置在一确定的位置处，靠近阳极2开口端22的表面20、20′、20″或导体3、4、4′、5联接端42的表面40、40′、40″中的至少之一，其中，上述表面用于通过钎焊联接起来；

[70]-将导体3、4、4′、5与阳极2组装起来，以使所述表面20、20′、20″、40、40′、40″相互靠近；

[71]-一热处理，其能使钎焊材料在导体与阳极之间形成一钎焊接缝31。

[72]所述钎焊接缝31形成在所述表面20、20′、20″、40、40′、40″之间，并且因而在导体与阳极之间实现了一机械和电联接。

[73]优选地是，导体3、4、4′、5与阳极2的组装操作形成一松散的组件，只有在热处理过程中该组件才变成刚性的。这样的变化可防止出现机械应力。

[74]根据本发明的一有利的实施方式，可在热处理过程中改变所述的一种钎焊材料或所述多种钎焊材料其中之一的成分，以便于将其熔融温度提高到一数值，该数值大于使用过程中所述钎焊接缝31所承受的最高温度。这样的改变能增强接缝。它可以利用下列的至少一种机理来获得：

[75]-将钎焊材料的组成元素之一的至少一部分蒸发掉，所述元素例如是锌或镁；

[76]-使其组成元素之一的至少一部分与环境大气中的组分之一——尤其是氧——发生化学反应。例如，所述组成元素可以是铝、锌、镁、或磷；

[77]-通过在存在或不存在氧化-还原反应的条件下使至少一种元素与所述表面20、20′、20″、40、40′、40″中的一个表面发生扩散式交换。该交换可以是从钎焊材料向邻近的表面扩散和/或从邻近的表面向钎焊材料扩散。在后一种情况中，可在所述表面20、20′、20″、40′、40′、40″的全部或部分上涂覆一种材料，该材料中含有一种例如为镍的元素，其可扩散到钎焊材料中。可利用氧化-还原反应来进行所述扩散。更确切来讲，所述成分可包含至少一种这样的元素：其至少能通过与所述惰性阳极2发生氧化-还原反应而进行交换，所述元素通常是从镁、铝、磷、钛、锆、铪、或锌中选出的。

[78]所述机理可以通过从含铜、银、镁和/或锌的合金或混合物中选出的钎焊材料而获得。

[79]所述表面20、20′、20″、40′、40′、40″可以全部或部分地涂覆上一种材料，该材料可被钎焊材料渗入。

[80]根据本发明的一有利的变型，所述的一种或多种钎焊材料被全部或部分地插入到空间中，所述空间将用于钎焊的表面20、20′、20″与40、40′、40″分隔开。换言之，所述实施包括：将钎焊材料的至少一部分引入到阳极2开口端22的至少一个表面20、20′、20″的全部或部分与导体3、4、4′、5联接端42的至少一个表面40、40′、40″的全部或部分之间。

[81]根据本发明的另一有利的变型，导体3、4、4′、5包括至少一个储容部35，所述制造方法的实施包括：在热处理之前，将至少一种钎焊材料引入到至少一个储容部35中，且导体3、4、4′、5与阳极2被组装到一起，以便于在导体与阳极之间留出一自由空间32、32′。在热处理过程中，所述钎焊材料通过流动而被引入到阳极2开口端22的至少一个表面20、20′、20″的全部或部分与导体3、4、4′、5联接端42的至少一个表面40、40′、40″的全部或部分之间。

[82]有利的是，热处理操作是在将阳极组件1用在电解池内时实施的。

[83]现有的联接模式是在阳极浸入部分的温度上进行的，并且因而联接时的温度接近于电解液的温度，而根据本发明的联接模式却实现了非常均匀的温度，同时将联接温度保持为一数值，该数值远小于电解液的温度，这样就能减小联接部位上的电学应力、机械应力、以及化学应力。

[84][试验]

[85]试验1

[86]利用与图5所示装置相类似的一装置进行联接试验。

[87]在该试验中，阳极是金属陶瓷制成，该材料的陶瓷相具有一铁镍尖晶石，且金属相则以铜为基础。

[88]钎焊材料是一CuZn合金，其中Cu的重量含量为60％、Zn的重量含量为40％。这种合金的熔融区间在870℃到900℃之间。在将阳极应用在电解池中之前，将联接部预加热到900℃，所述电解池中的电解液是以熔融的冰晶石为基础的。预热时钎焊材料的部分熔融足以赋予联接部一良好的电联接。在拆解过程中可以观察到：锌部分地蒸发和氧化，并且所述应用产生一补充性的处理，该处理导致接缝的熔融温度显著增加到900℃以上。

[89]试验2

[90]利用与图6所示装置相类似的一装置进行一联接试验。

[91]在该试验中，阳极是用金属陶瓷制成，所述金属陶瓷具有与试验1中的金属陶瓷相同的成分。

[92]钎焊材料是一CuZn合金，其中Cu的重量含量为30％而Zn的重量含量为70％。这种合金的熔融区间在700℃到820℃之间。钎焊热处理完全是在现场进行的。它形成一钎焊接缝，所述接缝具有长时间稳定的电联接，且电阻率低。

[93]在试验1和试验2中，阳极的外径Do通常是在其长度L的70％到75％的数量级上。阳极的内径D约等于外径的60％到65％。侧壁的厚度E是均匀的。

                        图中标号列表：

[94]1阳极组件

[95]2阳极

[96]3联接导体

[97]4中间联接导体

[98]4′中间联接导体(延伸部)

[99]5外部联接导体

[100]6外部联接装置

[101]7中间联接部

[102]8联接导体的中央空腔

[103]9加热电阻

[104]10隔热体

[105]20、20′、20″阳极联接表面

[106]21阳极空腔

[107]22开口端

[108]23阳极壁

[109]23′阳极壁的侧部

[110]24阳极的封闭端

[111]25阳极联接区域

[112]26凸圈

[113]27环形凹腔

[114]28环形沟槽

[115]29环形凸肩

[116]30导体/阳极联接部

[117]31钎焊金属接缝

[118]31′钎焊材料

[119]32、32′阳极联接表面与导体联接表面之间的空间

[120]33互补密封件

[121]34螺纹压圈

[122]35储容部

[123]36环件

[124]37固定装置

[125]40、40′、40″联接导体的联接表面

[126]41中间联接导体的中央空腔

[127]42联接端

[128]43中间联接导体的壁

[129]44环形沟槽

[130]45裙部

[131]46环形凸肩

[132]200开孔

[133]210阳极的内表面

[134]230阳极的外表面

[135]240阳极的活性表面

[136]340压圈

Claims (36)

1.阳极组件(1)，其用于通过干法电解生产铝的生产单元并且包括：

-至少一个惰性阳极(2)，其为一袋囊的形式且长度为L，其包括一空腔(21)、一具有一开孔(200)的开口端(22)、一环绕着所述空腔(21)的壁(23)、一封闭端(24)、以及至少一个机械联接装置(26、27、28、29)；

-至少一个联接导体(3、4、4′、5)，其包括一联接端(42)和至少一个机械联接装置(44、45、46)，其中的机械联接装置能与所述阳极(2)的所述机械联接装置(26、27、28、29)相配合，从而在所述导体与所述阳极之间建立一机械联接；

-至少一钎焊金属接缝(31)或至少一钎焊材料，其中的钎焊材料能在使用过程中通过完全或部分地进行钎焊而形成一钎焊金属接缝(31)，所述接缝(31)位于所述阳极(2)开口端(22)的至少一个表面(20、20′、20″)的全部或部分与所述导体(3、4、4′、5)联接端(42)的至少一个表面(40、40′、40″)的全部或部分之间。

2.根据权利要求1所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述阳极(2)的机械联接装置(26、27、28、29)覆盖所述开口端(22)的一部分，所述机械联接装置为所述阳极总长度L的不足10％。

3.根据权利要求1或2所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述联接表面(20、20′、20″)的总面积使得：使用过程中在额定的电流强度下，单位面积的电流密度介于1A/cm²到50A/cm²之间。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述导体(3、4、4′、5)的机械联接装置(44、45、46)位于所述联接端(42)附近。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述阳极(2)的机械联接装置(26、27、28、29)包括至少一个元件，该元件是从凸圈(26)、环形凹腔(27)、环形沟槽(28)以及环形凸肩(29)中选出的。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述导体(3、4、4′、5)的机械联接装置(44、45、46)包括至少一个元件，该元件是从环形沟槽(44)、裙部(45)以及环形凸肩(46)中选出的。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述阳极的与所述导体的机械联接装置(26、27、28、29、44、45、46)通过至少一种方式而相互配合，所述方式选自：螺纹联接、卡锁、摩擦、插入或压配。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：它包括至少一个互补的组装装置(34、340、36)。

9.根据权利要求8所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述互补的组装装置是从压圈(34、340)以及开口或封闭的环件(36)中选出的。

10.根据权利要求1到9中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：它包括至少一个互补的密封件(33)，其用于限制所述钎焊接缝(31)。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述互补的密封件(33)是从开口或封闭的环圈或O型圈中选出的。

12.根据权利要求1到11中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：在将所述组件应用在一通过电解法生产铝的生产单元内的过程中，所述钎焊接缝(31)可以加强。

13.根据权利要求1到12中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述钎焊接缝(31)具有至少一种元素，所述元素选自：铝、银、铜、镁、锰、钛以及锌。

14.根据权利要求1到13中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述联接导体(3、4、4′、5)具有至少一个用镍基合金制成的构件(4)；而且所述联接端(42)位于所述构件(4)上。

15.根据权利要求14所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述镍基合金是一UNS N06625合金或一UNS N06025合金。

16.根据权利要求1到15中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：所述阳极(2)选自以下阳极：具有一陶瓷材料的阳极、具有一金属材料的阳极、以及具有一金属陶瓷材料的阳极。

17.根据权利要求1到16中任一项所述的阳极组件(1)，其特征在于：它包括位于所述阳极(2)的空腔(21)中的至少一个加热电阻(9)。

18.根据权利要求1到17中任一项所述的阳极组件(1)的制造方法，其特征在于它包括：

-提供至少一个惰性阳极(2)，其为一袋囊的形状且长度为L，其包括一空腔(21)、一具有一开孔(200)的开口端(22)、一环绕着所述空腔(21)的壁(23)、一封闭端(24)、以及至少一个机械联接装置(26、27、28、29)；

-提供至少一个联接导体(3、4、4′、5)，其包括一联接端(42)和至少一个机械联接装置(44、45、46)，其中的机械联接装置能与所述阳极(2)的所述机械联接装置(26、27、28、29)相配合，从而在所述导体与所述阳极之间建立一机械联接；

-提供至少一种钎焊材料，其能形成一金属接缝；

-将所述钎焊材料布置在一确定的位置处，靠近所述阳极(2)开口端(22)的表面(20、20′、20″)或所述导体(3、4、4′、5)联接端(42)的表面(40、40′、40″)中的至少之一，其中，上述表面用于通过钎焊联接起来；

-将所述导体(3、4、4′、5)与所述阳极(2)组装起来，以使所述表面(20、20′、20″、40、40′、40″)相互靠近；

-一热处理，其能使所述钎焊材料在所述导体与所述阳极之间形成一钎焊接缝(31)。

19.根据权利要求18所述的制造方法，其特征在于：所述导体(3、4、4′、5)与所述阳极(2)的组装操作形成一松散的组件。

20.根据权利要求18或19所述的制造方法，其特征在于：可在热处理过程中改变所述的一种钎焊材料或者所述的多种钎焊材料其中之一的成分，以便于将其熔融温度提高到一数值，该数值大于使用过程中所述钎焊接缝(31)所承受的最高温度。

21.根据权利要求20所述的制造方法，其特征在于：可通过将所述钎焊材料的组成元素之一的至少一部分蒸发掉而改变所述的一种钎焊材料或所述的多种钎焊材料其中之一的成分。

22.根据权利要求21所述的制造方法，其特征在于：所述组成元素是锌或镁。

23.根据权利要求20到22中任一项所述的制造方法，其特征在于：可通过使其组成元素之一的至少一部分与环境大气中的组分之一发生化学反应而改变所述的一种钎焊材料或所述的多种钎焊材料其中之一的成分。

24.根据权利要求23所述的制造方法，其特征在于：所述组成元素是铝、锌、镁或磷。

25.根据权利要求20到24中任一项所述的制造方法，其特征在于：可通过在存在或不存在氧化-还原反应的条件下，使至少一种元素与所述表面(20、20′、20″、40、40′、40″)中的一个表面发生扩散式交换而改变所述的一种钎焊材料或所述的多种钎焊材料其中之一的成分。

26.根据权利要求25所述的制造方法，其特征在于：所述表面(20、20′、20″、40、40′、40″)的全部或部分涂覆上一种材料，该材料中含有一种例如为镍的元素，其可扩散到所述钎焊材料中。

27.根据权利要求25或26所述的制造方法，其特征在于：所述成分包含至少一种这样的元素：其至少能通过与所述惰性阳极(2)发生氧化-还原反应而进行交换。

28.根据权利要求27所述的制造方法，其特征在于：所述元素是从镁、铝、磷、钛、锆、铪和锌中选出的。

29.根据权利要求20到28中任一项所述的制造方法，其特征在于：所述钎焊材料是一合金或一混合物，其包含从铜、银、镁和锌中选出的至少一种元素。

30.根据权利要求18到29中任一项所述的制造方法，其特征在于所述制造方法的实施包括：将钎焊材料的至少一部分引入到所述阳极(2)开口端(22)的至少一个表面(20、20′、20″)的全部或部分与所述导体(3、4、4′、5)联接端(42)的至少一个表面(40、40′、40″)的全部或部分之间。

31.根据权利要求18到30中任一项所述的制造方法，其特征在于：所述导体(3、4、4′、5)包括至少一个储容部(35)；而且，所述制造方法的实施包括：在热处理之前，将至少一种钎焊材料引入到至少一个储容部(35)中；而且，将所述导体(3、4、4′、5)与所述阳极(2)实施组装，以便于在所述导体与所述阳极之间留出一自由空间(32、32′)；而且，在热处理过程中，所述钎焊材料通过其流动而被引入到所述阳极(2)开口端(22)的至少一个表面(20、20′、20″)的全部或部分与所述导体(3、4、4′、5)联接端(42)的至少一个表面(40、40′、40″)的全部或部分之间。

32.根据权利要求18到31中任一项所述的制造方法，其特征在于：所述表面(20、20′、20″、40′、40′、40″)全部或部分地涂覆上一种材料，该材料可被钎焊材料渗入。

33.根据权利要求18到32中任一项所述的制造方法，其特征在于：所述热处理操作是在将所述阳极组件(1)应用在一电解池内时全部或部分实施。

34.根据权利要求18到33中任一项所述的制造方法，其特征在于：靠近所述阳极(2)开孔(200)的表面(20)是倾斜的，以便在执行钎焊操作和/或使用所述阳极组件时防止所述钎焊材料流入到所述空腔(21)中。

35.将至少一个根据权利要求1到17中任一项所述的阳极组件(1)或利用根据权利要求18到34中任一项所述的制造方法制得的阳极组件(1)应用来通过干法电解生产铝。

36.通过干法电解生产铝的生产单元，其包括至少一个根据权利要求1到17中任一项所述的阳极组件(1)或至少一个利用根据权利要求18到34中任一项所述的制造方法制得的阳极组件(1)。

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