DE112006004078B4

DE112006004078B4 - Verfahren zur Herstellung von benetzbaren Kathodenblöcken

Info

Publication number: DE112006004078B4
Application number: DE112006004078T
Authority: DE
Inventors: Fengqin Liu; Hongjie YANG; Kaibin Chen; Yingtao Luo
Original assignee: Aluminum Corp of China Ltd
Current assignee: Aluminum Corp of China Ltd
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: CN100491600C; DE112006004078T5; CN1958857A; WO2008046255A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von benetzbaren Kathodenblöcken, umfassend die Schritte von Rezepturvorbereitung, Mischung, Vibrationskompaktierung einer Kathodenbasis, Vibrationskompaktierung eines Kompositschichtmaterials auf der Kathodenbasis und Backen eines Kathodengrünlings, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Teil von Titanborid ein körniges Titanborid-Carbon-Kompositmaterial und Titanboridpulver als verbleibender Teil von Titanborid zu einem körnigen Titanborid-Carbon-Kompositschichtmaterial gemischt werden, dass das gemischte Kompositschichtmaterial auf die Kathodenbasis hinzugefügt und auf der Kathodenbasis zu dem Kathodengrünling kompaktiert wird, und dass der benetzbare Kathodenblock durch Backen des Kathodengrünlings erzeugt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von benetzbaren Kathodenblöcken, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von benetzbaren (benetzten) Kathodenblöcken, die in Aluminium-Reduktionszellen, insbesondere in drainierten Aluminium-Reduktionszellen eingesetzt werden.
Hintergrund der Erfindung
Die Technik der drainierten Reduktionszelle ist gegenwärtig die brauchbarste Technik für eine signifikante Reduzierung des Energieverbrauchs pro Tonne Aluminium ohne eine signifikante Änderung des Hall-Héroult-Elektrolyseprozesses. Die Schlüsseltechnologie für die drainierte Reduktionszelle ist die Entwicklung von Kathodenblöcken mit besserer Benetzbarkeit für geschmolzenes Aluminium, die Korrosion und Erosion durch Kryolit-Elektrolyt über einen langen Zeitraum ohne irgendwelche erkennbaren Verformungen widerstehen.
Aus der US 4,526,669 A und der US 6,180,182 B1 sind Kathodenblöcke unter Verwendung von Titanborid für die Hall-Héroult-Elektrolyse von Aluminium bekannt. Gegenwärtig weisen solche benetzbaren Kathodenblöcke mit Titanborid-Graphit-Verbundschichten, die durch die integrierte Vibrations-Kompaktierungstechnik hergestellt sind, bessere Leistungen auf als solche, die nach der allgemein in der Welt gebräuchlichen Titantborid-Beschichtungstechnik hergestellt sind. Die benetzbaren Kathodenblöcke mit Titanborid-Graphit-Verbundschichten, die mittels der integrierten Vibrations-Kompaktierungstechnik hergestellt sind, sind erfolgreich in Reduktionszellen mit verschiedenen Spezifikationen eingesetzt worden. Während der anfänglichen Phase des Hochfahrens der Reduktionszelle ist die Infiltration des Kryolit-Elektrolyts in die Kathoden bemerkenswert reduziert, die Reduzierung der Kathodenspannung lässt nach und die Zelle läuft gleichmäßig während der Elektrolyse, was offensichtlich die Gebrauchsdauer der Reduktionszelle verlängert.
Da allerdings die drainierte Reduktionszelle Kathodenblöcke mit besserer Benetzbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion erfordert, ist ein hoher Titanboridanteil in den Titanborid-Graphit-Verbundschichten erforderlich, und die Verbundschichtdicke sollte den Anforderungen nach der Herstellung von Rillen auf der Kathodenoberfläche oder der Herstellung einer Neigung der Arbeitsoberfläche mit 2° bis 15° genügen.
Im gegenwärtigen Verfahren zur Herstellung von benetzbaren Kathodenblöcken mit Titanborid-Graphit-Verbundschichten mittels der integrierten Vibrations-Kompaktierungstechnik wird ein Titanborid-Pulver mit einer relativ feinen Partikelgrößenverteilung genutzt, was die Vergrößerung der Verbundschichtdicke und des Titanboridanteils in der Verbundschicht limitiert. Dies folgt daraus, dass übermäßig feine Pulvermaterialien zu einer unangemessenen Rezeptur für das Pastenmaterial der Kompositschicht führt, und es bilden sich zahlreiche Risse in den Kompositschichten nach dem Backen, was zu der begrenzten Dicke und dem geringeren Gehalt an Titanborid in den Kompositschichten führt, was darin resultiert, dass die Erfordernisse der drainierten Reduktionszelle nicht befriedigt werden können.
Inhalt der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von benetzbaren Kathodenblöcken zur Überwindung der vorgenanten Nachteile des Standes der Technik, worin die genannten Kathodenblöcke Korrosion und Erosion durch Kryolit-Elektrolyt mit geringerer Verformung widerstehen können, und die leicht mit Rillen oder einer Neigung der Arbeitsoberfläche mit 2° bis 15° hergestellt werden können, was die Benetzbarkeitsanforderungen der drainierten Reduktionszelle erfüllt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die folgenden technischen Lösungen erfüllt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von benetzbaren Kathodenblöcken bereit, welches folgende Schritte aufweist: Vorbereitung der Rezeptur, Mischung der Paste, Vibrationskompaktierung der Kathodenbasis, Vibrationskompaktierung des Verbundschichtmaterials auf der Kathodenbasis und Backen des Kathodengrünlings, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung der Kompositschicht auf der Kathodenbasis ein Teil des Titanborids als körniges Titanborid-Carbon-Komposit der Rezeptur der Pastenmischung hinzugefügt wird, während ein anderer Teil des Titanborids als Titanboridpulver hinzugefügt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von benetzbaren Kathodenblöcken bereit, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gehalt an körnigem Titanborid ungefähr 80 Gew.-% des Titanborid-Carbon-Komposits beträgt.
Die Titanborid-Carbon-Verbundblockmaterialien der vorliegenden Erfindung werden durch ein Verfahren ähnlich zur Herstellung von gewöhnlichen Carbonkathoden durch Mischung, Kompaktierung und Backen hergestellt, wobei künstliche Graphitmaterialien und Titanboridpulver als trockener Zuschlag sowie Steinkohlenteerpech als Bindemittel eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von benetzbaren Kathodenblöcken bereit, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der trockene Zuschlagsstoff für die Verbundschicht folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) hat: 16% bis 30% Titanborid-Carbonverbund mit einem Partikelgrößenbereich von 6 mm bis 3 mm, 10% bis 20% Titanborid-Carbon-Verbund mit eine Partikelgröße von kleiner als 3 mm, 10% bis 15% Graphitstücke mit einer Partikelgröße von kleiner als 3 mm, 10% bis 40% Titanboridpulver und 18% bis 23% Hinzugabe von Steinkohleteerpech.
Im Verfahren nach der vorliegenden Erfindung werden die Titanborid-Carbon-Verbundblockmaterialien als Zuschlagstoffe eingesetzt. Der Titanboridbestandteil wird in das Pastenmaterial für die Verbundschicht in Form von Körnchen und feinem Pulver eingefügt, um Defekte zu vermeiden, die durch Bildung einer Vielzahl von Rissen in der Verbundschicht nach dem Sintern dann entstehen, wenn die Kathodenblocks mit Verbundschichten allein unter Nutzung von Titanboridpulvermaterialien hergestellt werden, um den Titanboridgehalt in den Verbundschichten effektiv zu steigern, und um die Verbundschichten mit einem Dickenbereich von 20 mm bis 200 mm herzustellen. Durch Änderung der Formkontur der Formmaschine können profilierte Kathodenblöcke mit einer Neigung und mit Rillen auf deren Oberfläche hergestellt werden. Dies kann das Erfordernis der Herstellung von Rillen und einer Neigung von 2° bis 15° auf der Arbeitsoberfläche der Kathodenblöcke erfüllen. Die auf diese Weise hergestellten Kathodenblöcke können der durch Kryolit-Elektrolyt hervorgerufenen Korrosion und Erosion widerstehen und weisen eine geringe Deformation auf, so dass sie als benetzbare Kathodenblöcke in der drainierten Aluminium-Reduktionszelle genutzt werden können.
Art der Ausführung der Erfindung
Ein Verfahren zur Herstellung von benetzbaren Kathodenblöcken umfasst die Schritte von Vorbereitung der Rezeptur, Mischung der Paste, Vibrationskompaktierung der Kathodenbasis, Vibrationskompaktierung der Verbundschicht auf der Kathodenbasis und Backen des Kathodengrünlings. Während des Herstellungsverfahrens werden die körnigen Titanborid-Carbon-Verbundmaterialien als ein Teil des Titanborids zur Bildung der trockenen Zuschlagstoffe der Kompositschichten hinzugefügt, während das Titanboridpulver als der verbleibende Teil des Titanborids hinzugefügt wird. Der Gehalt an Titanborid beträgt ungefähr 80 Gew.-% im körnigen Titanborid-CarbonVerbund. Der trockene Zuschlagsstoff für die Kompositschicht hat die folgende Zusammensetzung: 16 Gew.-% bis 30 Gew.-% Titanborid-Carbon-Komposit mit einem Partikelgrößenbereich von 6 mm bis 3 mm, 10 Gew.-% bis 20 Gew.-% Titanborid-Carbon-Komposit mit einer Partikelgröße von kleiner als 3 mm, 10 Gew.-% bis 15 Gew.-% von Graphitstücken mit einer Partikelgröße von kleiner als 3 mm, 10 Gew.-% bis 40 Gew.-% Titanboridpulver; und das Pastenmaterial für die Kompositschicht beinhaltet 18 Gew.-% bis 23 Gew.-% Steinkohlenteerpech.
Beispiel 1
50 Gew.-% Titanborid-Carbon-Komposit und 33 Gew.-% Graphitstücke wurden in einem 100L Heizmedium-(oder elektrischen Heiz-)Mischer 20 bis 30 Minuten lang trocken gemischt. Nachdem die trockenen Materialien homogen gemischt wurden, wurden 17 Gew.-% von geschmolzenem modifiziertem Pech mit einem Erweichungspunkt von 105°C hinzugefügt, und eine Nassmischung wurde bei 160°C bis 170°C 40 bis 50 Minuten lang durchgeführt. Der trockene Zuschlagsstoff für die Kompositschicht besteht zu 25 Gew.-% aus Titanborid-Carbon-Komposit mit einem Partikelgrößenbereich von 6 mm bis 3 mm, 30 Gew.-% Titanborid-Carbon-Komposit mit einer Partikelgröße von kleiner als 3 mm, 40 Gew.-% Titanboridpulver, und 5 Gew.-% Graphitstücke mit einer Partikelgröße von kleiner als 3 mm, wobei die Menge an Steinkohlenteerpech in der Paste für die Kompositschicht 20 Gew.-% betrug.
Das Basismaterial war ein Pastenmaterial zur Herstellung der Kathodenblöcke, bei dem elektrisch kalziniertes Anthrazit als Zuschlagsstoff (mit einem Pulverwiderstand von 550 μΩm) genutzt wurde. Vom Pastenmaterial der Kathodenbasis wurden 1450 kg abgewogen. Ein schwerer Hammer wirkte auf eine Formkiste von 3620 mm × 560 mm ein und formvibrierte 45 Sekunden lang. Danach wurde der schwere Hammer angehoben. Die Oberfläche wurde mit einem speziellen Werkzeug abgewetzt, und 80 kg des Kompositmaterials wurden homogen darauf verteilt. Der schwere Hammer wurde erneut fallen gelassen und zwei Minuten lang vibriert. Anschließend wurden Entformung und Kühlung durchgeführt. Nach Aufheizung und Backen über 230 Stunden wurde das Produkt herausgenommen und weiter verarbeitet. Prüfung und Testergebnisse zeigten, dass die Kompositschicht ohne erkennbaren Übergang mit der Basis eng verbunden war. Die Dicke davon betrug 24 mm, und keine Risse oder Delamination traten auf. Tests haben ergeben, dass das Produkt in geschmolzenem Aluminium vollständig benetzbar war.
Beispiel 2
Die Parameter waren die gleichen wie diejenigen im Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass 70 Gew.-% Titanborid-Carbon-Komposit und 13 Gew.-% Graphitstücke in einem 50L Heizmedium-(oder elektrischen Heiz-)Mischer verarbeitet wurden. Der trockene Zuschlagsstoff für die Kompositschicht bestand aus 16 Gew.-% Titanborid-Carbon-Komposit mit einem Partikelgrößenbereich von 6 mm bis 3 mm, 31 Gew.-% Titanborid-Carbon-Komposit mit einer Partikelgröße von kleiner als 3 mm, 40 Gew.-% Titanborid-Pulver, und 13 Gew.-% Graphitstücken mit einer Partikelgröße von kleiner als 3 mm, wobei die Menge an Steinkohleteerpech in der Paste für die Kompositschicht 22 Gew.-% betrug.
1320 kg des gemischten Basis-Pastenmaterials wurden in einer Formkiste von 3300 × 545 mm homogen verteilt. Anschließend wurden 29,5 kg des Kompositschicht-Pastenmaterials eingebracht und auf dem Basis-Pastenmaterial verteilt. Für die Formung wurde eine Form mit einer neuen Struktur eingesetzt, und der geformte Block wurde drei Minuten lang vibriert. Anschließend wurde die Entformung durchgeführt, um einen Kathodenblockgrünling von 3300 × 545 × 470 mm und mit einer Arbeitsoberfläche mit einem Neigungswinkel von 4° zu erhalten. Das Produkt wurde gekühlt, gebacken und maschinenbearbeitet. Die Prüfung und Testergebnisse zeigten, dass die Kompositschicht ohne erkennbaren Übergang mit der Basis eng verbunden war. Die Arbeitsoberfläche war eben. Bei Tests stellte sich heraus, dass die Kompositschicht mit einer Dicke von ungefähr 10 mm in geschmolzenem Aluminium vollständig benetzbar war.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung von benetzbaren Kathodenblöcken, umfassend die Schritte von Rezepturvorbereitung, Mischung, Vibrationskompaktierung einer Kathodenbasis, Vibrationskompaktierung eines Kompositschichtmaterials auf der Kathodenbasis und Backen eines Kathodengrünlings, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Teil von Titanborid ein körniges Titanborid-Carbon-Kompositmaterial und Titanboridpulver als verbleibender Teil von Titanborid zu einem körnigen Titanborid-Carbon-Kompositschichtmaterial gemischt werden, dass das gemischte Kompositschichtmaterial auf die Kathodenbasis hinzugefügt und auf der Kathodenbasis zu dem Kathodengrünling kompaktiert wird, und dass der benetzbare Kathodenblock durch Backen des Kathodengrünlings erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an körnigem Titanborid ungefähr 80 Gew.-% des Titanborid-Carbon-Komposits beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanborid-Carbon-Komposit hergestellt wird unter Nutzung einer Methode zur Herstellung gewöhnlicher Carbonmaterialien mittels Pastenmischung, Kompaktierung und Backen, worin künstliche Graphitmaterialien sowie Titanboridpulver als trockene Materialien und Steinkohleteerpech als Binder genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der trockene Zuschlagsstoff für die Titanborid-Carbon-Kompositschicht aus 16 Gew.-% bis 30 Gew.-% des Titanborid-Carbon-Komposits mit einem Partikelgrößenbereich von 6 mm bis 3 mm, 10 Gew.-% bis 20 Gew.-% Titanborid-Carbon-Komposit mit einer Partikelgröße von kleiner als 3 mm, 10 Gew.-% bis 15 Gew.-% Graphitstücke mit einer Partikelgröße von kleiner als 3 mm, und 10 Gew.-% bis 40 Gew.-% Titanboridpulver besteht, wobei die Menge an Steinkohleteerpech in dem Pastenmaterial für die Kompositschicht 18 Gew.-% bis 23 Gew.-% beträgt.