Claims (28)
1. Катодный блок (20, 20', 20'') для ячейки алюминиевого электролизера с базовым слоем (30, 30', 30'') и с покровным слоем (32, 32', 32''), причем базовый слой (30, 30', 30'') содержит графит, и покровный слой (32, 32', 32'') содержит графитовый композитный материал, содержащий от 1 до менее 50% по весу твердого материала с температурой плавления по меньшей мере 1000°С.1. The cathode block (20, 20 ', 20``) for the cell of an aluminum electrolyzer with a base layer (30, 30', 30 '') and with a coating layer (32, 32 ', 32' '), and the base layer ( 30, 30 ', 30' ') contains graphite, and the coating layer (32, 32', 32 '') contains a graphite composite material containing from 1 to less than 50% by weight of solid material with a melting point of at least 1000 ° C. .
2. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.1,2. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 1,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
содержащийся в покровном слое (32, 32', 32'') твердый материал имеет измеренную согласно стандарту DIN EN 843-4 твердость по Кнупу по меньшей мере 1000 Н/мм2, предпочтительно по меньшей мере 1500 Н/мм2, особенно предпочтительно по меньшей мере 2000 Н/мм2, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 2500 Н/мм2.the solid material contained in the coating layer (32, 32 ′, 32 ″) has a Knoop hardness measured according to DIN EN 843-4 of at least 1000 N / mm 2 , preferably at least 1500 N / mm 2 , particularly preferably at least 2000 N / mm 2 , and most preferably at least 2500 N / mm 2 .
3. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.1 или 2,3. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 1 or 2,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
содержащийся в покровном слое (32, 32', 32'') твердый материал представляет собой материал, содержащий более 60% по весу, предпочтительно более 70% по весу, в особенности предпочтительно более 80% по весу, и наиболее предпочтительно более 90% по весу углерода.the solid material contained in the (32, 32 ′, 32 ″) coating layer is a material containing more than 60% by weight, preferably more than 70% by weight, particularly preferably more than 80% by weight, and most preferably more than 90% by weight the weight of carbon.
4. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.3,4. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 3,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
содержащий углерод материал выбран из группы, которая состоит из кокса, антрацита, сажи, стекловидного углерода, и любых химических комбинаций и/или любых смесей двух или более из вышеуказанных материалов.the carbon-containing material is selected from the group consisting of coke, anthracite, soot, glassy carbon, and any chemical combinations and / or any mixtures of two or more of the above materials.
5. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.4,5. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 4,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
содержащийся в покровном слое (32, 32', 32'') твердый материал представляет собой содержащий углерод материал со степенью графитизации максимально 0,50, рассчитанной по Майре и Мэрингу из среднего межслойного расстояния с/2 после термической обработки при температуре 2800°С, предпочтительно со степенью графитизации максимально 0,4, и наиболее предпочтительно со степенью графитизации максимально 0,3.the solid material contained in the coating layer (32, 32 ′, 32 ″) is a carbon-containing material with a degree of graphitization of at most 0.50, calculated according to Maire and Maring from the average interlayer distance s / 2 after heat treatment at a temperature of 2800 ° C, preferably with a degree of graphitization of a maximum of 0.4, and most preferably with a degree of graphitization of a maximum of 0.3.
6. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.5,6. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 5,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
покровный слой (32, 32', 32'') в качестве твердого материала содержит от 1 до 25% по весу, предпочтительно от 10 до 25% по весу, и особенно предпочтительно от 10 до 20% по весу содержащего углерод материала.the coating layer (32, 32 ′, 32 ″) as a solid material contains from 1 to 25% by weight, preferably from 10 to 25% by weight, and particularly preferably from 10 to 20% by weight of carbon-containing material.
7. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.6,7. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 6,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
содержащий углерод материал, содержащийся в покровном слое (32, 32', 32'') в качестве твердого материала, имеет размер зерен до 3 мм, и предпочтительно до 2 мм.the carbon-containing material contained in the coating layer (32, 32 ′, 32 ″) as a solid material has a grain size of up to 3 mm, and preferably up to 2 mm.
8. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.7,8. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 7,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
содержащий углерод материал, содержащийся в покровном слое (32, 32', 32'') в качестве твердого материала, предпочтительно кокс, имеет определенное с помощью дифракционной картины интерференции рентгеновских лучей среднее межслойное расстояние с/2 по меньшей мере 0,339 нм.the carbon-containing material contained in the coating layer (32, 32 ′, 32 ″) as a solid material, preferably coke, has an average interlayer distance c / 2 of at least 0.339 nm determined using the X-ray diffraction pattern.
9. Катодный блок (20, 20', 20'') п.8,9. Cathode block (20, 20 ', 20``) p. 8,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
содержащий углерод материал, содержащийся в покровном слое (32, 32', 32'') в качестве твердого материала, предпочтительно кокс, имеет определенное с помощью дифракционной картины интерференции рентгеновских лучей среднее межслойное расстояние с/2 от 0,340 до 0,344 нм.the carbon-containing material contained in the coating layer (32, 32 ′, 32 ″) as a solid material, preferably coke, has an average interlayer distance c / 2 of 0.340 to 0.344 nm determined using the X-ray diffraction pattern.
10. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.9,10. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 9,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
содержащий углерод материал, содержащийся в покровном слое (32, 32', 32'') в качестве твердого материала, предпочтительно кокс, состоит из частиц с удельной поверхностью, определяемой по методу BET, от 10 до 40 м2/г, и предпочтительно от 20 до 30 м2/г.the carbon-containing material contained in the coating layer (32, 32 ′, 32 ″) as a solid material, preferably coke, consists of particles with a specific surface area, as determined by the BET method, from 10 to 40 m 2 / g, and preferably from 20 to 30 m 2 / g.
11. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.1 или 2,11. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 1 or 2,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
твердый материал, содержащийся в покровном слое (32, 32', 32''), представляет собой неоксидную керамику, которая предпочтительно состоит по меньшей мере из одного металла 4-6-ой побочной подгруппы и по меньшей мере одного элемента из 3-ей или 4-ой главной подгруппы периодической системы элементов.the solid material contained in the coating layer (32, 32 ′, 32 ″) is a non-oxide ceramic, which preferably consists of at least one metal of the 4-6th subgroup and at least one element of the 3rd or 4th main subgroup of the periodic system of elements.
12. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.11,12. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 11,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
твердый материал, содержащийся в покровном слое (32, 32', 32''), выбран из группы, которая состоит из диборида титана, диборида циркония, диборида тантала, карбида титана, карбида бора, карбонитрида титана, карбида кремния, карбида вольфрама, карбида ванадия, нитрида титана, нитрида бора, нитрида кремния, диоксида циркония, оксида алюминия, и любых химических комбинаций и/или смесей двух или более из вышеуказанных соединений.the solid material contained in the coating layer (32, 32 ', 32``) is selected from the group consisting of titanium diboride, zirconium diboride, tantalum diboride, titanium carbide, boron carbide, titanium carbonitride, silicon carbide, tungsten carbide, carbide vanadium, titanium nitride, boron nitride, silicon nitride, zirconia, alumina, and any chemical combinations and / or mixtures of two or more of the above compounds.
13. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.12,13. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to item 12,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
твердый материал, содержащийся в покровном слое (32, 32', 32''), имеет мономодальный гранулометрический состав, причем средневзвешенный по объему размер частиц (d3,50), определяемый методом статического рассеяния света согласно стандарту ISO 13320-1, составляет от 10 до 20 мкм, предпочтительно от 12 до 18 мкм, и особенно предпочтительно от 14 до 16 мкм.the solid material contained in the coating layer (32, 32 ', 32``) has a monomodal particle size distribution, and the volume-weighted average particle size (d 3,50 ), determined by static light scattering according to ISO 13320-1, is from 10 to 20 microns, preferably from 12 to 18 microns, and particularly preferably from 14 to 16 microns.
14. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.12,14. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to item 12,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
твердый материал, содержащийся в покровном слое (32, 32', 32''), имеет мономодальный гранулометрический состав, причем средневзвешенный по объему размер частиц (d3,50), определяемый методом статического рассеяния света согласно стандарту ISO 13320-1, составляет от 3 до 10 мкм, и предпочтительно от 4 до 6 мкм.the solid material contained in the coating layer (32, 32 ', 32``) has a monomodal particle size distribution, and the volume-weighted average particle size (d 3,50 ), determined by static light scattering according to ISO 13320-1, is from 3 to 10 microns, and preferably 4 to 6 microns.
15. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.12,15. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to item 12,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
размер d3,90 частиц твердого материала, определяемый методом статического рассеяния света согласно стандарту ISO 13320-1, составляет от 20 до 40 мкм, и предпочтительно от 25 до 30 мкм.particle size d 3.90 of a solid material, determined by static light scattering according to ISO 13320-1, is from 20 to 40 μm, and preferably from 25 to 30 μm.
16. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.12,16. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to item 12,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
размер d3,90 частиц твердого материала, определяемый методом статического рассеяния света согласно стандарту ISO 13320-1, составляет от 10 до 20 мкм, и предпочтительно от 12 до 18 мкм.a particle size d of 3.90 particles of solid material, determined by static light scattering according to ISO 13320-1, is from 10 to 20 μm, and preferably from 12 to 18 μm.
17. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.12,17. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to item 12,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
размер d3,10 частиц твердого материала, определяемый методом статического рассеяния света согласно стандарту ISO 13320-1, составляет от 2 до 7 мкм, и предпочтительно от 3 до 5 мкм.a particle size d of 3.10 particles of solid material, determined by static light scattering according to ISO 13320-1, is from 2 to 7 μm, and preferably from 3 to 5 μm.
18. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.12,18. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to item 12,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
размер d3,10 частиц твердого материала, определяемый методом статического рассеяния света согласно стандарту ISO 13320-1, составляет от 1 до 3 мкм, и предпочтительно от 1 до 2 мкм.a particle size d of 3.10 particles of solid material, determined by static light scattering according to ISO 13320-1, is from 1 to 3 μm, and preferably from 1 to 2 μm.
19. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.12,19. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to item 12,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
твердый материал представляет собой неоксидную титановую керамику, и предпочтительно диборид титана, и имеет гранулометрический состав, который имеет величину диапазона значений, рассчитанную согласно нижеследующему уравнению:the solid material is a non-oxide titanium ceramic, and preferably titanium diboride, and has a particle size distribution that has a range of values calculated according to the following equation:
диапазон значений = (d3,90-d3,10)/d3,50 value range = (d 3.90 -d 3.10 ) / d 3.50
от 0,65 до 3,80, и особенно предпочтительно от 1,00 до 2,25.from 0.65 to 3.80, and particularly preferably from 1.00 to 2.25.
20. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.11,20. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 11,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
твердый материал содержит по меньшей мере 80% по весу, предпочтительно по меньшей мере 90% по весу, особенно предпочтительно по меньшей мере 95% по весу, в высшей степени предпочтительно по меньшей мере 99% по весу, и наиболее предпочтительно 100% по весу неоксидной керамики, предпочтительно неоксидной титановой керамики, и в особенности предпочтительно диборида титана.the solid material contains at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight, highly preferably at least 99% by weight, and most preferably 100% by weight of non-oxide ceramics, preferably non-oxide titanium ceramics, and particularly preferably titanium diboride.
21. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.12,21. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to item 12,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
покровный слой (32, 32', 32'') содержит от 5 до 40% по весу, предпочтительно от 10 до 30% по весу, и в наиболее предпочтительно от 10 до 20% по весу твердого материала с температурой плавления по меньшей мере 1000°С.the coating layer (32, 32 ', 32``) contains from 5 to 40% by weight, preferably from 10 to 30% by weight, and most preferably from 10 to 20% by weight of solid material with a melting point of at least 1000 ° C.
22. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.1,22. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 1,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
покровный слой (32, 32', 32'') содержит от 99 до более 50% по весу, предпочтительно от 95 до 60% по весу, особенно предпочтительно от 90 до 70% по весу, и наиболее предпочтительно от 90 до 80% по весу графита.the coating layer (32, 32 ′, 32 ″) contains from 99 to more than 50% by weight, preferably from 95 to 60% by weight, particularly preferably from 90 to 70% by weight, and most preferably from 90 to 80% by weight weight of graphite.
23. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.1,23. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 1,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
покровный слой (32, 32', 32'') имеет вертикальное удельное электрическое сопротивление при температуре 950°С от 5 до 20 Ом·мкм, и предпочтительно от 9 до 13 Ом·мкм.the coating layer (32, 32 ′, 32 ″) has a vertical electrical resistivity at a temperature of 950 ° C. of 5 to 20 Ω · μm, and preferably from 9 to 13 Ω · μm.
24. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.1,24. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 1,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
толщина покровного слоя (32, 32', 32'') составляет от 1 до 50%, предпочтительно от 5 до 40%, особенно предпочтительно от 10 до 30%, и наиболее предпочтительно от 15 до 25% общей высоты катодного блока (20, 20', 20'').the thickness of the coating layer (32, 32 ', 32``) is from 1 to 50%, preferably from 5 to 40%, particularly preferably from 10 to 30%, and most preferably from 15 to 25% of the total height of the cathode block (20, 20 ', 20' ').
25. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.1,25. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 1,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
базовый слой (30, 30', 30'') по меньшей мере на 80% по весу, предпочтительно по меньшей мере на 90% по весу, особенно предпочтительно по меньшей мере на 95% по весу, в высшей степени предпочтительно по меньшей мере на 99% по весу, и наиболее предпочтительно полностью состоит из графита и связующего материала.a base layer (30, 30 ', 30``) of at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight, highly preferably at least 99% by weight, and most preferably completely consists of graphite and a binder.
26. Катодный блок (20, 20', 20'') по п.1,26. The cathode block (20, 20 ', 20``) according to claim 1,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
базовый слой (30, 30', 30'') имеет вертикальное удельное электрическое сопротивление при температуре 950°С от 13 до 18 Ом·мкм, и предпочтительно от 14 до 16 Ом·мкм.the base layer (30, 30 ', 30``) has a vertical electrical resistivity at a temperature of 950 ° C. from 13 to 18 Ω · μm, and preferably from 14 to 16 Ω · μm.
27. Катод (12), который содержит по меньшей мере один катодный блок (20, 20', 20'') по одному из пп.1-26, причем катодный блок (20, 20', 20'') на противоположной относительно покровного слоя (32, 32', 32'') стороне базового слоя (30, 30', 30'') имеет по меньшей мере один паз (38, 38'), причем по меньшей мере в одном пазу (38, 38') предусмотрена по меньшей мере одна токоподводящая шина (40, 40'), чтобы подводить электрический ток к катоду (12) во время электролиза.27. The cathode (12), which contains at least one cathode block (20, 20 ', 20``) according to one of claims 1 to 26, with the cathode block (20, 20', 20 '') opposite to the cover layer (32, 32 ', 32``) to the side of the base layer (30, 30', 30 '') has at least one groove (38, 38 '), with at least one groove (38, 38' ) at least one current-carrying bus (40, 40 ') is provided to supply electric current to the cathode (12) during electrolysis.
28. Применение катодного блока (20, 20', 20'') по меньшей мере по одному из пп.1-26, или катода (12) по п.27, для проведения электролиза расплавленных сред для получения металла, в частности, такого как алюминий.
28. The use of a cathode block (20, 20 ', 20``) in at least one of claims 1 to 26, or a cathode (12) according to claim 27, for conducting electrolysis of molten media to produce metal, in particular such like aluminum.