專利名稱：用于電解鋁的石墨陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主題是用于電解鋁的石墨陰極。
大多數(shù)工廠生產(chǎn)鋁的電解法中，電解槽是一個外包耐火材料的金屬槽，其中有由若干個陰極塊并排放置構(gòu)成的陰極板。這種裝置就構(gòu)成了可裝熔體的容器，內(nèi)襯漿料使其密封不漏后，就成為在電流作用下將電解浴轉(zhuǎn)化為鋁的場所。該電解反應一般在超過950℃的溫度下發(fā)生。
為了承受電解槽工作中起主要作用的熱條件和化學條件，并滿足電解電流傳導的需要，陰極塊用含碳材料制成。這種碳材料可以為半石墨或石墨。這些材料在混合下述原料后通過擠壓或振動壓實來成形· 在半石墨和石墨材料的情況下，原料是瀝青煅燒過的無煙煤和/或石墨的混合物。這種材料隨后約在1200℃焙燒。石墨陰極不含無煙煤。由這些材料制成的陰極通常稱為碳陰極。
· 在石墨材料的情況下，原料是瀝青和焦炭的混合物，加或者不加石墨。在這種情況下，材料約在800℃焙燒，然后在超過2400℃的溫度下石墨化。
該陰極通常稱為石墨陰極。
人們知道碳陰極具中等的電特性和熱特性，不再適用于現(xiàn)代電解槽的操作條件，特別是高電流強度的條件下不適用?，F(xiàn)在的工廠特別需要降低能耗和增加電流強度，這就促進了石墨陰極的使用。
石墨陰極在超過2400℃的溫度下進行石墨化處理，使得電導率和熱導率增加，因而為優(yōu)化電解槽的操作提供了令人滿意的條件。由于陰極電阻下降，能耗降低了。利用這種電阻下降的另一種方法是增加通入電解槽的電流強度，這樣能使鋁產(chǎn)量提高。陰極的高熱導率數(shù)值又使其能放出電流強度增加所產(chǎn)生的過多熱量。此外，石墨陰極電解槽的電不穩(wěn)定性比碳陰極電解槽小，即其電勢起伏較小。
然而，裝有石墨陰極的電解槽表現(xiàn)出比裝有碳陰極的電解槽壽命短。由于鋁對陰極棒的侵蝕作用，鋁中就大量富含了鐵，使石墨陰極電解槽報廢。由于石墨塊收到腐蝕，金屬就對陰極棒產(chǎn)生侵蝕作用。雖然也會觀察到碳陰極腐蝕，但它是非常輕微的，而且不會對電解槽壽命造成有害影響，該種電解槽報廢是陰極腐蝕以外的原因。
與此不同，石墨陰極的損耗較快，成為該種鋁電解槽報廢的主要原因，其壽命比裝有碳陰極的電解槽壽命短。下面是不同材料陰極所記錄的損耗率陰極 損耗率(毫米/年)碳，半石墨10-20碳，石墨 20-40石墨 40-80附圖的一張顯示了碳陰極塊3，它裝有通入電流陰極的碳棒2，用參照面4表示陰極塊的初始外形，用虛線表示的經(jīng)腐蝕面5表明陰極塊末端區(qū)的腐蝕很大。
文獻FR2117960揭示了一種用于電解制鋁的陰極。該陰極是由數(shù)塊電阻率各不相同的半石墨碳塊構(gòu)成的。由于這幾個半石墨碳塊并排放置，該結(jié)構(gòu)復雜，并由此會產(chǎn)生電的間斷，這種情況不是為了減小陰極的腐蝕，因為該類型的陰極對腐蝕不敏感。而是為了減少中部區(qū)域陰極板的膨脹。
所以石墨陰極塊的腐蝕速率是它的弱點，如果不能增加它的施用壽命，即使產(chǎn)量增加也不會有經(jīng)濟效益。
陰極中電流密度的計算顯示，在陰極棒電流引出端方向的電流密度較高。電流密度隨陰極電阻的降低而增高。因此，每塊陰極的經(jīng)腐蝕的表面，特別是在陰極末端區(qū)觀察到的高腐蝕對應于陰極中高電流密度的區(qū)域。
擺在面前的問題就是要降低石墨制的陰極的腐蝕，特別是降低陰極末端區(qū)的腐蝕。
本發(fā)明的目的是提供一種通過減少在末端區(qū)產(chǎn)生的腐蝕來延長壽命的石墨陰極。
為此，本發(fā)明陰極中的石墨制陰極是單塊的，并且其電阻率沿其縱軸是不均勻的，該電阻率在陰極末端區(qū)比陰極的中部區(qū)高。而陰極的平均電阻率保持在適合電解槽最優(yōu)化操作的數(shù)值。陰極末端區(qū)較高的電阻率使電流流向電解槽的中部。由于這個緣故，通常觀察到的流向陰極棒引出端的高電流強度就降低了，因而抑制了這些部位的腐蝕作用。電解槽的壽命從而得以延長。需要指出的是，陰極的末端區(qū)可以視為是位于距離兩端大約0到800毫米之間的范圍。
根據(jù)一種可能性，在石墨化過程期間，陰極末端區(qū)被加熱到約2200-2500℃，而中部區(qū)被加熱到約2700到3000℃。
依照第一個實施方式，通過減少石墨化爐子在陰極末端區(qū)的熱絕緣和/或放置散熱器以增大熱量散失，來達到陰極末端區(qū)和中部區(qū)的熱處理差異。
依照另一個實施方式，通過在石墨化過程中局部改變電流，由此改變所產(chǎn)生焦耳效應，來達到陰極末端區(qū)和中部區(qū)的熱處理差異。
可以在同一石墨化過程期間結(jié)合采用這兩種辦法。
依照本發(fā)明陰極的一個實施方式，在對互相平行地放置在爐子(6)的若干陰極同時進行石墨化處理的情況下，陰極的末端區(qū)和中部區(qū)之間的熱處理差異是通過改變兩根陰極間電阻顆粒的電阻率和/或放置面向末端區(qū)的散熱器獲得的，所述爐子的實例是Acheson型爐子，其中陰極用電阻顆粒填充物相互分隔，電阻顆粒填充物的實例是碳?；蚪固款w粒。
任何情況下，通過下述關(guān)于附圖的說明就可充分理解本發(fā)明，附圖僅是非限制性例子，表示了本發(fā)明制造陰極的幾種設備。


圖1是一個陰極的視圖，它具體指出經(jīng)過一定的操作時間后陰極受腐蝕后的輪廓。
圖2到4是三張分別從Acheson型石墨化爐子上面、前面和側(cè)面看的視圖。
圖5到7是三張分別從縱向型石墨化爐子上面、前面和側(cè)面看的視圖。
圖2到4顯示了Acheson型爐子6，其中有若干陰極3互相平行地放置成數(shù)排，用電阻顆粒7插在各個陰極之間。該電阻顆?？捎衫缣剂；蚪固苛Ｖ瞥?。上述組件又放在絕熱顆粒8內(nèi)部。將電能輸入爐子進行石墨化操作，這時由焦耳效應產(chǎn)生熱量。在這種類型的爐子中，電流流向與陰極3的軸垂直。為了減少陰極3末端區(qū)的熱量，在對應于陰極3末端區(qū)的第9區(qū)中的電阻顆粒的電阻率比對應于陰極中部區(qū)的第10區(qū)中的電阻顆粒的電阻率高。也可以通過減少陰極末端區(qū)中絕熱顆粒8的厚度，從而通過熱散失來限制這些末端區(qū)中的石墨溫度。
圖5表示縱向型爐子11，其中若干個陰極3首尾相接，但用石墨化接頭12插在相鄰兩個陰極之間。石墨化接頭具有盡可能低的電阻，以防止陰極之間接頭產(chǎn)生不希望有的熱量。另外，通過減小絕熱材料8的厚度和/或放置散熱器，在陰極末端區(qū)就產(chǎn)生熱散失(用箭頭表示)。散熱器可用石墨制成，可垂直于陰極放置，面向要冷卻的部位。
如上所述，本發(fā)明通過提供一種由已知手段得到的，末端區(qū)的電阻率比中部區(qū)的電阻率高的常規(guī)結(jié)構(gòu)的陰極，因而能夠減少陰極在末端區(qū)的電流強度，并增加這些末端區(qū)的抗腐蝕性，從而大大改進了現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.用于電解鋁的石墨陰極，其特征在于它是單塊的，其電阻率沿縱軸是不均勻的，陰極(3)末端區(qū)的電阻率比陰極中部區(qū)的電阻率高。
2.如權(quán)利要求1所述的石墨陰極，其特征在于陰極(3)末端區(qū)和中部區(qū)的電阻率差異是由石墨化過程中在這些不同區(qū)域中的熱處理差異產(chǎn)生的，末端區(qū)的溫度低于中部區(qū)的溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的石墨陰極，其特征在于石墨化過程中陰極(3)的末端區(qū)被加熱到2200-2500℃，而中部區(qū)被加熱到2700到3000℃。
4.如權(quán)利要求2或3所述的石墨陰極，其特征在于陰極(3)末端區(qū)和中部的熱處理差異是通過減少石墨化爐子(11)的絕熱材料(8)和/或設置面向陰極末端區(qū)的散熱器來增加熱散失來達到的。
5.如權(quán)利要求2和3中任何一項所述的石墨陰極，其特征在于陰極(3)末端區(qū)和中部的熱處理差異是通過在石墨化過程中局部改變電流流向，并因此改變所產(chǎn)生的焦耳效應達到的。
6.如權(quán)利要求5所述的石墨陰極，其特征在于在對互相平行地放置在爐子(6)的若干陰極(3)同時進行石墨化處理的情況下，陰極(3)的末端區(qū)和中部區(qū)之間的熱處理差異是通過改變兩根陰極間電阻顆粒的電阻率和/或放置面向末端區(qū)的散熱器獲得的，所述爐子的實例是Acheson型爐子，其中陰極(3)用電阻顆粒填充物(7)相互分隔，電阻顆粒填充物的實例是碳?；蚪固款w粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單塊陰極,其電阻率沿縱軸是不均勻的,在陰極(3)末端區(qū)的電阻率比陰極中部區(qū)的電阻率高。
文檔編號C04B35/52GK1342219SQ00804590
公開日2002年3月27日 申請日期2000年2月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月2日
發(fā)明者J·－M·德賴弗斯 申請人:薩瓦碳公司