[發明專利]多層陰極塊

無效

• 申請號: 200980115316.2
• 申請日: 2009-04-30
• 公開（公告）號: CN102016125A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 讓·卡米爾;尤勒斯·貝格龍;皮埃爾-伊夫·布里松;西蒙·萊克萊爾
• 申請（專利權）人: 力拓加鋁國際有限公司
• 主分類號: C25C3/10
• 分類號: C25C3/10;C25C3/08;C25C7/02
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 吳孟秋;張英

技術領域

本發明涉及在電解槽(電解池)中使用的陰極。更具體地，本發明涉及在電解還原槽中使用的并具有可濕潤表面的多層陰極結構。

背景技術

金屬硼化物，如二硼化鈦(TiB₂)，在與碳成分的混合物中用來形成用于電解槽的搗固糊(ramming?paste)、電解槽內襯以及陰極。金屬硼化物已知可以改善它們被加入其中的電解槽組件的表面潤濕性。雖然由于在保護陰極以免侵蝕和氧化方面的優越性能，TiB₂是優選的，使得陰極可潤濕，但它的相當不利之處在于非常昂貴。

制造可濕潤陰極塊的另一種方法是混合例如，金屬氧化物和硼氧化物的金屬硼化物前體與含碳材料以生產復合材料，當在電解槽中暴露于熔融金屬如熔融鋁時，或當它暴露于在啟動以及在操作期間的電解槽的熱時，上述復合材料原位形成金屬硼化物。在WO?00/29644和WO?05/052218中描述了這樣的方法的實施例。

可濕潤陰極塊可以包括含碳材料-金屬硼化物混合層，其具有大約100毫米(mm)的厚度并粘合于含碳基質。含碳材料-金屬硼化物混合層經常稱作表面層。為了降低制造成本，可以用金屬硼化物前體來代替在表面層中的至少一部分的金屬硼化物。

含碳基質不是可潤濕的并且陰極塊的工作壽命受到表面層的限制。而且，表面層的組成與含碳基質的組成之間的差異導致它們的物理性能的差異。這些差異可以最終導致在烘烤期間表面層開裂或導致在電解槽的操作期間的分層。為了克服這些問題，WO00/36187描述了多層陰極塊，該多層陰極塊包括含碳陰極基質和順序在基質上的至少兩個包含TiB₂的復合耐火材料(難熔材料)的涂敷層。隨著層與基質之間的距離增加，在涂敷層中TiB₂的含量會逐步增加。基質并不包含TiB₂。

發明內容

因此，本發明的一個目的是解決上述問題。

根據一般方面，提供了一種用于電解槽的多層陰極塊，該多層陰極塊至少具有帶有表面膨脹指數的表面層和帶有第二膨脹指數的第二層，表面層包括第一總量的表面潤濕劑；并且第二層包括第二總量的潤濕劑，表面層直接疊加至第二層，第二層中的潤濕劑包括金屬硼化物前體，當陰極塊暴露于電解槽的啟動和操作條件時，該金屬硼化物前體一起反應以原位產生金屬硼化物成分，第二總量低于第一總量，并且被選擇成使得表面層與第二層的膨脹指數之間的差異最小化。

根據另一個一般方面，提供了一種生產多層陰極結構的方法，其中上述多層陰極結構至少具有帶有表面膨脹指數的表面層和具有第二膨脹指數的第二層。該方法包括以下步驟：形成包含含碳材料和第二總量的潤濕劑的第二層，潤濕劑包括金屬硼化物前體，當陰極塊暴露于電解槽的啟動和操作條件時，該金屬硼化物前體一起反應以原位產生金屬硼化物成分；以及將表面層疊加至第二層，表面層包括第一總量的表面潤濕劑。隨著層與基質之間的距離增加，第二層和表面層中的潤濕劑的總量會逐步減少，并且選擇膨脹指數之間的差異以使表面開裂最小化。

根據另外的一般方面，提供了一種用于電解槽的多層陰極塊，包括：包含表面潤濕劑并且具有在2到8厘米之間范圍的厚度的表面層；以及包含金屬硼化物前體的第二層，當陰極塊暴露于電解槽的啟動和操作條件時，上述金屬硼化物前體一起反應以原位產生金屬硼化物成分，表面層直接疊加至第二層。

附圖說明

圖1是本發明可以一起使用的常規鋁電解還原槽的部分截去的透視圖；

圖2是具有兩個疊加層的陰極塊的示意性截面圖；以及

圖3是具有三個疊加層的陰極塊的示意性截面圖。

應當注意到，在整個附圖中，由相同的參考標號來表示相同的特征。

具體實施方式

參照圖1，常規電解還原槽10包括陰極塊20。陰極塊20被填充搗固糊21的間隔(間隙，gaps)18分開。熔融電解質接觸陰極和搗固糊21，并且熔融鋁層形成在陰極上。

圖2示出了具有兩個疊加層32、34的多層陰極塊30的實施方式，即，與熔融鋁接觸的表面層32和底層(基底層)34。表面層32直接疊加至底層34。

每層32、34的材料包含潤濕劑。在表面層32中，潤濕劑包括金屬硼化物、金屬硼化物前體、或金屬硼化物和金屬硼化物前體的組合。當陰極塊暴露于電解槽的啟動和操作條件時，金屬硼化物前體一起反應以原位產生金屬硼化物成分。在底層34中，潤濕劑包括金屬硼化物前體。它還可以包括金屬硼化物和金屬硼化物前體的混合物。