[發明專利]用于產生金屬的低電阻電極組件

在審

• 申請號: 201410782014.3
• 申請日: 2014-12-16
• 公開（公告）號: CN104831320A
• 公開（公告）日: 2015-08-12
• 發明（設計）人: W·R·P·貝倫茲;S.D.哈利
• 申請（專利權）人: 哈奇有限公司
• 主分類號: C25C7/02
• 分類號: C25C7/02
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 李小芳

相關申請的交叉引用

本申請要求于2013年12月16日提交的加拿大專利申請No.2838113的優先權和權益，該申請的內容通過援引納入于此。

技術領域

本主題內容涉及供在精制材料的電解還原中使用的電極組件，包括但不限于在鋁電解槽中使用。本主題內容更具體地涉及陽極和陰極組件中的電阻減小及電流分布改善，從而降低功耗、改善電解槽性能以及改善陽極和陰極的工作壽命。

背景技術

霍爾-埃魯特法(Hall-Heroult?process)是公知的通過電解還原氧化鋁來進行鋁合成的過程。該過程使用電解槽中與相對的碳陰極成對的預焙碳陽極或就地烘焙碳陽極、以及覆在陰極頂部上的導電鋁的熔融金屬墊，該陰極與陽極由包含溶解氧化鋁的熔融電解質(‘電解液(bath)’)分隔開。在該過程期間，電流在陽極與陰極之間流過以將溶解氧化鋁還原成熔融鋁并且從陽極底部產生一氧化碳/或二氧化碳。導電熔融鋁沉至碳陰極頂部上的鋁層或‘金屬墊’，由此變成電路的一部分。從懸掛料斗向電解液添加氧化鋁，同時通過間歇虹吸至移動坩堝來從電解槽提取熔融鋁。

預焙碳陽極附連至垂直導體桿的下端并由其支撐，并且該導體桿的上端被夾至電匯流梁。垂直導體桿由鋁或銅制成，并且通常通過較低的水平鋼軛以及附連至該軛的1到8個(或更多個)圓棒鋼短柱來接合至碳陽極。

碳陽極形成有預制凹口(短柱孔)，相應的短柱裝配到這些凹口中。短柱和陽極隨后通過用鑄鐵或用碳膠粘合劑填充它們之間的空間而被接合。在使用鑄鐵進行接合時，短柱與碳陽極之間的固化鐵環被稱為‘套環’。碳陽極在還原過程中通過與從還原氧化鋁衍生的氧結合而大部分被消耗。陽極組件在電解槽中具有通常為20-30天的工作職責壽命。這種類型的典型陽極組件在授予Bonfils等人的美國專利No.3,398,081中公開。

預焙陰極組件包括預焙碳(碳或石墨)陰極，其由鑄鐵或碳膠連接至一個或多個位于陰極底側的槽中的鋼集流條。集流條長于陰極并且突出穿過電解槽側壁以用于連接至匯流條。陰極具有通常為5-10年的工作職責壽命，在該時段期間，碳會腐蝕，優先是在最低電阻和最高電流密度的電路徑中。陰極塊經歷來自電解液的鈉吸附、滲鋁、以及因由于貫穿碳的不均勻溫度輪廓造成的熱應力而垂直上升，這些條件逐漸增大陰極組件的電阻。當電阻變得過高、或者所提取的鋁包含太多鐵(這指示溶解了集流條)時，從服務中移除電解槽以便更換新材料。

將氧化鋁還原成鋁并將進入的氧化鋁加熱至還原溫度所需的電能是通常在陽極匯流條至陰極匯流條連接之間所消耗的總電能的很小一部分。所消耗能量的平衡來自由于電解槽電路的各個組件及連接界面中的電阻所產生的熱，該熱被移除至環境中。影響界面處的電阻的因素包括鄰接材料的電阻、界面的表面積和清潔度、以及鄰接材料之間的接觸壓力。盡管陽極和陰極組件中所使用的鑄鐵連接是導電的，但它們仍展現出相當大的電阻，其產生對電解還原過程沒有直接貢獻的歐姆加熱。高電阻至少部分地是由于鐵在凝固期間所經歷的收縮。該問題可因電極組件的各種材料在電解槽被加熱至工作溫度時的不同熱膨脹而加劇。

以往用于提高用于金屬生產的電解法效率的努力要么專注于改善陽極和陰極中的電流分布，和/或減小電極組件的各個元件之間的電阻。例如，數項專利和已公布專利申請公開了具有延伸部以增大與陽極的表面接觸面積的套環，從而改善電流分布并減小電阻。此類構造的示例在美國專利No.4,552,638、4,557,817和4,824,543中公開。其他人已嘗試了通過向套環添加底切或橫向延伸部來改變套環中的垂直電流分布(例如，US?4,621,674)。其他人已嘗試了改變電極組件的碳電極與其他元件之間的接觸壓力，例如通過在陰極集流條槽中提供膨脹的石墨襯墊(例如，授予Hiltmann等人的US專利No.7,776,190)，或者提供錐形的、直的、或帶螺紋的連接件，該連接件以低壓配合與連接銷中的應力消除槽進行組裝，或者以松配合進行組裝，該銷僅隨升高的溫度而膨脹和收緊(例如，US專利No.3,179,736、3,390,071、3,489,984和3,499,831)。其他人已使用替換材料和方法來在短柱與陽極之間提供分開的機械和導電連接(例如，國際公開No.WO?2009/099335)。

雖有以往用于提高電解法效率的努力，但仍然存在對將幫助達成每千克所產生金屬所消耗的能量的進一步減少、減少的碳排放和碳損耗、以及更長的電極壽命的陽極和陰極組件的需要。

發明內容