制造铝电解池用阴极块的方法和阴极块技术

本发明专利技术涉及一种制造阴极块的方法，其包括以下步骤：提供包括焦炭的原材料、形成所述阴极块、碳化和石墨化以及冷却。根据本发明专利技术，所述焦炭包含两种类型的焦炭，在碳化和/或石墨化和/或冷却期间，所述两种类型的焦炭具有不同的体积改变特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造铝电解池用阴极块的方法和阴极块
本专利技术涉及一种制造铝电解池用阴极块的方法和一种阴极块。
技术介绍
一种制造金属铝的已知方法是霍尔-埃鲁法(Hall-Heroultprocess)。在该电解法中，电解池的基底通常由包含个别阴极块的阴极表面形成。阴极经由钢棒从下面接触，其被引入在阴极块下侧的相应细长凹槽中。常规地，通过将焦炭与诸如无烟煤、碳或石墨的含碳粒子混合、压实并碳化来进行阴极块的制造。如果有必要，接着是在较高温度下的石墨化步骤，在该步骤中使含碳粒子和焦炭至少部分地转化成石墨。获得碳阴极，其至少部分地由石墨制成。阴极块的使用寿命受许多影响限制。特别是，由液态铝和电解质、尤其冰晶石引起的腐蚀和磨蚀，经过一定的时间从表面开始破坏阴极块。过去已经采用了多种措施来增加阴极块的耐磨性。例如，已经尝试提高阴极块的体积密度，这用以提高其坚实度且因此提高其耐磨性。然而，在完全石墨化的非浸渍式阴极块的情形下仅可实现最高达1.68g/cm3的体积密度，因此耐磨性仍然低于最佳值。另一方面，已经用二硼化钛（TiB2）（描述在CN1062008中）或用例如描述在例如DE112006004078中的TiB2-碳混合物涂覆碳阴极。TiB2可明显地改善铝在阴极上的润湿特性且另外有助于更大的硬度和耐磨性。然而，在碳阴极上的TiB2层和碳与TiB2的复合层的耐磨性仍然太低，且设置有相应层的阴极块的耐磨性因此也太低。
技术实现思路
因此，本专利技术的问题在于提供具有高耐磨性的碳基阴极并提供其制造方法。通过根据权利要求1所述的方法解决该问题。一种制造阴极块的方法包括以下步骤：提供包括焦炭的原材料、形成阴极块、碳化和石墨化以及冷却。根据本专利技术，所述焦炭包含如下的两种类型的焦炭，在碳化和/或石墨化和/或冷却期间，其具有不同的体积改变特性。在所述石墨化步骤中，将至少一部分在阴极块中的碳转化成石墨。已经惊人地显示，与在用常规方法制造的阴极块的情形下相比，用根据本专利技术的方法制造的阴极块的使用寿命长得多。用根据本专利技术的方法制造的阴极块的碳部分的体积密度优选超过1.68g/cm3、特别优选超过1.71g/cm3、尤其高达1.75g/cm3。据推测，较高的体积密度有利地促成较久的使用寿命。这一方面可能基于如下的事实，即每单位体积的阴极块存在更大质量，在每单位时间给定的质量磨损下，其在给定的磨损期之后产生较高的残留质量。另一方面，可假定具有相应较低孔隙率的较高体积密度防止了充当腐蚀介质的电解质的浸渗。这两种类型的焦炭有利地包括第一类型的焦炭和第二类型的焦炭，其中在碳化和/或石墨化和/或冷却期间，与第二类型的焦炭相比，第一类型的焦炭显示出较大的收缩和/或膨胀。在这方面，较大的收缩和/或膨胀有利地产生不同的体积改变特性，据推测，与混合具有相同收缩和/或膨胀的类型的焦炭相比，其特别适合导致更大的压实。由此，较大的收缩和/或膨胀涉及任意的温度范围。因此，例如，第一焦炭的较大的收缩可能仅存在于碳化期间。另一方面，例如，较大的膨胀可能另外地或者作为替代地存在于在碳化与石墨化之间的过渡区中。作为替代地或另外地，不同的体积改变特性可能存在于冷却期间。在碳化和/或石墨化和/或冷却期间所述第一类型的焦炭的体积相关的收缩和/或膨胀优选比第二类型的焦炭的体积相关的收缩和/或膨胀高至少10%，尤其高至少25%，尤其高至少50%。因此，例如，在第一类型的焦炭的收缩高10%的情形下，对于第二类型的焦炭，从室温到2000℃的收缩为1.0体积%，而对于第一类型的焦炭，从室温到2000℃的收缩为1.1体积%。在碳化和/或石墨化和/或冷却期间第一类型的焦炭的体积相关的收缩和/或膨胀有利地比第二类型的焦炭的体积相关的收缩和/或膨胀高至少100%，尤其高至少200%，尤其高至少300%。因此，例如，在第一类型的焦炭的膨胀高300%的情形下，对于第二类型的焦炭，从室温到1000℃的膨胀为1.0体积%，而对于第一类型的焦炭，从室温到1000℃的膨胀为4.0体积%。根据本专利技术的方法还涵盖第一类型的焦炭经历收缩、而第二类型的焦炭在相同温度范围内经历膨胀的情形。高300%的收缩和/或膨胀因此还包括例如第二类型的焦炭收缩1.0体积%、而第一类型的焦炭膨胀2.0体积%的情形。备选地，不是第一类型的焦炭，而是第二类型的焦炭可在根据本专利技术的方法的至少一个任意的温度范围内显示出较大的收缩和/或膨胀，如上文对于第一类型的焦炭所描述的。这两种类型焦炭中的至少一种优选为石油焦炭或煤焦油沥青焦炭。所述第二类型的焦炭在焦炭总量中的重量百分比量分数优选总计在50%至90%之间，尤其在50%至80%之间。在这些量范围内，据推测，第一类型焦炭和第二类型焦炭的不同体积改变特性对于在碳化和/或石墨化和/或冷却期间的压实具有特别好的作用。可以想象的第二类型焦炭的量范围可为50%至60%，还有60%至80%以及80%至90%。将至少一种其它含碳材料和/或沥青和/或添加剂有利地加到所述焦炭中。这对于焦炭的可加工性以及所制造阴极块的随后性质两者都可以是有利的。所述其它含碳材料优选包含有含石墨的材料，特别是所述其它含碳材料包含含石墨的材料，例如石墨。所述石墨可为合成石墨和/或天然石墨。这种其它含碳材料的作用在于使焦炭占优势的阴极材料的必然收缩减少。相对于焦炭和含碳材料的总量，所述含碳材料有利地以1至40重量%、尤其以5至30重量%存在。在所述量代表总共100重量%的情况下，除了焦炭的和视情况添加的含碳材料的量以外，优选可加入5至40重量%、尤其15至30重量%（相对于总生料混合物的重量）的量的沥青。沥青充当粘结剂并且在碳化期间用来产生空间稳定体。有利的添加剂可以是油，诸如辅助压力油，或硬脂酸。这些有助于焦炭和视情况添加的其它组分的混合。所述阴极块有利地作为多层块制造，其中第一层含有作为原材料的焦炭和视情况添加的其它含碳材料，并且第二层含有作为原材料的焦炭和尤其是TiB2的硬质材料以及视情况添加的其它含碳材料。硬质材料也被称作RHM（耐火硬质材料）。所述其它含碳材料可如上所述对于单块阴极块而存在。在多层块的这种变体的情况下，其中面对铝熔体的层含有硬质材料的多层块的优势与具有不同体积改变特性的两种类型焦炭的使用相结合。因为第二层由于加入了耐高温的硬质材料而在石墨化之后总是具有例如超过1.82g/cm3的高体积密度，因此，如果第一层在石墨化之后也具有有利地超过1.68g/cm3的高体积密度，则是有利的。在热处理步骤期间所述热膨胀特性和体积密度的小差别降低了阴极块的生产时间和废品率，因为在所述层中的大差别可能在温度处理期间引起热应力。另外，因此还有利地提高了对于热应力和使用中所致损坏的耐性。所述两层中的至少一层优选以碳部分的体积密度超过1.68g/cm3来制造。根据所希望的和/或所需要的，因此可根据本专利技术用两种不同类型的焦炭制造两层或这两层中的一层。因此，可根据需要或依照要求调节体积密度和体积密度比。根据本专利技术，仅第一层可例如用两种类型的焦炭来制造，而第二层仅用一种类型的焦炭来制造，但其另外含有作为陶瓷硬质材料的TiB2。如果有必要，可使所述多层块有利地包含多于两个层。在这种情况下，根据本专利技术可从多于两个层制造任意数目的层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.29 DE 102010038650.21.一种用于制造阴极块的方法，其包括以下步骤：提供包括焦炭的原材料、形成所述阴极块、碳化和石墨化以及冷却，其特征在于所述焦炭包含如下的两种类型的焦炭，在所述碳化和/或石墨化和/或冷却期间，所述两种类型的焦炭具有不同的体积改变特性，其中自所述形成步骤形成的阴极块是生坯，并且将所述生坯加热到在2400至3000℃范围内的最终温度，其中发生碳化步骤和紧接其后的石墨化步骤，并且随后冷却。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于获得了体积密度超过1.68g/cm3的阴极块。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于获得了碳部分的体积密度超过1.71g/cm3的阴极块。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述两种类型的焦炭包括第一类型的焦炭和第二类型的焦炭，其中在所述碳化和/或石墨化和/或冷却期间，与所述第二类型的焦炭相比，所述第一类型的焦炭显示出较大的收缩和/或膨胀。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在所述碳化和/或石墨化和/或冷却期间，所述第一类型的焦炭的体积相关的收缩和/或膨胀比所述第二类型的焦炭的体积相关的收缩和/或膨胀大至少10％。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在所述碳化和/或石墨化和/或冷却期间，所述第一类型的焦炭的体积相关的收缩和/或膨胀比所述第二类型的焦炭的体积相关的收缩和/或...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁·库赫尔，詹努兹·图马拉，弗兰克·希尔特曼，
申请(专利权)人：西格里碳素欧洲公司，
类型：
国别省市：