用于电解铝生产电池的二硼化钛-碳化硅复合材料及其生产方法技术

包括二硼化钛、碳化硅和含碳清除剂添加物的复合材料在电解铝生产电池中是有用的。这些含碳清除剂添加物可以包括碳化钨、碳化硼和/或碳。控制二硼化钛、碳化硅和含碳清除剂的量值以便提供最佳性能。这些二硼化钛/碳化硅复合材料可以在电解铝生产电池中用作阴极并且是导电的，展现出所希望的铝沾湿行为，并且能够经受暴露于此类电池工作过程中的高温下的熔融冰晶石、熔融铝和氧气。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及用于在电解铝生产电池中使用的复合材料，并且更具体地涉及在铝生产电池中作为阴极有用的包括二硼化钛、碳化硅和含碳清除剂添加剂的复合材料。背景信息用于电解铝生产电池(也称为Hall_H6roult电池)的材料必须在1，000°C等级的高温下是热稳定的，并且必须能够经受极端严苛的条件例如暴露于高温下的熔融冰晶石、熔融铝和氧气。尽管不同类型的材料已经用作阴极并且用于对电解铝生产电池的壁加衬里，但是对于能够经受此类严苛条件的改进的材料仍然存在一种需求。对于电解铝生产电池中作为一种阴极材料的应用，二硼化钛(TiB2)将是令人希望的。当二硼化钛用作一种可沾湿的阴极时，可以极大地减少用于该电池工作的能量。二硼化钛具有很多所希望的特性包括可被熔融铝润湿性、高温稳定性以及优异的耐腐蚀性。然而，这些二硼化钛阴极的制造是困难的，因为二硼化钛粉末不容易烧结并且不易于形成致密的零件。二硼化钛粉末经常要求施加非常高的压力和温度(远超过2，000°C)以便减少该烧结料的孔隙率。甚至在如此极端的条件下，二硼化钛部件经常不是完全致密的或它们展现出微裂纹，二者都降低了性能。已经将多种烧结助剂添加到二硼化钛中来尝试降低加工温度、微裂纹以及残留孔隙率。然而，已经发现常规的烧结助剂降低了二硼化钛部件的耐腐蚀性，尤其是在严苛的环境中例如在电解铝生产 电池中所发现的。专利技术概述本专利技术提供了多种复合材料，这些复合材料包括二硼化钛、碳化硅(SiC)以及少量的含碳清除剂添加物例如碳化钨(WC)、碳化硼(B4C)和/或碳。这些TiB2/SiC复合材料可以用作电解铝生产电池中的阴极。控制二硼化钛、碳化硅和一种或多种含碳清除剂的量值以便提供最佳性能。这些TiB2/SiC复合材料是导电的，展现出所希望的铝沾湿行为，并且能够经受暴露于电解铝生产电池工作过程中的高温下的熔融冰晶石、熔融铝和氧气。本专利技术的一个方面是提供一种用于在电解铝生产电池中使用的复合阴极，该复合阴极包括从约70至约98重量百分数的二硼化钛、从约2至约30重量百分数的碳化硅、以及至少约0.2重量百分数的至少一种含碳清除剂。本专利技术的另一个方面是提供一种用于制备在电解铝生产电池中使用的复合阴极的方法。该方法包括将二硼化钛、碳化硅和至少一种含碳清除剂的粉末混合、并且固结该混合物以便形成该复合阴极。本专利技术的这些以及其他方面将从下面的说明中变得更清楚。附图的简要说明图1是根据本专利技术的一个实施例的电解铝生产电池的部示意侧截面视图，这种电池包括一个阴极，该阴极可以由TiB2/SiC复合材料制成。图2是根据本专利技术的一个实施例具有少量WC添加的、TiB2/SiC复合材料的显微照片O图3是根据本专利技术的另一个实施例具有少量WC和B4C添加的、的TiB2/SiC复合材料的显微照片。详细说明本专利技术提供了多种包括二硼化钛、碳化硅以及含碳清除剂添加剂的复合材料，这些复合材料特别适合用作电解铝生产电池中的阴极材料。图1示意性地展示了一种电解铝生产电池10,该电池包括一个底壁或阴极12以及侧壁14、16。一个阳极18延伸进入该电池10中。该阳极18可以是一个含碳的可消耗阳极、或可以是一个稳定的惰性阳极。在该电解铝生产过程中，该电池10含有熔融的冰晶石20 (包括在一种氟化盐浴中的氧化铝)，并且在该阳极18与该电池的阴极底壁12之间产生了电流。在该电解还原过程中，在该熔融的冰晶石20中的氧化铝转化成熔融的铝22，该熔融的铝沉积在该电池的阴极12上。典型地，该电池10对大气是开放的，并且至少侧壁14和16的上部的部分暴露于周围空气中的氧气。阴极12和侧壁14和16中各自必须在电解过程中所经历的高温下是热稳定的，并且必须能够经受暴露于在如此高温下的熔融冰晶石、熔融铝以及氧气。此外，阴极12、以及侧壁14和16应该具有令人满意的铝沾湿特性以及受控的电导率水平。该电池10的阴极12、以及侧壁14和16能 够以板的形式来制造，这些板安装在该电池的内部侧壁上。这些板可以具有任何适合的厚度。根据本专利技术的一个实施例，该电池10的阴极12可以由一种复合材料来制备，该复合材料包括二硼化钛、碳化硅以及至少一种含碳清除剂添加剂例如碳化钨、碳化硼和/或碳。该复合材料的二硼化钛相典型地在该材料中形成一个连续的连通构架，而该碳化硅相可以或者是连续的或者是不连续的，这取决于存在于该材料中的相对量。本专利技术的复合材料典型地包括从约70至约98重量百分数，例如，从约85至约98重量百分数的二硼化钛。在一个具体实施例中，该二硼化钛构成该复合材料的从约90至约96的重量百分数。当用作一种阴极材料时，该基于TiB2的复合材料具有所希望的电导率和铝沾湿行为，并且是耐腐蚀的，即，能够经受暴露于电解铝生产电池工作过程中的高温下的熔融冰晶石、熔融铝以及氧气。根据本专利技术的一个实施例，碳化硅以从约2至约30重量百分数的典型量值(例如，从约3至约10重量百分数)存在于该复合材料中。在一个具体实施例中，该碳化硅以从约4至约8重量百分数的量值存在。使用碳化硅作为一种添加剂有助于烧结并且提供了对熔盐和熔融铝二者的良好的耐腐蚀性。根据本专利技术，至少一种含碳清除剂存在于该TiB2/SiC复合材料中。这些清除剂添加剂提供了一个碳源，该碳源优先地与氧气反应以便减少或消除不想要的氧化物物种(例如二氧化钛和氧化硼)的存在。适合的含碳清除剂材料包括金属碳化物，例如碳化钨、碳化硼以及类似物。此外，可以使用处于不同形式(例如酚醛树脂、碳黑和/或石墨)的碳。这种或这些含碳清除剂添加物典型地以从约0.2至约10重量百分数，例如，从约I至约8重量百分数的相对少的量值存在。在本专利技术的某些实施例中，碳化钨用作该含碳清除剂。能够以从约0.25至约6重量百分数，例如，从约I至约5重量百分数的典型量值将WC加入这些TiB2/SiC复合材料中。在一个具体实施例中，能够以从约2至约3重量百分数的量值提供该碳化钨。该碳化钨充当一种氧气清除剂，帮助烧结，并且与该TiB2形成一种固溶体。该WC可以被结合在结构中并且可以改进对熔盐和熔融铝的耐蚀性。该WC可以作为一种离散粉末在粉末混合之前或过程中加入或可以在混合操作过程中，例如通过使用WC研磨介质和/或研磨衬里作为含WC混炼助剂侵蚀的结果引入。根据本专利技术的另一个实施例，碳化硼用作该清除剂材料，其典型量值为从约0.5至约10重量百分数，例如，从约I至约8重量百分数。在一个具体实施例中，该碳化硼构成从约2至约5的重量百分数。可以添加B4C以便发生以下反应，该反应减少或消除在这些TiB2颗粒上的表面氧化物:2Ti02+B4C+3C — 2TiB2+4C0。使用碳化硼可以提供瞬态相，这些瞬态相减少了否则会对该复合材料的烧结和性能有害的氧化物物种。在本专利技术的一个另外的实施例中，碳用作该清除剂材料。在这个实施例中，碳的总量典型地在从约0.2至约10重量百分数，例如，从约0.3至约8重量百分数的范围内。在一个具体实施例中，添加的碳的总量为从约0.5至约4的重量百分数。能够以无定形酚醛树脂、碳黑、石墨或类似物的形式来提供该碳源。此类碳源可以减少否则会对该复合材料的烧结和性能有害的氧化物物种。可以任选地将其他材料加入本专利技术的TiB2/SiC复合材料中，例如，钥、铬、铁、钴、镍、铌、钽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在电解铝生产电池中使用的复合阴极，该复合阴极包括从约70至约98重量百分数的二硼化钛、从约2至约30重量百分数的碳化硅、以及至少约0.2重量百分数的至少一种含碳清除剂添加剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.28 US 13/247,3991.一种用于在电解铝生产电池中使用的复合阴极，该复合阴极包括从约70至约98重量百分数的二硼化钛、从约2至约30重量百分数的碳化硅、以及至少约0.2重量百分数的至少一种含碳清除剂添加剂。2.如权利要求1所述的复合阴极，其中该TiB2构成该复合阴极的从约85至约98重量百分数，并且该碳化硅构成该复合阴极的从约3至约10重量百分数。3.如权利要求1所述的复合阴极，其中该含碳清除剂添加剂包括碳化钨、碳化硼和/或碳。4.如权利要求1所述的复合阴极，其中该含碳清除剂添加剂包括的碳化钨的量值为该复合阴极的从约I至约10重量百分数。5.如权利要求4所述的复合阴极，其中该碳化钨构成从约2至约5重量百分数。6.如权利要求1所述的复合阴极，其中该含碳清除剂添加剂包括的碳化硼的量值为该复合阴极的从约2至约10重量百分数。7.如权利要求6所述的复合阴极，其中该碳化硼构成从约I至约5重量百分数。8.如权利要求6所述的复合阴极，其中该含碳清除剂添加剂进...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·E·兰德韦尔，R·L·耶克利，
申请(专利权)人：钴碳化钨硬质合金公司，
类型：发明
国别省市：美国;US