本发明专利技术涉及用于基于熔体流动的金属生产的阴极(10)和装置(100)，并提供所述阴极(10)和所述装置(100)的用途。本发明专利技术的核心方面包括设计所述阴极(10)以具有至少两个层，即处理侧面的处理层(12)和电流转移层(11)，所述处理层(12)由耐磨的处理材料(12’)构成或制成，并且所述电流转移层(11)由导电且尤其是低阻抗的电流转移材料(11’)制成或构成。此外，以具有凹处(10a、12a)和/或凸起(10e、12e)或具有多个凹处(10a、12a)和/或凸起(10e、12e)的压型方式设计所述处理侧面(10o)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于金属生产并且尤其是用于铝的生产的阴极，用于金属生产并且尤其是用于铝的生产的装置，以及所述阴极和所述装置用于金属生产并且尤其是用于铝的生产的用途。
技术介绍
基于所谓熔盐电解的工艺频繁地用于金属的生产且尤其是铝的生产中。传统上，已经频繁地将Hall_H6roult工艺用于铝的生产中。该工艺涉及在熔盐电解框架内利用具有冰晶石Na3[AlF6]的熔体对氧化铝Al2O3进行处理并将其溶于其中，其中然后在还原处理中将纯铝分离。该工艺背后的基本理念是，在实际的电解工作阶段之前，将氧化铝与作为溶剂的冰晶石进行混合，从而由此降低熔化温度，即从对于纯氧化铝的约20450C降至对于混合的约950°C的范围内。然后，大致根据如下过程将氧化铝还原成纯铝:2A1203 — 4Α1+302。产生的还原的液体铝的密度比氧化铝和冰晶石熔体的密度更大，因此可例如通过抽吸管道等在相应设备中作为基础熔体对其进行收集。同样产生的氧气与阳极的碳反应。除了例如通过欧姆损失而降低能量效率的程度之外，与这种工艺以及与相应设备的设计和使用相关的问题首先是对所使用阴极的磨损的敏感性，以及对于能够进行氧化还原所需要的高的比能量。
技术实现思路
本专利技术所致力于解决的问题是说明借助于熔盐电解生产铝的阴极和装置及其用途，其中使用特别简单的手段防止阴极表面磨损并因此减缓磨损过程，另一方面，在更高能量效率的情况下实施实际的铝生产自身。通过在根据本专利技术基于熔盐生产铝用阴极中独立专利权利要求1的特征，解决了本专利技术所致力于解决的问题。另外，通过在根据本专利技术基于熔盐生产铝用装置中独立专利权利要求14的特征， 解决了本专利技术所致力于解决的问题。而且，通过在根据独立专利权利要求16和17基于熔盐生产铝中根据本专利技术的阴极和根据本专利技术的装置的用途，解决了所述问题。在每种情况中，从属权利要求的主旨是有利的改进。本专利技术提供一种基于该目的的用于电解池的阴极，用于在电解浴中从铝的氧化物生产铝，其中所述阴极显示出处理侧面，所述处理侧面在运行期间转向电解浴，其中所述阴极是分层设计的，具有含有处理材料的处理层和含有电流转移材料的电流转移层，所述处理层部分或完全形成阴极的处理侧面，其中所述处理材料比所述电流转移材料的耐磨性更强，其中所述电流转移材料比所述处理材料的导电性更强，并且其中以具有一个或多个凹处和/或凸起的压型方式设计所述处理侧面。在此情况中，在实际电解条件下在耐磨性和比电导率之间存在相对差。例如，在每种情况中对耐磨性和比电导率进行比较的优选测量温度为实际处理温度如950°C。因此，根据本专利技术的阴极的基本方面，一方面为所述阴极的多层构造，即包括至少一个由耐磨处理材料制成或构成的处理层和由特殊导电电流转移材料制成或构成的电流转移层，所述处理层在运行期间被指派给并面对熔体流动浴，而所述电流转移层在运行期间背朝熔体流动浴，另一方面为具有凹处和/或凸起或多个凹处和/或凸起的阴极的处理侧面的压型。通过在所述阴极上设置耐磨处理材料，减少或防止熔体流动浴的成分在处理侧面上对阴极表面的作用和与此相伴的磨损。基于一个或多个凹处和/或凸起的压型设计进一步降低了磨损，因为通过形成空腔或通道在一定程度内减少熔体流动浴的成分的运动，尤其是液体铝通过电磁相互作用的运动。根据本专利技术还实现了更高的能量效率，即，一方面在于减少了熔体流动浴的成分的运动，所以能够降低在运行期间从设置的阳极布置到阴极布置的距离D，更精确地为从熔融液体铝的表面或边界层到阳极下侧面的距离δ，其相当于欧姆损失的下降，另一方面在于低电阻材料也能够用作最低层山其中此处必须仅考虑能量效率提高方面，因为不需要考虑熔体流动浴成分之间的直接接触。在本专利技术的意义内，相当广泛地对术语阴极进行解释。通过实例但不排外地，这可涉及所谓的阴极底部，其由多个阴极块构成，从而通过这种阴极底部总体上实现根据本专利技术的基本方面，即一方面是层的构造，另一方面是压型。然而，术语阴极也应在阴极块的意义内用于指形成这种阴极底部的部分结构，从而通过阴极块也能够或通过阴极块总体上也能够实现根据本专利技术的基本方面，即一方面为上述分层设计，另一方面为压型。在设计中，所述处理层并且尤其是所述处理材料可以为无定形的，尤其是由碳材料制成、构成或以其为基础而制得和/或以锻制无烟煤为基础而制得，优选地，其在室温下的垂直比电阻为 约23 Ω.μ m至约40 Ω.μ m,优选约25 Ω.μ m至约35 Ω.μ m。在此情况中垂直比电阻例如被认为是指在电解池的安装位置中垂直于阴极的电阻，换言之是指测得的垂直于阴极块纵轴的电阻。在950°C的常规处理温度下，所述垂直比电阻为约20Ω -μπι至约32 Ω.μ m,优选约22 Ω.μ m至约28 Ω.μ m。所述电流转移层并且尤其是所述电流转移材料可以由碳材料制成、构成或以其为基础而制得，尤其是以石墨形式由石墨和/或石墨材料制成或构成，其在室温下的垂直比电阻优选为约14 Ω.μ m至约20 Ω.μπι,优选约16 Ω.μ m至约18 Ω.μ m。在950°C的常规处理温度的情况下，所述垂直比电阻为约13Ω.μπι至约18Ω.μπι，优选约14 Ω.μ m至约 16 Ω.μ m。尽管此处在每种情况中将碳材料显示为底物，但是也能够有利地设想其它类型的材料的共混物,例如耐火金属共混物等。设置在所述处理侧面中或其上的凹处可由在所述处理层和/或电流转移层中且尤其是所述处理材料中的凹处形成。设置在所述处理侧面中或其上的凸起可由在所述处理层中且尤其是所述处理材料中的凸起形成。所述凸起还可采用凸纹、脊或鳍状物的形状。在设计中所述处理侧面的断面可以为平面。特别地，所述凹处和/或凸起在横断面中可以基本为方形的形式。然而，原则上，所述凹处和/或凸起在横断面中以及在其纵向延伸方向上可展示任意形式。例如其可由任何结构的凸出或凹入区域或断面形成。即使这些在几何学上而言是特别简单的，也不需要集中在矩形或正方形形式上。原则上，此处也能够考虑特别简单地产生这种凹处和凸起的方面。例如可以考虑弧形、圆弓形、梯形或三角形形状的形式。可将所述处理层直接布置在所述电流转移层上。特别地，在设计中，所述处理层与所述电流转移层之间的边界层，即所述处理层的下侧面与所述电流转移层的上侧面之间的边界层，可以为平面。尽管电极主体的两层构造足以实现本专利技术，但是还可设置多个层，从而例如通过产生梯度系统以降低热机械应力。所述凹处的深度ta和所述凹处的宽度ba可显示或呈现出如下的值，所述值的比在约1:3至约1:1范围内并优选在约1:2至约1:1范围内，从而近似地满足关系(1)1:3 ≤ ta:ba ≤1:1 (1)并且尤其是满足关系(1‘ )1:2 ≤ ta:ba ≤1:1 (1’)。所述凸起的高度he和所述凸起的宽度be可显示或呈现出如下的值，所述值的比在约1:2至约2:1范围内并优选在约1:1范围内，从而近似地满足关系(2)1:2 ≤ he:be ≤ 2:1 (2)并且尤其是满足关系(2’ )he:be ~1:1 (2，)。所述凹处的宽度ba和所述凸起的宽度be可显示或呈现出如下的值，所述值的比在约1:1至约4:1范围内，从而近似地满足例如关系(3)1:1 ≤ba:be ≤4:1 (3)。所述凹处的深度ta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】2010.08.23 DE 102010039638.91.一种用于电解池的阴极(10)，其用于在电解浴中从铝的氧化物生产铝，所述阴极具有处理侧面(100)，所述处理侧面(IOo)在运行期间转向电解浴(20’)，其中所述阴极(10)是分层设计的，具有含有处理材料(12’)的处理层(12)和含有电流转移材料(11’)的电流转移层(11)，所述处理层(12)部分或完全形成所述阴极(10)的处理侧面(10ο)，其中所述处理材料(12’)比所述电流转移材料(11’)的耐磨性更强，其中所述电流转移材料(11’)比所述处理材料(12’ )的导电性更强，并且其中以具有一个或多个凹处(IOa)和/或凸起(IOe)的压型方式设计所述处理侧面(IOo)。2.根据权利要求1所述的阴极(10)，其中在设计中所述处理层(12)并且尤其是所述处理材料(12’ )可以为无定形的，尤其是由碳材料制成、构成或以其为基础而制得和/或以锻制无烟煤为基础而制得，优选地，其在室温下的垂直比电阻为约23Ω.μπι至约40 Ω.μ m,还优选为约25 Ω.μ m至约35 Ω.μ m。3.根据前述权利要求中的一项所述的阴极(10)，其中所述电流转移层(11)并且尤其是所述电流转移材料(11’)可以由碳材料制成、构成或以其为基础而制得，尤其是以石墨形式由石墨和/或石墨材料制成或构成，其在室温下的垂直比电阻优选为约14Ω.μπι至约20 Ω.μ m,优选为约16 Ω.μ m至约18 Ω.μ m。4.根据前述权 利要求中的一项所述的阴极(10)，其中在所述处理侧面(IOo)中或其上由在所述处理层(12)且尤其是所述处理材料(12’ )中的凹处(12a)形成凹处(IOa)，和/或其中在所述处理侧面(IOo)中或其上的凸起(IOe)由在所述处理层(12)且尤其是所述处理材料(12’ )中的凸起(12e)形成。5.根据前述权利要求中的一项所述的阴极(10)，其中在设计中所述处理侧面(IOa)的断面可以为平面，并且特别地，所述凹处(IOa)和/或凸起(IOe)在横断面中基本为矩形、正方形、弧形、圆弓形、梯形或三角形的形式。6.根据前述权利要求中的一项所述的阴极(10)，其中在设计中，将所述处理层(12)直接布置在所述电流转移层(11)上，并且，所述处理层(12)与所述电流转移层(11)之间的边界层，即所述处理层(12)的下侧面(12u)与所述电流转移层(11)的上侧面(Ilo)之间的边界层，特别地为平面。7.根据前述权利要求中的一项所述的阴极(10)，其中凹处(10a、12a)的深度ta和凹处(10a、12a)的宽度ba可显示或呈现出如下的值，所述值的比在约1:3至约1:1范围内并优选在约1:2至约1:1范围内，从而近似地满足关系(I)， 1:3 ^ ta:ba ^ 1:1 (I) 并且尤其是满足关系(Γ ) 1:2 ^ ta:ba ^ 1:1 (I，) 其中凸起(10e、12e)的高度he和凸起(10e、12e)的宽度be可显示或呈现出如下的值，所述值的比在约1:2至约2:1范围内并优选在约1:1范围内，从而满足关系(2)例如 1:2 彡 he:be 彡 2:1 (2) 并且尤其是满足关系(2’ ) he:be ^ 1:1 (2，) 和/或凹处(10a、12a)的宽度ba和凸起(10e、12e)的宽度be可显示...
【专利技术属性】
技术研发人员：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：
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