专利名称：：电解槽中采用的阳极的构造的制作方法
技术领域：
：本发明涉及电解槽中采用的阳极的构造。具体而言，本发明涉及用于对现有电解槽改型的阳极改进，在此电解槽中阳极在工作过程中保持惰性。
背景技术：
：目前，通过对溶解在熔融电解质中的含铝化合物进行电解的方式生产铝，在常规Hall-Hèroult设计的电解槽中进行电解制取工艺。这些电解槽装配有水平排列的电极，现在的电解槽的导电阳极和阴极由碳材料制成。电解液以氟化钠和氟化铝的混合物为基础，带有少量的碱和碱金属氟化物的添加剂。当电流从阳极经电解液流向阴极时发生电解制取工艺，导致含铝的离子在阴极放电产生熔融铝，在阳极形成二氧化碳。在根据Hall-Hèroult原理的铝金属生产过程中，采用以碳为基础的阳极。碳阳极在电解过程中通过下述反应被消耗阳极中的碳材料与在添加的氧化铝原料中的氧结合，形成二氧化碳气体。目前采用的工艺表现出几个缺点和不足，但仍是工业制铝的唯一方法。Hall-Hèroult工艺的环境影响是不容忽视的，这是由于除了所谓的PFC气体(CF4、C2F6等)之外，还产生了污染性的温室气体如CO2和CO。传统的铝生产电解槽还利用碳材料作为导电阴极。由于碳没有被熔融铝润湿，因此需要在碳阴极上保持熔融铝金属的深池，实际上铝池的表面是本电解槽中的“真”阴极。如果利用惰性(或尺寸稳定的)阳极，就减少了电解铝生产的环境影响。如果在没有可消耗阳极的条件下(即利用惰性阳极)执行此工艺，阳极就生成了氧气，而不是二氧化碳气体。正如由Keniry(Keniry，J.“Theeconomicsofinertanodesandwettablecathodesforaluminiumreductioncells”，JOM，第43-47页，2001年5月)所证实的那样，可能节省运行成本的方式意味着，为了使改型的成本降至最低，如果尽可能高地保持电解槽的上部结构、阴极壳、汇流条系统以及现有技术的其它电解槽特性，那么常规Hall-Hèroult电解槽的改型是吸引人的选择。随着时间的流逝，人们已经提出了旨在解决与惰性阳极相关的问题的许多材料的技术方案，但到目前为止，仍没有任何一种方案被证明是在商业上切实可行的。本发明涉及一种主要用于Hall-Hèroult电解槽改型的改进阳极设计，在此以特定的方式制造主要为惰性材料的阳极，以克服在Hall-Hèroult电解槽改型中惰性阳极的利用的最主要的障碍之一；所生产的铝金属的纯度。在电解槽中通过增加阳极的电活性表面，也就是说相对于阳极电流密度增加阴极电流密度，可以降低在所生产的铝金属中阳极组分的污染。此特征可通过优化阳极表面的形状和整个阳极结构而获得。在现有的Hall-Hèroult电解槽中采用的惰性阳极必须满足几项要求。最主要的要求是在不需要新的、昂贵的净化工艺的条件下、有助于生产商用纯度的铝金属，正如Thonstad和Olsen(Thonstad，J和Olsen，E.“Celloperationandmetalpuritychallengesfortheuseofinertanodes”，JOM，第36-38页，2001年5月)所指出的那样。这种要求需要惰性阳极材料在电解液中的现行环境下的电化学完整性。但此外，还可以采用该设计和/或电极设计以有助于在改型的Hall-Hèroult电解槽中保持可接受的金属纯度。出于所有实践的目的，认为在铝电解槽中的电解液(熔液)作为溶解的氧化物利用惰性阳极组分饱和。然后，通过该物质从熔液向铝金属池的传质系数控制产生的铝中阳极材料元素的聚集。Hall-Hèroult电解槽的惰性阳极改型的主要缺陷在于，在不进行电解槽的高成本改造(即，排干电解槽的概念)的情况下，存在减少暴露于电解液的大面积金属池阴极的有限可能性。因此，应当寻求降低金属污染的可选择方式，一种吸引人的方法是增加阳极的电活性表面。在电解过程中，含氧化铝的物质向阳极扩散并放电。在朝向阳极的薄层(扩散层)中，由于这种放电，氧化铝的浓度与整个电解液的不同。通过增加阳极电流密度，在扩散层中的氧化铝浓度会降低，这是由于在阳极的放电速率高于氧化铝物质向扩散层中的扩散速率。因此，和整个电解液相比，在该层中的阳极物质(以氧化物方式)的溶解度会增加。众所周知，随着电解液中氧化铝的浓度增加，氧化物方式的惰性阳极材料组分的溶解度降低。阳极物质从接近阳极表面的层向整个电解液中的扩散将由于过饱和而导致在整个电解液中阳极物质的沉淀，从而破坏惰性阳极材料。然而，通过增加阳极表面积，阳极电流密度将增加(如果电流载荷保持不变)，结果，在扩散层中氧化铝浓度将增加。这将降低在扩散层中惰性阳极物质(氧化物方式)的溶解度，还降低了在整个电解液中这些物质的浓度。结果，由阳极材料组分产生的铝金属的污染会降低，利用惰性阳极可生产出商用品质的铝。这种方式还增加了在电解槽中氧化物陶瓷(或金属或陶瓷)惰性阳极的耐用性。然而，由于在现有的Hall-Hèroult电解槽的改型过程中无法实现金属池表面积的减少，因此着手于增加阳极表面积。这在US4392925、4396481、4450061、5203971、5279715、5938914以及GB2076021中进行了描述。除了NO176189和308141之外，在US4707239和5286359中描述了增加阳极表面积。NO176189包括一种对于铝电解槽的新型电解槽设计，包括采用水平、润湿的阴极和几个竖直排列的惰性阳极。新型电解槽设计的目的在于，通过在阴极上插入几个竖直、平面阳极来增加总的阳极表面积，但保持在阴极的轮廓外周边内，这样就可以保持低的阳极电流密度。低的阳极电流密度必须采用低温电解槽，以防止由于在所建议的电解液中氧化铝的低溶解度导致含氟物质的形成。这种电解液不适于用在现有的具有改型惰性阳极的Hall-Hèroult电解槽中。US4707239描述了用于由以氯化物为基础的电解液生产铅的电极组件。在提出的组件中，阳极(和阴极)设计有锯齿图形和间隔件以保持稳定的ACD，阳极还装配有用于释放气体的孔。显著增加电极面积的目的是增加电压和能量需要，增加金属生产，增加有效惰性电极电解液面积，迅速去除气体，以及降低整个金属生产成本。在基本上不改变阳极(电)性能的条件下，所提出的阳极设计在具有惰性阳极和在有效ACD中引入变化的竖直金属池的改型Hall-Hèroult电解槽中的益处是有限的。NO308141涉及在阴极表面上形状(轮廓)插入以“原位”产生阳极表面的圆化(rounding)。该专利基于设置在Hall-Hèroult电解槽阴极上的形状(轮廓)，其中阴极至少部分地是在消耗的条件下工作。这意味着，横跨整个阴极板区域，没有水平的金属池作为连续表面存在。用于增加气体释放和降低电解槽电压的圆化阳极的“原位”形成是以采用可消耗的碳阳极为基础，这样不能应用于具有惰性阳极、在电解槽中保持水平金属池的现有Hall-Hèroult电解槽的改型。US5286359涉及在现有的Hall-Hèroult电解槽中采用棱锥状阳极和阴极。两种电极类型都由惰性材料制成，电解槽以低ACDs工作，金属池位于活性阴极表面以下。该发明获得了提高的阳极和阴极表面积，尽管由于电解液比较高的导电性、如果在具有水平金属池的改型电池中配置、所提出的阳极设计最可能以增加的阳极电流密度工作。
发明内容本发明涉及在电解槽中采用的阳极的构造。具体而言，它涉及对现有Hall-Hèroult电解槽的改型的阳极的改善，其中，在工作过程中阳极保持惰性。所提出的阳极设计考虑到阳极电活性表面积的增加，以便获得以下列出的一个或多个特点，两个主要特点是-通过增加阳极对阴极表面积，减少在电解槽中生成的铝金属的污染。在生产出的金属中污染的降低导致电解液中阳极材料溶解的降低，这样有助于通过维持阳极结构的整体性而延长其寿命。-可保持低于现有电解槽的阳极电流密度，或者通过增加安培数而保持在相同值。由本发明获得的其它特点，正如在US4392925、4396481、4450061、4707239、5203971、5279715、5286359和5938914中、在NO176189和GB2076021中所指出的那样，为-在铝生产过程中可以降低电压和能量需要。-可通过增加有效内电极电解液区域增加金属产量。-通过降低的电压降去除增加(和加速)气体的去除。这些效果的组合结果表示铝金属总生产成本的可能的降低。为了实现这些特点，已经提出了针对阳极表面设计的发明，以便增加阳极的电活性表面积。根据由权利要求限定的本发明可获得上述优点和其它改进。本发明通过实施例和附图描述如下，其中图1表示具有增加的表面积的阳极表面的第一设计；图2表示具有增加的表面积的阳极表面的第二提出设计；图3表示具有增加的表面积的阳极表面的第三可行设计；图4表示具有增加的表面积的阳极表面的第四可行设计；表1表示相对于可选的阳极表面设计改变、具有700×1000mm2范围的主水平下侧的不同阳极表面积的比较。具体实施例方式在图1中示出了阳极表面设计(1)，其中通过引入(形成，成形)一系列棱锥状元件(2)增加表面积。在图2中示出了另一种阳极表面设计(10)，其中通过引入(形成，成形)一系列具有棱锥状和圆顶的(向上)凸起元件(11)增加表面积。为了表示元件的设计，在图中以透视方式表示单个元件(12)。在图3中示出了阳极表面(20)的第三种可行设计，其中通过引入(形成，成形)一系列(向上)凸起元件(21)增加表面积。为了表示元件的设计，在图中以透视方式表示单个元件(22)。正如从图中看出的那样，这种特殊的元件设计有多个凹进/台阶(23，24，25，26)，它们有助于增加阳极表面积。在图4中示出了阳极表面(30)的第四种可行设计，其中通过引入(形成，成形)一系列(向上)凸起元件(31)增加表面积。该图表示在长度方向上提供的阳极表面尺寸增加，尽管可在长度方向和宽度方向上都采用。为了表示元件的设计，在图中以透视方式表示单个元件(32)。正如从图中看出的那样，这种特定的元件首先设计有一系列由正弦函数所限定的一系列波纹(33)。之后，第二系列的正弦波纹(34)叠加在第一系列的波纹(33)上，建立所谓的双正弦函数。这种设计非常有助于增加阳极表面积。表1表示随着阳极表面设计函数的改变、阳极表面积增加的效果。表1中的计算清楚表明，如果阳极表面例如形成为正弦状的形状，阳极表面积就显著增加。通过在两个方向上施加正弦函数，如果振幅和频率在两个方向上是相同的，那么就不会增加总的阳极表面积。但通过在第一个正弦函数上叠加第二正弦函数，叠加后的正弦函数具有更短的波长和更短的振幅，表面积会增加得更高。这种“双正弦”函数的简图在图4中提供。正如表1中所示出的那样，双正弦函数可增加阳极表面积240％。这对应于从200kA至480kA的(理论)电流增加，还维持改型电解槽的阳极电流密度。上面给出的、以及在图1-4及表1中所示的阳极表面的所述形状/设计仅表示按需要增加阳极表面积的几种可行的改进方式。也可以采用所提出设计的其它实施方式。应理解，可以对阳极进行设计，使得它在(几个)外层中的导电性与在电解液中的导电性在同一数量级。这例如可以通过使其基于(几个)外层中材料组分的导电性构成的方式实现。表1在阳极表面积方面的表面设计改变的效果。作为参考的是具有平的下侧(700×1000mm2)的水平阳极，该表表示通过在电活性阳极表面上引入凹槽、锯齿、多行的峰和谷等的方式使阳极表面积增加的百分比。权利要求1.一种在电解槽中采用的阳极的构造，所述电解槽用于从熔融盐中的含铝组分生产铝金属，其中含铝组分主要由氧化铝构成，熔融盐电解液基于NaF、AlF3和CaF2与可用的碱和碱土金属卤化物的混合物，其中阳极在工艺中基本上保持惰性(不可消耗的)；其特征在于所述阳极被加工成工作表面大于其横截面积的形状。2.根据权利要求1的阳极构造，其特征在于借助在所述阳极的电活性表面上形成凹槽、锯齿、峰和谷、正弦曲线、凸起形状、棱柱形等方式增加阳极表面。3.根据权利要求1的阳极构造，其特征在于，在所述阳极的电活性表面上形成几个、至少一个凹槽、锯齿、峰和谷、正弦曲线、凸起形状、棱柱形等，在彼此的顶上(叠加)可以采用不同的波长(频率)和振幅。4.根据权利要求1的阳极构造，其特征在于，对所述阳极进行设计，使其在(几个)外层中的导电性与在电解液中为同一数量级。5.根据一个或多个上述权利要求的阳极构造，其特征在于，制备所述阳极，用于现有的铝生产用Hall-Hèroult设计电解槽的改型。全文摘要本发明涉及在电解槽中采用的阳极的构造，用于由熔融盐电解液中的含铝组分生产铝金属，其中含铝组分主要由氧化铝构成，熔融盐电解液基于NaF、AIF文档编号C25C3/00GK1509347SQ02809910公开日2004年6月30日申请日期2002年4月24日优先权日2001年4月27日发明者斯坦·卓尔斯拉德,奥尔－雅各布·斯尔杰恩,斯坦卓尔斯拉德,鸥鞑肌に苟芏申请人:诺尔斯海德公司