用於製造鋁熔煉中的可潤溼陰極的組合物的製作方法
2023-12-06 19:56:11
專利名稱：用於製造鋁熔煉中的可潤溼陰極的組合物的製作方法
用於製造鋁熔煉中的可潤溼陰極的組合物相關申請的交叉引用本專利申請要求於2009年7月觀日提交的發明名稱為「用於製造鋁熔煉中的可潤溼陰極的組合物」(COMPOSITION FOR MAKING WETTABLE CATHODE IN ALUMINUM SMELTING)的美國臨時專利申請No. 61/229，083作為優先權，通過引用將其整體併入本文。
背景技術：
鋁電解槽使用陽極和陰極的系統。一般地，由耐久且廉價的無定形碳製造陰極。但是，具有更好的鋁潤溼性並通過減少熔融鋁的移動允許更近的陽極-陰極間隔的陰極或陰極部件可改善熱力學效率。二硼化鈦(TW2)可被鋁金屬潤溼，並且已努力從TW2製造陰極。 參見Joo的美國專利No. 4，439，382,Lewis的美國專利No. 2，915，442,Ransley的美國專利 No. 3，028, 324、Kibby 的美國專利 No. 3，156，639、Ransley 的美國專利 No. 3，314，876 (1967 年4月18日)，Lewis的美國專利No. 3，400，061、Foster的美國專利No. 4，071，420、加拿大專利No. 922，384(1973年3月6日)和比利時專利No. 882，992。但是，據認為當前沒有商用的TW2陰極。發明_既述公開了用於製造有待在鋁電解槽中使用的可潤溼陰極的組合物。一個實施方案公開了通常包含二硼化鈦(TiB2)的組合物。在一些實施方案中，組合物基本上由以下組成 二硼化鈦和至少一種金屬添加劑，餘量為不可避免的雜質。在一些實施方案中，金屬添加劑包括Co、Fe、Ni和W等。在一種方法中，由該組合物製造電極。該電極包括(i) 二硼化鈦、(ii)約0.01 至約0.75wt. %的金屬添加劑和(iii)餘量為不可避免的雜質。在一個實施方案中，所述金屬添加劑選自Fe、Ni、Co和W以及它們的組合。在一個實施方案中，該電極包括不大於0.65wt. %的金屬添加劑。在其它實施方案中，該電極包括不大於約0.60wt. %、或者不大於約0. 55wt. %、或者不大於約0. 50wt. %、或者不大於約0. 45wt. %、或者不大於約 0. 40wt. %、或者不大於約0. 35wt. %的金屬添加劑。在一個實施方案中，該電極包括至少約0. 025wt. %的金屬添加劑。在其它的實施方案中，該電極包括至少約0. 050wt. %、或至少約0. 075wt. %、或至少約0. IOwt. %的金屬添加劑。使用這些量的金屬添加劑以及少量的不可避免的雜質，至少部分地有利於具有適宜的密度、電性能和耐腐蝕性能的電極的製造和使用。例如，可從具有與上述類似的組成的粉末製造電極。在一個實施方案中，可通過使用常規的粉末燒結工藝如熱壓或無壓燒結以及其它的粉末燒結工藝來製造電極。燒結是從粉末製造物體的方法，並且包括在燒結爐內在低於材料熔點下加熱至少一種材料(固態燒結)，直到粉末的顆粒相互粘接。可以加入緻密化助劑，如上述的金屬添加劑，以製造緻密燒制的二硼化鈦組合物本體。緻密化助劑可通過在加熱期間產生液相而有利於燒結，從而使得能夠降低能量(例如，溫度和/或壓力)並且減少/限制金屬添加劑的總量。關於燒結溫度，可通過在約1400°C至約2100°C的溫度下燒結來製造電極。在一些實施方案中，溫度可在約1600°C至約2000°C的範圍內。在一個實施方案中，可以使用壓力輔助緻密化工藝來製造電極。在這些實施方案中，可在燒結期間施加約70kg/cm2到至少約350kg/cm2 的壓力。如上所述，使用上述量的金屬添加劑有利於將粉末緻密化為電極。在一個實施方案中，選擇金屬添加劑，使得製造的電極的密度是其理論密度的約80%至約99%。製造具有在該範圍內的密度的電極有利於在鋁電解槽(例如，使用碳陽極和/或惰性陽極)中的長期使用。如果密度太高，則電極會在電解槽中使用期間開裂。如果密度太低，那麼材料可能沒有足夠的耐久性。理論密度(P 是從原子量和晶體結構計算的、材料能夠達到的最高密度。
權利要求
1.一種用於鋁電解槽中的電極，該電極包含0. 01至0. 75wt. %的金屬添加劑，其中，所述金屬添加劑選自！^e、Ni、Co和W以及它們的組合；餘量為TB2和不可避免的雜質，其中，不可避免的雜質佔該電極的小於2wt. %, 其中，該電極的密度是其理論密度的至少約85%。
2.根據權利要求1的電極，其中，該電極包括不大於0.65wt.%的金屬添加劑。
3.根據權利要求1的電極，其中，該電極包括不大於0.50wt. %的金屬添加劑。
4.根據權利要求3的電極，其中，該電極包括至少約0.05wt.%的金屬添加劑。
5.根據權利要求4的電極，其中，該金屬添加劑選自Fe、Ni和Co。
6.根據權利要求5的電極，其中，該金屬添加劑是狗。
7.根據權利要求5的電極，其中，該金屬添加劑是M。
8.根據權利要求5的電極，其中，該金屬添加劑是Co。
9.根據權利要求1的電極，該電極包含 0. 01 至 0. 14wt. %的 Fe 0. 01 至 0. 14wt. %的 Ni 0. 01 至 0. 14wt. %的 Co ；和 0. 01 至 0. 45wt. %的 W0
10.根據權利要求9的電極，該電布
11.根據權利要求9的電極，該電布
12.根據權利要求9的電極，該電布
13.根據權利要求9至12中的任-
14.根據權利要求9至12中的任-
15.鋁電解槽，其包含如權利要求1所述的電極。
16.一種方法，包括(a)製造摻混的TB2組合物，該製造步驟包含(i)選擇金屬添加劑，該金屬添加劑選自Fe、Ni和Co以及它們的組合； ( )選擇待製造的電極的密度；(iii)選擇金屬添加劑的量以實現所選的密度；和(iv)將所選量的金屬添加劑與TB2粉末摻混以製造摻混的粉末組合物；(b)由所述摻混的TW2組合物製造電極，其中，該電極實現與所選密度基本上類似的實際密度。
17.根據權利要求16的方法，其中，所選密度為約4.068g/cc至約4. 430g/cc，並且其中，所選金屬添加劑的量為0.01至0. 75wt. %0
18.根據權利要求16的方法，該方法包括使用所述電極作為鋁電解槽中的陰極和陽極之一，其中，所述使用包括 在將所述電極與鋁電解槽的熔融鹽浴連通時，通過所述電極通電；和響應所述通電步驟，使熔融鹽浴的Al2O3還原為鋁金屬。
19.根據權利要求18的方法，其中，在所述使用步驟期間，對於至少120天的連續使用， 該電極保持完整並且沒有分層和開裂。和Co中的每一和Co中的每一-種。和Co中的每一-種。30wt.%的W。20wt.%的W。
20.基本上由打化和金屬添加劑構成的組合物，其中，該組合物包括0.01至0. 75wt. % 的金屬添加劑，餘量為TB2和不可避免的雜質，其中，不可避免的雜質佔電極的小於 2wt. %,其中，所述金屬添加劑選自i^、Ni、Co和W以及它們的組合；且其中，所述電極的密度是其理論密度的約85%至約99%。
全文摘要
本發明公開了用於製造待用於鋁電解槽中的可潤溼陰極的組合物。該組合物主要包括二硼化鈦(TiB2)和金屬添加劑。所選擇的金屬添加劑的量可導致產生具有定製的密度和/或孔隙率的電極。該電極可具有耐久性並被用於鋁電解槽中。
文檔編號C25B11/04GK102575362SQ201080040756
公開日2012年7月11日 申請日期2010年7月28日 優先權日2009年7月28日
發明者B·J·逖爾施, D·A·小韋勞赫, L·M·斯沃茨, R·A·迪米裡亞 申請人:美鋁公司