技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电解槽和特别地涉及一种用于生产铝的电解槽。
背景技术
[0002] 电解槽例如被用于电解生产铝，其在常规上是根据Hall-Heroult法以工业规模进行的。在Hall-Heroult法中，将由
冰晶石和溶解在
冰晶石中的
氧化铝构成的混合物或熔体电解。冰晶石Na3[AlF6]用于将氧化铝的液相线
温度，即氧化铝
熔化或被溶解时所处的温度，从纯氧化铝的熔点2,045℃降至冰晶石、氧化铝和氟化
钙的混合物的熔点950℃。
[0003] 这种方法中使用的电解槽包含由彼此相邻布置并形成
阴极的多个阴极
块构成的阴极底部。为了能够承受在电解过程期间存在的热和化学条件，阴极通常由含
碳材料构成。通常在阴极块的底侧设置狭槽(slot)，其中在用于除去由
阳极提供的
电流的这些狭槽中的每个中配置至少一个集电棒。此外，电解槽包含至少部分地在垂直方向上延伸的至少一个电流
馈线(current feeder，其随后也被称为“竖板”(riser))，其电连接至阳极和向阳极供应电流。可由多个阳极块构成的阳极配置在铝层上方约3至5cm处，所述铝层配置在阴极块的上侧和通常为15至50cm高。
[0004]
电解质，即含氧化铝和冰晶石的熔体层，被布置在阳极与铝的上表面之间。在约1,000℃下进行的电解操作期间，铝由于其相比于电解质的
密度较高而沉降在电解质层下面，即作为阴极块的上侧与电解质层之间的
中间层。同时，通过流入铝和氧中的电流的作用而分离熔体中溶解的氧化铝，然后其与阳极的碳反应生成二氧化碳。在电化学意义上，由于铝离子在液态铝层的上表面上被还原为元素铝，因此液态铝层代表实际的阴极。然而，术语阴极在下文并非用于表示电化学意义上的阴极，即液态铝层，而是表示如下的组件，其形成电解槽的底部和由多个阴极块构成。
[0005] 已知电解槽的可靠性、寿命和
能量效率因电解操作期间在电解槽中存在的不利的热和化学条件而受损。这导致需要频繁更换电解槽的
内衬组件或者导致整个电解槽过早失效和停工。
[0006] 已知电解槽的寿命降低的主要原因之一是阴极块的上表面在电解期间的磨损(wear)，即从阴极块的上表面除去阴极块材料。这种磨损本身体现在阴极块的电化学
腐蚀和/或机械磨蚀(abrasion)中。机械磨蚀是由液态铝层中的
湍流造成的。这些湍流主要由在液态铝层中流过液态铝层的电流产生的洛伦兹
力场和其中诱导的
电场和
磁场造成。此外，电化学腐蚀是由含碳阴极块材料与液态铝的化学反应造成的，该反应例如导致在电解期间形成碳化铝。
[0007] 另外，在电解期间，已知电解槽的工艺条件在阴极表面上并不是均匀的。相反，在电解期间，在阴极表面上存在不均匀的磨损条件，即电化学腐蚀和/或机械磨蚀条件，从而导致阴极的不均匀的磨损分布。这意味着在阴极表面的特定区域中阴极材料磨损率比其它区域的高，其中特定区域中的过多磨损导致在阴极块中产生局部弱点(weak spot)。这些弱点可能导致铝或电解质向集电棒迁移。这可导致铝与集电棒发生不期望的反应，其可损坏或破坏与阴极的电连接并导致在相对较短时间后需要提前终止电解过程。
[0008] 此外，在电解期间的不均匀的加工条件导致在阴极上表面上存在电流密度的不均匀分布。这种不均匀的电流分布不仅分别造成已知阴极和阴极块的相对短寿命和不良可靠性，而且分别是已知阴极和阴极块的不良能量效率的主要原因。
[0009] 此外，已知电解槽中的不均匀的电解工艺条件导致在电解槽的阴极中不均匀地产生热量和因此导致阴极中的不均匀的温度分布。这种不均匀的温度分布是由于在阴极的特定区域中产生过多的热量，从而导致在阴极的这些区域中存在过量的热
应力，其降低阴极的寿命并因此降低整个电解槽的寿命。
[0010] 前述作用在高安培值电解槽中尤其显著。
[0011] 作为所述问题的进一步复杂化，已知电解槽中的三种在上文指出的现象，即在电解期间在阴极上的不均匀的磨损分布、不均匀的温度分布和不均匀的电流密度，是相互关联的。例如，阴极表面上的不均匀的电流密度造成阴极中不均匀地产生热量和造成阴极表面的不均匀的机械磨蚀和电化学腐蚀。特别地，液态铝层中的如上文所述主要造成阴极表面机械磨蚀的湍流程度取决于洛伦兹力场，并因此强烈取决于阴极表面的相应区域中的电流密度。
[0012] 已经尝试例如通过改变从阴极块末端至中心的比
电阻率(specific electrical resistivity)来改变阴极表面区域上的电流密度和特别地使其均匀化。然而，这些尝试未产生完全令人满意的结果。
[0013] 特别地，用于提高电解槽的寿命和能量效率的已知尝试忽略了电流馈线对磨损分布、温度分布和电流密度的影响，特别是在阴极的位于接近电流馈线处的那些部件处情况如此。也就是说，流过电流馈线的高电流密度在接近于电流馈线的高于阴极表面的阴极区域和液态铝层中诱导强磁场和电场，其显著影响阴极中和液态铝层中的洛伦兹力场分布，并因此对液态铝层中的湍流程度和阴极表面所产生的磨损分布具有主导地位的影响。同样，由电流密度诱导的磁场和电场显著影响阴极的磨损分布和温度分布。由于电流馈线的几何形状和相对布置针对不同的电解槽设计和实施而显著改变，因此在不考虑特定电解槽设计的情况下实现阴极的磨损分布、温度分布和电流密度的均匀化是不可行的。
发明内容
[0014] 鉴于上文，本发明的根本目的是提供一种如下的电解槽，其特别适于高安培值操作，其具有提高的能量效率、改进的寿命、增加的
稳定性和改进的可靠性。此外，所述电解槽，特别是其阴极，应能够容易地、快速地且具成本效益地制造并安装。
[0015] 根据本发明，通过提供如下电解槽、特别是用于生产铝的如下电解槽来满足这种目的，所述电解槽包含阴极、布置在阴极的上侧上的液态铝层、在其上的熔体层和在熔体层之上的阳极，其中阴极由至少两个阴极块构成，其中所述至少两个阴极块中的至少一个与一个或多个其它阴极块中的至少一个在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面不同。
[0016] 根据本发明，所述电解槽的阴极包含至少两个阴极块，其在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面彼此不同。这使得可通过均匀化机械磨蚀率而将在电解期间在阴极表面上形成的磨损分布至少部分地均匀化，可通过将具有适当性质的不同阴极块简单布置在一起而将阴极表面上的电流密度和/或温度分布至少部分地均匀化。例如，为了使阴极表面上的磨损分布均匀化，可在阴极的在电解期间发生较多磨损的那些部件处布置具有较高平均抗压强度的阴极块，而在阴极的在电解期间发生较少磨损的其它部件处布置具有较低平均抗压强度的阴极块。出于相同目的，可在阴极的在电解期间发生较多磨损的那些部件处布置具有较高表观密度的阴极块，而在阴极的在电解期间发生较少磨损的其它部件处布置具有较低表观密度的阴极块。同样，可通过适当组装具有较高平均比电阻率的阴极块的阴极和具有较低平均比电阻率的阴极块的阴极，来均匀化在电解槽电解期间在阴极中形成的电流密度，和可通过适当组装具有较高平均热导率的阴极块的阴极和具有较低平均热导率的阴极块的阴极，来均匀化在电解槽电解期间在阴极中形成的阴极的温度分布。因此，借助于模块化阴极块系统，可以以简单、快速且具成本效益的方式改进具体而言是阴极和一般而言是电解槽的能量效率、寿命、稳定性和可靠性。特别地，在电解槽安装时可由有限数目的不同种类的预制阴极块来组装分别适于电解槽的阴极，而无需阴极块的任何预先定制。实际上，本发明特意使用简单且具成本效益的模块化构建系统。
[0017] 即使至少两个不同的阴极块仅在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度中的一个方面彼此不同，也可实现前述作用。然而，如果至少两个不同的阴极块在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度中的至少两个、更优选至少三个和最优选全部四个方面彼此不同，则获得特别好的结果。
[0018] 根据本发明，每一阴极块在其组成和材料性质方面是均质的，即每一阴极块在每个
位置具有相同的组成和相同的材料性质。术语“相同”当然必须在考虑到常见的微小制造公差的情况下理解，即关于组成和材料性质方面的小的差异是可行的。更具体地，根据本发明，阴极块在其抗压强度方面是均质的是指，在阴极块的不同位置的抗压强度的差异小于15％、优选小于12％、更优选小于8％和甚至更优选小于4％。此外，根据本发明，如果阴极块在不同位置的热导率的差异小于10％、优选小于8％、更优选小于5％和甚至更优选小于3％，则阴极块在其热导率方面是均质的；如果阴极块在不同位置的比电阻率的差异小于12％、优选小于9％、更优选小于6％和甚至更优选小于4％，则阴极块在其比电阻率方面是均质的；如果阴极块在不同位置的表观密度的差异小于1.5％、优选小于1.2％、更优选小于0.8％和甚至更优选小于0.4％，则阴极块在其表观密度方面是均质的；和如果阴极块在不同位置的开口孔隙率的差异小于10％、优选小于8％、更优选小于6％和甚至更优选小于4％，则阴极块在其开口孔隙率方面是均质的。根据本发明，术语差异是指相应参数的平均值的标准偏差，其中平均值是用阴极块的如下所述的5个样品测定的。
[0019] 此外，在本发明的范围内，根据ISO18515测定阴极块的抗压强度。如上文所述的，在考虑到微小制造公差的情况下，本发明的电解槽的阴极的每一阴极块在其组成和材料性质方面是均质的，并且因此在其整个尺寸上在其抗压强度方面是均质的，即每一阴极块在其组成和材料性质方面仅具有非常小的差异。为了甚至考虑到由于制造公差产生的这些非常小的差异，在此规定平均抗压强度，其是通过如下方式测定的：根据ISO18515在阴极块的5个不同位置处测量抗压强度，其中5个不同位置均匀分布在阴极块的底面上，然后计算5个所得值的算术平均值。更具体地，为了测定未加工(raw)阴极块即其中尚未分别形成一个或多个狭槽的阴极块的平均抗压强度，从未加工阴极块的区域取出5个具有3cm直径和
3cm长度的样品，其中随后形成一个或多个狭槽。在阴极块的底部中将形成一个狭槽的情况下，在阴极块的长度方向上以等距方式，即，例如在具有3m长度的阴极块中取出五个样品，其中两个相邻样品之间的距离和阴极块的末端与相邻样品之间的距离各为0.5m，在阴极块的宽度方向上-在随后形成的狭槽的中间，和在阴极块的高度方向上-在垂直方向上，取出五个样品。在阴极块的底部中将形成两个狭槽的情况下，在其中将形成狭槽之一的区域中取出两个样品和在其中将形成另一个狭槽的区域中取出三个样品，其中所有这些样品都满足前述标准，即它们具有3cm的直径和3cm的长度，并且它们是如下取出的：在阴极块的长度方向上是等距的，在阴极块的宽度方向上-在随后形成的狭槽的中间，和在阴极块的高度方向上-在垂直方向上。另一方面，为了测定成品(finished)阴极块即其中已经分别形成一个或多个狭槽的阴极块的平均抗压强度，在阴极块内部在垂直方向上从一个或多个狭槽的上表面取出5个具有3cm的直径和3cm的长度的样品，其中样品是如下取出的：在阴极块的长度方向上是等距的；和在阴极块的宽度方向上是在一个或多个狭槽的中间。
[0020] 类似地，根据本发明，阴极块的平均热导率是通过如下方式测定的：根据ISO12987在30℃的温度下在阴极块的5个不同位置处测量热导率，其中5个不同位置如上文关于平均抗压强度的测定而布置和均匀分布在阴极块的表面上，和然后计算5个所得值的算术平均值。
[0021] 同样，根据本发明，阴极块的平均比电阻率是通过如下方式测定的：根据ISO11713在阴极块的5个不同位置处测量比电阻率，其中5个不同位置如上文关于平均抗压强度的测定而布置和均匀分布在阴极块的表面上，不同之处在于样品的长度各为11cm，然后计算5个所得值的算术平均值。
[0022] 此外，根据本发明，根据ISO 12985-1在阴极块的5个不同位置处测量阴极块的表观密度，其中5个不同位置如上文关于平均抗压强度的测定而布置和均匀分布在阴极块的表面上，不同之处在于样品的长度各为11cm，然后计算5个所得值的算术平均值。
[0023] 根据本
专利申请的一个特别优选的实施方式，所述电解槽还包含至少一个电流馈线，其中至少一个电流馈线至少部分地在垂直方向上延伸并电连接至阳极，和其中所述至少两个阴极块中的至少一个阴极块比所述一个或多个其它阴极块中的至少一个位于更接近于至少一个电流馈线中的至少一个处，其中所述至少两个阴极块中的所述至少一个与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同。在这个特别优选的实施方式中，电流馈线对于阴极的磨损分布、温度分布和电流密度的影响可以得到补偿。如上文所述的，流过电流馈线的高电流在接近于电流馈线的高于阴极表面的阴极区域和液态铝层中诱导强磁场和电场，其显著影响阴极中和液态铝层中的洛伦兹力场分布，并因此对液态铝层中的湍流程度和阴极表面所产生的磨损分布具有主导地位的影响。同样，由电流诱导的磁场和电场显著影响阴极的电流密度和温度分布。在这个实施方式中，还优选至少两个不同的阴极块在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度中的至少两个、更优选至少三个和最优选全部四个方面彼此不同。
[0024] 本发明关于每个阴极的阴极块数目并不特别限制。通常，所述电解槽的阴极将由2至60个阴极块构成。所述电解槽更优选包含5至40个、特别优选10至30个、甚至更优选15至25个和最优选约20个阴极块。
[0025] 根据本发明的另一个优选实施方式，所述阴极包含2个或更多个、优选2至10个、更优选2至6个和甚至更优选2至4个不同种类的阴极块，其中每一种类的阴极块与任何其它种类的阴极块在以下至少一个、优选至少两个、更优选至少三个和最优选全部四个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％，ii)平均热导率，相差至少20％，iii)平均比电阻率，相差至少20％，和iv)表观密度，相差至少2％，而一个种类的全部阴极块在平均抗压强度方面彼此相差小于15％，平均热导率彼此相差小于10％，平均比电阻率彼此相差小于12％，和表观密度彼此相差小于1.5％，即彼此相同或至少基本上相同。可从这些不同种类的阴极块中的每者中，为电解槽的阴极提供一个或多个阴极块。例如，所述阴极可包含一个根据第一种类的阴极块、两个根据第二种类的阴极块、四个根据第三种类的阴极块和十三个根据第四种类的阴极块。在阴极中使用的不同种类的阴极块的数目在特定程度上影响在电解期间磨损分布、温度分布和/或电流密度如何良好地均匀化。然而，本发明中已发现，相对适中数目的不同种类的阴极块，例如三个或四个不同种类的阴极块，足以有效且充分地均匀化整个阴极表面上的磨损分布、温度分布和电流密度中的至少一种，以改进电解槽的可靠性、寿命和特别是能量效率。每一种类的阴极块优选与任何其它种类的那些阴极块在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少35％，ii)平均热导率，相差至少
50％，iii)平均比电阻率，相差至少30％，和iv)表观密度，相差至少4％。每一种类的阴极块更优选与任何其它种类的阴极块在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少50％，ii)平均热导率，相差至少100％，iii)平均比电阻率，相差至少50％，和iv)表观密度，相差至少6％，和每一种类的阴极块最优选与任何其它种类的阴极块在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少70％，ii)平均热导率，相差至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少100％，和iv)表观密度，相差至少8％。
[0026] 根据本发明的另一个优选实施方式，所述阴极包含三个不同种类的阴极块，其中每一种类的阴极块与其它两个种类的阴极块在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。此外，每一种类的阴极块优选彼此相同或至少基本上相同，即其在平均抗压强度方面彼此相差小于15％、优选小于12％、更优选小于8％和甚至更优选小于4％，在平均热导率方面彼此相差小于10％、优选小于8％、更优选小于5％和甚至更优选小于3％，在平均比电阻率方面彼此相差小于12％、优选小于9％、更优选小于6％和甚至更优选小于4％，和在表观密度方面彼此相差小于1.5％、优选小于1.2％、更优选小于0.8％和甚至更优选小于0.4％。这种实施方式组合了电解期间相应的磨损分布、温度分布和/或电流密度的有效均匀化，同时将制造和安装的工作量最小化。
[0027] 为了特别有效地补偿电解槽的至少一个电流馈线对阴极的磨损分布、温度分布和电流密度中的至少一个方面的非均匀化的影响，所述电解槽优选包含至少一个第一种类的阴极块，其位于最接近所述至少一个电流馈线中的一个处和其位于两个第二种类的阴极块之间，第二种类与第一种类在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。在这个实施方式中和在上文和下文所述的所有其它实施方式中，基于阴极块的相应值的最低值，测定在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和/或表观密度方面的差异。在此处，如果两个阴极块被布置为使得其彼此直接
接触或如果其通过位于两个阴极块之间的捣实糊(ramming paste)、内衬材料等彼此连接，则这两个阴极快被称为彼此相邻。在这个实施方式中，两个第二种类的阴极块中的每个优选与第三种类的阴极块相邻地布置，即在第二种类阴极块的与第一种类阴极块相邻侧相对的一侧上，其中第三种类与第一和第二种类在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少
70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。当然，如上文所述的，第一种类和第二种类的阴极块也在至少一个前述性质方面彼此相差至少一个前述值。如果所述电解槽包含两个、三个或甚至更多个竖板，则该电解槽优选包含两个、三个或甚至更多个第一种类的阴极块，其中其各自位于最接近电流馈线之一处和位于两个第二种类的阴极块之间，此外其优选与第三种类的阴极块相邻。每一种类的阴极块彼此相同或至少基本上相同，即其在平均抗压强度方面彼此相差小于15％、优选小于12％、更优选小于8％和甚至更优选小于4％，在平均热导率方面彼此相差小于10％、优选小于8％、更优选小于5％和甚至更优选小于3％，在平均比电阻率方面彼此相差小于
12％、优选小于9％、更优选小于6％和甚至更优选小于4％，和在表观密度方面彼此相差小于1.5％、优选小于1.2％、更优选小于0.8％和甚至更优选小于0.4％。
[0028] 在前述实施方式中，第三种类的各前述阴极块可在其另一侧上，即在第三种类阴极块的与第二种类阴极块相邻侧相对的一侧上，与第四种类的阴极块相邻，其中第四种类与第一种类、第二种类和第三种类在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少
20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。当然，如上文所述的，第一种类、第二种类和第三种类的阴极块也在至少一个前述性质方面彼此相差至少一个前述值。这意味着，每一种类的阴极块与每一其它种类的阴极块在至少一个前述性质方面彼此相差至少一个前述值。
[0029] 根据本发明的一种可选实施方式，所述电解槽包含至少一个第一种类的阴极块，其位于最接近电流馈线中的至少一个处，和其在其一侧上与第二种类的阴极块相邻布置，第二种类与第一种类在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％，和在其另一侧上与第三种类的阴极块相邻布置，第三种类与第一种类和第二种类在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。在这种情况下，第二种类的阴极块可在其与第一种类的阴极块相邻侧相对的一侧连接至第四种类的阴极块，第四种类与第一种类、第二种类和第三种类在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。同样，第三种类的阴极块可在其与第一种类的阴极块相邻侧相对的一侧上布置至可为第四种类或可选地第五种类的阴极块，第五种类与第一至第四种类在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。如上文所述的，每一种类的阴极块与每一其它种类的阴极块在至少一个前述性质方面相差至少一个前述值。
[0030] 根据本发明的另一个优选实施方式，所述电解槽包含至少两个第一种类的阴极块，其彼此相邻布置，其中至少一个位于最接近至少一个电流馈线中的至少一个处，和其各自与第二种类的阴极块相邻布置，第二种类与第一种类在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。在这个实施方式中，至少两个第二种类的阴极块各自优选与第三种类的阴极块相邻布置，其中第三种类与第一和第二种类在以下至少一个方面不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少
2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。如上文所述的，每一种类的阴极块与每一其它种类的阴极块在至少一种前述性质方面相差至少一种前述值。此外，每一种类的阴极块彼此相同或至少基本上相同，即其在平均抗压强度方面彼此相差小于15％、优选小于12％、更优选小于8％和甚至更优选小于4％，在平均热导率方面彼此相差小于
10％、优选小于8％、更优选小于5％和甚至更优选小于3％，在平均比电阻率方面彼此相差小于12％、优选小于9％、更优选小于6％和甚至更优选小于4％，和在表观密度方面彼此相差小于1.5％、优选小于1.2％、更优选小于0.8％和甚至更优选小于0.4％。
[0031] 在本发明的一种可选实施方式中，所述电解槽包含至少两个第一种类的阴极块，其彼此相邻布置，和其中至少一个位于最接近至少一个电流馈线中的至少一个处，其中第一种类的阴极块中的一个在其与第一种类的另一阴极块相邻侧相对的一侧与第二种类的阴极块相邻布置，而所述至少两个阴极块中的另一个在其与第一种类的另一个阴极块相邻侧相对的一侧上与第三种类的阴极块相邻布置，其中全部第一、第二和第三种类在以下至少一个方面彼此不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少4％、更优选至少
6％和甚至更优选至少8％。在这个实施方式中，第二种类的阴极块可在其与第一种类的阴极块相邻侧相对的一侧与第四种类的阴极块相邻，和第三种类的阴极块可在其与第一种类的另一阴极块相邻侧相对的一侧与第四种类或第五种类的阴极块相邻，其中全部第一至第五种类在以下至少一个方面彼此不同：i)平均抗压强度，相差至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％，ii)平均热导率，相差至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％，iii)平均比电阻率，相差至少20％、优选至少
30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％，和iv)表观密度，相差至少2％、优选至少
4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。此外在这个实施方式中，每一种类的阴极块彼此相同或至少基本上相同，即其在平均抗压强度方面彼此相差小于15％、优选小于12％、更优选小于8％和甚至更优选小于4％，在平均热导率方面彼此相差小于10％、优选小于
8％、更优选小于5％和甚至更优选小于3％，在平均比电阻率方面彼此相差小于12％、优选小于9％、更优选小于6％和甚至更优选小于4％，和在表观密度方面彼此相差小于1.5％、优选小于1.2％、更优选小于0.8％和甚至更优选小于0.4％。
[0032] 根据本发明的第一个特别优选的实施方式，所述阴极的至少一个阴极块和优选每一阴极块具有在15MPa与70MPa之间、优选在20MPa与60MPa之间和更优选在25MPa与55MPa之间的平均抗压强度。阴极块的抗压强度与
流体磨料磨损(hydro-abrasive wear)直接相关，只要含固体的运动流体(moving fluid)存在于系统中，就存在流体磨料磨损。因此，阴极块的平均抗压强度越高，则在电解期间阴极块的机械磨蚀越低。
[0033] 在这个实施方式中，关于在电解槽的整个阴极上的磨损分布的均匀化，当至少一个与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同的阴极块的平均抗压强度与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个的平均抗压强度之间的差异为这些平均抗压强度的最低值的至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％时，获得特别好的结果。
[0034] 在前述实施方式中，特别优选地，所述至少两个阴极块中与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同的至少一个阴极块，比所述一个或多个其它阴极块中的至少一个位于更接近于至少一个电流馈线中的至少一个处。通常，所述位于更接近于至少一个电流馈线处的阴极块可具有比所述至少两个阴极块中的另一个阴极块更高的平均抗压强度或比其更低的平均抗压强度。接近于至少一个电流馈线的具有更高或更低平均抗压强度的阴极块是否更有利，这取决于完整电解槽的
热管理(thermal management)。例如，具有较高平均抗压强度的阴极块和具有较低平均抗压强度的阴极块相对于至少一个电流馈线的理想
定位，取决于电解槽设计是主要依赖于通过电解槽阴极底部从阴极除去热量还是通过围绕电解槽阴极的
侧壁除去热量。
[0035] 在前述实施方式中，所述阴极优选包含至少3个不同种类的阴极块，其中一个种类的所有阴极块的平均抗压强度彼此相差小于15％、优选小于12％、更优选小于8％和甚至更优选小于4％，和一个种类的所有阴极块的平均抗压强度与所有其它种类的所有阴极块的平均抗压强度的差异为这些平均抗压强度的最低值的至少25％、优选至少35％、更优选至少50％和甚至更优选至少70％。
[0036] 根据本发明的第二个特别优选的实施方式，提出至少一个和优选每一阴极块具有在10W/m·K与170W/m·K之间和特别是在30W/m·K与130W/m·K之间的热导率，尤其当阴极包含
石墨阴极块与
石墨化阴极块时情况如此，或具有在70W/m·K与130W/m·K之间的热导率，尤其当阴极仅包含石墨化阴极块时情况如此。
[0037] 在这个实施方式中，关于在电解期间在电解槽的整个阴极上的温度分布的均匀化，当与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同的至少一个阴极块的平均热导率与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个的平均热导率之间的差异为这些热导率的最低值的至少20％、优选至少50％、更优选至少100％和甚至更优选至少200％时，获得特别好的结果。
[0038] 在这个实施方式中，还优选所述至少两个阴极块中与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同的至少一个阴极块比所述一个或多个其它阴极块中的至少一个位于更接近于至少一个电流馈线中的至少一个处。通常，位于更接近于至少一个电流馈线处的阴极块可具有比所述至少两个阴极块的另一个阴极块更高的热导率或更低的热导率。接近于至少一个电流馈线的具有更高或更低热导率的阴极块是否更有利，这取决于完整电解槽的热管理。例如，具有较高热导率的阴极块和具有较低热导率的阴极块相对于至少一个电流馈线的理想定位，取决于电解槽设计是主要依赖于通过电解槽阴极底部从阴极除去热量还是通过围绕电解槽阴极的侧壁除去热量。
[0039] 在前述实施方式中，所述阴极优选包含至少3个不同种类的阴极块，其中一个种类的所有阴极块的平均热导率彼此相差小于10％、优选小于8％、更优选小于5％和甚至更优选小于3％。
[0040] 根据本发明的第三个特别优选的实施方式，至少一个和优选每一阴极块具有在7Ohm·μm与40Ohm·μm之间和优选在8.5Ohm·μm与21Ohm·μm之间的平均比电阻率，特别是当阴极包含石墨阴极块与石墨化阴极块时情况如此，或具有在8.5Ohm·μm与
14Ohm·μm之间的平均比电阻率，特别是当阴极仅包含石墨化阴极块时情况如此。
[0041] 在这个实施方式中，关于在电解期间在电解槽的整个阴极表面上的电流密度的均匀化，当与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同的至少一个阴极块的平均比电阻率与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个的平均比电阻率之间的差异为这些平均比电阻率的最低值的至少20％、优选至少30％、更优选至少50％和甚至更优选至少100％时，获得特别好的结果。
[0042] 优选地，所述至少两个阴极块中与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同的至少一个阴极块比所述一个或多个其它阴极块中的至少一个位于更接近于至少一个电流馈线中的至少一个处。通常，更接近于电流馈线的阴极块可展现两个平均比电阻率中的较高值或较低值，这些布置中的优选布置取决于电解槽的电
流管理。
[0043] 在前述实施方式中，所述阴极优选包含至少3个不同种类的阴极块，其中一个种类的所有阴极块的平均比电阻率的彼此差异小于这些平均比电阻率的最低值的12％、优选小于9％、更优选小于6％和甚至更优选小于4％。
[0044] 根据本发明的第四个特别优选的实施方式，至少一个和优选每一阴极块具有在3 3 3 3 3
1.50g/cm 与1.90g/cm 之间、优选在1.55g/cm 与1.85g/cm 之间和更优选在1.60g/cm 与
3
1.80g/cm 之间的表观密度。
[0045] 在这个实施方式中，关于在电解期间在电解槽的整个阴极表面上的磨损分布的均匀化，当与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同的至少一个阴极块的表观密度与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个的表观密度之间的差异为这些表观密度的最低值的至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％时，获得特别好的结果。
[0046] 在这个实施方式中，还优选所述至少两个阴极块中与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同的至少一个阴极块比所述一个或多个其它阴极块中的至少一个位于更接近于至少一个电流馈线中的至少一个处。
[0047] 所述阴极优选包含至少3个不同种类的阴极块，其中一个种类的所有阴极块的表观密度彼此相差小于1.5％、优选小于1.2％、更优选小于0.8％和甚至更优选小于0.4％，和一个种类的所有阴极块的表观密度与所有其它种类的所有阴极块的表观密度的差异为这些表观密度的最低值的至少2％、优选至少4％、更优选至少6％和甚至更优选至少8％。
[0048] 由于表观密度受到阴极块的开口孔隙率的影响，因此在前述实施方式中，具有较高表观密度的至少一个阴极块优选具有比具有较低表观密度的至少一个其它阴极块更低的平均开口孔隙率。此处，阴极块材料的开口孔隙率是根据ISO标准ISO 12985-2测定，和阴极块的平均开口孔隙率是通过如下方式测定的：根据ISO标准ISO 12985-2在如上文关于表观密度的测定所述的阴极块的5个不同位置处测量开口孔隙率，然后计算5个所得值的算术平均值。
[0049] 在这个实施方式中，与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同的至少一个阴极块的平均开口孔隙率与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个的平均开口孔隙率之间的差异，可例如为这些平均开口孔隙率的最低值的至少15％、优选至少20％、更优选至少30％和甚至更优选至少40％。
[0050] 此外在这个实施方式中，所述至少两个阴极块中与所述一个或多个其它阴极块中的至少一个不同的至少一个阴极块比所述一个或多个其它阴极块中的至少一个位于更接近于至少一个电流馈线中的至少一个处。在这个实施方式中，位于更接近于至少一个电流馈线中的至少一个处的至少一个阴极块的平均开口孔隙率与距至少一个电流馈线较远布置的至少一个其它阴极块的平均开口孔隙率之间的差异，可例如为这些平均开口孔隙率的最低值的至少15％、优选至少20％、更优选至少30％和甚至更优选至少40％。
[0051] 原则上，根据本发明的电解槽的阴极块可由本领域普通技术人员已知的每种材料构成。本发明特别是可应用于碳基阴极。因此，所述至少一个阴极块和更优选所有阴极块优选包含以下材料或甚至由以下材料组成：碳基材料，和特别是石墨碳、
石墨化碳或
无定形碳中的一种。这些材料特别适于例如通过Hall-Heroult法用于生产铝的电解槽。阴极块的形状和尺寸可与
现有技术的电解槽中使用的阴极块的完全相同。因此，至少一个和优选每一阴极块可具有基本上矩形的底座(base)形状，其中两个长边限定各阴极块的长度和两个宽边限定各阴极块的宽度，其中单个的阴极块优选沿其纵向边彼此相邻布置。
附图说明
[0052] 现将参考附图，借助于优选的实施方式来描述本发明，其中：
[0053] 图1示出电解槽的示意性侧视图；
[0054] 图2至图13示出根据本发明各实施方式的电解槽的阴极的示意性上视图。
[0055] 图1示出电解槽的侧视图，所述电解槽包含形成电解槽的阴极12的几个阴极块10。如图1中所示，一个阴极块10的长度基本上
覆盖电解槽的整个宽度，而在电解槽的纵向y上(参见图2至图13)，即在图1中与绘制平面垂直的方向上，几个阴极块10彼此相邻布置和沿其宽边彼此连接以覆盖电解槽的长度。液态铝层14配置在阴极12之上，和熔体层16布置在液态铝层14上。最后，由多个阳极块20、20'构成的阳极18布置在熔体层16上方并接触熔体层16的上表面。此外，阳极块20、20'与一个或多个电流馈线22之一电接触，所述电流馈线在垂直方向上至少部分地延伸和其向电解槽供应电流。如图1中所示，两个阳极块20、20'在电解槽的横向x上基本上覆盖一个阴极块10的长度。电流是由电流馈线22提供的并通过阳极块20、20'进入电解槽，通过熔体层16和液态铝层14，然后进入阴极块10，通过延伸穿过阴极块10的下部的集电棒24从阴极块10收集电流。在图1中，电解槽组件未按比例绘制。而实际上，相对于液态铝层14和熔体层16的高度，阴极块10的高度更高。此外，通常将集电棒24插入狭槽中，所述狭槽布置在阴极12的底部部分中而非布置在阴极12的中间，如图1中示意性所示的。
[0056] 图2示出根据本发明的第一示例性实施方式的电解槽的阴极12的示意性上视图。
[0057] 电解槽阴极12由20个阴极块10、10A、10A'组成，其在电解槽的纵向y上彼此相邻布置以形成电解槽的矩形底座形状。还示出了两个电流馈线22、22'，其布置在阴极12的一侧上和其电连接至电解槽的阳极(图2中未示出)。通常，根据本发明，电解槽可包含一个电流馈线或多于一个电流馈线，例如2、3、4个或更多个电流馈线。同样，阴极块的数目可改变和电解槽特别是可包含多于20个、例如30个或更多个阴极块。
[0058] 最接近于电流馈线22的阴极块10A为第一种类(下文也称为“种类A”)的，其与和阴极块10A相邻的阴极块10的种类在
耐磨性、热导率和比电阻率方面中的至少一个方面不同。同样，位于最接近于电流馈线22'处的阴极块10A'为种类A，其与和阴极块10A'相邻的阴极块10的种类在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面不同。
[0059] 以这种方式，可以在最小实施工作量下有效均匀化电解槽的磨损分布、温度分布和/或电流密度。
[0060] 图2中所示的所有阴极块10由相同材料构成，并且因此特别是全部都具有相同的平均抗压强度、相同的平均热导率、相同的平均比电阻率和相同的表观密度。
[0061] 图3示出与上述第一实施方式类似的本发明第二示例性实施方式，其中每一电流馈线22、22'被分配至第一种类A的阴极块10A、10A'，其各自分别位于两个阴极块10B、10B'和10B″、10B″'之间，其中阴极块10B、10B'和10B″、10B″'是第二种类B的，第二种类B与种类A在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面不同。其余的所有阴极块10为第三种类的，其与种类A以及种类B在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面不同。
[0062] 图4示出本发明的电解槽的阴极12的第三示例性实施方式，其与图3中所示的第二示例性实施方式类似，但不同之处在于提供第四种类的阴极块10C、10C'、10C″、10C″'，其中第四种类的每一阴极块10C、10C'、10C″、10C″'布置在阴极块10B、10B'、
10B″、10B″'之一与阴极块10之间，其中第四种类与其它三个种类在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面不同。
[0063] 图5示出本发明的电解槽的阴极12的第四示例性实施方式，其与图2中所示的第一示例性实施方式类似，但不同之处在于提供第三种类的阴极块10B、10B'和第四种类的阴极块10C、10C'，其中第二种类和第三种类的每一阴极块10B、10B'、10C、10C'中的一个与种类A的阴极块10A相邻。此外在这个实施方式中，所有种类在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面彼此不同。
[0064] 图6示出本发明的电解槽的阴极12的第五示例性实施方式，其与图5中所示的第四示例性实施方式类似，但不同之处在于提供第五种类的阴极块10D、10D'、10D″、10D″'，其中第五种类的每一阴极块10D、10D'、10D″、10D″'分别布置在阴极块10B与10之间、阴极块10C与10之间、阴极块10C'与10之间和阴极块10B'与10之间，其中所有种类在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度中方面的至少一个方面彼此不同。
[0065] 图7示出本发明的电解槽的阴极12的第六示例性实施方式，其与图5中所示的第四示例性实施方式类似，其中种类B的每一阴极块10B、10B'在一侧与种类D的相应阴极块10D、10D'相邻地布置。同样，每一阴极块10C、10C'在一侧与种类E的相应阴极块10E、10E'相邻地布置，其中种类D和E与所有其它种类在平均抗压强度、平均热导率、平均比电阻率和表观密度方面中的至少一个方面不同。
[0066] 图8示出本发明的电解槽的阴极12的第七示例性实施方式。在接近于每一电流馈线22、22'的阴极12的位置处，布置彼此相邻的种类A的两个阴极块10A、10A'和10A″和10A″'，其被另一种类的阴极块10围绕。
[0067] 图9至图13示出本发明的电解槽的阴极12的其它示例性实施方式，其各自包含至少两个不同种类的阴极块。
具体实施方式
[0068] 在下文中，借助于
实施例和对比例描述本发明，所述实施例和对比例示例本发明而不限制本发明。
[0069] 实施例
[0070] 在图1中所示的电解槽中，通过布置两个第一种类的阴极块10A、10A'，四个第二种类的阴极块10B、10B'、10B″、10B″'，和14个第三种类的阴极块10，来组装阴极，如图3中所示。
[0071] 第一种类的阴极块具有1.80g/cm3的表观密度、55MPa的抗压强度、11Ohm·μm的3
比电阻率、125W/K·m的热导率和11％的开口孔隙率，而第二种类的阴极块具有1.75g/cm的表观密度、48MPa的抗压强度、11Ohm·μm的比电阻率、120W/K·m的热导率和13％的开
3
口孔隙率，和第三种类的阴极块具有1.69g/cm 的表观密度、35MPa的抗压强度、11Ohm·μm的比电阻率、120W/K·m的热导率和16％的开口孔隙率。
[0072] 以此方式制造的电解槽在360kA的电流下运行730天。
[0073] 其后，评估阴极的磨损分布，发现在整个电解槽阴极表面上，阴极表面已被均匀磨损，其中磨损率比下文所述仅用一个种类的阴极块建造的标准电解槽大幅降低。
[0074] 对比例
[0075] 通过将20个如前述实施例中所述的第三种类的阴极块布置于如图1中所示的电解槽中，来组装阴极。
[0076] 如上文在实施例中所述的，运行以此方式制造的电解槽。其后，评估阴极的磨损分布，发现与前述实施例的阴极相比，存在较高磨损的区域，其与在竖板附件的阴极表面重合(coincide)。此外，阴极表面的其它区域显示不一致的磨损程度。最大磨损的表面区域与最小磨损的表面区域之间的最大磨损速率差异为55毫米/年。
[0077] 附图标记列表
[0078] 10 阴极块
[0079] 10A、10A'、10A″、10A″' 阴极块
[0080] 10B、10B'、10B″、10B″' 阴极块
[0081] 10C、10C'、10C″、10C″' 阴极块
[0082] 10D、10D'、10D″、10D″' 阴极块
[0083] 10E、10E' 阴极块
[0084] 12 阴极
[0085] 14 液态铝层
[0086] 16 熔体层
[0087] 18 阳极
[0088] 20、20' 阳极块
[0089] 22、22' 电流馈线
[0090] 24 集电棒
[0091] x、y、z 方向
