專利名稱：電流導(dǎo)體到惰性陽極的機(jī)械連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中空的惰性陽極，該陽極具有頂部?jī)?nèi)部槽從而有助于機(jī)械連接到內(nèi)部電流收集器中，例如它可以用于金屬電解過程中。
背景技術(shù)：
借助電解方法可以制造包括鋁、鉛、鎂、鋅、鋯、鈦和硅在內(nèi)的許多金屬。這些電解方法中的每一個(gè)優(yōu)選地采用了具有中空內(nèi)部的電極。
金屬生產(chǎn)的電解過程的一個(gè)例子是公知的、制造鋁的Hall-Heroult過程，在該過程中，在大約960℃到1000℃的溫度下，對(duì)溶解在熔化氟化物槽中的氧化鋁進(jìn)行電解。作為今天通常實(shí)踐的是，該過程依賴于作為陽極的碳來減少氧化鋁熔化鋁。盡管在實(shí)現(xiàn)該過程時(shí)通常使用碳作為電極材料，但是它的使用具有許多嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因此試圖用惰性陽電極來取代它們，其中該陽電極例如由陶瓷或者多金屬陶瓷“cermet”材料來形成。
陶瓷和金屬陶瓷(cermet)電極是惰性無消耗的電極，并且在電解槽工作的條件下，尺寸大小穩(wěn)定。用惰性陽極來取代碳陽極可以利用高度多產(chǎn)的電解槽設(shè)計(jì)，從而減小了費(fèi)用。由于惰性電極基本上不產(chǎn)生CO2或者碳氟化合物或者烴排放物，因此明顯有利于環(huán)境保護(hù)。惰性陽極結(jié)構(gòu)的一些例子可以在全部授權(quán)給Alcon Inc的美國專利No.4374761、5279715和6126799、6217739、6372119、6416649、6423204和6423195中發(fā)現(xiàn)。
盡管陶瓷和金屬陶瓷電極可以生產(chǎn)出能接受的較小雜質(zhì)含量的鋁，但是它們相對(duì)較貴。此外，為了最大限度地節(jié)約費(fèi)用，因此具有中空內(nèi)部，而導(dǎo)體桿在該中空內(nèi)部的合適位置上進(jìn)行燒結(jié)/密封。繞道平滑的圓形心軸，模制、常常以大約30,000psi擠壓或者優(yōu)選地均衡擠壓這些惰性陽極，在釋放壓力和拆下心軸之后，該陽極提供了未燒結(jié)的、中空的、未加工處理的陽極。隨后，這個(gè)陽極一定得進(jìn)行燒制從而燒結(jié)它。
在用來生產(chǎn)鋁和其它金屬的、非金屬的不消耗的電極的發(fā)展中，需要在導(dǎo)體、常常是金屬導(dǎo)體和非金屬電極之間提供連接裝置。由于機(jī)械性能如熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度和兩種材料之間的塑性本身失配，這會(huì)引起技術(shù)問題。已提出各種技術(shù)方案，這些技術(shù)方案包括干涉配合、鎖緊錐形配合、扭曲和鎖緊布置、嵌入式螺栓、及擴(kuò)散焊接。所有這些方案具有一個(gè)或者多個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，如需要精確機(jī)加工的極端勞動(dòng)集約，依賴于精確配合(這在易碎的電極材料上施加了相當(dāng)大的應(yīng)力)，或者需要較長的處理時(shí)間或者額外的爐加熱。
可用來生產(chǎn)鋁的惰性陽極的一個(gè)例子示出在美國專利申請(qǐng)2001/0037946A1(D′Astolfo Jr.等人)的圖3中。這些陽極在非常熱的腐蝕性環(huán)境中進(jìn)行工作，并且在插入到熔化的冰晶石電解液之前一定得進(jìn)行加熱。
在制造惰性陽極的一種方法中，固體圓柱形心軸和伴隨的柔性模子用來通過均衡擠壓把陶瓷/金屬陶瓷材料合并到中空陽極形狀中。在擠壓之后，從陽極形狀中拆下心軸，并且從模子中拆下該形狀。
然后，使未燒制的、未加工處理的零件陽極形狀顛倒地放置在燒制盤中以進(jìn)行燒結(jié)。在爐中進(jìn)行燒結(jié)之后，陽極組件就形成了。
所需要的是一種改進(jìn)型惰性陽極設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)將不需要惰性陽極/金屬導(dǎo)體的精確配合，并且減小惰性陽電極材料上的應(yīng)力。本發(fā)明的主要目的是提供這種惰性陽極。

發(fā)明內(nèi)容
借助提供一種惰性電極來滿足上面需要和實(shí)現(xiàn)該目的，該電極具有中空內(nèi)部，該中空內(nèi)部具有頂部敞開部分；內(nèi)部封閉的底部；及側(cè)壁，頂部的內(nèi)側(cè)壁具有至少一個(gè)內(nèi)槽。本發(fā)明還在于，電極組件包括(1)惰性電極，它具有中空內(nèi)部，該中空內(nèi)部具有頂部敞開部分；內(nèi)部封閉的底部；和側(cè)壁，其中頂部的內(nèi)部側(cè)部具有至少一個(gè)內(nèi)槽；(2)金屬銷導(dǎo)體，它具有底部和側(cè)表面，該導(dǎo)體設(shè)置在電極內(nèi)部?jī)?nèi)，但是不接觸電極內(nèi)壁，從而形成了環(huán)形間隙；及(3)密封材料，它包圍電極頂部處的金屬銷導(dǎo)體，密封材料基本上填充位于至少一個(gè)內(nèi)部槽和導(dǎo)體頂部之間的所有頂部環(huán)形空間，導(dǎo)電的填充材料填充位于電極底部和導(dǎo)體底部之間的至少一部分底部環(huán)形間隙。優(yōu)選的是，合適的膨脹材料設(shè)置在導(dǎo)體和密封材料之間，從而防止密封材料進(jìn)行不同的熱膨脹。惰性陽極材料包括陶瓷、金屬陶瓷或者含金屬的材料如上面Alcoa專利中所描述的這些材料。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，這種機(jī)械連接完全位于電極內(nèi)部。繞著密封材料下方的導(dǎo)體銷設(shè)置支撐臺(tái)，該支撐臺(tái)用作支撐的主要裝置。在電極頂部的內(nèi)部中，圓形或者其它形狀的槽提供了鎖緊機(jī)構(gòu)。密封材料可以是可鑄的陶瓷或者難熔的材料，從而相對(duì)于導(dǎo)體把電極鎖緊在合適位置上。此外，把絕緣材料加入到可鑄材料和導(dǎo)體或者支撐環(huán)之間。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括不需要精確的機(jī)加工，不需要精確的誤差，電極材料上的應(yīng)力極小或者根本就沒有，不需要額外的爐加熱或者較長的處理步驟，并且所使用的材料不貴。


當(dāng)結(jié)合附圖來閱讀時(shí)，從上面和下面描述中可以完全理解本發(fā)明，其中圖1最好地描述了本發(fā)明，它是橫剖視圖，在圖1a中示出了大直徑的惰性陽極和具有一個(gè)內(nèi)部陽極槽和平臺(tái)支撐的電極組件，圖1b示出了具有一個(gè)內(nèi)部陽極槽的小直徑惰性陽極和一個(gè)更加簡(jiǎn)單的支撐臺(tái)，該支撐臺(tái)包括位于金屬導(dǎo)體上的許多部分；及圖1c示出了1b的惰性陽極的橫剖視圖，并且更加詳細(xì)地示出了導(dǎo)體上的突出部；圖2以用來形成未加工處理的、具有內(nèi)部陽極槽的惰性陽極的過程的一個(gè)實(shí)施例的示意視圖示出了步驟2a到2f。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，中空的、填充的惰性陽電極的兩個(gè)實(shí)施例和它們的相關(guān)組件示出在圖1a和1b中。這兩個(gè)附圖中的惰性陽電極10由惰性陽極材料的燒結(jié)壓縮粉未形成。這種粉未是惰性陶瓷、金屬陶瓷或者含金屬的材料中的至少一種。所示出的圓形固體金屬導(dǎo)體12設(shè)置在中空電極形狀10內(nèi)。如這里所使用的一樣，術(shù)語“惰性陽極”是指基本上不消耗的非碳陽極，該陽極能夠滿意地防止腐蝕，并且在金屬形成過程期間尺寸大小穩(wěn)定。
這種中空型的惰性陽極形狀10具有頂部16、底部?jī)?nèi)壁18和側(cè)內(nèi)壁19。在初始形成并且在從大約1300℃到1600℃上進(jìn)行燒結(jié)從而提供所示出的、中空的燒結(jié)結(jié)構(gòu)之后，示出了惰性陽電極形狀10，其中導(dǎo)體桿12可以插入到該中空的燒結(jié)結(jié)構(gòu)中并且借助各種裝置來連接。本發(fā)明的附件借助至少一個(gè)內(nèi)槽/凹口20進(jìn)入到陽極形狀的頂部16的內(nèi)側(cè)壁中。在圖1a和1b中具有一個(gè)內(nèi)槽20設(shè)置在兩個(gè)平坦的內(nèi)部電極壁22之間。在內(nèi)部電極壁和外部導(dǎo)體之間具有環(huán)形間隙，如圖1a和1b所示一樣。密封材料26在電極的頂部16包圍著導(dǎo)體12，從而基本上填滿了位于槽20和導(dǎo)體頂部之間的所有頂部環(huán)形空間。例如由陶瓷氈和類似物或者其它薄材料所形成的膨脹接頭28可以設(shè)置在密封材料26和導(dǎo)體12之間，如圖1a和1b所示一樣。密封材料26是可澆鑄的陶瓷如鋁硅酸鹽、鋁酸鈣或者其它材料。
圖1a所示的導(dǎo)電填充物32可以用在底部環(huán)形空間中，它作為Inconel或者其它支撐環(huán)34在圖1a中示出在環(huán)形空間頂部的附近。位于電極頂部上的膨脹接頭28是適應(yīng)的膨脹材料，并且選擇成在鋁電解槽中在例如大約960℃上進(jìn)行加熱和電極工作時(shí)保護(hù)密封材料26。在圖1b中，導(dǎo)電填充物32填充著大部分的環(huán)形簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。圖1b和1c示出了位于槽20下方的導(dǎo)體12的頂表面上的突出部30。這些突出部例如可以簡(jiǎn)單地是堆焊在導(dǎo)體表面上，常常是大約3-6的堆焊。
圖2a-2f是步驟和附圖，它們示意性地示出了制造惰性陽電極形狀10的許多可能過程中的一個(gè)。如圖2a所示一樣，光滑表面心軸17在陶瓷/金屬陶瓷粉未49頂部上設(shè)置在柔性模子42如高強(qiáng)度聚亞安酯內(nèi)。繞著心軸把額外粉未51設(shè)置在位于心軸和模子之間的環(huán)形空間內(nèi)。然后，例如借助以從大約20,000psi到40,000psi(137,800kpa到206，700kpa)來進(jìn)行均衡擠壓，把壓力60施加在柔性模子的外側(cè)上，從而形成加固壓縮陶瓷/金屬陶瓷零件。當(dāng)擠壓循環(huán)完成并且壓力減小時(shí)，在圖2b中，輔助夾緊裝置62抓住心軸的頂部，并且從擠壓零件10的孔垂直地移動(dòng)它。在圖2c中，示出了陽極拔出的一個(gè)裝置，例如不同的芯夾緊裝置62′被插入到該零件的芯的內(nèi)部中并且進(jìn)行徑向膨脹以接合零件孔的表面。然后，使該裝置和所抓住的零件垂直地上升，從而從模子42中拔出壓縮陶瓷/金屬陶瓷零件。在模子拔出之后，該零件從孔夾緊裝置中釋放并且如圖2d所示一樣進(jìn)行輸送，在圖2d中，陶瓷/金屬陶瓷零件的外側(cè)借助另一個(gè)夾緊裝置65來夾住，同時(shí)具有相關(guān)旋轉(zhuǎn)箭頭的旋轉(zhuǎn)切割器70在零件孔的上部、頂部上機(jī)加工出一個(gè)或者多個(gè)正方形/環(huán)形或者其它形狀的槽20。在圖2e中，在完成槽20的機(jī)加工及零件從裝置65中釋放之后，借助使新裝置66繞著它的外徑來夾緊壓縮/機(jī)加工陶瓷/金屬陶瓷零件。接下來使該零件顛倒，即使敞開側(cè)向下，并且全部如圖2f所示一樣，放置在盤上以進(jìn)行燒結(jié)。
圖1a、1b和2d-2f所示的槽可以是一個(gè)槽、多個(gè)槽或者連續(xù)槽，其中該多個(gè)槽不需要配合在每側(cè)上，并且如圖1a所示一樣，該槽的深度60可以是陽極壁厚62的大約10％到50％，優(yōu)選為大約10％到40％。在小于10％的情況下，壓力重量和槽的支承表面變得太小，從而在陽極材料的小區(qū)域上聚中了太大的力。在大于50％的情況下，槽會(huì)危及陽極的強(qiáng)度和整體性。該槽可以具有圓形底部、平坦的底部或者任何其它理想的幾何形狀。槽的底部和側(cè)部起著重量支承表面的作用，與槽內(nèi)部的可鑄材料26相結(jié)合有助于支撐惰性陽極。
應(yīng)該知道，在沒有脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)的情況下，本發(fā)明可以包含其它形式，及相應(yīng)地，可以參照附加的權(quán)利要求和前面描述來表明本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種惰性電極，該電極具有中空內(nèi)部，該中空內(nèi)部具有頂部敞開部分；內(nèi)部封閉的底部；及側(cè)壁，頂部的內(nèi)側(cè)壁具有至少一個(gè)內(nèi)槽。
2.如權(quán)利要求1所述的惰性電極，其特征在于，該電極是陶瓷材料。
3.如權(quán)利要求1所述的惰性電極，其特征在于，該電極是燒結(jié)電極。
4.如權(quán)利要求1所述的惰性電極，其特征在于，該電極具有一個(gè)內(nèi)槽，該槽設(shè)置在兩個(gè)平坦的內(nèi)部電極壁之間。
5.如權(quán)利要求1所述的惰性電極，其特征在于，該電極具有多個(gè)內(nèi)部槽。
6.如權(quán)利要求1所述的惰性電極，其特征在于，該至少一個(gè)槽的深度為陽極壁厚的大約10％到50％。
7.如權(quán)利要求1所述的惰性電極，其特征在于，該至少一個(gè)槽的深度為陽極壁厚的大約10％到40％。
8.一種電極組件，它包括(1)惰性電極，它具有中空內(nèi)部，該中空內(nèi)部具有頂部敞開部分；內(nèi)部封閉的底部；和側(cè)壁，其中頂部的內(nèi)部側(cè)部具有至少一個(gè)內(nèi)槽；(2)金屬銷導(dǎo)體，它具有底部和側(cè)表面，該導(dǎo)體設(shè)置在電極內(nèi)部?jī)?nèi)，但是不接觸電極內(nèi)壁，從而形成了環(huán)形間隙；及(3)密封材料，它包圍電極頂部處的金屬銷導(dǎo)體，密封材料基本上填充位于該至少一個(gè)內(nèi)部槽和導(dǎo)體頂部之間的所有頂部環(huán)形空間，導(dǎo)電的填充材料填充位于電極底部和導(dǎo)體底部之間的至少一部分底部環(huán)形間隙。
9.如權(quán)利要求8所述的電極組件，其特征在于，該至少一個(gè)槽的深度為陽極壁厚的大約10％到50％。
10.如權(quán)利要求8所述的電極組件，其特征在于，該至少一個(gè)槽的深度為陽極壁厚的大約10％到40％。
11.如權(quán)利要求8所述的電極組件，其特征在于，該電極是陶瓷材料。
12.如權(quán)利要求8所述的電極組件，其特征在于，該電極是燒結(jié)電極。
13.如權(quán)利要求8所述的電極組件，其特征在于，該電極具有一個(gè)內(nèi)槽，該槽設(shè)置在兩個(gè)平坦的內(nèi)部電極壁之間。
14.如權(quán)利要求8所述的電極組件，其特征在于，該電極具有多個(gè)內(nèi)部槽。
全文摘要
一種惰性電極(10)，它用于電解過程中以制造金屬如鋁，該電極具有中空內(nèi)部，該中空內(nèi)部具有敞開的頂部分(16)；內(nèi)部封閉的底部(18)；及內(nèi)部側(cè)壁(19)，頂部?jī)?nèi)側(cè)壁(16)具有至少一個(gè)內(nèi)槽(20)，該內(nèi)槽(20)有助于減小陽極材料上的應(yīng)力并且有助于提供陽極的鎖緊和支撐。
文檔編號(hào)C25C7/02GK1768164SQ200480008375
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2004年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月2日
發(fā)明者小L·E·達(dá)斯托爾弗 申請(qǐng)人:阿爾科公司