一种铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极及其制备方法，涉及铝电解冶炼技术领域，阳极结构包括镍基合金上部和金属陶瓷下部，两者间存在陶瓷含量梯度部位，阳极内部有导电芯，导电芯与包裹材料间存在泡沫镍层；金属陶瓷的陶瓷相为NiFe2O4基陶瓷，导电芯材质为耐高温合金；惰性阳极制备步骤包括：将预先沉积泡沫镍的导电芯装在钢模上，用叠层法依次填装粉末于橡胶模内，温等静压压制和烧结；本发明专利技术的惰性阳极结构特点可使阳极镍基合金上部易于与阳极导杆联接，而金属陶瓷的下部铝电解工作面具有均匀电流密度分布，阳极导杆联接后的阳极总成电压降较低。联接后的阳极总成电压降较低。

【技术实现步骤摘要】
一种铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极及其制备方法


[0001]本专利技术公开了一种铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极及其制备方法，特别涉及低温铝电解用金属陶瓷惰性阳极，低温铝电解是指温度为800～900
°
C的熔盐铝电解技术；本专利技术适用于垂直结构的惰性阳极，而不适用于水平结构的惰性阳极。

技术介绍

[0002]现行Hall
‑
H
é
roult高温熔盐铝电解工艺采用消耗性碳阳极，每吨电解铝约消耗450公斤炭素材料，碳阳极消耗排放CO2气体，还排放无法降解的强温室气体碳氟化合物(CF4、C2F6)、SO2气体和粉尘等污染物；预焙碳阳极生产过程中也会排放致癌性的芳香族化合物(PAH)、SO2、粉尘等污染物。而且在现行铝电解过程中，需要每月更换预焙阳极碳块，导致电解生产不稳定，并增加了劳动强度、工人面对高温熔体的人身风险和氟化物的无组织排放。
[0003]采用惰性阳极低温铝电解新技术，可成功解决上述问题，惰性阳极铝电解又称为无碳铝电解，属于有色金属冶炼行业节能降碳的关键性技术。
[0004]惰性阳极是无碳铝电解的核心关键技术，NiFe2O4基金属陶瓷是实现惰性阳极工业化最有前途的材料。
[0005]目前在NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极制备过程中，仍下列缺陷需要克服：
[0006]1)由于金属陶瓷材料本身脆性大的原因，整体为金属陶瓷材料的惰性阳极，其后续与阳极导杆的机械联接或焊接联接都非常困难；
[0007]2)由于金属陶瓷电阻率较大，如果惰性阳极为金属陶瓷实心结构，阳极使用时长度方向会存在电流密度差异，电流密度偏低或偏高的电解工作面在铝电解过程中可能会被优先腐蚀；
[0008]3) 惰性阳极为空腔形状时，安装阳极导杆的阳极空腔尺寸变差较大，因此惰性阳极内腔与阳极导杆装配时难以完全贴合，致使其接触电阻存在较大差异，从而惰性阳极工作面上的电流密度分布不均匀。
[0009]专利申请号201410294503.4提出陶瓷合金外壳和合金内芯的惰性阳极制备方法，制备过程采用冷等静压成形，将陶瓷合金外壳粉末和精密熔模铸造的合金内芯进行同步烧结，在陶瓷合金外壳粉末烧结成型的同时，合金内芯同步熔化，并使陶瓷合金外壳与合金内芯发生化学反应与原子的相互扩散，形成冶金级结合；由于本专利要求合金内芯的软化温度低于陶瓷合金外壳烧结温度100℃～200℃，合金内芯的熔化温度低于陶瓷合金外壳烧结温度25℃～50℃，长期高温电解使用环境下合金内芯失效的风险较大。
[0010]专利申请号201410294762.7提出“夹心式”惰性阳极结构，由耐蚀陶瓷合金外壳和陶瓷
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金属或合金的导电连接芯体构成；然而该专利制备的耐蚀陶瓷合金外壳与导电连接芯体无法 解决两种材料的热膨胀系数差异的问题导致界面结合力不高，生产成本高。
[0011]专利申请号202110647805.5提出采用3D打印方式实现惰性阳极芯部导电部分为
金属导杆，金属导杆周围包覆金属陶瓷外壳，金属陶瓷外壳为惰性阳极电解工作面；然而该专利的制备过程非常复杂，生产效率低，成本高。

技术实现思路

[0012]为了克服惰性阳极的上述缺陷，本专利技术公开了一种铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极，惰性阳极结构在上部和下部存在陶瓷含量梯度而下部的表里也存在材料差异，与阳极导杆联接的阳极上部为耐蚀高温镍基合金，而铝电解工作面的阳极下部为金属陶瓷，金属陶瓷和镍基合金的过渡部位存在陶瓷含量梯度，而且阳极内部有材质为耐热高温合金的导电芯，导电芯与包裹材料间还存在泡沫镍层；沉积有泡沫镍层的导电芯在梯度金属陶瓷惰性阳极中心从下至上分别被金属陶瓷材料、梯度金属陶瓷材料和高温耐蚀合金材料包裹；金属陶瓷中的陶瓷相为NiFe2O4基陶瓷材料，重量比占65～80%，金属相重量比占20～35%；
[0013]梯度金属陶瓷惰性阳极形状为长方体或上厚下薄的楔形体，即电解工作面为长方形而侧面为长方形或上厚下薄的楔形，侧部和底部的棱边都修成圆角；导电芯横截面为薄长方体或上厚下薄的楔形体，侧部和底部为半圆形；
[0014]本专利技术公开的一种铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极的制备方法，制备方法包括以下步骤：
[0015]1、导电芯准备：
[0016]可选用纯铁、合金钢或耐热高温合金，选择合适厚度的基材，并裁剪成所需尺寸，导电芯前处理和电化学沉积泡沫镍，泡沫镍层厚度为0.2～3.0mm，孔隙率为40
‑
60%。电化学沉积泡沫镍采用挂镀形式，导电基体作为阴极，镍板或镍球作为阳极，电化学沉积技术条件为：电镀液成份为NH4Cl为2.5～3.5mol/l，NiCl2为0.3～0.4mol/l，Ph值为4～4.5，电镀液温度为室温，电流密度1.5～5.5A/cm2。
[0017]2、NiFe2O4基陶瓷粉制备：
[0018]称取要求质量的工业级铁红粉(Fe2O3)和工业级氧化亚镍粉(NiO)，NiFe2O4占质量94～100%，NiO及其他氧化物占质量0～6%，并进行混合，然后进行在烧结炉中进行烧结，烧结温度为1150～1250
°
C，烧结时间为3～5小时，再将烧结料进行破碎。
[0019]3、金属陶瓷造粒粉制备：称取65～80份质量的NiFe2O4基陶瓷粉和20～35份质量的金属粉，再称取0.3～0.6份质量的MnO2，TiO2，V2O5三种氧化物中的一种至二种，进行混合；然后加入PVA水溶液在球磨机中进行球磨6
‑
20小时，再在喷雾干燥机中进行造粒，造粒粉含PVA粘结剂0.5%～1.5%，含水量0.05%～0.15%。
[0020]4、镍基合金造粒粉制备：将耐蚀高温镍基合金粉中加入PVA水溶液在球磨机中进行球磨3
‑
6小时，再在喷雾干燥机中进行造粒，造粒粉含PVA粘结剂0.5%～1.5%，含水量0.05%～0.15%。
[0021]5、陶瓷含量梯度混合粉的造粒粉制备：按NiFe2O4基陶瓷粉、CuNiFe基合金粉和镍基合金粉的不同比例进行计量称重，配制镍基合金粉质量比例不同的混合粉4～6种，并将每种混合粉分别在混料机中进行混料，然后加入PVA水溶液在球磨机中进行球磨6
‑
20小时，NiFe2O4基陶瓷粉比例越高，球磨时间越
长，再在喷雾干燥机中进行造粒，造粒粉含PVA粘结剂0.5%～1.5%，含水量0.05%～0.15%。
[0022]球磨时间与陶瓷相含量相关，陶瓷相含量越高球磨时间越长，即粉末陶瓷相含量越大粒度越小，以便所有粉末具有相同的烧结速度。
[0023]6、导电芯安装和造粒粉叠层铺装：导电芯安装：事先在导电芯上打工艺孔，通过导电芯上的工艺孔与等静压钢模的钢销将导电芯安装在钢模上。
[0024]造粒粉叠层铺装：将预设质量的镍基合金粉、陶瓷含量梯度混合粉，金属陶瓷粉按先后顺序装入橡胶模具中；粉末充填模具后，模具放置于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极，其特征在于：所述梯度金属陶瓷惰性阳极上部为高温耐蚀合金材料，下部表面为金属陶瓷材料，两者过渡部分存在陶瓷含量梯度，所述梯度金属陶瓷惰性阳极中心包裹着沉积有泡沫镍层的导电芯，所述沉积有泡沫镍层的导电芯在梯度金属陶瓷惰性阳极中心从下至上分别被金属陶瓷材料、梯度金属陶瓷材料和高温耐蚀合金材料包裹。2.根据权利要求1所述的铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极，其特征在于：所述梯度金属陶瓷惰性阳极为长方体或上厚下薄的楔形体，即电解工作面为长方形而侧面为长方形或上厚下薄的楔形，侧部和底部的棱边都修成圆角；所述导电芯横截面为薄长方体或上厚下薄的楔形体，侧部和底部为半圆形。3.根据权利要求1所述的铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极，其特征在于：所述高温耐蚀合金为高温耐蚀不锈钢；所述金属陶瓷中的陶瓷相为NiFe2O4基陶瓷材料，质量比占65～80%，金属相为Ni、Cu、Fe或其合金，质量比占20～35%；所述NiFe2O4基陶瓷材料中NiFe2O4占质量93～99%，NiO占质量0～6%及其他氧化物占质量0～1.0%，所述其他氧化物为MnO2，TiO2，V2O5中的一种或二种。4.根据权利要求1所述的铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极，其特征在于：所述导电芯由纯铁、合金钢或耐热高温合金制成，所述导电芯表面沉积的所述泡沫镍包括纯金属镍、镍铁合金和镍铁钴合金，所述泡沫镍层厚度为0.2～3.0mm，所述泡沫镍孔隙率为40
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60%。5.根据权利要求1
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4任意一项所述的一种铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极的制备方法，其特征在于：制备步骤包括：导电芯制备，粉末制备，装料，温等静压成形，压坯脱脂和烧结。6.根据权利要求5所述的铝电解用带导电芯的梯度金属陶瓷惰性阳极的制备方法，其特征在于：导电芯制备包括；选择合适厚度的基材并制成所需尺寸，导电芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建文，
申请(专利权)人：长沙德而昌企业管理咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：