[發(fā)明專利]一種鋁電解槽用TiB2/C梯度陰極材料的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910012255.9
• 申請日: 2009-06-26
• 公開（公告）號: CN101608321A
• 公開（公告）日: 2009-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張廷安;豆志河;牛麗萍;劉燕;任曉冬;蔣孝麗;赫冀成
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: C25C3/08
• 分類號: C25C3/08
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司
• 代理人: 梁 焱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電解鋁技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及鋁電解槽陰極材料的制備方法。

背景技術(shù)

霍爾-埃魯特電解法生產(chǎn)鋁存在如下缺點：1.采用消耗式碳素陽極進行生產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)碳的消耗大(500～600kg/t-Al)；2.環(huán)境污染嚴重，排放大量的CO₂(1.17t/t-Al)及致癌物質(zhì)碳氟化合物等；3.陰極的鋁液潤濕性差，為了避免鋁液的波動采用高極距操作，電能消耗高(14000～15000kwh/t-Al)；4.單室水平式電極，生產(chǎn)成本高，單位面積的產(chǎn)率低。基于以上原因，國內(nèi)外鋁工業(yè)界擬發(fā)展一種新型的鋁電解槽，這種鋁電解槽的特點在于：變消耗性碳陽極為不消耗性惰性陽極；變不為液態(tài)鋁潤濕的陰極為可潤濕性陰極，實現(xiàn)低極距操作；變單室為多室，提高生產(chǎn)率。新型電解槽得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)是惰性陽極和可潤濕性陰極的研究成功，只有兩者合用，才有可能降低極距，穩(wěn)定生產(chǎn)，使電能消耗達到10000～11000kwh/t-Al，達到降低能耗，消除污染，降低成本的目標。目前，國內(nèi)外鋁工業(yè)界都在加緊對惰性陽極和惰性可潤濕性陰極的研究和開發(fā)，由于新型電解槽的設(shè)計和開發(fā)必須建立在惰性陽極和惰性可潤濕性陰極上。其中惰性陽極材料目前還處在實驗室階段，離大工業(yè)化應(yīng)用尚有一段距離。而可潤濕性陰極的發(fā)展較快，部分已在工業(yè)上進行了應(yīng)用。

惰性可潤濕性陰極具有以下優(yōu)點：由于熔融鋁與這種陰極表面能夠很好地潤濕，因此不需要在陰極上保存20cm左右的熔融鋁層，僅僅掛上一層3～5mm厚的鋁液膜即可形成平整穩(wěn)定的陰極，由此消除了磁場對電解生產(chǎn)的巨大干擾，并能顯著減低兩極間的距離，從而大幅度地節(jié)約電能。理想的惰性可潤濕陰極必須滿足以下幾點：為熔融的鋁液所潤濕；不溶于電解質(zhì)和鋁液中，能耐高溫和氟化物熔鹽與熔鋁的腐蝕；有良好的導(dǎo)電性；有高的機械強度和抗熱沖擊能力；容易加工成型，三維尺寸穩(wěn)定。能滿足惰性陰極要求的材料不多，主要是耐火硬質(zhì)金屬材料中鈦、鋯化合物比較適合，其中尤以二硼化鈦材料為好。研究表明：TiB₂/C復(fù)合陰極材料中TiB₂的含量在10～30％(質(zhì)量分數(shù))時會加速鋁液開始潤濕的速率；TiB₂含量為40-70％時，陰極材料與鋁液具有良好的潤濕性；TiB₂含量大于70％時，材料與鋁液完全潤濕。當(dāng)TiB₂含量為37％時，基本滿足鋁電解需要。而目前所研究和使用的惰性可潤濕性陰極都存在著一些難以克服的缺點，例如，由于制作工藝和成本的原因，純TiB₂實體陰極的使用受到了限制。

傳統(tǒng)的TiB₂涂層陰極材料是將純的TiB₂涂敷在碳塊基體上，由于涂層與基體間結(jié)合力不夠，使用過程中涂層脫落嚴重、使用壽命短以及抗電解質(zhì)侵蝕能力不理想等缺陷(如專利ZL02108199.9)。傳統(tǒng)的TiB₂復(fù)合層陰極材料是將含有TiB₂、粘結(jié)劑、石墨碎的復(fù)合糊料與碳塊基體一體成型制備而成的(如專利：ZL200410100977.7，專利申請：200710192546.1)。這種陰極材料同樣存在著基體與TiB₂復(fù)合層之間的熱失配問題，通常為了提高其使用壽命，復(fù)合層需要做的很厚，TiB₂的含量通常在60％～70％以上，成本很高，且沒有從根本上解決碳塊陰極材料所存在的使用壽命短、電解質(zhì)侵蝕嚴重等問題。