[發明專利]一種制備FeAl-NiO-Fe2O3復合材料金屬陶瓷惰性陽極的燒結工藝

在審

• 申請號: 202111504926.0
• 申請日: 2021-12-10
• 公開（公告）號: CN114032583A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 耿樹江;紀小龍
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C25C3/12
• 分類號: C25C3/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及在鋁電解工業領域，涉及一種利用放電等離子燒結的方式制備復合材料金屬陶瓷惰性陽極及其制備工藝。本發明適用于溫度800℃及以下的電解質體系。在鋁電解的過程中該惰性電極作為陽極，表面會生成氧氣，從而達到消除溫室效應氣體CO₂排放的目的，符合當下保護環境的宗旨。本發明通過使用NiO?Fe₂O₃?FeAl作為原料體系，使用放電等離子法進行燒結，初步成型后在高溫環境中進行氧化，最后陽極樣品內部顆粒會形成鎳鐵尖晶石，而顆粒表面會形成三氧化二鋁的氧化層，樣品表面也會形成氧化物的保護層，從而呈現出較好的抗冰晶石熔鹽腐蝕性能和抗高溫氧化性能，且導電性較好。

技術領域

本發明涉及有色金屬冶金熔鹽電解領域，主要涉及惰性陽極的制備及其鋁電解。

背景技術

目前國內采用生產鋁的方法是冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，這種方法是美國霍爾和法國埃魯特在1886年申請的專利。它的主要原理是把冰晶石作為溶劑，把氧化鋁作為溶質，即冰晶石-氧化鋁熔鹽體系，把優質碳素材料作為陽極和陰極，然后向電解槽中通入直流電，使其在電極上發生電化學反應，陽極產生CO₂和CO，而陰極上的氧化鋁分解成液態金屬鋁。

隨著鋁工業冶煉技術的飛速發展，鋁工業的應用領域和冶煉規模越來越大，人們對于鋁的需求也越來越高，碳素陽極的缺點有很多，其中最迫切解決的缺點是：電解過程中的碳素陽極的消耗，會造成大量材料的浪費，并且需要頻繁的更換電極，會干擾電解槽的熱平衡，同時也需要大量的勞動力;其次電解過程中會排放大量具有溫室效應的CO₂氣體和嚴重致癌的氟化物。

國內鋁電解槽正在向大型化和智能化的方向發展，傳統的碳素陽極已經不能滿足現代鋁工業的發展。因此我們迫切需要尋找一種新型材料。經過多年的研究，我們發現惰性陽極是滿足鋁電解要求的理想電極。惰性陽極指的是在冰晶石熔鹽中陽極本身不會發生消耗或者微消耗的電極。在鋁電解過程中惰性陽極發生的反應為：2Al₂O₃→4Al+3O₂。對比傳統的碳素陽極，惰性陽極有著非常明顯的優點：不會排放溫室效應氣體CO2，保護環境；在鋁電解過程中不被消耗或者微量消耗，因此不會頻繁更換電極，降低了人工成本。這對于生產的連續性和自動化十分有利。

目前國內對于惰性陽極的研究較多，但還是沒有真正意義的應用在實際生產中。傳統單一的氧化物陶瓷導電性能較差，不會被考慮當做惰性陽極的材料，因此添加金屬粉能夠明顯地提高其導電性能。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是針對以上所述的不足，提供一種可用于鋁電解工業的金屬陶瓷惰性陽極，以解決當前鋁電解工業中碳素材料使用過程中污染大和成本高的問題。

(二)技術方案

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

一種通過放電等離子法（SPS）燒結制備的復合材料金屬陶瓷惰性陽極，適用于鋁電解過程中的陽極，是由氧化物和鎳鐵尖晶石以及樣品顆粒表面的保護性氧化層組成。

所述的制備的金屬陶瓷惰性陽極，其特征在于：所述金屬陶瓷惰性陽極燒結前的原料成分的質量百分比為37.13%NiO、26.46%Fe₂O₃和36.41%Fe-Al，燒結方式為放電等離子燒結。

所述的制備完成的金屬陶瓷陽極主要含有氧化鐵、氧化鎳、氧化鋁、鐵酸鋁、鐵鋁金屬間化合物和鎳鐵尖晶石構成。

所述制備材料方案：FeAl粉單獨球磨48h，混入NiO和Fe₂O₃球磨6h，60目標準篩研磨造粒，液壓成型壓力15～20MPa，溫度設定700～800℃，保溫時間6～20min，放入放電等離子燒結爐燒結成型后高溫氧化25h。

所述制備的金屬陶瓷陽極，電解時有較好的導電特性和抗腐蝕性。