專利名稱：一種惰性電極鋁電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔鹽電解法生產(chǎn)金屬，進(jìn)一步而言涉及鋁電解槽。
背景技術(shù)：
電解槽是熔鹽電解法生產(chǎn)鋁的核心設(shè)備。自1886年Hall-Herout發(fā)明鋁電解法以來，100多年里，鋁冶金在技術(shù)、工藝和設(shè)備等各方面都取得了很大進(jìn)展。鋁冶金的核心設(shè)備電解槽，初期曾采用4000-8000A小型電解槽，經(jīng)過多年發(fā)展，目前大型電解槽的電流強(qiáng)度已達(dá)到28-30萬A。使用的電極一般為非惰性的碳素電極，在電解過程中電極本身會被氧化，因此存在諸多問題如消耗大量碳素材料、能量損耗大、環(huán)境污染等。使用惰性電極可在一定程度上解決上述問題。雖然已有中國專利申請件89210028.1號“一種惰性電極的鋁電解槽結(jié)構(gòu)”、03136924.3號“熔鹽電解用盒屬陶瓷惰性陽極及其制備方法”、03126598.1號“鋁電解用梯度功能金屬陶瓷材料”公布了一些涉及惰性電極鋁電解槽的方法，而到目前為止，對惰性電極材料的使用，理論上是可行的，但僅僅在實(shí)驗(yàn)裝置上使用，其關(guān)鍵問題是電極材料難以大型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的一種惰性電極鋁電解槽，以克服非惰性的碳素電極鋁電解槽在生產(chǎn)過程中存在的缺點(diǎn)。
發(fā)明人提供的惰性電極鋁電解槽，是將板狀金屬陶瓷惰性陽極采用并聯(lián)的方式與可潤濕陰極連接，以垂直平行方式配置的惰性電極電解槽。
上述金屬陶瓷惰性陽極是用Fe2O3、NiO或Ni2O3及金屬Al、或Ni、或Cu和添加劑為原料，通過烘干、過篩、混合均勻、冷壓成型、燒結(jié)制導(dǎo)的金屬陶瓷惰性陽極。
上述可潤濕陰極是以TiB2為原料，通過粉碎、過篩，添加樹脂與TiB2粉體混合，加熱攪拌成糊狀，涂抹到碳磚上，燒結(jié)制成的惰性陰極。
金屬陶瓷惰性陽極的具體制法是(1)取Fe2O3、NiO或Ni2O3及金屬Al、或Ni、或Cu和添加劑分別烘干，過篩，按比例混合均勻；(2)將所得到的混合料在250t壓力機(jī)下用1MPa/cm2壓力冷壓成型，制備金屬陶瓷惰性陽極壓坯；(3)將壓坯在硅碳棒爐內(nèi)常壓升溫至1250℃并保溫2～5h進(jìn)行燒結(jié)；(4)冷卻至室溫，得到金屬陶瓷惰性陽極產(chǎn)品。
上述第一步所用的添加劑是液體石蠟、甘油、凡士林、硬脂酸中的一種；所用的添加劑與金屬氧化物、金屬材料的質(zhì)量比例為添加劑/(NiO或Ni2O3+Fe2O3+Cu)＝5％～10％；其中NiO或Ni2O3、Fe2O3、Cu的質(zhì)量配比是NiO 51％～53％，F(xiàn)e2O330％～32％，Cu 16％～18％，或是Ni2O350％～54％，F(xiàn)e2O330％～33％，Cu 15％～17％；添加劑液體石蠟占物料總量的7％。
惰性陰極的具體制法是(1)以TiB2為原料，粉碎后過200目篩；(2)添加樹脂，因樹脂在常溫下呈膠狀，不易與TiB2粉體混合，故作法是先將樹脂加熱液化，按比例倒入TiB2粉，以能濕潤TiB2粉并調(diào)成糊狀為準(zhǔn)，混合均勻；
(3)選擇2cm厚的碳磚作基體，將上述混合料邊加熱邊攪拌充分混合成糊狀，涂抹到碳磚上，厚度為1cm左右；(4)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)升溫曲線在差熱分析基礎(chǔ)上確定，制成惰性電極；(5)在燒結(jié)好的TiB2惰性陰極上掛上鋁液薄膜備用。
發(fā)明人指出選用TiB2作鋁電解惰性陰極材料，是因?yàn)門iB2與鋁液有良好的潤濕性、導(dǎo)電性及優(yōu)越的抗鈉滲透性，在鋁電解槽中可以降低電極電壓，提高電流效率延長鋁電解槽壽命。
通常，添加樹脂的質(zhì)量比例為樹脂/TiB2粉料＝4％～9％，以8％最好。
發(fā)明人還指出，金屬陶瓷惰性陽極雖有較好的抗腐蝕性、抗氧化性能，但機(jī)械強(qiáng)度較差，無法制備大規(guī)格的惰性陽極，需要將小尺寸的金屬陶瓷惰性陽極組裝起來才能用在較大規(guī)模的鋁電解槽中。其組裝方法是將陽極板表面打磨、拋光，并在其上方挖一半圓狀凹槽；鉆孔并打磨光滑；然后并排排列，用2塊不銹鋼板夾住，再用不銹鋼螺栓連接，并以螺母夾緊，得到金屬陶瓷惰性陽極。
惰性金屬陶瓷陽極通過絕緣體置于電解槽上，不銹鋼板一端連接導(dǎo)線做陽極導(dǎo)桿；電解槽鐵殼上焊有一鐵棒連接陰極導(dǎo)線，TiB2陰極嵌入電解槽內(nèi)固定，即與陰極導(dǎo)線連通。陽極與陰極垂直平行放置。以多組上述板狀惰性陽極采用并聯(lián)的方式與可潤濕陰極連接，組成鋁電解槽，通過的電流強(qiáng)度就可以滿足惰性陽極鋁電解工業(yè)電解槽生產(chǎn)的需要。
由于惰性陽極與可濕潤陰極同時使用并垂直配置，電解過程中熔融鋁能很好地濕潤陰極，只要在陰極掛上半3～5mm厚的鋁液薄膜即形成平整穩(wěn)定的陰極，電解時產(chǎn)出的鋁液立即流入電解槽下的匯鋁槽，而不象目前陽陰極上下平行配置的鋁電解槽，需要在陰極上方保存25cm左右的熔融鋁層，由此消除了磁場對電解產(chǎn)生的巨大干擾，可大大減少兩極間距離，從而大幅節(jié)約電能。
本發(fā)明所提供的的惰性電極鋁電解槽與現(xiàn)有技術(shù)的鋁電解槽相比，將意味著Hall-Héroult法鋁電解技術(shù)的一次革命，運(yùn)用惰性電極將有益于降低成本、減少能量的消耗；并且對于環(huán)境而言，從電解槽中釋放出污染環(huán)境的CO2、CF4等氣體可以徹底消除，有利于保護(hù)環(huán)境。本發(fā)明方法還解決了惰性電極大型化的技術(shù)難題。


以下附圖可以更清楚地說明本發(fā)明圖1為惰性電極鋁電解槽裝置示意圖，圖2為惰性陽極采用并聯(lián)的方式與惰性陰極組合的俯視圖，圖3為惰性陽極采用并聯(lián)的方式與惰性陰極組合的側(cè)視圖，圖4為板狀惰性陽極組裝連接示意圖。
上述圖中，1為陰極導(dǎo)桿，2為螺栓，3為絕緣體，4為石墨槽，5為鐵殼，6為TiB2涂層惰性陰極，7為鋁液，8為陽極導(dǎo)桿，9為夾具鋼板，10為電解質(zhì)，11為板狀金屬陶瓷惰性陽極，12為不銹鋼螺栓，13為不銹鋼板。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例 一臺3000A惰性陽極電解槽，如圖1所示，它是將板狀金屬陶瓷惰性陽極11采用并聯(lián)的方式與TiB2涂層惰性陰極6組合，以平行方式配置的高純石墨電解槽。所用的金屬陶瓷采用的陽極11是用Fe2O3、NiO及金屬Cu和液體石蠟為原料，液體石蠟/(NiO+Fe2O3+Cu)＝8％，其中NiO、Fe2O3、Cu的質(zhì)量配比是NiO 52％，F(xiàn)e2O331％，Cu 17％。通過常規(guī)方法用熱風(fēng)烘干、過60目篩、混合均勻、冷壓成型、燒結(jié)制得的金屬陶瓷惰性陽極，其單塊板材尺寸為100×160×15mm。如圖4用3塊經(jīng)表面打磨、拋光、挖半圓狀凹槽、鉆孔等加工，并排排列，用2塊不銹鋼板13夾住，再用不銹鋼螺栓12連接，并以螺母夾緊，擴(kuò)大成300×160×15mm。所用的TiB2涂層惰性陰極6是選擇2cm厚的碳磚作基體，將TiB2粉過200目篩，將樹脂加熱液化，按樹脂/TiB2粉料＝8％的比例倒入TiB2粉，添加樹脂，邊加熱邊攪拌充分混合成糊狀，涂抹到碳磚上，厚度為1cm左右，然后進(jìn)行燒結(jié)，在燒結(jié)好的TiB2陰極上掛上鋁液薄膜制成的。
惰性金屬陶瓷陽極11和TiB2涂層惰性陰極6如圖1，惰性陽極11通過絕緣體3置于電解槽上，夾具不銹鋼板13一端連結(jié)導(dǎo)線和陽極導(dǎo)桿8；電解槽鐵殼5上焊一鐵棒連接陰極導(dǎo)線1，TiB2陰極6嵌入電解槽內(nèi)固定；惰性陽極11與陰極6垂直平行放置。
以6組上述板狀惰性陽極采用并聯(lián)的方式與可潤濕陰極連接，組成如圖2和圖3的鋁電解槽見圖11，通過的電流強(qiáng)度可達(dá)3000A，可以滿足惰性陽極鋁電解工業(yè)小型電解槽生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)的需要。隨著惰性陽極與陰極配置的組數(shù)增加，電解槽容量(電流強(qiáng)度)還可加大。
權(quán)利要求
1一種惰性電極鋁電解槽，它的惰性陽極采用金屬陶瓷惰性陽極，其特征在于該電解槽是將板狀金屬陶瓷惰性陽極采用并聯(lián)的方式與可潤濕陰極連接，以垂直平行方式配置的惰性電極電解槽。
2如權(quán)利要求1所述的惰性電極鋁電解槽，其特征在于所述金屬陶瓷惰性陽極是用Fe2O3、NiO或Ni2O3及金屬Al、或Ni、或Cu和添加劑為原料，通過烘干、過篩、混合均勻、冷壓成型、燒結(jié)制得的惰性陽極。
3如權(quán)利要求2所述的惰性電極鋁電解槽，其特征在于金屬陶瓷惰性陽極的具體制法是(1)按比例取Fe2O3、NiO或Ni2O3及金屬Al、或Ni、或Cu和添加劑分別烘干，過篩，混合均勻；(2)將所得到的混合料在250t壓力機(jī)下用1MPa/cm2壓力冷壓成型，制備金屬陶瓷惰性陽極壓坯；(3)將壓坯在硅碳棒爐內(nèi)常壓升溫至1250℃并保溫2～5h進(jìn)行燒結(jié)；(4)冷卻至室溫，得到金屬陶瓷惰性陽極產(chǎn)品。
4如權(quán)利要求2所述的惰性電極鋁電解槽，其特征在于上述第一步所用的添加劑是液體石蠟、甘油、凡士林、硬脂酸中的一種；所用的添加劑與金屬氧化物、金屬材料和添加劑的質(zhì)量比例為添加劑/(NiO或Ni2O3+Fe2O3+Cu)＝5％～10％；其中NiO或Ni2O3、Fe2O3、Cu的質(zhì)量配比是NiO 51％～53％，F(xiàn)e2O330％～32％，Cu 16％～18％，或是Ni2O350％～54％，F(xiàn)e2O330％～33％，Cu15％～17％；添加劑液體石蠟占物料量總的7％。
5如權(quán)利要求2和3所述的惰性電極鋁電解槽，其特征在于組裝方法是將所述陽極板表面打磨、拋光，并在其上方挖兩個半圓狀凹槽；鉆孔并打磨光滑；然后并排排列，用2塊不銹鋼板夾住，再用不銹鋼螺栓連接，并以螺母夾緊，得到金屬陶瓷惰性陽極。
6如權(quán)利要求1所述的惰性電極鋁電解槽，其特征在于所述可潤濕陰極是以TiB2為原料，通過粉碎、過篩，添加樹脂與TiB2粉體混合，加熱攪拌成糊狀，涂抹到碳磚上，燒結(jié)制成的惰性陰極。
7如權(quán)利要求6所述的惰性電極鋁電解槽，其特征在于所述惰性陰極的具體制法是(1)以TiB2為原料，粉碎后過200目篩；(2)添加樹脂，因樹脂在常溫下呈膠狀，不易與TiB2粉體混合，故作法是先將樹脂加熱液化，按比例倒入TiB2粉，調(diào)成糊狀混合均勻；選擇2cm厚的碳磚作基體，將上述混合料邊加熱邊攪拌充分混合成糊狀，涂抹到碳磚上，厚度為1cm左右；(3)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)升溫曲線在差熱分析基礎(chǔ)上確定，制成惰性電極；(4)在燒結(jié)好的TiB2惰性陰極上掛上鋁液薄膜。
8如權(quán)利要求6和7所述的惰性電極鋁電解槽，其特征在于添加樹脂的質(zhì)量比例為樹脂/TiB2粉料＝4％～9％。
9如權(quán)利要求1所述的惰性電極鋁電解槽，其特征在于所述惰性金屬陶瓷陽極通過絕緣體置于電解槽上，不銹鋼板一端連結(jié)導(dǎo)線做陽極導(dǎo)桿；電解槽鐵殼上焊有一鐵棒連接陰極導(dǎo)線，TiB2陰極嵌入電解槽內(nèi)固定即與陰極導(dǎo)線連接；陽極與陰極豎直平行放置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種惰性電極鋁電解槽，它是將板狀金屬陶瓷惰性陽極以并聯(lián)方式與可潤濕陰極連接，并以垂直平行方式配置的惰性電極電解槽。所用金屬陶瓷惰性陽極是用Fe
文檔編號C25C3/12GK1986898SQ200610051288
公開日2007年6月27日 申請日期2006年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月22日
發(fā)明者吳賢熙, 劉衛(wèi), 張立成, 徐利華 申請人:貴州大學(xué)