[发明专利]用于铝电解的贵金属陶瓷复合涂层惰性阳极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及有色金属熔盐电解领域及金属陶瓷复合材料制备技术，特别涉及低温铝电解惰性阳极及其制备技术。

背景技术

现行Hall-Héroult铝电解的阳极采用碳素材料。碳素阳极的反应为：Al₂O₃+3/2C→2Al+3/2CO₂，导致碳素阳极被大量消耗掉，吨铝消耗的碳阳极超过400kg，使铝电解工业成为高碳工业。在经济上，需要投资建设庞大的碳素阳极工厂，提高了生产成本。在工艺上，由于炭阳极不断消耗可导致极距不稳定，需要复杂的机械装置来调整极距，使铝电解工艺复杂化；还导致电解槽中形成碳渣，增大氟盐的消耗，影响电解槽的稳定运行。在环境保护上，电解反应过程中产生大量的CO₂和少量的CO，以及致癌的CF_n物质，严重污染大气环境，需要配备建设庞大的烟气净化处理系统，造成铝电解的生产成本提高。

由于上述原因，自铝电解工业诞生以来，人们一直在研制惰性阳极，以取代现在通用的炭阳极(即活性阳极)，认为这是铝电解工业的一场革命。铝电解工业采用的惰性阳极，是指那些在目前通用的冰晶石-氧化铝熔盐电解中不消耗或微量消耗的阳极，铝电解的惰性阳极反应为：Al₂O₃→2Al+3/2O₂。研制惰性阳极的重大意义在于：电解过程中电极不消耗，无需附加的碳素加工厂，降低了生产成本；电极不消耗，极距稳定，易于控制，阳极更换次数少，劳动强度降低；可以采用更高的阳极电流密度，使电解槽产能增加；阳极产品为氧气，避免了环境污染，氧气还可以作为副产品，估计回收的氧可能是原铝产品价值的3％。铝锭生产成本可降低约30％。

20世纪80年代以来，惰性阳极的研究主要集中在金属氧化物阳极、合金阳极和金属陶瓷阳极上(刘业翔等编，现代铝电解，冶金工业出版社，2008)。然而，到目前为止世界上仍然没有一家企业采用惰性阳极进行工业化铝电解生产。这是因为，金属氧化物阳极、合金阳极和金属陶瓷阳极都是依靠氧化物或电极表面形成的氧化物具有一定的耐冰晶石-氧化铝熔盐腐蚀性能为前提的。但是除了金和铂等贵金属外，所有的氧化物在冰晶石-氧化铝熔盐都有一定的溶解度，导致电极的腐蚀不能满足工业铝电解质量的要求。正如Donald R.Sadoway所说的，铝电解的惰性阳极研究仍然是人类对极端材料的挑战。他认为，最大的成功希望在于把已有的经验降到最低。(Donald R.Sadoway，Inert Anodes for the Hall-Héroult Cell：The UltimateMaterials Challenge，JOM，May 2001，34-35)。

金和铂等贵金属是理想的惰性阳极材料。由于贵金属价格昂贵，不能在工业中直接用作惰性阳极。但是，将贵金属制备为涂层是利用贵金属特性制造惰性阳极的一个有希望的途径。在发明专利“用于铝生产的贵金属涂覆惰性阳极”(专利公开号：CN 1612776A)中，采用SCX溅射工艺在合金丝表面涂覆贵金属如铂，作为铝电解的惰性电极。该电极在900℃的熔融氟化物中保持17h后，可保持结构完整。但这种涂覆贵金属的惰性电极并没有获得工业应用，表明这种技术仍然存在一些缺点。例如，贵金属涂覆在合金基体上，在铝电解的高温工作环境下合金基体与表面涂覆的贵金属将发生互扩散，形成含贵金属的合金层，此合金层中较活泼的金属元素可发生选择氧化，溶解到熔盐中，在阴极还原出来进入铝产品中；另外涂覆的贵金属层较薄厚度仅为1～10μm，很容易受到磨损、产生划伤，导致合金基体的高速腐蚀。目前普遍的看法是，金和铂等贵金属材料可以在实验室内应用作惰性阳极，但是不适用于工业铝生产(邱竹贤，预焙槽炼铝，冶金工业出版社，2005)。因此，将贵金属制备为涂层，利用贵金属特性制造可以工业应用的惰性阳极还需要新的研究思路和技术途径。

发明内容

本发明目的在于提出一种新型的用于铝电解的贵金属陶瓷复合涂层惰性阳极及其制备方法。该惰性阳极具有贵金属的理想惰性阳极特性，优异的机械性能，长久的使用寿命和较低的综合成本，在铝电解工业中具有广泛的应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于铝电解的贵金属陶瓷复合涂层惰性阳极，由合金基体、合金表面的氧化物薄膜和外层的贵金属-氧化铝复合层构成。

所述惰性阳极的合金基体为Cr含量为10～25％，稀土元素含量0～0.5％的铁基合金或镍基合金，采用铸造成型或机械加工成型；