[发明专利]一种氧铝联产电解用非碳阳极材料

说明书

本发明属于铝电解技术领域，公开了一种氧铝联产电解或无碳铝电解用非碳阳极材料。所述材料阳极是由氧化物陶瓷相与合金相构成的合金陶瓷；合金相含量为21％～49％，如果合金相中如果含铁，那么陶瓷相中的除了镍铁氧体NiFe₂O₄或Ni_xFe_3‑xO₄，必须有比铁更活跃的元素氧化物，可以与铁氧化后形成复合氧化物；如果合金相中不含铁或微量铁，则那么陶瓷相中的除了镍铁氧体NiFe₂O₄或Ni_xFe_3‑xO₄，必须有过量的铁氧化物，与合金相中镍元素氧化后通过以下化学反应形成复合铁酸盐化合物，从而与已有陶瓷相成分一起原位形成致密耐腐蚀氧化物膜。在长期和工业电解过程中所生成的氧化膜足够薄与致密，不会起皱、起皮、起壳、断裂与脱落而失效。

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，涉及氧铝联产电解或无碳铝电解非碳阳极材料，特别涉及用于制备“惰性”或“不消耗”的非碳阳极或合金陶瓷材料。

背景技术

现行Hall-Herout铝电解槽采用消耗性碳素阳极，不仅消耗大量以优质石油焦为主体的炭素材料，排放大量温室效应气体CO₂、强温室气体碳氟化合物(CF₄、C₂F₆)、SO₂，而且在现行铝电解过程中，需要不断地更换预焙阳极碳块，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；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，这些都是PM2.5的主要来源之一；此外，采用碳素阳极也是现行铝电解工艺的高能耗、高成本等问题的主要原因。

采用非碳阳极或称惰性阳极实现氧气与原铝联产电解新工艺，可以解决上述排放与污染问题，并可提高生产效率、减少占地面积、降低生产成本，而成为国际铝业界和材料界的关注焦点和研究热点。非碳阳极使用在氧铝联产电解过程中有以下优点：(1)电解过程中电极几乎不消耗，材料消耗量不到碳阳极的百分之一，无需附属的炭素加工厂和碳阳极组装厂，降低了生产成本，消除了由炭素阳极生产与使用带来的环境影响与污染；(2)电极不消耗，极距稳定，易于控制，阳极更换频率减少十倍以上，劳动强度和职业风险大为降低；(3)可以采用更高的单位体积电流，使电解槽产能增加；(4)阳极产品为氧气，避免了环境污染，氧气还可以作为副产品。

非碳阳极的这一系列优点，使得研制出合适的非碳阳极成为改善传统铝生产方法的重要一环。但是非碳阳极在氧铝联产电解的环境下必须耐受电解质的腐蚀，溶解度小；能耐受新生态氧的渗蚀作用；有良好的导电性(电阻率≤碳阳极)；机械强度高，抗热震性强，不易脆裂；易于与金属导体连接；长期稳定性；原料易于得到，而且价廉。

早期人们曾经考虑用纯氧化物陶瓷材料来做非碳阳极，如专利US3562135、US3718550、US3930967、US3960678、US3974046、US4098669、US4039401、US4357226等，但导电性不易满足，且机械强度差、抗热震性极差，极易脆裂，显然纯陶瓷材料不适宜于高温下的氧铝联产电解环境。

人们也曾经考虑过采用合金材料来做非碳阳极，在阳极氧化过程中形成致密氧化物膜来抵御阳极溶解与电解质的腐蚀，如专利CN201310670401.3、CN021149853A、US2005/0205431A1等，但由于金属与其氧化物的单位摩尔体积、膨胀系数等差别以及膜生成元素来不及扩散等因素，随着电解的长期运行，金属表面氧化物膜层会逐步持续增厚，氧化物膜层成分也可能会发生变化，膜层应力累积，最终导致膜层起皱、起壳、破裂不能形成完整致密的保护膜而造成非碳阳z极溶解腐蚀失效。另外，合金阳极也可能因为氟化而钝化。