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一种铝电解槽用阴极二硼化钛涂层制备方法

一种铝电解槽用阴极二硼化钛涂层制备方法

  • 专利类型:发明专利
  • 有效期:2020-06-23至2022-06-23
  • 发布日期:2020-11-23
  • 技术成熟度:详情咨询
交易价格: ¥23000万元
  • 法律状态核实
  • 签署交易协议
  • 代办官方过户
  • 交易成功

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  • 技术(专利)类型 发明专利
  • 申请号/专利号 2018106458064 
  • 技术(专利)名称 一种铝电解槽用阴极二硼化钛涂层制备方法 
  • 项目单位
  • 发明人 段晓华 
  • 行业类别 化学、冶金
  • 技术成熟度 详情咨询
  • 交易价格 ¥23000万元
  • 联系人 朱女士
  • 发布时间 2020-06-23  
  • 01

    项目简介

    本发明公开一种铝电解槽用阴极二硼化钛涂层制备方法。本发明的特点是通过粉体预处理与超音速等离子喷涂技术结合,制备结构致密,成分均匀的涂层,其孔隙率低于1%,电导率高于100S/cm,解决了传统等离子喷涂涂层存在抗热震性差,致密性不足等缺陷。在铝电解槽的阴极应该本发明涂层,一方面能降低铝电解槽的工业电压,提高电流效率;另一方面,能延长工业铝电解槽的使用寿命,改善铝电解产品的质量。

    展开
  • 02

    说明书

    技术领域
    本发明涉及一种铝电解槽用阴极二硼化钛涂层制备方法。
    背景技术
    二硼化铁(TiB2)是六方晶系C32型结构的准金属化合物,其完整晶体的结构参数为在整个晶体结构中,硼原子面和钛原子面交替出现构成二维网状结构,钛原子层紧密堆积,硼原子是六配位并位于钛原子的三角棱柱的中心。其中B-外层有四个电子,每个B-与另外三个B-以共价键相结合,多余的一个电子形成空间离域大Π。TiB2具有可与金属比拟的良好导电性(10-5Ω·m),较强的耐金属铝液和氟化盐熔体腐蚀性能和优良的耐磨性,并且能被金属铝液良好润湿,符合新型电解系统的要求,已被证明是最理想的惰性可润湿性阴极材料之一。采用TiB2惰性可润湿阴极,铝离子可以直接在此惰性阴极上放电而生成铝,槽内仅需在阴极表面保持一层很薄的铝液膜,由此可消除磁场对电解过程的干扰,大大缩短阳极和阴极之间的距离,从而提高电流效率、节省能耗、延长槽寿命。名称为“一种铝电解用硼化钛/氧化铝阴极涂层及制备方法”(CN1245538C)的发明专利采用TiB2与Al2O3为主要原料,利用有机树脂的热固性,在铝电解用阴极表面制备TiB2/Al2O3涂层。名称为“具有硼化钛-碳涂层的电解阴极及其制备方法(ZL201110274580.X)”的专利公开了一种具有硼化钛-碳涂层的电解阴极,其特征在于涂层主要包括TiB2、环氧树脂、,二乙烯三胺、碳纤维与石墨粉。同样,需将上述原料充分混合后涂于阴极表面,然后加热固化。名称为“一种常温固化铝电解用硼化钛阴极涂层”(CN1245537C)的发明专利采用平均分子量高的呋喃树脂、复合环氧树脂及固化剂为主要原料,在炭素阴极上常温固化制备TiB2涂层,免去了高温固化所需的加热设备及人力物力,大大降低了应用成本。但是,将TiB2涂覆于碳阴极的表面并使其固化存在不少的问题,一来涂覆和高温固化会散发有害气体,侵蚀害操作工人,污染环境。另外,涂覆的涂层与阴极结合差,涂层厚度与均匀性难以控制。发明专利“用等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法”(ZL201210321048.3)采用大气等离子喷涂技术来制备铝电解槽TiB2阴极涂层,该发明能有效提高涂层制备效率,控制涂层厚度。然而,喷涂粒子在堆积形成涂层过程中,不可避免地产生裂纹,涂层孔隙率较高,难以抵御电解熔盐的腐蚀。此外,喷涂过程中熔融粒子易与周围空气接触发生氧化,降低涂层的导电性能。一般而言,粒子飞行速度越高或喷涂温度越高,涂层质量越好,致密性越高。超音速等离子喷涂利用“非转移型”等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”得到稳定聚集的超音速等离子焰流,它保留了普通等离子喷涂焰流温度高(可达10000℃)的优点并提高了喷涂粒子的飞行速度(可达600m/s以上),制备高溶点氧化物陶瓷涂层具有明显的优势。但是,无法解决二硼化钛涂层制备过程中的粒子氧化问题。
    发明内容
    本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷或不足,通过粉体预处理与超音速等离子喷涂技术结合,制备结构致密,成分均匀的涂层,其孔隙率低于1%,电导率高于100S/cm。解决了传统大气等离子喷涂涂层存在抗热震性差,致密性不足等缺点。在铝电解槽的阴极应用本发明涂层,一方面能降低铝电解槽的工业电压,提高电流效率;另一方面,能延长工业铝电解槽的使用寿命,改善铝电解产品的质量。本发明是通过以下技术方案实现的:(1)将TiB2粉体置于特定气氛中热处理,然后将其分散于去离子水中,依次加入无机助剂、分散剂及粘结剂,机械球磨分散4~8小时,配置成稳定的浆料;(2)将上一步获得的浆料通过高速离心喷雾造粒,获得团聚粉末,然后在真空条件下进行烧结处理;(3)将铝电解槽阴极表面去污清洗,以步骤(2)的烧结粉末为喂料,通过机械手臂控制超音速等离子体喷枪均速移动,在阴极表面形成涂层。所述的TiB2粉体是碳热还原法、金属热还原法、高温自蔓延法、熔盐电解法、溶胶-凝胶法合成的一种或几种的混合物,平均粒度为3~5μm。所述的步骤2的热处理是将TiB2粉体选择性输送到氧化气氛下的气态流化循环处理0.5~4小时,处理温度为200~600℃,气流量为100~500L/h。所述的无机助剂是氧化钇、氧化铈、氧化镧的一种或几种的混合物,平均粒度为3~5μm。所述的浆料的组分与质量比为:TiB2粉体20~40%,助剂0.1~10%,分散剂0.1~5%,粘结剂0.1~20%,余量为去离子水。所述的团聚粉末结构松散,粒径为15~40μm。所述的烧结处理条件为:真空度优于10-5Pa,温度为1000~1500℃,时间为2~4h。所述形成涂层的参数为:喷涂净功率为30~60kW,压缩空气/丙烷混合气体的压力为0.4~0.6MPa,送粉载气量2~5L/min,喷枪与阴极距离为150~250mm,喷枪的移动速度为800~1000m/s。所述的铝电解槽用阴极二硼化钛涂层,组分由TiB2、TiO2及助剂构成,其中TiB2质量比>95%。本发明的有益效果:解决了传统大气等离子喷涂涂层存在抗热震性差,致密性不足。本发明制备的涂层结构致密,成分均匀的涂层,其孔隙率低于1%,电导率高于100S/cm。在铝电解槽的阴极应用本发明涂层,一方面能降低铝电解槽的工业电压,提高电流效率;另一方面,能延长工业铝电解槽的使用寿命,改善铝电解产品的质量。
    具体实施方式
    实施例1(1)将高温自蔓延法合成的TiB2粉体输送到氧化气氛下的气态流化循环处理2小时,处理温度为300℃,气流量为100L/h。然后,取200克处理后的TiB2粉体置于去1000克去离子水中,依次加入2克氧化铈,10克乙二醇,5克单宁酸,机械球磨分散4小时,配置成稳定的浆料;(2)将上一步获得的浆料通过高速离心喷雾造粒,获得团聚粉末,然后,置于真空炉中,抽真空至10-5Pa,1500℃烧结2h。(3)将铝电解槽阴极表面去污清洗,以步骤(2)的烧结粉末为喂料,通过机械手臂控制超音速等离子体喷枪均速移动,在阴极表面形成涂层。形成涂层的参数为:喷涂净功率为35kW,压缩空气/丙烷混合气体的压力为0.4MPa,送粉载气量5L/min,喷枪与阴极距离为150mm,喷枪的移动速度为1000m/s。将所制得的涂层进行测试,得出以下数据:涂层孔隙率为0.87%,电导率为137S/cm。该涂层用于电解铝后,阴极腐蚀与电解质的渗透降低,阴极压降较对比槽平均降低100mV,电流效率提高1.5%。实施例2(1)将高温自蔓延法合成的TiB2粉体输送到氧化气氛下的气态流化循环处理1小时,处理温度为400℃,气流量为100L/h。然后,取250克处理后的TiB2粉体置于去1000克去离子水中,依次加入2克氧化铈,20克聚乙烯醇,7克十六烷基硫酸钠,机械球磨分散6小时,配置成稳定的浆料;(2)将上一步获得的浆料通过高速离心喷雾造粒,获得团聚粉末,然后,置于真空炉中,抽真空至10-5Pa,1400℃烧结2h。(3)将铝电解槽阴极表面去污清洗,以步骤(2)的烧结粉末为喂料,通过机械手臂控制超音速等离子体喷枪均速移动,在阴极表面形成涂层。形成涂层的参数为:喷涂净功率为35kW,压缩空气/丙烷混合气体的压力为0.4MPa,送粉载气量5L/min,喷枪与阴极距离为150mm,喷枪的移动速度为1000m/s。将所制得的涂层进行测试,得出以下数据:涂层的孔隙率为0.82%,电导率为143S/cm。实施例3(1)将碳热还原法合成的TiB2粉体输送到氧化气氛下的气态流化循环处理0.5小时,处理温度为600℃,气流量为100L/h。然后,取250克处理后的TiB2粉体置于去1000克去离子水中,依次加入2克氧化钇,10克对甲基苯胺聚合物,5克十八烷基三甲基溴化胺,机械球磨分散8小时,配置成稳定的浆料;(2)将上一步获得的浆料通过高速离心喷雾造粒,获得团聚粉末,然后,置于真空炉中,抽真空至10-5Pa,1400℃烧结2h。(3)将铝电解槽阴极表面去污清洗,以步骤(2)的烧结粉末为喂料,通过机械手臂控制超音速等离子体喷枪均速移动,在阴极表面形成涂层。形成涂层的参数为:喷涂净功率为40kW,压缩空气/丙烷混合气体的压力为0.5MPa,送粉载气量5L/min,喷枪与阴极距离为150mm,喷枪的移动速度为1000m/s。将所制得的涂层进行测试,得出以下数据:涂层的孔隙率为0.75%,电导率为156S/cm。应当指出,上述实施方式可以使本领域的技术人员更全面的理解本发明,但不以任何方式限制本发明。因此,尽管本说明书对本发明已进行了详细说明,但是,本领域技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或者等同替换;而一切不脱离本发明实质的技术方案及其改进,均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

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