一種鋁電解惰性陽極的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種鋁電解惰性陽極，惰性陽極的材料是高熵合金，高熵合金含有5-10種合金元素，各元素的摩爾比可以相同，也可以不同，每種主元的原子百分比介于5%和35%之間。該高熵合金惰性陽極具有抗高溫氧化能力強、耐鋁電解熔鹽腐蝕性高、導電性高等特點。采用熔煉方法制備，具有工藝簡單、成本低、易連接。用于鋁電解可以避免炭素陽極的消耗和CO2氣體的排放，具有節約能源、減少排放的優點。
【專利說明】—種鋁電解惰性陽極
【技術領域】
[0001]本發明屬于鋁電解【技術領域】，涉及一種鋁電解惰性陽極，具體涉及一種采用高熵合金制備的惰性陽極材料。
【背景技術】
[0002]原鋁的生產一直采用Hall-Mrout法，反應過程要不斷消耗炭素陽極，同時排放溫室氣體CO2以及致癌碳氟化合物。鋁電解工業是耗能和排放大戶，造成嚴重的環境污染，面臨著節能減排的嚴峻挑戰。
[0003]鋁電解采用惰性陽極時的反應產生的氣體是氧氣。不但不會污染環境，還可以作為副產品加以利用。自Hall-H6rout法發明以來，人們就一直在探索惰性陽極，但在20世紀80年代以前進展不大。80年代后由于能源緊張，環境保護日益受到重視，世界主要產鋁國都加快了惰性陽極的研發，惰性陽極已成為鋁電解工業技術進步的關鍵技術之一。
[0004]鋁電解惰性陽極的工作條件極其惡劣，要耐受高溫電解質的腐蝕、在熔體中的溶解度要低，能耐受新生氧原子的氧化，要有良好的導電性能、抗熱震性、不易脆裂，容易加工成型，易與金屬導桿連接，原料易得且價低。目前，研究的惰性陽極材料主要有氧化物陶瓷、傳統合金和金屬陶瓷，氧化物陶瓷有優異的耐腐蝕性能，但其導電性差、易脆裂、難以與金屬導桿連接，已逐漸被淘汰。目前的研究主要集中在合金和金屬陶瓷兩大類。中國專利ZL00814882.UZL200510047669.7、Ζ103132536.X等均發明了不同類型金屬陶瓷惰性陽極，中國專利ZL03801990.6發明了貴金屬涂覆惰性陽極，但其成本高。傳統合金惰性陽極具有強度高、導電性能好、抗熱震性能好、不易脆裂，易與金屬導桿連接等優點，但耐電解質腐蝕性能不夠。金屬陶瓷陽極耐腐蝕能力高，但抗熱震性差、與導電桿連接困難。因此，目前惰性陽極在鋁電解工業中尚未得到應用。
`[0005]高熵合金是一種設計理念完全不同于傳統合金的新型合金體系，它們是由5種或5種以上的合金元素組成，每種合金元素的含量在5%_35%之間，經常是等摩爾比或在等摩爾比的基礎上進行適當調整而形成非等摩爾比。高熵合金中各主元原子排列無序混亂，晶格嚴重扭曲，混合熵很高，原子不易擴散，具有很高的強度、耐回火軟化能力、耐腐蝕性能、抗高溫氧化和高溫腐蝕能力。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題，在于提供一種鋁電解惰性陽極，解決傳統合金惰性陽極耐腐蝕性能不足，金屬陶瓷惰性陽極抗熱震性差、難以連接等問題。
[0007]本發明是這樣實現的:
[0008]一種鋁電解惰性陽極，所述惰性陽極的材料是高熵合金。
[0009]進一步地,所述的高熵合金的組成元素包括Fe、Cr、N1、Co、Cu、Al、Mo、Nb、Mn、T1、V、Zr、Ta的5種到10種。
[0010]進一步地，所述高熵合金的組成元素為等摩爾比，也可以非等摩爾比。[0011]進一步地,所述的高熵合金的組成元素還包括C、B或Si。
[0012]進一步地，所述的高熵合金的組成元素的原子比為5%~35%。
[0013]進一步地，所述的惰性陽極采用真空電弧爐或感應爐熔煉法制備。
[0014]本發明還提供一種惰性陽極制備方法，所述方法用于制備上述的一種鋁電解惰性陽極，包括如下步驟:取鋁電解惰性陽極的組成元素的原料，清除原料的雜質，烘干，將原料放入真空電弧爐或真空感應熔煉爐中，其中低熔點原料放在底部，抽真空，真空度達到預設值后，對于電弧爐則起弧熔煉，使得原料熔化成合金，冷卻后將合金錠翻過一面，再次熔煉，反復熔煉4次；對于真空感應爐熔煉，開始加熱，待合金熔化后保溫IOmin ;最后澆注入鑄模中，形成鑄錠，再用線切割或機械加工方式將鑄錠加工成惰性陽極所需的尺寸。
[0015]以及本發明還提供一種鋁電解裝置，包括惰性陽極和陰極，所述的惰性陽極為上述的一種鋁電解惰性陽極。
[0016]進一步地,所述陰極為聞純石墨，還包括石墨樹禍、電解質，所述石墨樹禍內側為剛玉，所述電解質的成分為Na3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3-NaCl。
[0017]本發明具有如下優點:充分利用高熵合金抗高溫氧化和抗高溫腐蝕性能優異的特點，具有導電性能高、加工性能好、抗高溫氧化和高溫腐蝕性高、易連接等優點。同時電解時避免陽極的消耗，避免了碳素 陽極的大量消耗和陰極排放大量的CO2氣體，具有節能減排的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]下面參照附圖結合實施例對本發明作進一步的說明。
[0019]圖1為本發明的惰性陽極電解鋁示意圖。
[0020]標號說明:1、熱電偶，2、保溫爐蓋，3、加熱爐，4、陰極，5、石墨坩堝，6、剛玉絕緣內襯，7、陽極導桿，8、氧化鋁加料管，9、高熵合金惰性陽極，10、冰晶石熔鹽電解質，11、液鋁，12、碳素陰極。
【具體實施方式】
[0021]請參閱圖1所示，以下將對本發明進行詳細說明。
[0022]本發明采用高熵合金制備鋁電解惰性陽極，設計了高熵合金成分設計、合金熔煉與加工、鋁電解，具體實施步驟如下:
[0023]1.高熵合金成分設計:根據高熵合金成分設計原則設計化學成分，轉換成質量百分比。高熵合金惰性陽極材料的元素含Fe、Cr、N1、Co、Cu、Al、Mo、Nb、Mn、T1、V、Zr、Ta中的至少5種，每種合金元素的摩爾比可以相同，也可以不同。如果不同，每種元素的原子比在5%-35%之間。為了進一步調整或改善性能可以加入非金屬或半金屬元素C、B、Si。如合金的成分為 AlFeCoCrNi，Al0.5FeCoCrNi，AlFeCoCrNiTiMo, FeCoCrCuNi，AlFeCoCrNiSi0.2,AlFeCoCrNiB0.5, AlFeCoCrNiMoV 等等。
[0024]2.高熵合金的熔煉:高熵合金的原料最好為純度大于99%的合金元素，高熵合金的組成元素可以以合金形式加入。根據成分稱量熔煉合金所需的各個元素質量，清除表面氧化物等雜質，烘干。將合金元素放入真空電弧爐或真空感應熔煉爐中(低熔點元素放在底部)，抽真空。真空度達到一定值后，對電弧爐熔煉爐則起弧熔煉，至合金完全熔化，冷卻后將合金錠翻過一面，再次熔煉，反復熔煉4次，以保證合金成分均勻。對真空感應爐熔煉，開始加熱，待合金熔化后保溫lOmin，以促進成分均勻，然后澆注入鑄模中。
[0025]3.用線切割或機械加工方式將鑄錠加工成惰性陽極所需的尺寸，清洗干凈后與導電桿連接。
[0026]4.按圖1所示的電解裝置進行連接，惰性陽極接直流電源正極，陰極米用聞純石墨，石墨樹禍內側用剛玉絕緣，以提聞電流效率。電解質的組成為Na3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3-NaCl,分子比為 L 5 ~2.2，溫度為 800 ~1000°C，電流密度 1.0 ~
1.2A/m2。每隔20min加入一定量的A1203。
[0027]雖然以上描述了本發明的【具體實施方式】，但是熟悉本【技術領域】的技術人員應當理解，我們所描述的具體的實施例只是說明性的，而不是用于對本發明的范圍的限定，熟悉本領域的技術人員在依照本發明的精神所作的等效的修飾以及變化，都應當涵蓋在本發明的權利要求所保護 的范圍內。
【權利要求】
1.一種鋁電解惰性陽極，其特征在于:惰性陽極的材料是高熵合金。
2.根據權利要求1所述的一種鋁電解惰性陽極，其特征在于:所述的高熵合金的組成元素包括 Fe、Cr、N1、Co、Cu、Al、Mo、Nb、Mn、T1、V、Zr、Ta 的 5 種到 10 種。
3.根據權利要求2所述的一種鋁電解惰性陽極，其特征在于:所述高熵合金的組成元素為等摩爾比。
4.根據權利要求2所述的一種鋁電解惰性陽極，其特征在于:所述高熵合金的組成元素為非等摩爾比。
5.根據權利要求2所述的一種鋁電解惰性陽極，其特征在于:所述的高熵合金的組成元素還包括C、B或Si。
6.根據權利要求2所述的一種鋁電解惰性陽極，其特征在于:所述的高熵合金的組成元素的原子比為5%~35%。
7.根據權利要求1所述的一種鋁電解惰性陽極，其特征在于:所述的惰性陽極采用真空電弧爐或感應爐熔煉法制備。
8.一種惰性陽極制備方法，所述方法用于制備如權利要求1到7所述的一種鋁電解惰性陽極，其特征在于:包括如下步驟:取鋁電解惰性陽極的組成元素的原料，清除原料的雜質，烘干，將原料放入真空電弧爐或真空感應熔煉爐中，其中低熔點原料放在底部，抽真空，真空度達到預設值后，對于電弧爐則起弧熔煉，使得原料熔化成合金，冷卻后將合金錠翻過一面，再次熔煉，反復熔煉4次；對于真空感應爐熔煉，開始加熱,待合金熔化后保溫IOmin ；最后澆注入鑄模中，形成鑄錠，再用線切割或機械加工方式將鑄錠加工成惰性陽極所需的尺寸。
9.一種鋁電解裝置，包括惰性陽極和陰極，其特征在于:所述的惰性陽極為如權利要求I到7所述的一種鋁電解惰性陽極。
10.根據權利要求9所述的一種鋁電解裝置，其特征在于:所述陰極為高純石墨，還包括石墨坩堝、電解質，所述石墨坩堝內側為剛玉，所述電解質的成分為Na3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3-NaCl。
【文檔編號】C25C3/12GK103757661SQ201410034858
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2014年1月24日
【發明者】戴品強, 唐群華, 洪麗華, 田君, 馬立安 申請人:福建工程學院