专利名称：一种Fe基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极及其制备方法
技术领域：
本发明涉及有色金属冶金熔盐电解领域，主要研制一种铝、稀土和镁等电解工业阳极材料及其制备方法。
背景技术：
目前铝电解工业采用的是霍尔-埃鲁法，阳极都是碳素阳极(也叫石墨阳极)。电解时，阳极碳被氧化而消耗，电极反应为。再者，阳极气体二次反应，消耗更多阳极碳，产生大量有毒CO气体。每生产一吨铝，理论上消耗碳量444公斤，铝厂的实际消耗在600公斤左右，因优质碳素材料用量越来越大，价格上涨，阳极成本大约占铝生产成本的17～22％。
现有的消耗性碳素阳极存在的缺点是(1)、消耗大量的优质焦炭、石油焦；(2)、排放大量的温室气体和有毒气体，如CF4、CF6、PNAH多环芳香烃(阳极生产过程产生)、易挥发有机物VOC、HF、SOx、COS和NOx；(3)、阳极更换费用高、劳动强度大；(4)、单位产能一次性投资大。
3、技术方案本发明提供一种Fe基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极及其制备方法，其目的在于解决铝电解的生产过程中阳极碳被氧化而消耗及生产环境的污染等方面存在的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的阳极材料为下列的单一金属或它们的合金与金属氧化物所形成的复合材料；单一金属或合金由铁、镍、钴、铬、钛、铜和银或它们形成的合金构成。
金属氧化物为氧化铝(包括α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3、δ-Al2O3、ε-Al2O3、η-Al2O3、ζ-Al2O3型氧化铝)或氧化铝与稀土氧化物(氧化铈、氧化镧、氧化镨)。
阳极材料的含量分别为，单一金属或合金质量百分比8～95％，氧化铝质量百分比5～87％，稀土氧化物质量百分比0～5％。
合金构成包括铁、镍、钴、铬、钛、铜和银的单一金属、二元合金、三元合金或多元合金。
将单一金属或合金与金属氧化物混合，通过粉末冶金的方法制作铝电解阳极材料，即单一金属或合金和氧化物粉充分球磨后，混合并在粘结剂的作用下，常温冷压合成，并在氧化物烧结温度范围内烧结制备阳极；或单一金属或合金和氧化物粉充分球磨后，合金粉与金属氧化物充分混合后直接热压成型。
金属粉或金属合金粉按一定的球料比的工况下球磨，以达到200目粒度；氧化铝粉按一定的球料比的工况下球磨，使粒度达到5～45μ。
合金粉与金属氧化物采用直接热压成型温度范围在1050-1500℃之间。
以水或聚乙烯醇作为粘结剂。
本发明主要特点是在使用过程中阳极不参与电极反应，阳极产物是氧气，且还有以下优点1、实现绿色生产的同时副产品O2可以产生经济效益；2、配合可湿润阴极可大幅降低槽电压，实现节能效果。
本发明基于目前世界铝工业发展重点和热点，在大量实验研究的基础上研制成功的铁、镍、钴、铬、钛、铜和银高温合金基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极。目的在于替代目前使用的消耗性碳素阳极，实现节能、环保、单位产能投资的巨大效益。提升我国铝电解工业的快速、高效、绿色环保发展。
4、实施方式阳极材料的研制通过以下步骤和途径实现由氧化铝烧制的刚玉在电解质熔盐中抗腐蚀性能优良，但不导电，本发明基于氧化铝刚玉的耐腐蚀性，添加抗氧化耐腐蚀的高温合金成分，在氧化铝的烧结温度范围内烧结而成″导电刚玉″。所制得的阳极材料具有优良的导电性，与电源连接方便，材料来源广泛、价廉、制作成本低、利于工业化大规模使用。
本发明阳极材料制作，冷压法包括备料、混料、成型、烧结四步，热压法包括备料、混料、热压成型三步。
备料金属粉或金属合金粉(Cu、Fe、Ni、Co、Ti或它们的合金)，球磨48小时，达到200目粒度，球∶料∶乙醇＝2∶1∶1；氧化铝粉球磨72小时以使粒度达到5～45μ，球∶料∶去离子水＝3∶1.5∶1。
混料烘干后以水或聚乙烯醇作为粘结剂均匀混料，放置20小时。
成型包括冷压成型注浆成型，冷压成型条件在常温200-500MPa，注浆成型在特定形状模具中制作。
烧结冷压和注浆制得的样品在常温下自然干燥后，在烧结温度范围内的惰性气氛中烧结一到三小时，然后在惰性气氛保护下随炉温冷却20小时到室温。
采用热压直接成型时，热压温度1050-1500℃。
以下列出实例，以说明本发明的效果。
取氧化铝粉40克，合金60克(Fe∶Ni∶Co＝4∶3∶2)，按上述方法制得阳极，以高纯石墨做阴极，在850℃时，阳极电流密的1.0安培每平方厘米，摩尔分子比1.8的3.0％氧化铝浓度的电解质组成为NaF-AlF3-NaCl-CaF-Al2O3中进行了长达数十小时的电解应用。电解时，阴阳极垂直插入加有刚玉内衬的石墨坩埚，极距3.6厘米。测试结果表明，电解过程槽平稳，槽压4.5～4.9伏特，铝电解过程阳极腐蚀速率低，铝产品质量达到98.6％。解决了金属基惰性阳极电解过程合金成分对产品的污染问题。
电解过程的总电极反应可写为电解过程中，阳极周围产生大量的气体，根据阳极结构成分和电解质的组成，释放出O2。电解结束后，阳极腐蚀程度很小，暴露于空气中的阳极氧化腐蚀更小。
权利要求
1.一种Fe基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极，其特征在于阳极材料为下列的单一金属或它们的合金与金属氧化物所形成的复合材料；单一金属铁、镍、钴、铬、钛、铜和银或它们形成的合金构成。
2.根据权利要求1所述的一种Fe基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极，其特征在于金属氧化物为氧化铝(包括α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3、δ-Al2O3、ε-Al2O3、η-Al2O3、ζ-Al2O3型氧化铝)或氧化铝与稀土氧化物(氧化铈、氧化镧、氧化镨)。
3.根据权利要求1所述的一种Fe基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极，其特征在于阳极材料的含量分别为，单一金属或合金质量百分比8～95％，氧化铝质量百分比5～87％，稀土氧化物质量百分比0～5％。
4.根据权利要求1所述的一种Fe基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极，其特征在于合金构成包括铁、镍、钴、铬、钛、铜和银的单一金属、二元合金、三元合金或多元合金。
5.一种Fe基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极的制备方法，其特征在于将单一金属或合金与金属氧化物混合，通过粉末冶金的方法制作铝电解阳极材料，即单一金属或合金和氧化物粉充分球磨后，混合并在粘结剂的作用下，常温冷压合成，并在氧化物烧结温度范围内烧结制备阳极；或单一金属或合金和氧化物粉充分球磨后，合金粉与金属氧化物充分混合后直接热压成型。
6.根据权利要求5所述的一种Fe基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极的制备方法，其特征在于金属粉或金属合金粉按一定的球料比的工况下球磨，以达到200目粒度；氧化铝粉按一定的球料比的工况下球磨，使粒度达到5～45μ。
7.根据权利要求5所述的一种Fe基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极的制备方法，其特征在于合金粉与金属氧化物采用直接热压成型温度范围在1050～1500℃之间。
8.根据权利要求5所述的一种Fe基氧化铝复合材料铝电解惰性阳极的制备方法，其特征在于以水或聚乙烯醇作为粘结剂。
全文摘要
本发明涉及有色金属冶金熔盐电解领域，主要研制一种铝、稀土和镁等电解工业阳极材料及其制备方法。其特征在于将单一金属或合金与金属氧化物混合，通过粉末冶金的方法制作铝电解阳极材料，其中单一金属或合金由铁、镍、钴、铬、钛、铜和银或它们的合金构成，金属氧化物为单一氧化铝或氧化铝与稀土氧化物。阳极材料的含量分别为单一金属或合金质量百分比8～95％，氧化铝质量百分比5～87％，稀土氧化物质量百分比0～5％。本发明的主要特点是在使用过程中阳极不参与电极反应，阳极产物是氧气，替代目前使用的消耗性碳素阳极，实现节能、环保、单位产能投资的巨大效益，提升我国铝电解工业的快速、高效、绿色环保发展。
文档编号C25C3/00GK1425803SQ0311086
公开日2003年6月25日 申请日期2003年1月14日 优先权日2003年1月14日
发明者石忠宁, 邱竹贤 申请人:石忠宁, 邱竹贤