CN100582311C

CN100582311C - 一种铝电解用陶瓷基惰性阳极与金属导电杆的连接方法

Info

Publication number: CN100582311C
Application number: CN200610032461A
Authority: CN
Inventors: 周科朝; 李志友; 张雷; 李劼; 赖延清; 张晓泳
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2026-10-25
Also published as: CN101168846A

Abstract

一种铝电解用陶瓷基惰性阳极与金属导电杆的连接方法，针对不同外形和尺寸的铝电解用陶瓷基惰性阳极，提供了一种用于阳极与金属导电连杆稳固连接法的工艺技术方法。该方法通过惰性阳极待连接表面和导电连杆外表面进行表面金属化处理、与惰性阳极基体成分相近的钎料以及压力扩散焊接工艺，实现陶瓷基惰性阳极与金属导电连杆之间的高强度稳定连接，连接结构具有20MPa以上的连接强度，连接结构可经受长期的强烈的热、电和热腐蚀性气体的冲击，可长时间承载0-10A/cm²的电流密度。

Description

一种铝电解用陶瓷基惰性阳极与金属导电杆的连接方法

技术领域

本发明与铝电解及铝电解用惰性阳极有关，特别涉及铝电解用陶瓷基惰性阳极与金属导电杆稳固连接的工艺技术方法。

背景技术

使用惰性阳极取代现有的炭素阳极是现代铝电解生产发展的趋势。铝电解过程发生于900℃以上的氟化物熔盐中，在使用惰性阳极时，电流通过阳极母线引出，经由导线和阳极导电连杆与阳极导通，阳极导电连杆与惰性阳极的连接部分不但要具有较高的高温连接强度和优良的导电性能，还要具有良好的抗氧化腐蚀、抗热腐蚀性气体腐蚀和优良的抗高温蠕变性能。目前，国内外所研究的惰性阳极材料体系主要有金属及合金、氧化物陶瓷及金属陶瓷三类，金属陶瓷因兼有陶瓷材料良好的耐氟化物熔盐腐蚀性能及金属材料优良的导电性能而成为最有希望取代现行炭素阳极的材料。决定氧化物陶瓷和金属陶瓷惰性阳极能否正常工业化应用的一个关键因素是，必须实现惰性阳极与阳极导杆的稳固电连接。由于氧化物陶瓷以及金属陶瓷与金属导杆之间存在较大的材料性质差异，导致两者间的连接不能采用常规的焊接技术，目前多采用机械连接(如：螺纹螺杆连接、弹簧压紧连接或两种方法相结合的方式)和扩散焊接等技术来实现导电连杆与惰性阳极间的连接，这两种方式均表现出阳极易脱落、连接界面易腐蚀失效以及电连接稳定性差等问题。

发明内容：

本发明的目的是针对不同外形和尺寸的陶瓷基惰性阳极(包括纯陶瓷和金属陶瓷类惰性阳极)在制备和铝电解生产中所遇到的上述问题，提供一种惰性阳极与金属导电连杆稳固连接的方法；采用该方法可实现陶瓷基惰性阳极与金属导电连杆之间的高强度稳定连接，连接结构具有20MPa以上的连接强度，可经受长期的强烈的热、电和热腐蚀性气体的冲击，连接部位可长时间承载0-10A/cm²的电流密度。

一种铝电解用陶瓷基惰性阳极与金属导电杆的连接方法，包括：

步骤1：采用化学镀、电镀或热喷涂方法对惰性阳极和导电连杆上与钎料相接触的部位实行表面金属化处理，所使用的金属成分为A和B中所述金属中的一种或由几种成分所构成的合金；

步骤2：将压头、导电连杆、钎料和惰性阳极沿加压方向依次组装，使钎料均匀分布于导电连杆和阳极之间；

步骤3：在真空或惰性气体气氛中，采用温度和压力协同增加的方式对连接结构进行热处理，目标温度为900-1400℃，目标压力为0-50MPa，达到目标温度和压力后，系统保持目标指数10-300min，之后缓慢降低温度和压力值，直至室温和零压力，即完成压力扩散焊接工艺过程。

所述陶瓷基惰性阳极，包括氧化物陶瓷和复合氧化物(A_xO_y)陶瓷阳极，其中复合氧化物陶瓷主要包括尖晶石型氧化物(AB₂O₄)，以及由上述氧化物添加金属或合金所构成的金属陶瓷(m％A_xO_y+n％C，m％AB₂O₄+n％C)，其中：

A为Ni，Mg，Al，Co，Zn，Sn，Cu，Li或Fe中的一种；

B为Fe，Al，Co，Mn，Cr或Ge中的一种；

C为A和B中所述金属中的一种或几种成分所构成的合金；

x代表数字1-6；y代表数字1-6；m代表数字0-100；n代表数字0-100；m+n＝100。

所述导电连杆包含全系列的铁、钢铁制品、镍基合金、铜基合金、钴基合金连杆。

所述钎料包括A_xO_y，AB₂O₄，C或上述成分的混合物。

所述压头为高温合金、石墨或硬质合金。

本发明可以实现铝电解用陶瓷基惰性阳极与金属导电杆的高强度、稳定连接，其主要特点是采用合适的材料表面金属化层、钎料层以及合理的压力扩散焊接工艺解决了惰性阳极与金属导电连杆间电连接困难的问题。采用本发明所述工艺方法所制备连接结构能够经受长期的强烈的热、电和热腐蚀性气体的冲击，可保证惰性阳极稳定悬挂于电解槽中，并承载0-10A/cm²的电流密度。本发明所述工艺方法对实现陶瓷基惰性阳极的工业化电解应用具有重要意义。

附图说明

图1：杯状惰性阳极与导电杆的连接工艺示意图；

图2：压力扩散焊接工艺制度示意曲线；

图3：圆柱体或方形惰性阳极连接工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1，描述了杯状惰性阳极与导电杆的连接工艺示意图。主要包括压头1，导电杆2，钎料3，杯状惰性阳极4。采用成分为NiFe₂O₄-10NiO/17Ni的惰性阳极，导电杆材质为Cr12MoV。压力扩散焊接的工艺实施过程如下：先将杯状惰性阳极的内表面和导电连杆外表面进行化学镀镍，镀层厚度为120μm左右，然后将成分为50wt％NiFe₂O₄+25wt％Ni+25wt％Cu的粉末钎料填充至阳极杯内，再将导电杆埋于钎料粉末中，最后将压头置于钎料粉末上方，即完成组件装配工作。将上述装配机构置于热压炉内，封闭电炉并对系统抽真空，当真空度达到10Pa后，充入氮气。压力扩散焊接工艺中，压力由上至下直接作用于压头，再传递到钎料和阳极杯。工艺的目标温度为1020℃，目标压力为10MPa，采用温度和压力协同上升的方式实现对工艺参数的控制，见图2。制品于目标温度和压力下保温、保压30min后，随炉冷却至室温，即完成惰性阳极与导电杆的压力扩散焊接工艺过程。

实施例2：

图3圆柱体或方形惰性阳极连接工艺示意图，主要包括压头1，导电杆2，钎料3，圆柱状或方形惰性阳极4。采用成分为NiFe₂O₄-10NiO/17Cu的惰性阳极，导电杆材质为Cr18Ni9Ti。压力扩散焊接的工艺实施过程如下：先将惰性阳极的待连接面和导电连杆外表面进行电镀铜，镀层厚的为150μm左右，然后将成分为62wt％NiFe₂O₄-10NiO/17Cu+38wt％Cu的粉末钎料铺展于阳极的待连接表面上，必要时加设粉末固定装置，以保证钎料层的厚的和外形，再将导电杆埋于钎料粉末中，最后将压头置于钎料粉末上方，即完成组件装配工作。将上述装配结构置于电炉内，封闭电炉并对系统抽真空，当真空度达到10Pa后，充入氮气。压力扩散焊接工艺中，压力由上至下直接作用于压头，再传递到钎料和阳极杯。工艺的目标温度为980-1000℃，目标压力为20MPa，采用温度和压力协同上升的方式实现对工艺参数的控制，见图2。制品于目标温度和压力下保温、保压30min后，随炉冷却至室温，即完成惰性阳极与导电杆的压力扩散焊接工艺过程。

Claims

1、一种铝电解用陶瓷基惰性阳极与金属导电杆的连接方法，包括：

a>采用化学镀、电镀或热喷涂方法对惰性阳极和金属导电杆上与钎料相接触的部位实行表面金属化处理，所使用的金属成分为A和B中所述金属中的一种或由几种成分所构成的合金；

b>将压头、金属导电杆、钎料和惰性阳极沿加压方向依次组装，使钎料均匀分布于金属导电杆和阳极之间；

c>在真空或惰性气体气氛中，采用温度和压力协同增加的方式对连接结构进行热处理，目标温度为900-1400℃，目标压力为0-50MPa，达到目标温度和压力后，系统保持目标温度和压力10-300min，之后缓慢降低温度和压力值，直至室温和零压力，即完成压力扩散焊接工艺过程；

所述陶瓷基惰性阳极，包括氧化物陶瓷和复合氧化物陶瓷阳极，其中复合氧化物陶瓷主要包括尖晶石型氧化物AB₂O₄，以及由上述氧化物添加金属或合金所构成的金属陶瓷m％A_xO_y+n％C，m％AB₂O₄+n％C，其中：

A为Ni，Mg，Al，Co，Zn，Sn，Cu，Li或Fe中的一种；

B为Fe，Al，Co，Mn，Cr或Ge中的一种；

C为A和B中所述金属中的一种或几种成分所构成的合金；

x代表数字1-6；y代表数字1-6；m+n＝100。

2.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于：所述金属导电杆包含全系列的铁、钢铁制品、镍基合金、铜基合金、钴基合金连杆。

3.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于：所述钎料包括A_xO_y，AB₂O₄，A和B中所述金属中的一种或几种成分所构成的合金，或上述成分的混合物。

4.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于：所述压头为高温合金、石墨或硬质合金。