CN102745703A - 铝电解用惰性阳极材料或惰性阴极涂层材料的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝电解用惰性阳极材料或惰性阴极涂层材料的制备工艺，包括如下步骤：步骤A:将铝放入反应器中，抽真空后通入惰性气体，升温至700-800℃，往反应器中加入干燥的氟硼酸盐和氟锆酸盐混合物，快速搅拌，反应4-6h，将上层熔融的液体抽出，下层得到为硼化锆；步骤B:将得到的硼化锆与碳素材料熔融，捣固到碳素阴极表面，经烧结后形成铝电解用惰性阴极涂层材料；或将得到的硼化锆与碳素材料混合均匀后，在1000MPa的压强下成型，经2000℃下烧结后形成铝电解用惰性阳极材料。本发明具有制备工艺简单，无需苛刻反应条件，且反应产物得率高，用于铝电解用惰性阳极材料或惰性阴极涂层材料的制备要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于铝电解用惰性阳极材料或惰性阴极涂层材料的制备工艺。
背景技术
目前铝电解工业仍采用传统的Hall-Heroult法，电解质一直以冰晶石-氧化铝为基本体系，现行的预焙阳极电解槽主要采用碳素阳极和碳素阴极，碳素阳极在电解过程中被析出的氧不断消耗，转变成一氧化碳及二氧化碳排入大气中，碳素阴极对铝液不润湿，且会受到冰晶石的长期腐蚀。为延长电解槽的使用寿命，降低对大气的碳排放量，并且降低电解温度，提高电解效率，往往需要制备廉价并可以大规模工业化生产的惰性阳极材料或者制备可用于碳素阴极表面涂覆的惰性阴极材料并配以合适的低温电解质。
现有的硼化锆工业生产方法主要包括以下三种：
（1）金属锆和单质硼在高温下直接反应：Zr+2B=ZrB2；
（2）碳化硼法：二氧化锆和碳化硼在C存在下，在碳管内直接反应：
2ZrO2+B4C+3C=2ZrB2 +4CO ，如果碳管内为H2气氛，反应温度为1800-1900℃；如果碳管为真空，则反应温度可以降至1650-1750℃；
（3）气相沉积法：以ZrCl4和 BCl3为原料，在H2参与下，进行如下反应：
ZrCl4+BCl3+5H2=ZrB2+10HCl ；沉积温度为8000-1000℃，可以制得磨料级和电子级产品。
硼化锆对铝液具有良好的润湿性，且耐冰晶石的腐蚀，但现有的硼化锆工业生产方法存在反应条件苛刻，反应的得率不高（低于90%），综合制备成本高的缺点。由于硼化锆价格昂贵，目前难以实现硼化锆在惰性阳极材料或惰性阴极材料制备过程中的广泛应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，发明人在硼化锆的制备及其应用方面进行了大量的探索，预料不到地发现，以氟硼酸盐和氟锆酸盐的混合物为原料，无需苛刻反应条件即可制备硼化锆，且反应产物得率高，反应产物用于铝电解用惰性阳极材料或惰性阴极涂层材料的制备，具有很好的牢固度。
本发明提供一种铝电解用惰性阳极材料或惰性阴极涂层材料的制备工艺，包括如下步骤：
步骤A:将铝放入反应器中，抽真空后通入惰性气体，升温至700-800℃，往反应器中加入干燥的氟硼酸盐和氟锆酸盐混合物，快速搅拌，反应4-6h，将上层熔融的液体抽出，下层得到为硼化锆。
步骤B:将得到的硼化锆与碳素材料熔融，捣固到碳素阴极表面，经烧结后形成铝电解用惰性阴极涂层材料；或将得到的硼化锆与碳素材料混合均匀后，在1000MPa的压强下成型，经2000℃下烧结后形成铝电解用惰性阳极材料。
采用上述技术方案，本发明提供的铝电解用惰性阳极材料或惰性阴极涂层材料的制备工艺简单，无需苛刻反应条件，中间产物硼化锆的制备周期短且具有得率高、比表面积大、接触角多和铝含量可控等优点，用于铝电解用惰性阳极材料的制备和惰性阴极涂层材料的制备，具有很好的牢固度，对铝液具有良好的润湿性，抗冰晶石的腐蚀能力强，可延长电解槽的使用寿命，铝电解过程的综合生产成本更低。
作为本发明的进一步改进，所述氟硼酸盐采用氟硼酸钾；所述氟锆酸盐采用氟锆酸钾。涉及的化学反应式为： 
Al+K2ZrF6+2KBF4=ZrB2+
(
KF·AlF3）。
作为本发明的进一步改进，所述氟硼酸盐采用氟硼酸钠；所述氟锆酸盐采用氟锆酸钠。涉及的化学反应式为：
Al+Na2ZrF6+2 NaBF4=ZrB2+
(
Na F·AlF3）。
作为本发明的进一步改进，所述惰性气体采用氩气。
作为本发明的进一步改进，所述碳素材料选自碳、石墨和沥青、树脂中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的铝电解用惰性阳极材料或惰性阴极涂层材料的制备工艺简单，无需苛刻反应条件，中间产物硼化锆的制备周期短且具有得率高、比表面积大、接触角多和铝含量可控等优点，用于铝电解用惰性阳极材料的制备和惰性阴极涂层材料的制备，具有很好的牢固度，对铝液具有良好的润湿性，抗冰晶石的腐蚀能力强，可延长电解槽的使用寿命，铝电解过程的综合生产成本更低。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例 1
称取2吨铝置于反应器中，抽真空后通入氩气保护，升温至750℃，按反应比例往反应器中加入干燥的氟硼酸钾和氟锆酸钾的混合物，快速搅拌，反应5h，生成硼化锆和冰晶石，经现有的常规分离方法分离后得到硼化锆，干燥后称重为1.52吨，反应产物得率达到97%以上。
将得到的硼化锆与树脂以90：（1-10）的重量比混后，经高压烧结，可制成惰性阳极材料；将得到的硼化锆与树脂以90：（1-10）的重量比混后，经熔融后捣固到碳素阴极表面，经烧结后形成惰性阴极涂层材料。
实施例 2
称取2吨铝置于反应器中，抽真空后通入氩气保护，升温至750℃，按反应比例往反应器中加入干燥的氟硼酸钠和氟锆酸钠的混合物，快速搅拌，反应5h，生成硼化锆和冰晶石，经现有的常规分离方法分离后得到硼化锆，干燥后称重为1.53吨，反应产物得率达到97%以上。
将得到的硼化锆与树脂按99：1的重量比混后，经高压烧结，可制成惰性阳极材料；将得到的硼化锆与树脂按99：1的重量比混后，经熔融后捣固到碳素阴极表面，经烧结后形成惰性阴极涂层材料。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种铝电解用惰性阳极材料或惰性阴极涂层材料的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤A:将铝放入反应器中，抽真空后通入惰性气体，升温至700-800℃，往反应器中加入干燥的氟硼酸盐和氟锆酸盐混合物，快速搅拌，反应4-6h，将上层熔融的液体抽出，下层得到为硼化锆；
步骤B:将得到的硼化锆与碳素材料熔融，捣固到碳素阴极表面，经烧结后形成铝电解用惰性阴极涂层材料；或将得到的硼化锆与碳素材料混合均匀后，在1000MPa的压强下成型，经2000℃下烧结后形成铝电解用惰性阳极材料。
2.如权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述氟硼酸盐与氟锆酸盐的物质的量比为2：1。
3.如权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于，所述氟锆酸盐为氟锆酸钾，所述氟硼酸盐采用氟硼酸钾。
4.如权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于，所述氟锆酸盐为氟锆酸钠，所述氟硼酸盐采用氟硼酸钠。
5.如权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于，所述惰性气体采用氩气。
6.如权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于，所述碳素材料选自碳、石墨、沥青和树脂中的一种或多种。
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