CN103757661A - 一种铝电解惰性阳极 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝电解惰性阳极，惰性阳极的材料是高熵合金，高熵合金含有5-10种合金元素，各元素的摩尔比可以相同，也可以不同，每种主元的原子百分比介于5%和35%之间。该高熵合金惰性阳极具有抗高温氧化能力强、耐铝电解熔盐腐蚀性高、导电性高等特点。采用熔炼方法制备，具有工艺简单、成本低、易连接。用于铝电解可以避免炭素阳极的消耗和CO2气体的排放，具有节约能源、减少排放的优点。
Description
技术领域
本发明属于铝电解技术领域，涉及一种铝电解惰性阳极，具体涉及一种采用高熵合金制备的惰性阳极材料。
背景技术
原铝的生产一直采用Hall-Hérout法，反应过程要不断消耗炭素阳极，同时排放温室气体CO2以及致癌碳氟化合物。铝电解工业是耗能和排放大户，造成严重的环境污染，面临着节能减排的严峻挑战。
铝电解采用惰性阳极时的反应产生的气体是氧气。不但不会污染环境，还可以作为副产品加以利用。自Hall-Hérout法发明以来，人们就一直在探索惰性阳极，但在20世纪80年代以前进展不大。80年代后由于能源紧张，环境保护日益受到重视，世界主要产铝国都加快了惰性阳极的研发，惰性阳极已成为铝电解工业技术进步的关键技术之一。
铝电解惰性阳极的工作条件极其恶劣，要耐受高温电解质的腐蚀、在熔体中的溶解度要低，能耐受新生氧原子的氧化，要有良好的导电性能、抗热震性、不易脆裂，容易加工成型，易与金属导杆连接，原料易得且价低。目前，研究的惰性阳极材料主要有氧化物陶瓷、传统合金和金属陶瓷，氧化物陶瓷有优异的耐腐蚀性能，但其导电性差、易脆裂、难以与金属导杆连接，已逐渐被淘汰。目前的研究主要集中在合金和金属陶瓷两大类。中国专利ZL00814882.1、ZL200510047669.7、Zl03132536.X等均发明了不同类型金属陶瓷惰性阳极，中国专利ZL03801990.6发明了贵金属涂覆惰性阳极，但其成本高。传统合金惰性阳极具有强度高、导电性能好、抗热震性能好、不易脆裂，易与金属导杆连接等优点，但耐电解质腐蚀性能不够。金属陶瓷阳极耐腐蚀能力高，但抗热震性差、与导电杆连接困难。因此，目前惰性阳极在铝电解工业中尚未得到应用。
高熵合金是一种设计理念完全不同于传统合金的新型合金体系，它们是由5种或5种以上的合金元素组成，每种合金元素的含量在5%-35%之间，经常是等摩尔比或在等摩尔比的基础上进行适当调整而形成非等摩尔比。高熵合金中各主元原子排列无序混乱，晶格严重扭曲，混合熵很高，原子不易扩散，具有很高的强度、耐回火软化能力、耐腐蚀性能、抗高温氧化和高温腐蚀能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种铝电解惰性阳极，解决传统合金惰性阳极耐腐蚀性能不足，金属陶瓷惰性阳极抗热震性差、难以连接等问题。
本发明是这样实现的：
一种铝电解惰性阳极，所述惰性阳极的材料是高熵合金。
进一步地，所述的高熵合金的组成元素包括Fe、Cr、Ni、Co、Cu、Al、Mo、Nb、Mn、Ti、V、Zr、Ta的5种到10种。
进一步地，所述高熵合金的组成元素为等摩尔比，也可以非等摩尔比。
进一步地，所述的高熵合金的组成元素还包括C、B或Si。
进一步地，所述的高熵合金的组成元素的原子比为5%～35%。
进一步地，所述的惰性阳极采用真空电弧炉或感应炉熔炼法制备。
本发明还提供一种惰性阳极制备方法，所述方法用于制备上述的一种铝电解惰性阳极，包括如下步骤：取铝电解惰性阳极的组成元素的原料，清除原料的杂质，烘干，将原料放入真空电弧炉或真空感应熔炼炉中，其中低熔点原料放在底部，抽真空，真空度达到预设值后，对于电弧炉则起弧熔炼，使得原料熔化成合金，冷却后将合金锭翻过一面，再次熔炼，反复熔炼4次；对于真空感应炉熔炼，开始加热，待合金熔化后保温10min；最后浇注入铸模中，形成铸锭，再用线切割或机械加工方式将铸锭加工成惰性阳极所需的尺寸。
以及本发明还提供一种铝电解装置，包括惰性阳极和阴极，所述的惰性阳极为上述的一种铝电解惰性阳极。
进一步地，所述阴极为高纯石墨，还包括石墨坩埚、电解质，所述石墨坩埚内侧为刚玉，所述电解质的成分为Na3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3-NaCl。
本发明具有如下优点：充分利用高熵合金抗高温氧化和抗高温腐蚀性能优异的特点，具有导电性能高、加工性能好、抗高温氧化和高温腐蚀性高、易连接等优点。同时电解时避免阳极的消耗，避免了碳素阳极的大量消耗和阴极排放大量的CO2气体，具有节能减排的优点。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的惰性阳极电解铝示意图。
标号说明：1、热电偶，2、保温炉盖，3、加热炉，4、阴极，5、石墨坩埚，6、刚玉绝缘内衬，7、阳极导杆，8、氧化铝加料管，9、高熵合金惰性阳极，10、冰晶石熔盐电解质，11、液铝，12、碳素阴极。
具体实施方式
请参阅图1所示，以下将对本发明进行详细说明。
本发明采用高熵合金制备铝电解惰性阳极，设计了高熵合金成分设计、合金熔炼与加工、铝电解，具体实施步骤如下：
1.高熵合金成分设计：根据高熵合金成分设计原则设计化学成分，转换成质量百分比。高熵合金惰性阳极材料的元素含Fe、Cr、Ni、Co、Cu、Al、Mo、Nb、Mn、Ti、V、Zr、Ta中的至少5种，每种合金元素的摩尔比可以相同，也可以不同。如果不同，每种元素的原子比在5%-35%之间。为了进一步调整或改善性能可以加入非金属或半金属元素C、B、Si。如合金的成分为AlFeCoCrNi，Al0.5FeCoCrNi，AlFeCoCrNiTiMo，FeCoCrCuNi，AlFeCoCrNiSi0.2，AlFeCoCrNiB0.5，AlFeCoCrNiMoV等等。
2.高熵合金的熔炼：高熵合金的原料最好为纯度大于99%的合金元素，高熵合金的组成元素可以以合金形式加入。根据成分称量熔炼合金所需的各个元素质量，清除表面氧化物等杂质，烘干。将合金元素放入真空电弧炉或真空感应熔炼炉中（低熔点元素放在底部），抽真空。真空度达到一定值后，对电弧炉熔炼炉则起弧熔炼，至合金完全熔化，冷却后将合金锭翻过一面，再次熔炼，反复熔炼4次，以保证合金成分均匀。对真空感应炉熔炼，开始加热，待合金熔化后保温10min，以促进成分均匀，然后浇注入铸模中。
3.用线切割或机械加工方式将铸锭加工成惰性阳极所需的尺寸，清洗干净后与导电杆连接。
4.按图1所示的电解装置进行连接，惰性阳极接直流电源正极，阴极采用高纯石墨，石墨坩埚内侧用刚玉绝缘，以提高电流效率。电解质的组成为Na3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3-NaCl，分子比为1.5～2.2，温度为800～1000℃，电流密度1.0～1.2A/m2。每隔20min加入一定量的Al2O3。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种铝电解惰性阳极，其特征在于：惰性阳极的材料是高熵合金。
2.根据权利要求1所述的一种铝电解惰性阳极，其特征在于：所述的高熵合金的组成元素包括Fe、Cr、Ni、Co、Cu、Al、Mo、Nb、Mn、Ti、V、Zr、Ta的5种到10种。
3.根据权利要求2所述的一种铝电解惰性阳极，其特征在于：所述高熵合金的组成元素为等摩尔比。
4.根据权利要求2所述的一种铝电解惰性阳极，其特征在于：所述高熵合金的组成元素为非等摩尔比。
5.根据权利要求2所述的一种铝电解惰性阳极，其特征在于：所述的高熵合金的组成元素还包括C、B或Si。
6.根据权利要求2所述的一种铝电解惰性阳极，其特征在于：所述的高熵合金的组成元素的原子比为5%～35%。
7.根据权利要求1所述的一种铝电解惰性阳极，其特征在于：所述的惰性阳极采用真空电弧炉或感应炉熔炼法制备。
8.一种惰性阳极制备方法，所述方法用于制备如权利要求1到7所述的一种铝电解惰性阳极，其特征在于：包括如下步骤：取铝电解惰性阳极的组成元素的原料，清除原料的杂质，烘干，将原料放入真空电弧炉或真空感应熔炼炉中，其中低熔点原料放在底部，抽真空，真空度达到预设值后，对于电弧炉则起弧熔炼，使得原料熔化成合金，冷却后将合金锭翻过一面，再次熔炼，反复熔炼4次；对于真空感应炉熔炼，开始加热，待合金熔化后保温10min；最后浇注入铸模中，形成铸锭，再用线切割或机械加工方式将铸锭加工成惰性阳极所需的尺寸。
9.一种铝电解装置，包括惰性阳极和阴极，其特征在于：所述的惰性阳极为如权利要求1到7所述的一种铝电解惰性阳极。
10.根据权利要求9所述的一种铝电解装置，其特征在于：所述阴极为高纯石墨，还包括石墨坩埚、电解质，所述石墨坩埚内侧为刚玉，所述电解质的成分为Na3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3-NaCl。
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