CN105274470A

CN105274470A - 一种电解铝阳极钢爪保护环的稀土-铜-镍-铬多元共渗处理方法

Info

Publication number: CN105274470A
Application number: CN201410328327.1A
Authority: CN
Inventors: 许越; 袁帅; 贾柏林; 胡晓滨
Original assignee: Guanlu Equipment & Material Co Ltd Yuncheng; Beihang University
Current assignee: Guanlu Equipment & Material Co Ltd Yuncheng; Beihang University
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2034-07-10
Also published as: CN105274470B

Abstract

本发明涉及一种电解铝阳极钢爪保护环的稀土-铜-镍-铬多元共渗处理方法，涉及金属表面化学热处理技术领域。首先对钢环进行除油、除锈等预处理,之后将钢爪保护环放入盛有渗剂的渗罐中进行多元共渗。共渗方法为粉末包埋法。渗剂由稀土、铜粉、镍粉、铬粉、氟硼酸钾、氯化铵、氯化镧、碳化硅、氧化铝等混合而成。钢爪保护环装入渗罐后用耐火泥或水玻璃进行密封处理，然后进行高温共渗处理。保温一定时间后，停止加热，冷却至室温取出后即完成所需的电解铝阳极钢爪保护环多元扩渗处理。本发明可以使得钢爪保护环在高温腐蚀气氛及熔盐中表面形成耐腐蚀的保护层，有效的阻止腐蚀介质与钢爪的接触，解决了电解铝阳极钢爪在高温环境下工作时被电解质冰晶石腐蚀的问题。

Description

一种电解铝阳极钢爪保护环的稀土-铜-镍-铬多元共渗处理方法

技术领域

本发明涉及一种电解铝阳极钢爪保护环的多元共渗处理方法，涉及金属表面化学热处理技术领域。

背景技术

我国作为世界电解铝生产第一大国，目前电解铝年产量已达千万吨。在电解铝生产过程中，阳极钢爪是强电流导体和石墨阳极的支撑材料。阳极钢爪不仅处在高温环境下，而且还会受到强腐蚀性的冰晶石气氛腐蚀。阳极钢爪腐蚀后，其钢材被消耗，使得钢爪不断变细，直至失效报废。更换新的钢爪既增加了成本，又减少了持续生产时间。同时被腐蚀后的钢爪，其腐蚀产物剥落掉入铝液中，使得铝液的品质下降，严重影响了生产。

目前，还没有有效的方法来提高钢爪的耐腐蚀性能。虽然有报道在钢爪外增加了一个保护环，但是由于保护环本身也为钢材，在高温冰晶石熔盐气氛中同样会被腐蚀从而失去了保护作用。

发明内容

本发明人为了解决现有技术的不足，针对上述钢环在电解铝工作环境中不耐腐蚀的缺陷，提出了一种电解铝阳极钢爪保护环的稀土-铜-镍-铬多元共渗处理方法。该方法使得保护环具有在高温冰晶石气氛中具有良好的耐腐蚀性能，从而保护电解铝阳极钢爪免受腐蚀。

根据本发明的一个实施例的对电解铝阳极钢爪保护环进行稀土-铜-镍-铬多元共渗的方法包括如下步骤：

(1)配制渗剂；

(2)对保护环表面进行预处理；

(3)将预处理后的保护环装入盛有渗剂的渗罐中；

(4)将渗罐用耐火泥和水玻璃密封；

(5)将密封后的渗罐在300～1100℃的条件下进行共渗处理；

(6)随炉冷却至室温后取出保护环。

根据本发明的一个进一步的方面，上述步骤(1)中渗剂的组成为(质量分数)：

铜粉：0～15％，

镍粉：0～15％，

铬粉：0～15％，

氯化铵：4～8％，

稀土盐：2～6％，

氟硼酸钾：4～8％，

填充剂：余量。

根据本发明的一个实施例，上述渗剂中的填充剂为碳化硅或氧化铝。

根据本发明的一个实施例，上述步骤(1)中渗剂配制步骤包括：先将铜粉、镍粉、铬粉、稀土盐、氟硼酸钾、填充剂按比例混合后，在100～150℃下干燥1～5小时，冷却至室温后再将氯化铵与所制渗剂混合均匀。

根据本发明的一个实施例，上述步骤(2)中所述保护环表面的预处理包括除去钢环表面的油污、锈层、氧化层及其他污物，再依次用盐酸、清水以及无水乙醇清洗，并烘干。

根据本发明的一个实施例，上述步骤(3)中所述钢环与渗罐内壁、钢环与钢环之间的距离不小于10mm。

根据本发明的一个实施例，上述步骤(5)中，在300～400℃时放入渗罐，保温10～60min，然后以5～20℃/min的速度升温至900～1100℃，并保温3～9h,之后随炉冷却至室温。

根据本发明的一个实施例，上述步骤(5)所使用的加热设备是电炉。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明采用热处理中的多元共渗技术对电解铝钢爪阳极保护环进行稀土、铜、镍、铬多元共渗处理，使得保护环表面形成合金层，其与基体可形成良好的冶金结合，有效提高保护环的耐腐蚀性能。

(2)Cu、Ni、Cr在高温氧化条件下均可形成致密的氧化膜。Ni、Cr、Fe在高温氧化条件下还可以形成尖晶石结构的NiFeO₄、FeCrO₄保护层，有效的防止内部材料被进一步腐蚀。通过多元共渗技术在基体表面形成合金层，并在高温腐蚀条件下原位生产陶瓷膜，具有良好的耐蚀性、耐热性以及结合性。从而有效的防止电解铝阳极钢爪在生产过程中被腐蚀消耗。

(3)本发明提供的处理方法操作简单，设备要求低，处理周期短，成本低廉。

附图说明

图1显示了根据本发明的一个实施例所采用的腐蚀装置的示意图。

图2显示了根据本发明的稀土-铜-镍-铬多元共渗的方法制备的电解铝阳极钢爪保护环材料样品与传统材料样品的腐蚀效果对比。

具体实施方式

下面将结合实施实例进一步阐明本发明的内容，但这些实例并不限制本发明的保护范围。

实施例1

1)制备电解铝阳极钢爪保护环多元扩渗处理所用的渗剂：

渗剂中各组分的比例(质量分数)如下：

铜粉：10％

镍粉：10％

铬粉：10％

氯化铵：4％

氯化镧：2％

氟硼酸钾：4％

氧化铝：60％，

其中，将除氯化铵之外的组分充分混合后在100℃条件下烘干1(小时(h)，之后再将氯化铵与之充分混合。

2)将Q235钢材切割为尺寸为10*10*5mm的钢块。

3)除去上述钢块表面的油污、锈层、氧化层及其他污物，再依次用盐酸、清水以及无水乙醇清洗，并烘干。

4)将上述处理后的一部分钢块装入盛有渗剂的渗罐中，渗罐用耐火泥和水玻璃密封。

5)将电炉升温至450℃，放入渗罐。然后以升温速率为12℃/min升温至1150℃，并保温5小时(h)，之后随炉冷却至室温，即完成对钢块的多元扩渗处理。

将经过上述步骤4)和5)处理的钢块和没有经过上述步骤4)和5)处理的钢块放入装有200g电解质的刚玉坩埚中进行模拟腐蚀对比实验，其中：

该电解质的组成为NaF-AlF3-10％NaCl-5％CaF2-3％Al2O3(质量分数)，NaF和AlF3的摩尔比为1.5：1；

腐蚀温度为900摄氏度，时间为35h；

所用的腐蚀装置示意图见图1。

图1中各标号为：1-刚玉盖；2-试样；3-刚玉垫板；4刚玉坩埚；5-电解质。

腐蚀操作时，在刚玉坩埚4中放入准备好的200g电解质5，再放入刚玉垫板3，并将试样2置于垫板3之上。加盖1后，放入预设好温度的电阻炉(未显示)中保温一定时间对试样2进行腐蚀。

图2为经过上述步骤4)和5)处理后的钢块(图2中右侧的样品)和没有经过上述步骤4)和5)处理的钢块(图2中左侧的样品)耐腐蚀结果的对比，从中可明显看到经过模拟腐蚀35小时后，未经过上述步骤4)和5)处理的Q235钢块(图2中左下方的样品)被严重腐蚀，剩余体积仅为腐蚀前的约12。而经上述步骤4)和5)处理后的钢块，在同样的条件下腐蚀35小时后，体积基本保持不变(图2中右下方的样品)。这说明经过本发明的步骤4)和5)处理后的试样拥有良好的耐高温冰晶石气氛腐蚀的性能。

本发明人认为，经过本发明的步骤4)和5)处理的试样，在腐蚀气氛中可以形成坚硬致密的保护层，防止基体被腐蚀。

实施例2

1)制备电解铝阳极钢爪保护环多元扩渗处理所用的渗剂：

渗剂中各组分的比例(质量分数)如下：

铜粉：5％

镍粉：15％

铬粉：5％

氯化铵：4％

氯化镧：2％

氟硼酸钾：4％

碳化硅：60％，

其中，将除氯化铵之外的组分充分混合后在120℃条件下烘干2h，之后再将氯化铵与之充分混合。

2)将45#钢材切割为尺寸为10*10*5mm的钢块作为实验试样。

3)除去试样表面的油污、锈层、氧化层及其他污物，再依次用盐酸、清水以及无水乙醇清洗，并烘干。

4)将上述预处理后的一部分钢块装入盛有渗剂的渗罐中，渗罐用耐火泥和水玻璃密封。

5)将电炉升温至450℃，放入渗罐。然后以升温速率为10℃/min升温至1100℃，并保温7小时(h)，之后随炉冷却至室温，即完成对钢块的多元扩渗处理。

将经过上述步骤4)和5)处理的钢块和没有经过上述步骤4)和5)处理的钢块放入装有200g电解质的刚玉坩埚中进行模拟腐蚀实验，其中：

腐蚀温度为900摄氏度，时间为35h；

所用的腐蚀装置与实例1相同，见图1。

与实例1类似的，实例2中经过上述步骤4)和5)处理的钢块，同样拥有良好的耐高温冰晶石气氛腐蚀的性能，其在腐蚀气氛中形成了坚硬致密的保护层，防止基体被腐蚀。而而未经本发明的上述步骤4)和5)处理的材料在该腐蚀条件下很快被严重腐蚀。

Claims

1.电解铝阳极钢爪保护环的稀土-铜-镍-铬多元扩渗处理方法，其特征在于包括：

A)配制渗剂；

B)对钢爪保护环表面进行预处理；

C)将预处理后的钢爪保护环装入盛有渗剂的渗罐中；

D)将渗罐用耐火泥和水玻璃密封；

E)将密封后的渗罐在300～1100℃的条件下保温5～10h进行共渗处理；

F)将渗罐随炉冷却至室温后取出钢爪保护环。

2.根据权利要求1所述的电解铝阳极钢爪保护环的稀土-铜-镍-铬多元共渗处理方法，其特征在于所述步骤A)中的渗剂组成(质量分数)为：

铜粉：0～15，

镍粉：0～15，

铬粉：0～15，

氯化铵：4～8，

稀土盐：2～6，

氟硼酸钾：4～8，

填充剂：余量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于

所述稀土盐为从氯化镧和氯化铈组成的组中选出的至少一种，所述填充剂为碳化硅或氧化铝。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所说的稀土盐、铜粉、镍粉、铬粉、氯化铵、氟硼酸钾、填充剂为100～300目的粉末状颗粒。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤B)的预处理包括去除钢爪保护环表面的油污、锈层、氧化层及其它污物，再依次用盐酸、清水以及无水乙醇清洗，并烘干。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤C)中钢环与渗罐内壁、钢环与钢环之间的距离不小于10mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，：所述步骤E)中，在300～400℃时将渗罐放入电炉中，保温10～60分钟，然后以5～20℃/分钟的速度升温至900～1100℃，并保温3～9小时,之后随炉冷却至室温。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤E)所使用的加热设备是电炉。

9.采取权利要求1－8之一所述的方法处理的电解铝阳极钢爪保护环。