CN108330508B - 一种铝电解用金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接方法 - Google Patents

一种铝电解用金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接方法 Download PDF

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Abstract

一种铝电解用金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接方法，包括以下步骤：(1)将NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极在900～1000℃预烧结，然后表面钻孔；(2)将金属导电杆放入孔中，并放置填充料捣实；(3)在保护气氛条件下加热至1100～1200℃保温，随炉冷却。本发明的方法能够在惰性阳极与金属导电杆之间形成过渡层，具备足够的高温强度和导电性，并且能够给金属导电杆与阳极提供足够的膨胀空间，避免金属导电杆受热膨胀撑裂阳极。

Description

一种铝电解用金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接方法
技术领域
本发明属于铝电解技术领域，特别涉及一种铝电解用金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接方法。
背景技术
传统Hall-Héroult铝电解槽由于采用消耗式炭阳极而存在碳耗大和环境污染严重等问题，惰性阳极能够克服以上问题而成为现代铝电解发展的趋势；NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极兼具NiFe2O4陶瓷相高温化学稳定性好、抗熔盐腐蚀能力强和金属相的良好导电性及抗热冲击性等优点，被认为是一种最具应用前景的铝电解用惰性阳极材料。
使用惰性阳极电解时，惰性阳极材料一端与金属导电杆连接，另一端浸入高温冰晶石熔盐中，直流电通过阳极母线引出，经由导线和阳极导电杆与惰性阳极导通；因此，惰性阳极与金属导电杆连接处应该具有良好的高温强度，能够长时间稳固地悬挂阳极，并且在氧气、氟化物等腐蚀性气体的高温环境下稳定工作；电解时阳极需要通过一定的直流电流强度，阳极与金属导电杆连接处的导电性要好，否则将增加阳极压降，增加能耗；惰性阳极与金属导电杆的稳固有效连接，是铝电解惰性阳极工程化应用的关键技术。
目前，陶瓷材料与金属及其合金的连接方法很多，常用的方法是机械连接、钎焊连接、瞬时液相连接、固相扩散连接和熔焊连接等；铁酸镍陶瓷基体与金属导电杆之间存在较大的材料性质差异，元素相互扩散困难，陶瓷与金属热膨胀系数的悬殊差距，连接处产生较大的热应力，易使陶瓷材料产生裂纹；因此，采用常规的连接技术易出现阳极撑裂脱落、连接处腐蚀失效和电连接稳定性差等问题。
发明内容
针对NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极在制备和高温铝电解过程中存在的上述问题，本发明提供一种铝电解用金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接方法，金属陶瓷惰性阳极预烧结后与金属导电杆连接，连接处加入填充料后进行热处理，使阳极与导电杆之间形成过渡层，满足铝电解工艺使用环境所要求的高温强度、抗热震性能、抗高温氧化性能和良好的导电性能。
本发明的方法包括以下步骤：
1、将NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极在900～1000℃预烧结4～6小时，冷却至常温，然后在NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳表面钻孔；
2、将金属导电杆放入孔中，并在金属导电杆与NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳之间放置填充料，填充料将孔填满并被捣实，使金属导电杆、填充料和NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极构成连接结构材料；
3、将连接结构材料置于加热炉中，在保护气氛条件下加热至1100～1200℃，保温4～6小时，然后随炉冷却至常温，完成金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接。
上述的NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极由陶瓷相和金属相组成，陶瓷相的成分按质量百分比含NiO 0～17％，其余为NiFe2O4；金属相的成分为Cu、Ni和Ag中一种或几种。
上述的金属导电杆材质选用耐热不锈钢、镍基高温合金或钴基高温合金。
上述的填充料的成分按质量百分比为：NiFe2O4陶瓷颗粒35～80％，TiN纳米粉10～25％，金属粉10～40％；所述的金属粉为Cu、Ni和Ag中一种或几种，粒径为≤100μm；所述的NiFe2O4陶瓷颗粒的粒径为≤74μm；所述的TiN纳米粉的粒径为40～80nm。
上述方法中，保护气氛为氩气气氛，保护气氛条件下的氧分压为10～50Pa。
上述方法中，填充料中的金属粉与NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极的金属相为同种金属元素。
上述方法中，金属导电杆和NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极之间的最小间距为5～20mm。
本发明的方法能够在惰性阳极与金属导电杆之间形成过渡层，这层过渡层能够分别与惰性阳极和金属导电杆连接紧密，具备足够的高温强度和导电性，并且能够给金属导电杆与阳极提供足够的膨胀空间，避免金属导电杆受热膨胀撑裂阳极；采用该方法可以在金属陶瓷惰性阳极不经表面金属化处理直接与金属导电杆的高温稳固有效连接，能够满足铝电解使用环境所要求的较高的高温强度、较好的抗热震性能、抗高温氧化性能和良好的导电性能。
本发明可以实现铝电解用金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的高温稳定有效连接，其主要特点是不经过金属陶瓷惰性阳极和金属导电杆表面金属化处理，利用含有与惰性阳极和金属导电杆相同组成的填充料，通过固相烧结扩散连接工艺解决了惰性阳极与金属导电杆之间电连接困难的问题，并且连接过程和阳极材料烧结过程同时进行，缩短工艺流程；采用本发明所述工艺方法制备的连接结构能够承受长期的高温、强腐蚀性气氛和高密度直流电流的冲击，能够将惰性阳极长期稳定悬挂于电解槽中，并且导电性能优异，电阻压降小，有利于降低槽电压和电解槽的长期稳定运行；本发明的方法对推动铝电解用金属陶瓷惰性阳极的工业化应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例中的连接结构材料的剖面结构示意图；图中：1、金属导电杆，2、填充料，3、NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的较佳实施案例进行详细阐述。
本发明实施例中采用的NiFe2O4陶瓷颗粒、TiN纳米粉和金属粉为市购产品。
本发明实施例中制成的连接结构具有32MPa以上的高温连接强度，电导率高于100S/cm。
本发明实施例中制成的连接结构承受960℃高温热冲击和氧化环境侵蚀的时间超过100小时。
本发明实施例中的NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极的金属相的质量百分比为10～17％，其余为陶瓷相。
实施例1
采用的NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极由陶瓷相和金属相组成，陶瓷相的成分按质量百分比含NiO 17％，其余为NiFe2O4；金属相的成分为80Cu-15Ni-5Ag；金属相与陶瓷相的质量比为17:83；
采用的金属导电杆材质为2520不锈钢；
采用的填充料的成分按质量百分比为：NiFe2O4陶瓷颗粒50％，TiN纳米粉10％，金属粉40％；所述的金属粉为60Cu-30Ni-10Ag混合金属粉，粒径为≤100μm；所述的NiFe2O4陶瓷颗粒的粒径为≤74μm；所述的TiN纳米粉的粒径为40～80nm；
将NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极在900℃预烧结6小时，冷却至常温，然后在NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳表面钻孔；
将金属导电杆放入孔中，金属导电杆和NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极之间的最小间距为5mm；在金属导电杆与NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳之间放置填充料，填充料将孔填满并被捣实，使金属导电杆、填充料和NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极构成连接结构材料，如图1所示；
将连接结构材料置于加热炉中，在保护气氛条件下加热至1100℃，保温6小时，然后随炉冷却至常温，完成金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接；保护气氛为氩气气氛，保护气氛条件下的氧分压为10Pa。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)采用的NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极中不含NiO4；金属相的成分为85Cu-15Ni；金属相与陶瓷相的质量比为10:90；
(2)采用的金属导电杆材质为80Ni-20Cr镍基高温合金；
(3)采用的填充料的成分按质量百分比为：NiFe2O4陶瓷颗粒65％，TiN纳米粉25％，金属粉10％；所述的金属粉为80Cu-20Ni混合金属粉；
(4)将NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极在1000℃预烧结5小时；
(5)金属导电杆和NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极之间的最小间距为12.5mm；
(6)连接结构材料在1200℃保温4小时，其中保护气氛条件下的氧分压为50Pa。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)采用的NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极中陶瓷相的成分按质量百分比含NiO10％，其余为NiFe2O4；金属相的成分为82.5Cu-15Ni-2.5Ag；金属相与陶瓷相的质量比为14:86；
(2)采用的金属导电杆材质为K640钴基高温合金；
(3)采用的填充料的成分按质量百分比为：NiFe2O4陶瓷颗粒57％，TiN纳米粉18％，金属粉25％；所述的金属粉为70Cu-25Ni-5Ag混合金属粉；
(4)将NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极在950℃预烧结4小时；
(5)金属导电杆和NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极之间的最小间距为20mm；
(6)连接结构材料在1150℃保温5小时，其中保护气氛条件下的氧分压为30Pa。

Claims (3)

1.一种铝电解用金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极在900~1000℃预烧结4~6小时，冷却至常温，然后在NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极 表面钻孔；所述的NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极由陶瓷相和金属相组成，金属相的质量百分比为10~17%，其余为陶瓷相，陶瓷相的成分按质量百分比含NiO 0~17%，其余为NiFe2O4；金属相的成分为Cu、Ni和Ag中一种或几种；
（2）将金属导电杆放入孔中，并在金属导电杆与NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳之间放置填充料，填充料将孔填满并被捣实，使金属导电杆、填充料和NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极构成连接结构材料；所述的金属导电杆材质选用耐热不锈钢、镍基高温合金或钴基高温合金；所述的填充料的成分按质量百分比为：NiFe2O4陶瓷颗粒35~80%，TiN纳米粉10~25%，金属粉10~40%；所述的金属粉为Cu、Ni和Ag中一种或几种，粒径为≤100μm；所述的NiFe2O4陶瓷颗粒的粒径为≤74μm；所述的TiN纳米粉的粒径为40~80nm；金属导电杆和NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极之间的最小间距为5~20mm；
（3）将连接结构材料置于加热炉中，在保护气氛条件下加热至1100~1200℃，保温4~6小时，然后随炉冷却至常温，完成金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接。
2.根据权利要求1所述的一种铝电解用金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接方法，其特征在于所述的保护气氛为氩气气氛，保护气氛条件下的氧分压为10~50Pa。
3.根据权利要求1所述的一种铝电解用金属陶瓷惰性阳极与金属导电杆的连接方法，其特征在于所述的填充料中的金属粉与NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极的金属相为同种金属元素。
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