CN109763146B - 一种铝电解用钛基复合材料阳极制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝电解用阳极技术领域，尤其是一种铝电解用钛基复合材料阳极制备方法，经过以泡沫钛为基材，在泡沫钛基材上包覆纳米复合氧化物颗粒层，并结合纳米氧化物颗粒层采用纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照一定质量比混合而成，极大程度提高了阳极材料的综合性能，降低铝电解过程阳极材料的耗损率，提高了电解铝产品的纯度，降低了铝电解用阳极的成本。
Description
技术领域
本发明涉及铝电解用阳极技术领域，尤其是一种铝电解用钛基复合材料阳极制备方法。
背景技术
随着社会的不断进步，节能减排成为了21世纪社会发展的主题。近几十年来，我国有色金属产业的发展迅速，使得生产能力大、效率高、操作条件好、污染轻、有价金属回收率高的湿法冶金工艺得到了快速发展与应用，例如：在铝生产过程中，是经常是采用电解工业生产金属铝，而在电解生产过程中，采用的阳极材料多为石墨，导致电解过程中，阳极被消耗，产生出大量的一氧化碳有毒气体，而且石墨电极成本较高，导致电解铝费用较高，单位产能投资大。
鉴于此，有研究者采用金属基复合材料惰性阳极作为电解铝阳极材料，解决了铝电解工业过程中石墨电极消耗大，污染大、成本高的缺陷，例如专利申请号为200510047669.7的《铝电解用金属基复合材料惰性阳极及其制备方法》中介绍，采用铁、镍、钴、铬、钛、铜、银等金属形成的合金为金属相，以氧化铝、稀土氧化物、铁酸镍、钴酸镍、铁酸锌的金属氧化物为陶瓷相合成金属基复合材料阳极，使得在电解铝时，阳极表面析出氧气，能够抗氧化、耐冰晶石熔盐腐蚀，导电性能良好，并且连接方便。
可是，现有技术中的阳极材料依然不能满足铝电解过程中大量需求，导致铝电解成本依然较大，尤其是使得铝电解过程中，依然存在较大的污染现象，阳极材料的年消耗量依然较大，致使电解获得的铝产品的品质依然较低。
基于此，本研究者在长期从事于阳极材料研究过程中，经过将研究的阳极材料应用于铝电解过程中，发现所获得的阳极材料年消耗量大幅度降低，电解获得的铝产品的纯度较高，极大程度的降低了铝电解过程中的成本，提高了品质，并且为铝电解过程中提供了一种新型阳极材料。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种铝电解用钛基复合材料阳极制备方法。
具体是通过以下技术方案得以实现的：
本发明中，铝电解用钛基复合材料阳极制备方法，是以泡沫钛为基材，置于双槽连续挤压包覆机中，将纳米复合氧化物颗粒挤压包覆在基材上，包覆层厚度为2-4mm，获得阳极；
其中，纳米复合氧化物颗粒为纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照质量比为1:1:1-1.5混合而成。
经过以泡沫钛为基材，在泡沫钛基材上包覆纳米复合氧化物颗粒层，并结合纳米氧化物颗粒层采用纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照一定质量比混合而成，极大程度提高了阳极材料的综合性能，降低铝电解过程阳极材料的耗损率，提高了电解铝产品的纯度，降低了铝电解用阳极的成本。
经过试验研究发现，对于本发明创造的阳极材料用于铝电解过程中，其阳极材料的年耗损速率为15mm/A以下，而且获得的电解铝产品的品质较优，达到了99.3％以上。
本发明创造在试验过程中，采用的双槽连续挤压包覆机为350T双槽连续挤压包覆机。
并且经过试验发现，本发明创造优选纳米复合氧化物颗粒为纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照质量比为1:1:1.3混合而成时，其阳极材料的年耗损速率下降至13.44mm/A左右，而且获得的电解铝产品的品质能够达到99.5％左右，可见，对于合适的纳米复合氧化物颗粒组成比，有助于大幅度改善阳极材料的综合性能，提高电解铝过程中产品品质，降低成本。
更优选是，所述的纳米TiO2颗粒粒径为50-200nm；所述的纳米IrO2颗粒粒径为100-200nm；所述的纳米氧化铝粒径为300-700nm。在该条件下，所制备得到的阳极材料用于铝电解过程中，其槽电压稳定，并且电解过程中，阳极周围会产生出大量的氧气，而且电解结束后，阳极腐蚀程度极小，将其直接置于空气中放置，未见有明显腐蚀现象；可见，在该条件下获得的阳极耐腐蚀性能更强，而且阳极包覆层内外材料分布均匀化。
更优选是，所述的纳米TiO2颗粒粒径为100nm；所述的纳米IrO2颗粒粒径为150nm；所述的纳米氧化铝粒径为500nm。
为了能够保证制备阳极过程包覆层包覆效果更加优异，避免包覆层包覆表面光滑度较差，导致阳极应用过程出现局部腐蚀严重现象出现，优选，所述的挤压包覆，控制双槽连续挤压包覆机主机转速为6rpm，加热块温度为280℃，控制包覆层厚度为2-4mm。
更优选，所述的方法，在包覆完成之后，还包括置于温度为400-500℃的真空环境下或者保护气体保护环境下保温处理10-20min。经过保温，实现了包覆层的均质化处理，改善了阳极表面综合性能，增强阳极导电率和抗热震性。
优选，在某些试验中，所述的保护气体保护是在充满氩气的环境下；所述的真空环境下是在真空度为0.12-0.25kPa下。
本发明的目的之二还提供一种铝电解用钛基复合材料阳极，以泡沫钛为基材，包覆2-4mm厚的纳米复合氧化物颗粒层，其中，纳米复合氧化物颗粒为纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照质量比为1:1:1-1.5混合而成。该阳极材料经过包覆的纳米复合氧化物层，使得其形成包覆层，提高了阳极抗腐蚀能力。
本发明的目的之三还提供一种用于包覆在钛基上制备铝电解用阳极的纳米复合氧化物颗粒，由TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照质量比为1:1:1-1.5混合而成。经过该纳米复合氧化物颗粒成分的合理配制与调整，使得能够经过挤压包覆在钛基材料上，并且在其表面形成较优的包覆层，极大程度的提高了阳极抗腐蚀能力，尤其是改善了阳极材料用于铝电解时，提高了电解铝产品的品质，改善了生产产品的综合价值，降低了成本。
不仅如此，本研究者在结合现有技术以及本领常规技术手段的基础上，经过对阳极直接用于铝电解试验，进而经过以本发明创造的阳极为阳极，以石墨为阴极，并控制铝电解过程中的温度在800-880℃范围内，电流密度控制在2.5安培/平方厘米下进行铝电解15h，采用的电解质中，含铝成分以氧化铝计质量浓度为2.8％，控制阴极阳极之间的极距为8cm，并对电解过程的槽压，铝产品质量以及阳极年腐蚀速率进行测试，可见，本发明创造在一定程度上能够改善铝电解过程中的品质，降低阳极损耗，降低成本。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
在某些实施例中，铝电解用钛基复合材料阳极制备方法，以泡沫钛为基材，置于双槽连续挤压包覆机中，将纳米复合氧化物颗粒挤压包覆在基材上，包覆层厚度为2-4mm，获得阳极；
其中，纳米复合氧化物颗粒为纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照质量比为1:1:1-1.5混合而成。
在某些实施例中，所述的双槽连续挤压包覆机为350T双槽连续挤压包覆机。
在某些实施例中，所述的纳米复合氧化物颗粒为纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照质量比为1:1:1.3混合而成。
在某些实施例中，所述的纳米TiO2颗粒粒径为50-200nm；所述的纳米IrO2颗粒粒径为100-200nm；所述的纳米氧化铝粒径为300-700nm。
在某些实施例中，所述的纳米TiO2颗粒粒径为100nm；所述的纳米IrO2颗粒粒径为150nm；所述的纳米氧化铝粒径为500nm。
在某些实施例中，所述的挤压包覆，控制双槽连续挤压包覆机主机转速为6rpm，加热块温度为280℃，控制包覆层厚度为2-4mm。
在某些实施例中，所述的方法，在包覆完成之后，还包括置于温度为400-500℃的真空环境下或者保护气体保护环境下保温处理10-20min。
在某些实施例中，所述的保护气体保护是在充满氩气的环境下；所述的真空环境下是在真空度为0.12-0.25kPa下。
试验1：纳米复合氧化物颗粒组成成分变化试验
包覆层材料配制：用于包覆在钛基上制备铝电解用阳极的纳米复合氧化物颗粒，由纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照一定质量比混合而成。
并在上述实施例1的基础上，将各成分以及组成比按照下表1所示的方式进行调整，制备得到纳米复合氧化物颗粒样品。
表1
阳极制备：以泡沫钛为基材，将纳米复合氧化颗粒挤压包覆在表面，控制包覆层厚度为2mm，具体操作是：
采用350T双槽连续挤压包覆机，将泡沫钛置于包覆机中，从喂料口将纳米复合氧化物颗粒喂入，控制双槽连续挤压包覆机主机转速为6rpm，加热块温度为280℃，挤压包覆，即得制备的阳极，并根据采用的不同纳米复合氧化物颗粒样品进行标号。
电解测试：
以石墨作为阴极，在800℃下，电流密度控制在2.5安培/平方厘米下进行铝电解15h，电解质组成是NaF-AlF3-NaCl-CaF2-AL2O3，并且含铝成分以氧化铝计质量浓度为2.8％，控制阴极阳极之间的极距为8cm，其他操作按照铝电解行业的常规技术手段或者相关现有技术中的铝电解操作方式进行操作，对电解过程的槽电压、电解得到的铝产品质量以及阳极的年腐蚀速率进行检测，结果如下表2所示：
表2
由表2的数据显示可以得知，对于纳米复合氧化物颗粒成分组成以及组成比例的不同，将会极大程度的影响阳极材料的综合性能，甚至还会影响铝电解过程中的耗能情况，导致铝电解成本较高，铝产品质量较差。
试验2：纳米复合氧化物颗粒组成成分粒径变化试验
在试验1基础上，本研究者经过利用样品7中的纳米复合氧化物颗粒作为参比，并将纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝的粒径按照下表3所示进行调整，并按照试验1的方式，对铝电解过程中的槽电压、电解得到的铝产品质量以及阳极的年腐蚀速率进行检测，结果如下表3所示：
表3
由表3数据显示可见，对于纳米复合氧化物颗粒有效成分的粒径不同，将会对制备的阳极综合性能造成不同程度的影响，因此，在配制纳米复合氧化物颗粒过程中，应当准确控制有效成分之间的粒径处于合适范围内。
试验3：包覆层厚度变化试验
在试验1基础上，本研究者结合样品7中的纳米复合氧化物颗粒作为参比，控制包覆层厚度按照以下表4所示调整，并对铝电解过程中的槽电压、电解得到的铝产品质量以及阳极的年腐蚀速率进行检测，结果如下表4所示：
表4
由表4的数据显示可以看出，对于包覆层的厚度将会对阳极的年腐蚀速率以及铝电解过程中的铝产品纯度造成不同程度的影响，而且还会影响铝电解阳极的综合性能，造成槽电压过高，能耗增大的现象。
试验4：制备工艺以及条件变化试验
在试验1基础上，按照试验1中的阳极制备方法进行制备，并在制备获得的阳极按照以下工艺进行调整处理，使得阳极表面实现均质化，并将其按照试验1的操作方法，进行阳极性能的测试，测试结果如下表5所示：
(1)包覆完成后，置于温度为400℃，氩气保护环境下，保温处理10min；
(2)包覆完成后，置于温度为400℃，真空度为0.12kPa环境下，保温处理10min。
表5
由表5数据以及表1数据显示可见，对于将包覆完成之后的阳极置于一定温度中，将其进行均质化处理之后，能够有助于改善阳极综合性能，提高铝产品的品质，增强阳极耐腐蚀能力，降低铝电解成本。
除此之外，本研究者在研究过程中，进一步的对均质化处理过程中的工艺进行探索，并得出，对于氩气保护环境下的恒温处理过程中，其温度控制在400-500℃，处理时间控制在10-20min，将会有助于稳定阳极用于铝电解过程中的槽电压，进而使得铝产品的质量趋于稳定，维持在99.3％以上，而且阳极腐蚀能力较强；但是，对于恒温处理温度低于400℃，将会导致处理之后的阳极用于铝电解过程中的槽电压快速的升高，造成能耗大幅度的增大，极大程度的降低了铝电解时的电流效率，增加了成本；而对于温度高于500℃，处理10min后，阳极用于铝电解，其槽电压稳定性较差，时而较高，时而较低，出现不断波动的状态，导致铝电解不能稳定进行，进而影响电解产品的品质；同样在此过程中还测定了保温时间对阳极综合性能的影响，得出，对于保温温度控制在400-500℃，保温时间在10-20min之间，将会有助于改善阳极的综合性能，提高耐腐蚀能力，稳定电解槽电压。而且：对于真空环境下的恒温处理过程中，其温度控制在400-500℃，真空度为0.12-0.25kPa环境下，处理10-20min时，槽电压稳定性较好，而对于真空度不在0.12-0.25kPa环境下时，例如：在常压环境中进行上述保温处理，将会导致槽电压大幅度的波动，而且阳极耐腐蚀能力有所下降，造成铝电解处理成本较高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种铝电解用钛基复合材料阳极制备方法，其特征在于，以泡沫钛为基材，置于双槽连续挤压包覆机中，将纳米复合氧化物颗粒挤压包覆在基材上，包覆层厚度为2-4mm，获得阳极；所述的挤压包覆，控制双槽连续挤压包覆机主机转速为6rpm，加热块温度为280℃；
其中，纳米复合氧化物颗粒为纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照质量比为1:1:1-1.5混合而成；
所述的纳米TiO2颗粒粒径为50-200nm；所述的纳米IrO2颗粒粒径为100-200nm；所述的纳米氧化铝粒径为300-700nm。
2.如权利要求1所述的铝电解用钛基复合材料阳极制备方法，其特征在于，所述的双槽连续挤压包覆机为350T双槽连续挤压包覆机。
3.如权利要求1所述的铝电解用钛基复合材料阳极制备方法，其特征在于，所述的纳米复合氧化物颗粒为纳米TiO2颗粒、纳米IrO2颗粒与纳米氧化铝按照质量比为1:1:1.3混合而成。
4.如权利要求1或3所述的铝电解用钛基复合材料阳极制备方法，其特征在于，所述的纳米TiO2颗粒粒径为100nm；所述的纳米IrO2颗粒粒径为150nm；所述的纳米氧化铝粒径为500nm。
5.如权利要求1所述的铝电解用钛基复合材料阳极制备方法，其特征在于，所述的方法，在包覆完成之后，还包括置于温度为400-500℃的真空环境下或者保护气体保护环境下保温处理10-20min。
6.如权利要求5所述的铝电解用钛基复合材料阳极制备方法，其特征在于，所述的保护气体保护是在充满氩气的环境下；所述的真空环境下是在真空度为0.12-0.25kPa下。
7.如权利要求1-6任一项所述方法制备的铝电解用钛基复合材料阳极。
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