CN111455409A - 一种垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的涂层材料及该磁屏蔽槽壳的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的涂层材料及磁屏蔽槽壳的制备方法。该制备方法为：首先对普通钢制槽壳表面进行预处理，然后采用表面喷涂涂层的方法，在钢制槽壳表面喷涂磁屏蔽涂层材料，最后对其进行热处理，使其具有磁屏蔽、耐磨损的特性。本发明可以有效降低垂直式电解槽外围母线产生的磁场，槽内磁场强度降低至原有磁场强度的1/10以下，从而增加电解槽铝液的稳定性，提高电流效率，降低直流电耗，同时降低电解工人劳动强度，提高生产效率，节约生产成本。

Description

一种垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的涂层材料及该磁屏蔽槽 壳的制备方法
技术领域
本发明属于铝电解技术领域，涉及一种垂直式铝电解槽的改进材料和方法，特别涉及一种垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的涂层材料及该磁屏蔽槽壳的制备方法。
背景技术
近年来，电解铝行业得到了迅猛发展，但是现行的Hall-Herout铝电解槽的综合吨铝能耗仍然高达13500kw·h以上，电能效率低于50％，而且产生大量温室气体CO2、CFn，以及致癌物等，给环境造成了极大的污染。巨大的能源消耗、资源消耗和环境负荷等问题正严重制约着铝电解工业的发展。
以惰性阳极取代碳阳极，再配合可润湿性阴极的新型垂直式铝电解槽，构建无碳铝清洁生产技术工艺，不仅可以节约阳极消耗400-500kg/t-Al，同时还可以完全避免当量CO2排放带来的碳税。采用无碳铝清洁生产技术后，不仅不再有CO2、CO和CFn的产生实现温室气体的零排放，而且排放的O2还可以作为副产品，对于高排放的电解铝行业来说，采用无碳铝生产技术具有非常重要的意义。
但是，由于无碳铝清洁生产技术所配套采用的复合材料可润湿性阴极难以大型化，现有铝电解槽结构难以适用，因此适合可润湿阴极电解槽在设计过程中需要采用阳极与阴极垂直式的安装方式。但是，垂直式电极的安装方式导致在电解槽中，电流呈现水平移动的方式，电解槽内水平电流急剧增大，产生的z方向的磁场也越来越大，而对铝液的稳定性影响最大的就是z方向的磁场强度。从而将导致电流效率降低，电能消耗增加。
无碳铝电解槽内磁场主要由槽内水平电流产生的磁场、槽外母线产生的磁场共同叠加形成，而电解槽内水平电流引起的磁场是难以屏蔽的，为了降低槽内磁场，只能降低槽外母线产生的磁场。
专利CN200710179632.9描述了一种优化铝电解槽槽内磁场的方法，针对铝电解槽内磁场分布不均匀的问题，对槽内磁场不利影响的一段罩上铁磁屏蔽罩以减弱它的副作用。这种方法有效克服了传统补偿母线配置的缺点，在电解槽槽底补偿母线的局部周围罩上屏蔽套，使补偿母线在减弱目标位置磁场的途中不对其他部分磁场产生不利影响，方便容易的降低电解槽磁场，但此种方法只适合用于铝母线的位置，对铝母线上方的槽壳没有起到磁屏蔽的作用。
专利CN201110150803.1与CN201210124341.0描述了一种磁屏蔽的铝电解槽，在铝电解槽槽壳与铝电解槽上部结构之间用铁磁性材料设置屏蔽槽罩板，在立柱母线外部设置立柱母线罩板，形成封闭的磁屏蔽回路。这种方法不影响原有的电解槽结构，磁屏蔽效果较好，但铁磁性材料做成的槽罩板，对比传统的铝合金槽盖板，不但成本高，而且重量大，操作不方便。
因此，现在亟待制备一种新型带有磁屏蔽槽壳的铝电解槽，能够对铝母线上方的槽壳也具有屏蔽作用，同时不增加槽壳的生产成本和重量，从而解决现有技术中的不足。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的涂层材料，该涂层具有优异的耐磨性、抗氧化性、韧性的同时，可以起到屏蔽磁场的作用。
本发明的另一目的在于提供一种垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的制备方法，该制备方法将普通钢制槽壳制备成磁屏蔽槽壳，不会显著增加槽壳重量，可以起到有效稳定电解槽磁场的作用，增加电解槽的稳定性，提高电流效率，降低直流电耗，节约生产成本。
本发明的第三个目的在于提供一种采用上述方法制备的垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳。
为了实现上述目的，本发明提供一种垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的涂层材料，该涂层材料按重量百分比包括如下粉末材料Cr 30-82％，Fe 17-69％，Si 0.1-8％，Mo0.1-5％、C 0.03-1.5％。
上述粉末材料组分的选择中，Cr能提高涂层材料的导磁性，并且提高涂层材料强度，同时保持良好的塑性和韧性，保证涂层的高温磁屏蔽性能。
上述粉末材料组分的选择中，Fe能提高涂层材料的导磁性，并且能够提高涂层材料的耐磨性，保证涂层的高温耐磨性。
上述粉末材料组分的选择中，Si能提高涂层材料的导磁性，并且能够提高涂层材料的耐磨性和高温抗氧化性，保证涂层的高温磁屏蔽性能。
上述粉末材料组分的选择中，Mo能提高涂层材料的强度和抗蠕变性，避免涂层材料高温变形。
上述粉末材料组分的选择中，C能提高涂层材料的屈服点和抗拉强度，避免涂层高温开裂。
更进一步地，所述涂层材料按重量百分比进一步包括如下粉末材料Ni0-6％、Co0-6％、Ce 0-1％，并且Ni、Co和Ce不同时为零。
上述粉末材料组分的选择中，Ni能提高涂层材料的防腐性和耐热性，同时保持优异的塑形和韧性，避免涂层材料的高温开裂。
上述粉末材料组分的选择中，Co能提高涂层材料的高温强度和耐热性能，保证涂层的高温耐热性能。
上述粉末材料组分的选择中，Ce能提高涂层材料的高温强度和高温抗膨胀性，避免涂层材料的高温膨胀变形。
更进一步地，所述涂层材料的中各粉末材料的粒度为45μm-125μm。
本发明还提供一种垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的制备方法，包括如下步骤：
(1)对垂直式铝电解槽的钢制槽壳表面进行预处理；
(2)使用上述的涂层材料在预处理后的该钢制槽壳外侧表面和顶面进行喷涂；
(3)对喷涂涂层后的该钢制槽壳进行时效处理，温度为100℃-200℃，保温时间10h-20h。
进一步地，步骤(1)中所述的方法为：利用高压淡水冲洗清除上述普通钢制槽壳表面的污物，然后进行喷砂。
喷砂为常规技术，为利用高压空气带出石英砂喷射到钢材上，以达到除锈除污的目的。通过预处理不仅去除钢制槽壳表面的污染物，还可以增加钢制槽壳表面的粗糙度，从而提高涂层材料与钢制槽壳的接触面积。
进一步地，步骤(2)所述喷涂涂层的方法为等离子喷涂，该等离子喷涂采用氩气作为主气，压力45-70PSI，氢气作为辅气，压力30-55PSI，电流400-700A，电压30-38V，送粉速度1.5-3g/min。
进一步地，步骤(2)所述的喷涂涂层的厚度为50μm～500μm。
步骤(3)时效处理用以保证涂层组织的均匀化，并消除残余应力。
本发明还提供一种采用上述的制备方法制备的垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳。
本发明的特点在于：
(1)本发明制备的磁屏蔽槽壳，由于采用喷涂涂层的方法，操作过程简单、方便，并且不改变槽壳的形状、不影响电解槽结构；
(2)本发明制备的磁屏蔽槽壳，在电解槽内部与外围母线结构之间形成密闭结构，起到有效稳定磁场的作用，槽内的磁场降低至原有磁场强度的1/10以下，从而增加电解槽的稳定性，提高电流效率，降低直流电耗，节约生产成本；
(3)本发明制备的磁屏蔽槽壳，重量与原有槽壳重量相当，不会明显增加槽壳重量；
(4)本发明制备的磁屏蔽槽壳，可有效屏蔽电解槽外围母线的磁场，降低电解工人劳动强度，提高生产效率。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种无碳垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的制备方法，该制备方法将普通钢制槽壳制备成磁屏蔽槽壳，可以起到有效稳定磁场的作用，槽内磁场强度降低至原有磁场强度的1/10以下，同时不会显著增加槽壳重量，增加了铝电解槽的稳定性，提高了铝电解槽内电流效率，降低了直流电耗，节约了生产成本。
附图说明
图1为本发明提供的制备方法制备的垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的剖面示意图。
图2为本发明提供的制备方法制备的垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的工作示意图
附图标记
1、磁屏蔽涂层；2、钢制槽壳；3、阳极；4、进电母线；5、槽内衬；6、出电母线；7、阴极
具体实施方式
如图1所示为本发明提供的制备方法制备的垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的剖面示意图，从图1可以看出，使用本发明所提供的涂层材料涂覆在垂直式铝电解槽的钢制槽壳2的外侧表面和顶面，形成磁屏蔽涂层1。
经过喷涂处理得到的磁屏蔽槽壳的工作示意图如图2所示，工作前将磁屏蔽槽壳两侧分别连接L形的进电母线4和出电母线6，在磁屏蔽槽壳内壁设置有槽内衬5，在进电母线4水平部分边缘垂直向下设置有阳极3，在出电母线6水平部分边缘垂直向下设置有阴极7，阳极3和阴极7伸入到磁屏蔽槽壳内。工作时磁屏蔽槽壳的竖直部分外表面涂覆的磁屏蔽涂层1可以屏蔽进电母线4、出电母线6竖直部分产生的磁场；磁屏蔽槽壳的水平部分上表面涂覆的磁屏蔽涂层1可以屏蔽进电母线4、出电母线6水平部分产生的磁场，从而降低铝电解槽内的磁场强度。
实施例1
首先对垂直式铝电解槽的普通钢制槽壳外侧表面和顶面进行预处理，利用高压淡水冲洗清除钢制槽壳表面的污物，获得洁净的表面，然后进行喷砂处理，增加表面的粗糙度，从而提高涂层材料与钢制槽壳的接触面积，然后采用等离子喷涂的方法对钢制槽壳表面进行热喷涂，等离子喷涂采用氩气作为主气，压力60PSI，氢气作为辅气，压力50PSI，电流600A，电压35V，送粉速度2.5g/min。喷涂粉末的成分为Cr 53％，Fe 38％，Si 3.8％，Mo5％，C 0.2％，粉末材料粒度为50μm-65μm，涂层厚度为120μm。最后进行时效处理，温度为150℃，保温时间为10h，为了保证涂层组织的均匀化，并消除残余应力，选择随炉温冷却。
经1000A电流实验下，高斯计测算屏蔽后电解槽内总的磁场仅相当于原来磁场强度的1/18，可以有效的屏蔽电解槽外部母线产生的磁场。
实施例2
首先对垂直式铝电解槽的普通钢制槽壳外侧表面和顶面进行预处理，利用高压淡水冲洗清除钢制槽壳表面的污物，获得洁净的表面，然后进行喷砂处理，增加表面的粗糙度，可以提高涂层材料与钢制槽壳的接触面积，然后采用等离子喷涂的方法对钢制槽壳表面进行热喷涂，等离子喷涂采用氩气作为主气，压力70PSI，氢气作为辅气，压力55PSI，电流700A，电压38V，送粉速度3g/min，其中喷涂粉末的成分为Cr 55％，Fe 24％，Si 6.6％，C0.2％，Mo 5％，Ni 3.2％，Co 6％，粉末材料粒度为55μm-80μm，涂层厚度为220μm。最后进行时效处理，温度为180℃，保温时间为15h，为了保证涂层组织的均匀化，并消除残余应力，选择随炉温冷却。
经1000A电流实验下，高斯计测算屏蔽后电解槽内总的磁场仅相当于原来磁场强度的1/29，有效的屏蔽电解槽外部母线产生的磁场。
实施例3
首先对垂直式铝电解槽的普通钢制槽壳外侧表面和顶面进行预处理，利用高压淡水冲洗清除钢制槽壳表面的污物，获得洁净的表面，然后进行喷砂处理，增加表面的粗糙度，从而提高涂层材料与钢制槽壳的接触面积，采用等离子喷涂的方法对钢制槽壳表面进行热喷涂，等离子喷涂采用氩气作为主气，压力45PSI，氢气作为辅气，压力30PSI，电流400A，电压30V，送粉速度1.5g/min，，其中喷涂粉末的成分为Cr 70％，Fe 17％，Si 2.7％，Mo 3％，C 0.3％，Ni 6％，Ce 1％，粉末材料粒度为55μm-100μm，涂层厚度为60μm。最后进行时效处理，存放温度为100℃，保温时间为10h，为了保证涂层组织的均匀化，并消除残余应力，选择随炉温冷却。
经1000A电流实验下，高斯计测算屏蔽后电解槽内总的磁场仅相当于原来磁场强度的1/10，有效的屏蔽电解槽外部母线产生的磁场。
从上述实施例可以看出，本发明提供的垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的涂层材料及磁屏蔽槽壳制备方法制备得到的磁屏蔽槽壳可以起到有效稳定磁场的作用，上面附图的涂层材料很薄，因而不会显著增加槽壳重量；采用本发明的涂层材料槽可增加电解槽的稳定性，提高电流效率，降低直流电耗，节约生产成本。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的涂层材料，其特征在于，该涂层材料按重量百分比包括如下粉末材料Cr 30-82％，Fe 17-69％，Si 0.1-8％，Mo 0.1-5％、C 0.03-1.5％。
2.如权利要求1所述的涂层材料，其特征在于，所述涂层材料按重量百分比进一步包括如下粉末材料Ni 0-6％、Co 0-6％、Ce 0-1％，并且Ni、Co和Ce不同时为零。
3.如权利要求1或2所述的涂层材料，其特征在于，所述涂层材料的中各粉末材料的粒度为45μm-125μm。
4.一种垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对垂直式铝电解槽的钢制槽壳外侧表面和顶面进行预处理；
(2)使用如权利要求1至3任一项所述的涂层材料在预处理后的该钢制槽壳表面进行喷涂；
(3)对喷涂涂层后的该钢制槽壳进行时效处理，存放温度为100℃-200℃，保温时间10h-20h。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的预处理的方法为：使用高压淡水冲洗清除所述普通钢制槽壳表面的污物，然后进行喷砂处理。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述喷涂涂层的方法为等离子喷涂，该等离子喷涂采用氩气作为主气，压力45-70PSI，氢气作为辅气，压力30-55PSI，电流400-700A，电压30-38V，送粉速度1.5-3g/min。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的喷涂涂层的厚度为50μm～500μm。
8.一种采用如权利要求4-7任一项所述的制备方法制备的垂直式铝电解槽用磁屏蔽槽壳。
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