CN1405358A

CN1405358A - 硼化钛金属陶瓷复合材料涂层阴极碳块及其制备方法

Info

Publication number: CN1405358A
Application number: CN 02131179
Authority: CN
Inventors: 卢惠民
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2003-03-26
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: CN1176250C

Abstract

一种铝电解槽用的硼化钛金属陶瓷复合材料涂层阴极碳块，硼化钛金属陶瓷复合材料涂层作为电解槽的工作面，其特征在于制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层的硼化钛金属陶瓷复合材料粉末配方重量百分组成是：Ti：60－80％，C：6－9％，Zr：1－3％，B：15－30％，制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层的制备步骤包括：制备喷涂用粉末，粒度在－80～+300目；碳块表面预处理包括粗糙化、预热；在大气常压气氛下等离子喷涂，使用氩气、氮气和氢气混合气体送粉，涂层厚度为0.5～1.2mm；冷却后进行机加工为产品。该硼化钛金属陶瓷复合材料涂层阴极碳块具有导电性良好，热稳定性高，抗电解质浸蚀性强，对铝液的湿润性好等特点，能有效延长铝电解槽的使用寿命，提高电流效率，节能降耗。

Description

硼化钛金属陶瓷复合材料涂层阴极碳块及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种铝电解工业用阴极材料及其制备方法。特别涉及铝用电解槽的硼化钛金属陶瓷复合材料涂层阴极碳块的制备方法。

背景技术：

熔盐电解法制铝是全世界范围内制铝的唯一工业制铝方法，铝电解槽阴极使用碳素材料，目前有三种：普通阴极碳块、半石墨阴极碳块和高石墨碳块。铝电解槽阴极是由槽底砌筑的碳块和在上面覆盖的约20厘米铝液构成。槽破损主要是阴极碳块的破损，槽的寿命一般为4年，在不利的情况下，这个期限还会缩短。大量的研究和生产实践证实，碳素材料的损坏是由于电解时出现的钠、电解质和金属铝液的浸入使碳块膨胀变形所致。在铝生产时，加入的氧化铝常在槽底生成沉淀，严重时导致槽底局部绝缘。由于碳阴极被铝润湿性能差，这不但加剧了槽沉淀的形成过程，还会使冰晶石熔体浸入碳块，使之膨胀；渗漏至阴极钢棒致使铝中含铁量升高，情况继续恶化就迫使停槽。此外，为了保证熔融铝与阴极碳块的有效接触，槽内必须保持相当高的铝液层。槽底的部分区域绝缘和较高铝液层带来的问题是：电磁力引起铝液层运动和不断波动，为了避免铝和阳极短路，必须增大极距，从而使电流效率降低和电能消耗增加。硼化钛是唯一在铝液中溶解度很小、导电率高、且能为铝所润湿的材料。润湿性好就可以直接在阴极碳块表面上沉积一薄层铝液，提高导电率和耐腐蚀性能。目前在铝电解槽碳阴极上涂覆硼化钛的方法是用振动成型法，在碳块基体上一层硼化钛-碳复合层。由于硼化钛-碳复合层内含有70％的沥青、焦炭和树脂胶，在实际使用中易被钠和铝浸蚀而过早损坏。文献MA(金属文摘)(文摘号：199907-42-0602)、EI(工程索引)(文摘号：EIP98054192446和EI(工程索引)(文摘号：EIP98054192445介绍了德国科学家在真空中成功地用等离子喷涂方法将硼化钛粉末喷涂在碳阴极上，测试结果表明涂层性能良好，已经引起铝业界的极大关注。但该方法由于采用真空等离子设备，成本高。

发明内容：

本发明的目的主要是解决在真空中用等离子喷涂方法将硼化钛粉末喷涂在碳阴极上成本高的问题，研制出同样是等离子喷涂，但可以在大气常压气氛下将硼化钛粉末喷涂在碳阴极上的方法，降低了成本；同时研制出的适合大气常压气氛下用等离子喷涂专用硼化钛金属陶瓷复合材料粉末，用该粉末制成的硼化钛金属陶瓷复合材料涂层阴极碳块具有电阻铝率低、热稳定性好、耐电解质浸蚀，对铝液的湿润性好等特性。

一种硼化钛金属陶瓷复合材料涂层阴极碳块，在普通阴极碳块、半石墨阴极碳块和高石墨阴极碳块上用大气常压气氛下等离子喷涂方法制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层，该层与碳块基体紧密结合在一起，硼化钛金属陶瓷复合材料涂层作为电解槽的工作面，其特征在于制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层的硼化钛金属陶瓷复合材料粉末配方重量百分组成是：Ti：60-80％，C：6-9％，Zr：1-3％，B：15-30％，最佳组成为：Ti：65.5-75％，C：7-8％，Zr：1.5-2.5％，B：18-22％。

制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层的制备步骤如下：

1、制备喷涂用粉末，粒度在-80～+300目；

2、碳块表面予处理包括粗糙化、予热200℃；

3、在大气常压气氛下等离子喷涂，使用氩气、氮气和氢气混合气体送粉，其中氩

气为10～20％，氢气为5～15％，余量为氮气，混合气体的总流量保持在30～80

升/分，涂层厚度为0.5～1.2mm，最佳涂层厚度为0.8～1.0mm；

4、冷却后进行机加工为产品。

与已有技术相比，本发明有以下特点：

1.制备出用于大气常压气氛下等离子喷涂碳材料的专用硼化钛金属陶瓷复合材料粉末；在20～1000℃的温度范围内，涂层的热膨胀系数约为5.7×10^-6/℃，和碳阴极的热膨胀系数4×10^-6/℃相近；涂层电阻率在900℃时为7.5μΩm；涂层厚度为0.5～1mm；涂层与碳基材料的结合力约为5.2MPa，结合牢固；涂层有良好的抗钠蚀性能，并且溶解损失速度较慢，适合于进行工业规模的推广应用。

2.与真空等离子喷涂方法相比，由于不需要真空系统，设备投资小，成本低。

具体实施方式：

实施例1：在普通阴极碳块表面喷涂制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层

硼化钛金属陶瓷复合材料粉末配方重量百分组成是：

Ti：62.5％，C：8％，Zr：2.5％，B：27％，粒度在-80～+300目。

制备步骤如下：

1.碳块表面予处理包括粗糙化、予热200℃；

2.在大气常压气氛下等离子喷涂，使用氩气、氮气和氢气混合气体送粉，其中氩

气为10～20％，氢气为5～15％，其余为氮气，混合气体的总流量保持在30～80

升/分，涂层厚度为0.7mm；

3.冷却后进行机加工为产品。

实施例2：在半石墨阴极碳块表面喷涂制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层

硼化钛金属陶瓷复合材料粉末配方重量百分组成是：

Ti：71.4％，C：7.6％，Zr：2％，B：19％，粒度在-80～+300目。

制备步骤如下：1.碳块表面予处理包括粗糙化、予热200℃；2.在大气常压气氛下等离子喷涂，使用氩气、氮气和氢气混合气体送粉，其中氩气为10～20％，氢气为5～15％，其余为氮气，混合气体的总流量保持在30～80升/分，涂层厚度为0.9mm；3.冷却后进行机加工为产品。实施例3：在高石墨阴极碳块表面喷涂制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层硼化钛金属陶瓷复合材料粉末配方重量百分组成是：Ti：76.5％，C：6.2％，Zr：1.3％，B：16％，粒度在-80～+300目。制备步骤如下：1.碳块表面予处理包括粗糙化、予热200℃；2.大气常压气氛下等离子喷涂，使用氩气、氮气和氢气混合气体送粉，其中氩气为10～20％，氢气为5～15％，其余为氮气，混合气体的总流量保持在30～80升/分，涂层厚度为1.1mm；3.冷却后进行机加工为产品。

Claims

1.一种硼化钛金属陶瓷复合材料涂层阴极碳块，在普通阴极碳块、半石墨阴极碳块和高石墨阴极碳块上用等离子喷涂方法在大气常压气氛下制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层，该层与碳块基体紧密结合在一起，硼化钛金属陶瓷复合材料涂层作为电解槽的工作面，其特征在于制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层的硼化钛金属陶瓷复合材料粉末配方重量百分组成是：Ti：60-80％，C：6-9％，Zr：1-3％，B：15-30％，最佳组成为：Ti：65.5-75％，C：7-8％，Zr：1.5-2.5％，B：18-22％。

2.如权利要求1所述的一种硼化钛金属陶瓷复合材料涂层阴极碳块，其特征在于：制备硼化钛金属陶瓷复合材料涂层的制备步骤如下：

(1)制备喷涂用粉末，粒度在-80～+300目；

(2)碳块表面予处理包括粗糙化、予热200℃；

(3)在大气常压气氛下等离子喷涂，使用氩气、氮气和氢气混合气体送粉，其中氩气为10～20％，氢气为5～15％，其余为氮气，混合气体的总流量保持在30～80升/分，涂层厚度为0.5～1.2mm；

(4)冷却后进行机加工为产品。

3.如权利要求2所述的一种硼化钛金属陶瓷复合材料涂层阴极碳块，其特征在于硼化钛金属陶瓷复合材料涂层最佳厚度为0.8～1.0mm。