適用于金屬熔鹽電解槽惰性陽極的合金材料制造技術

本發明專利技術涉及一種適用于金屬熔鹽電解槽惰性陽極的合金材料，涉及一種金屬熔鹽電解，尤其適用于鋁電解槽的無碳、金屬基合金惰性陽極。其合金材料的基體元素質量百分組成是：37%-76%的Cu，15％-30％的Ni，5%-25％的Fe，4%-8%的Al。本發明專利技術的一種適用于金屬熔鹽電解槽惰性陽極的合金材料，適用于低溫（700-850℃）電解質體系。合金陽極在電解過程中表現出良好的高溫抗氧化性和耐電解質腐蝕性能，電解后的鋁產品質量達到99.7％以上。

【技術實現步驟摘要】
適用于金屬熔鹽電解槽惰性陽極的合金材料
適用于金屬熔鹽電解槽惰性陽極的合金材料，涉及一種金屬熔鹽電解，尤其是適用于鋁電解槽的無碳、金屬基合金惰性陽極的合金材料。
技術介紹
作為輕金屬，鋁及其合金的應用對于全球能源的節約具有重要意義，為追求原鋁電解生產過程的可持續發展，能源消耗巨大和環境污染嚴重是急需解決的問題。目前，易消耗的碳陽極在許多金屬冶金熔鹽電解工業中廣泛應用，如鋁、稀土金屬的冶煉等。相比于傳統的碳陽極，惰性陽極材料和惰性陽極技術的發展，在原鋁和其它金屬的生產過程中，能夠顯著地節省能源；用惰性陽極替代易消耗的碳陽極，陽極析出氣體由引起溫室效應的CO2和強溫室效應氣體一碳氟化合物(如CF4和C2F6)替換為氧氣；同時，惰性陽極的應用可以顯著地降低原鋁生產的成本，如縮小電解槽的占地面積，減少碳陽極的制造費用，節約資金投入，提高原鋁質量等。在金屬氧化物通過電解冶煉成金屬，尤其是氧化鋁在熔鹽電解質體系中冶煉成原鋁的過程中，惰性陽極在電解槽中的使用得到了工業界的廣泛關注和深入研究。從定義上講，惰性陽極不能和熔鹽電解質以及電解過程中產生的O2發生反應，實際上在電解質中腐蝕相當緩慢的陽極亦被稱為惰性陽極，具有這種性能的陽極材料主要包括陶瓷材料、金屬陶瓷材料和金屬合金材料。由于陶瓷材料和金屬陶瓷具有本身難以克服的缺陷，如導電性和抗熱震性能差，不易連接等，而金屬合金沒有以上缺陷，是最具有希望得到商業化應用的惰性陽極材料。專利US 5284562描述了一種氧化鋁冶煉成原鋁的電解槽，該電解槽中惰性陽極的組成元素包括銅、鎳、鐵。其大致的合金元素組成為(質量百分比):45-70%的銅,25-48% 的鎳，2-17 %的鐵。更為優化的合金元素組成為(質量百分比):45-70 %的銅,28-4 2 %的鎳, 13-17%的鐵。該惰性陽極是電解槽的一部分，其連接導桿采用與陽極相同的材料。電解質的優化組成為適量的AlF3和NaF，以及少量的KF和LiF。專利US 5510008描述了一種陽極，該陽極由鎳、鐵、鋁、銅等粉末經過微波燒結得到多孔金屬基體。合金元素組成為(質量百分比)60-67%的鎳，3-10%的招，5-20%的鐵， 5-15%的銅。多孔金屬經過原位陽極極化形成具有電化學活性的富鐵氧化物外層。流動性好的冰晶石在氧化膜形成過程中可以滲透到多孔金屬基體，阻礙電解質在發生電解反應時從陽極活性外層進一步滲透，這樣可以保持陽極內部基體仍然為電化學惰性。專利US 6162334描述了一種金屬電解如鋁電解用的惰性陽極，該惰性陽極由銅和銀作為基體金屬，另外添加至少一種貴金屬元素包括銀、鈀、鉬、金、銠、釕、銥、鋨等。該惰性陽極可以由粉末燒結而成，燒結后材料內部基體金屬元素含量多于貴金屬元素，而材料外部貴金屬元素含量多于基體金屬元素。試驗優選出的材料基體為銅，貴金屬由銀，鈀或者混合元素組成。專利US 6361680描述了一種適用于鋁電解用惰性陽極的生產方法和材料成分，該陽極由鎳、鋁、鐵、銅和至少一種活性元素如硅，錫、鋅、釩、銦、鉿、鎢以及稀土元素組成。 微波燒結后基體為金屬和金屬間化合物相，基體表面為氧化物層，該氧化物層可以在含有氧化鋁的氟化物電解質中進行陽極極化得到，或者在氧氣氛圍中進行高溫處理得到。氧化物層通常包含富鐵活性外層和富鋁惰性內層。專利US 6562224描述了一種用于鋁電解槽用惰性陽極的制作方法，該陽極由 Fe-Ni基體組成，在放入電解槽之前在氧氣氛圍中或空氣中預氧化，預氧化最佳溫度為 1000-1100oC。預氧化后在Fe-Ni基體表面黏附一層鐵氧化物外層，如Fe2O3,該外層對氧離子具有差的導通性，同時對游離氧原子具有單方向導通性，在電解過程中可以減少氧氣擴散至Fe-Ni基體內部。專利US 6866768、US 7077945描述了一種熔鹽電解質體系中鋁電解用的惰性陽極。適合用作惰性陽極的金屬合金成分為Cu-N1-Fe，元素組成范圍為(質量百分比) 20-50 % 的銅，20-40 % 的鎳，20-40 % 的鐵。專利US 6878247描述了一種用于鋁電解的惰性陽極，該陽極由N1-Fe合金作為基體部分，基體外層是一個多孔富鎳層，這樣可以提高外部表面的電化學活性。最外表面覆蓋一層鎳鐵氧化物層，這層膜黏附在多孔富鎳層上，可以提高陽極材料的耐熔鹽腐蝕性。在使用過程中，外部多孔富鎳層的孔洞部分或者全部被鐵和鎳的氧化物、氟化物和氧氟化合物所填充。專利US 2005092619采用的惰性陽極從大量材料中進行選取，包括金屬、金屬合金、金屬氧化物和陶瓷。試驗表明以銅為主，添加較多的鋁元素(1_20%)，已有商用合金， 包括但不限于，統一編碼系統(UNS)序號為C60800至C60210，C95200至C95900等銅合金，非常適合用作惰性陽極。例如C63000 (合金成分為9. 0-11.0%的鋁，4. 0-5. 5%的鎳， 2.0-4. O %的鐵，1. 5%的錳，O. 30%的鋅，O. 25%的硅，O. 20 %的錫)，具有良好的高溫抗氧化性和抗熔鹽腐蝕性能，并因此是惰性陽極的優選配方。專利US 2007278107描述了一種金屬惰性陽極，該陽極適用于鋁電解槽中，其組成主要包括鎳、銅、鐵、錫。合金質量百分組成為10-70 %的銅，15-50 %的鎳，1-15 %的錫， 剩余為鐵。進一步優化的成分為10-20%的銅，20-30%的鎳，2-5%的錫，剩余為鐵。相比于N1-Cu-Fe金屬陽極，由于表面氧化膜導電性能的增加，N1-Cu-Fe-Sn陽極在使用過程中可以降低電壓，因而具有更優異的性能。專利CN 1443877描述了一種鋁電解用惰性陽極材料，合金材料構成為AxBy，A由鐵、鎳、鈷、鉻、鈦、銅、招中的單一或多個元素構成，B由銀、鋅、猛、銥、鉬、鉭、銀、鑰、乾、錯、 釩、飴、鑭系金屬元素、硼、碳非金屬元素中的單一或多個元素構成。鋁電解惰性陽極的制備方法有兩種一種是合金熔煉法，用常規合金熔煉法制得陽極后，制得的陽極在使用前高溫預氧化使得金屬陽極表面形成氧化物保護膜；另一種是粉末冶金法，燒結后制得的陽極在使用前高溫預氧化使得金屬陽極表面形成氧化物保護膜。專利CN 1896327A描述了一種鋁電解用惰性陽極材料，其組成元素包括鎳、 鐵、招、銅，合金元素組成范圍為(質量百分比):50-70%的鎳、10-30 %的鐵、4-10%的招、 8-12%的銅。雖然對以取代碳陽極為目標的惰性陽極材料開展了廣泛深入的研究和探索，但均沒能滿足工業應用的要求。當前仍然需要尋找更加合適的惰性陽極材料，這些陽極材料需要對由電流分布不均、溫度波動以及電解質成分波動具有更好的魯棒和抗干擾性能。
技術實現思路
本專利技術目的是針對上述已有技術存在的不足，提供一種抗腐蝕性能好、能有效提高電解效率，減少污染，能滿足工業應用要求的適用于金屬熔鹽電解槽惰性陽極的合金材料。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的。適用于金屬熔鹽電解槽惰性陽極的合金材料，其特征在于其合金材料的基體元素質量百分組成包括37%-76%的Cu，15% -30%的Ni，5%_25%的Fe，4%_8%的Al，四種元素的質量百分含量和為90-100%。本專利技術的適用于金屬熔鹽電解槽惰性陽極的合金材料，其特本文檔來自技高網...

【技術保護點】
適用于金屬熔鹽電解槽惰性陽極的合金材料，其特征在于其合金材料的基體元素質量百分組成包括：37%?76%的Cu，15％?30％的Ni，5%?25％的Fe，4%?8%的Al，上述四種元素的質量百分含量和為90?100%。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊建紅，李旺興，彭偉平，
申請(專利權)人：中國鋁業股份有限公司，
類型：發明
國別省市：