[发明专利]一种电解铝用惰性合金阳极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电解铝的惰性合金阳极及其制备方法，属于电解铝工业领域。

背景技术

电解铝就是通过电解氧化铝得到铝。现有技术中，电解铝通常采用的是传统的Hall-Heroult溶盐电解铝工艺，该工艺采用的是冰晶石-氧化铝融盐电解法，其以冰晶石Na₃AlF₆氟化盐熔体为熔剂，将Al₂O₃溶于氟化盐中，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在940-960℃的高温条件下，在电解槽的两极进行电化学反应，从而得到电解铝。传统的电解铝工艺中碳素阳极在电解过程中不断被消耗，从而需要不断更换碳素阳极；并且伴随着氧化铝的电解，在阳极不断产生二氧化碳、一氧化碳和有毒的氟化氢等废气，这些气体排放到环境中会对环境和人畜的健康造成危害，因此需要对电解铝产生的废气进行净化处理后才能排放，这样就增加了电解铝生产工艺的投入成本。

电解铝过程中阳极材料的消耗主要是由于传统的Hall-Heroult工艺所采用的碳素阳极材料在电解过程中发生氧化反应而造成的。因此，国内外许多研究者为了降低电解铝过程中阳极材料的消耗，同时减少废气的排放，纷纷对阳极材料展开了研究。如中国专利文献CN102230189A公开了一种用于电解铝的金属陶瓷惰性阳极材料，该阳极材料是用Ni₂O₃和Fe₂O₃为原料制备得到NiO-NiFe₂O₄金属陶瓷基体，再添加金属铜粉及纳米NiO制备而成，所得到的阳极材料的电导率可达到102Ω^-1·cm^-1。上述技术中以金属陶瓷为基体的阳极材料虽然不容易与电解质发生反应；但以金属陶瓷为基体的阳极材料电阻大、过电压高，所制作的阳极在电解铝的过程中会导致工艺耗电量大、成本高；并且以金属陶瓷为基体的阳极材料抗热震性不强，阳极在使用过程中容易发生脆裂；此外，也正是由于金属陶瓷基体的阳极材料容易发生脆裂，从而导致用上述材料制作阳极时加工性能不佳，无法得到任意形状的阳极。

为了解决金属陶瓷基体阳极材料导电率低和材质脆的问题，有研究者提出采用合金金属作为阳极材料，以提高阳极材料的导电性，同时提高材料的加工性能。中国专利文献CN1443877A公开了一种应用于铝、镁和稀土等电解工业的惰性阳极材料，它是由铬、镍、铁、钴、钛、铜、铝、锰等金属所组成的二元或多元合金构成，其制备方法是熔炼或粉末冶金的方法。所制备得到的阳极材料导电导热性好，在电解过程中阳极产生氧气，其中实例一是由37wt％的钴、18wt％的铜、19wt％的镍、23wt％的铁、3wt％的银所组成的合金材料制作成阳极用于电解铝，在850℃的电解过程中，阳极电流密度为1.0A/cm²，并且在电解过程中槽压稳定保持在4.1-4.5V，所产生铝的纯度为98.35％。

上述技术中采用铬、镍、铁、钴、钛、铜、铝和锰等多种金属构成的合金作为阳极材料电解铝时，虽然合金阳极材料相比金属陶瓷基体阳极材料具有较高的导电率，合金材料可以通过熔炼或粉末冶金的方法加工成任意形状，并且与碳素阳极材料相比不容易在电解过程中发生消耗。但是，上述技术中在制备合金阳极时使用了大量价格昂贵的金属材料，导致阳极材料的成本高昂，无法适应工业化成本的需要；并且由上述金属组分所制作的合金阳极导电率低、过电压高，增大了工艺的耗电量，无法满足电解铝工艺的需要。

再有，迄今为止的现有技术中所制备的合金阳极表面都会产生一层氧化物薄膜，并且这层氧化物薄膜被破坏后，暴露在表面的阳极材料又会被氧化补充为新的氧化物薄膜。上述技术中的合金阳极表面氧化物薄膜抗氧化性低，容易进一步发生氧化反应生成易被电解质腐蚀的产物，并且该氧化物薄膜稳定性低，在电解的过程中容易从阳极电极上脱落，原有的氧化物薄膜腐蚀或脱落后，合金阳极暴露在表面的材料会与氧气反应形成新的氧化物薄膜，这种氧化物薄膜的新旧替换导致阳极材料不断被消耗、耐腐蚀性差、电极使用寿命短；并且腐蚀或脱落的氧化物薄膜随着氧化铝的电解过程会进入到液态铝中，从而降低了最终产品铝的纯度，使所生产的铝产品不能达到国家标准的要求，无法作为成品直接使用。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是现有技术中合金阳极所使用的金属材料价格昂贵，工艺成本高，并且所制作的合金阳极导电率低、过电压高，增大了工艺的耗电量；进而提出一种成本低、过电压低的电解铝用惰性合金阳极及其制备方法。