[发明专利]一种惰性阳极铝电解槽用保温与密封材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种惰性阳极铝电解槽用保温与密封材料及其制备方法。

背景技术

现行铝工业是以炭阳极为主要特征的预焙阳极铝电解槽进行原铝冶炼。这种预焙炭阳极铝电解槽在技术和工艺上已经成熟并取得了很大的发展和进步，成为目前铝工业的主流槽型。但是炭阳极铝冶炼技术仍存在着其固有的缺点：优质炭素消耗较大，需要不断地补充与更换炭阳极，给资源造成巨大的压力；排放大量的CO₂以及碳氟化合物等，给环境造成严重的污染；生产过程高能耗。尽管直流电耗可降低到13000kW·h/t（Al）以下，但其能量利用率仍然仅有50%左右，给电力资源也带来了沉重的负担。

目前，世界铝工业普遍认同的是采用惰性阳极铝电解技术解决炭阳极铝电解带来的负面问题。惰性阳极几乎不消耗，更换周期长，生产更稳定；生产过程排放的是氧气，而不会排放CO₂和碳氟化合物；且有可能实现变负荷生产，有利于平衡电网峰谷电量。但由于惰性阳极铝电解技术的特殊性，工业化惰性阳极铝电解槽需要用到较多的耐蚀保温材料进行保温和密封，以减少铝电解槽的散热损失，达到降低能耗的目的。

惰性阳极铝电解槽的理论最低能耗为9240kW·h/t（Al），高于传统炭阳极铝电解槽。传统炭阳极铝电解槽上部是通过散热使电解质上表面结壳，并在结壳上添加一层氧化铝来实现。这种方式散热量很大，最终造成铝电解槽能量利用率难以提高（50%左右）。如果惰性阳极铝电解槽的电解质液面上方采用特殊耐火耐蚀材料进行保温和密封，不让电解质自然结壳，使电解槽整体呈“保温型”槽，则总的散热损失会大大降低。再加上惰性阳极铝电解槽结构设计上的优势（如：单位体积内的电极反应面积大，极距低），可以使惰性阳极铝电解槽的综合能耗不高于甚至低于现有预焙炭阳极铝电解槽。

对惰性阳极电解槽的电解质上方进行保温和密封，就需要所用的材料能够抵抗电解质气氛的侵蚀。针对电解质气氛腐蚀特性，并结合我们以往所做的大量试验结果，发现采用氧化铝含量或者尖晶石含量较高的材料，可以在相对比较长的时间内抵抗电解质气氛的腐蚀。但对材料有以下要求：（1）具有较高的纯度和致密度；（2）杂质含量少，特别是硅（Si）、铁（Fe）等的含量；（3）施工方便，便于制作成形状及尺寸特殊的制品，特别是成大尺寸制品；（4）具有足够的强度和抗热震性能；（5）具有相对较低的成本。

针对惰性阳极铝电解槽的这些特点，以及对材料的要求，本专利发明人已经在专利 201110166652.9 中，提出了“惰性阳极铝电解槽用不定型耐火耐蚀材料及其制作方法”，该材料可以很好地用于惰性阳极铝电解槽，抵抗电解质气氛的侵蚀，但是没有对其保温性能或导热性能进行阐述。

专利号为200810228234的中国专利申请公开了一种氧化铝空心球轻质隔热耐火浇注料。该专利所述其有良好的保温性能（600℃，导热系数小于0.39）。但是其硅含量较高，最高达10%，所以其不能直接用于抵抗电解质气氛的侵蚀。

专利号为CN200610018089.X 的中国专利公开了一种铝精炼用透气耐火材料及其制备方法。该专利所述：其材料由烧结合成致密六铝酸钙材料、板状刚玉、电熔白刚玉、软质粘土、石英、蓝晶石、氧化铬绿等组成，具有较好的抗铝液渗入的能力。但是该专利并没有说明此材料抵抗电解质气氛的侵蚀能力，而且该专利所制备的材料对于铝电解槽的保温效果也尚未说明。

专利号为CN200410013257.7的中国专利申请公开了一种镁铝轻质保温耐火材料及其制备方法。该专利所制备的材料，由于材料的主体为菱镁矿粉和高铝矾土粉，强度不高，并且高铝矾土粉会引入大量的硅元素。

申请号为US 4,481,052的美国专利Method of making refractory hard metal containing tiles for aluminum cell cathodes ，该专利主要讲述了一种自焙阳极铝电解槽上用于固定可润湿性阴极的部件，该部件由硬质耐火材料制成，用来减少电损耗同时增加阴极的使用寿命。由于该部件的材料不直接面对铝电解质的液面，所以对材料的耐腐蚀要求低。

以上的所有专利介绍或者公开的材料都是均一的材料，要么是致密的浇注料，要么是轻质保温型的浇注料。致密性浇注料其导热系数会相对较大，而轻质保温型往往其纯度、强度难以达到要求。如果将致密浇注料和轻质浇注料简单的叠加在一起，两者之间会因为高温下膨胀系数不匹配的问题而开裂。公开文献中没有将致密浇注料与轻质浇注料做成复合梯度材料的技术。

发明内容