[发明专利]适用于金属熔盐电解槽惰性阳极的合金材料

说明书

技术领域

适用于金属熔盐电解槽惰性阳极的合金材料，涉及一种金属熔盐电解，尤其是适用于铝电解槽的无碳、金属基合金惰性阳极的合金材料。

背景技术

作为轻金属，铝及其合金的应用对于全球能源的节约具有重要意义，为追求原铝电解生产过程的可持续发展，能源消耗巨大和环境污染严重是急需解决的问题。

目前，易消耗的碳阳极在许多金属冶金熔盐电解工业中广泛应用，如铝、稀土金属的冶炼等。相比于传统的碳阳极，惰性阳极材料和惰性阳极技术的发展，在原铝和其它金属的生产过程中，能够显著地节省能源；用惰性阳极替代易消耗的碳阳极，阳极析出气体由引起温室效应的CO₂和强温室效应气体--碳氟化合物（如CF₄和C₂F₆）替换为氧气；同时，惰性阳极的应用可以显著地降低原铝生产的成本，如缩小电解槽的占地面积，减少碳阳极的制造费用，节约资金投入，提高原铝质量等。

在金属氧化物通过电解冶炼成金属，尤其是氧化铝在熔盐电解质体系中冶炼成原铝的过程中，惰性阳极在电解槽中的使用得到了工业界的广泛关注和深入研究。从定义上讲，惰性阳极不能和熔盐电解质以及电解过程中产生的O₂发生反应，实际上在电解质中腐蚀相当缓慢的阳极亦被称为惰性阳极，具有这种性能的阳极材料主要包括陶瓷材料、金属陶瓷材料和金属合金材料。由于陶瓷材料和金属陶瓷具有本身难以克服的缺陷，如导电性和抗热震性能差，不易连接等，而金属合金没有以上缺陷，是最具有希望得到商业化应用的惰性阳极材料。

专利US 5284562描述了一种氧化铝冶炼成原铝的电解槽，该电解槽中惰性阳极的组成元素包括铜、镍、铁。其大致的合金元素组成为（质量百分比）：45-70％的铜，25-48％的镍，2-17％的铁。更为优化的合金元素组成为（质量百分比）：45-70％的铜，28-42％的镍，13-17％的铁。该惰性阳极是电解槽的一部分，其连接导杆采用与阳极相同的材料。电解质的优化组成为适量的AlF₃和NaF，以及少量的KF和LiF。

专利US 5510008描述了一种阳极，该阳极由镍、铁、铝、铜等粉末经过微波烧结得到多孔金属基体。合金元素组成为（质量百分比）：60-67％的镍，3-10％的铝，5-20％的铁，5-15％的铜。多孔金属经过原位阳极极化形成具有电化学活性的富铁氧化物外层。流动性好的冰晶石在氧化膜形成过程中可以渗透到多孔金属基体，阻碍电解质在发生电解反应时从阳极活性外层进一步渗透，这样可以保持阳极内部基体仍然为电化学惰性。

专利US 6162334描述了一种金属电解如铝电解用的惰性阳极，该惰性阳极由铜和银作为基体金属，另外添加至少一种贵金属元素包括银、钯、铂、金、铑、钌、铱、锇等。该惰性阳极可以由粉末烧结而成，烧结后材料内部基体金属元素含量多于贵金属元素，而材料外部贵金属元素含量多于基体金属元素。试验优选出的材料基体为铜，贵金属由银，钯或者混合元素组成。

专利US 6361680描述了一种适用于铝电解用惰性阳极的生产方法和材料成分，该阳极由镍、铝、铁、铜和至少一种活性元素如硅，锡、锌、钒、铟、铪、钨以及稀土元素组成。微波烧结后基体为金属和金属间化合物相，基体表面为氧化物层，该氧化物层可以在含有氧化铝的氟化物电解质中进行阳极极化得到，或者在氧气氛围中进行高温处理得到。氧化物层通常包含富铁活性外层和富铝惰性内层。

专利US 6562224描述了一种用于铝电解槽用惰性阳极的制作方法，该阳极由Fe-Ni基体组成，在放入电解槽之前在氧气氛围中或空气中预氧化，预氧化最佳温度为1000-1100℃。预氧化后在Fe-Ni基体表面黏附一层铁氧化物外层，如Fe₂O₃，该外层对氧离子具有差的导通性，同时对游离氧原子具有单方向导通性，在电解过程中可以减少氧气扩散至Fe-Ni基体内部。

专利US 6866768、US 7077945描述了一种熔盐电解质体系中铝电解用的惰性阳极。适合用作惰性阳极的金属合金成分为Cu-Ni-Fe，元素组成范围为（质量百分比）：20-50％的铜，20-40％的镍，20-40％的铁。