一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極及其製備方法

2023-10-05 12:13:34 1

專利名稱：一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁電解陰極塗層及其製備方法，主要是研製一種在鋁電解槽底部陰極碳塊上塗覆一層材料，該塗層使用過程中能夠與鋁液相互溼潤，阻止氧化鋁長時間沉降和碳化鋁生成，鋁液與電解槽底部溼潤性好，延長電解槽壽命；同時也能夠減小鋁液的波動，提高電流效率，屬於鋁電解工業的應用領域。
二.
背景技術：
目前鋁電解工業仍然採用傳統的霍爾—埃魯法，採用的是冰晶石—氧化鋁熔鹽電解，其中氧化鋁是煉鋁材料，冰晶石為氧化鋁的熔劑。煉鋁的主體設備是電解槽，現代大型電解槽的槽內通常用碳陰極、碳陽極和SiC-Si3N4絕緣側壁材料，以前多用碳質側壁材料。每臺電解槽可有一個陽極或多個陽極，但是只有一個陰極。直流電從陽極導入電解槽內，經過電解液層，從陰極導出。在陽極和電解液界面上發生電化學反應，產生CO2和CO，在陰極和電解液界面上產生鋁液，此鋁液匯集在電解槽底部。
隨著材料工程技術的進展，引起了人們對鋁電解槽設計的新構思，旨在不斷提高電流容量、延長電解槽使用壽命，降低成本。因而出現了許多新的研究成果，諸如惰性陽極、惰性陰極、雙極性電極和絕緣側壁，均具有巨大現實意義。就陰極材料而言，鋁電解用的陰極碳塊傳統上採用迴轉窯或煤氣鍛燒的無煙煤骨料，但近年來大多數廠家開始生產電煅燒無煙煤碳塊，以及用碳摻合的石墨製造的碳塊，或者是石墨化碳塊，或者是部分石墨化碳塊。即普通碳塊陰極、石墨質陰極、不同比例石墨化陰極、全石墨化陰極，或者是在這些類陰極碳塊上塗上一層二硼化鈦複合塗層，以達到延長電解槽壽命、提高電流密度之效果。採用惰性陰極材料，鋁離子可以直接在二硼化鈦惰性陰極上放電生成鋁。
現有的碳陰極材料及其現有方法製備塗層存在的缺點是1)鋁液與陰極碳塊長時間接觸，易於在陰極上形成碳化鋁，使陰極受損，減短陰極壽命；2)電解質沉澱能夠長期滯留於電解槽底部，增大陰極電壓降；3)電解槽中鋁液層高度較大，鋁液波動大，增大鋁的二次溶解；4)目前的塗層製作主要是用熱固性樹脂，需要加熱才能進行固化，額外的加熱設備使施工過程繁雜，且費用較高；5)已有的塗層製作中使用了無機粘結劑磷酸乙酯或硫酸乙脂等，會引入一些雜質。
三.

發明內容
1、發明目的本發明提供了一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極及其製備方法，其目的是解決鋁電解工業中電解槽中鋁液與陰極碳塊長時間接觸，易於在陰極上形成碳化鋁，使陰極受損，減短陰極壽命；目前的陰極塗層製作主要是用熱固性樹脂，需要加熱才能進行固化，額外的加熱設備使施工過程繁雜，且費用較高等方面存在的問題。
2、技術方案本發明是通過以下技術方案來實現的一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極，其特徵在於是在鋁電解陰極表面塗敷有二硼化鈦塗層，該塗層主要由如下質量百分比的各成份組成TiB235～65％碳粉 20～50％有機樹脂膠15～30％將上述的二硼化鈦和碳粉在有機樹脂膠的粘結作用下，採用直接塗敷製作鋁電解槽的陰極塗層。
碳粉由如下質量百分比的成份組成石墨粉40～88％鍛後石油焦粉 12～60％。
有機樹脂膠主要由如下質量百分比的各成份組成固化劑 10～35％粘結劑 30～55％稀釋劑 15～35％。
固化劑選用聚醯胺樹脂；粘結劑選用環氧樹脂；稀釋劑主要由質量百分比為50～95％的糠醇和5～50％的無水乙醇構成。
有機樹脂膠由如下質量百分比的各成分組成固化劑10～25％粘結劑120～40％粘結劑210～30％稀釋劑10～35％。
固化劑選用聚醯胺樹脂；粘結劑1選用環氧樹脂；粘結劑2選用酚醛樹脂；稀釋劑選用糠醇。
一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極的製備方法，其特徵在於該塗層的製備按如下步驟進行
a、權利要求1所述配方取原料；b、將TiB2和碳粉投放到攪拌機中，添加增韌材料碳纖維混合均勻後得到固相TiB2-C粉料；c、將有機樹脂膠中的環氧樹脂、酚醛樹脂和稀釋劑投放到混合均勻的TiB2-C複合粉中，攪拌15～30分鐘，當混合攪拌均勻後，將有機樹脂膠的聚醯胺樹脂作為固化劑倒入混合料中，在攪拌機中攪拌15～40分鐘，均勻後形成糊狀料；d、將混合好的糊狀料塗抹在陰極上；e、將步驟c所得的糊狀料塗抹於電解槽底部，塗抹完成後，自然固化，12～24小時後裝爐啟動電解槽；f、在電解槽焙燒啟動階段使塗層炭化。
TiB2的粒度為5-78μm，碳粉的粒徑為5μm～246μm。
步驟c中將陰極表面清掃乾淨，再用壓縮空氣機將細小粉塵吹除後再塗抹糊狀料。
3、優點及效果通過本發明技術方案的實施，能夠很好地解決鋁電解工業中電解槽中鋁液與陰極碳塊長時間接觸，易於在陰極上形成碳化鋁，使陰極受損，減短陰極壽命；目前的陰極塗層製作主要是用熱固性樹脂，需要加熱才能進行固化，額外的加熱設備使施工過程繁雜，且費用較高等方面存在的問題。
本發明不但可以解決上述問題，且還有以下優點1)與傳統相比，該塗層製作方便，不需要額外的加熱設備，使用有機固化劑，能夠完全炭化不引入雜質；2)TiB2塗層能夠抵禦鋁液和電解質的腐蝕；3)由於鋁液能夠與硼化鈦良好溼潤，鋁液能夠擠開電解槽底部的氧化鋁沉澱，減少其在槽底的滯留時間，促進其回到電解質中溶解，達到降低電解槽底部電壓降之目的；4)使用導流型電解槽，使鋁液層變薄，這樣就能減輕生產操作中磁流體攪動的各種幹擾，鋁液湧動所致的波動減弱，因而可以提高電流效率；5)使用導流型陰極電解槽，使鋁液層變薄，陰陽極之間的距離可以進一步由4～5cm縮短到2～3cm，節省巨大電能；6)配合惰性陽極使用可大幅降低槽電壓，實現節能效果。
四.
具體實施例方式本發明提供一種複合材料塗層材料，該材料由五部分組成，分別是一定粒度分布的二硼化鈦粉TiB2粉末、一定粒度分布的碳粉、構成樹脂膠的糠醇和無水乙醇為溶劑，即稀釋劑、環氧樹脂和酚醛樹脂作為粘結劑和聚醯胺樹脂作為固化劑。固相材料二硼化鈦和碳粉混合均勻後，與製備好的液相材料在攪拌機中攪拌均勻，得到塗層糊料。與此同時，用壓縮空氣機將電解槽陰極碳塊上灰塵清理乾淨，然後在電解槽的陰極碳塊上塗覆塗層糊料。根據生產現場的溫度高低，調整樹脂膠的成分，控制其相應的固化速度。
其中塗層材料由如下質量百分含量的各成份組成TiB235～65％碳粉20～50％有機樹脂膠 15～30％；其中有機樹脂膠由如下質量百分含量的各成份組成固化劑 10～35％粘結劑 30～55％稀釋劑 15～35％；上述的固化劑選用聚醯胺樹脂；粘結劑選用環氧樹脂；稀釋劑由質量百分比為50～95％的糠醇和5～50％的無水乙醇構成。
有機樹脂膠還可以由如下質量百分比的各成分組成固化劑 10～25％粘結劑 120～40％粘結劑 210～30％稀釋劑 10～35％；上述的固化劑選用聚醯胺樹脂；粘結劑1選用環氧樹脂；粘結劑2選用酚醛樹脂；稀釋劑選用糠醇。
本發明帶有塗層的陰極的製備方法主要由混料、攪拌、塗抹、固化、炭化五步完成，具體如下a.將陰極表面清掃乾淨，再用壓縮空氣機將細小粉塵吹除；b.按上述配方計量稱取5-78μm的TiB2，5μm～246μm的碳粉，並添加一定量的增韌材料碳纖維，投放到攪拌機中混合均勻。根據不同的石墨含量的陰極碳塊規格，選用相適應的石墨含量和鍛後石油焦構成；c.按上述配方計量取環氧樹脂、酚醛樹脂和糠醇、乙醇，投放到混合均勻的TiB2-C複合粉中，攪拌15～30分鐘，當混合攪拌均勻後，量取計量的聚醯胺樹脂作固化劑倒入混合料中，在攪拌機中攪拌15～40分鐘，均勻。根據不同現場條件和具體要求，採用不同型號的環氧樹脂、酚醛樹脂粘結劑和不同型號的聚醯胺樹脂固化劑；
d.混合好的糊料用桶裝，用泥工刀在陰極上塗抹；e.塗抹完成後，自然條件下自行固化，12～24小時後可以裝爐啟動電解槽；f.塗層的碳化階段在電解槽焙燒啟動階段進行；實施例1根據工廠的實際要求，在30％石墨化陰極上塗覆TiB2塗層，要求24小時後裝爐啟動。所用的塗層配方如下，其中各成分的用量均為質量百分比(1)二硼化鈦TiB2粉 42％，平均粒度為5μm～10μm；(2)碳粉C 33％1)石墨粉 16％石墨粉平均粒度為5～78μm的質量百分比佔30％，平均粒度為78～246μm的質量百分比佔70％；2)鍛後石油焦粉 17％；鍛後石油焦粉平均粒度為5～78μm的質量百分比佔30％，平均粒度為78～246μm的質量百分比佔 70％；(3)稀釋劑12％1)糠醇 9％2)無水乙醇 2％也可以加入少量的丙酮 1％(4)粘結劑8％1)環氧樹脂601 7％2)酚醛樹脂 1％(5)固化劑5％聚醯胺樹脂213 5％先將(1)和(2)混合均勻得到固相粉料，再將(3)和(4)混合均勻得到液相溶體；之後將固相和液相投入到攪拌機中攪拌、混合15～30分鐘，均勻後將固化劑(5)倒入混合料中，經過15～40分鐘的攪拌，得到均勻的糊料，將糊料塗覆到陰極表面。
塗抹完成後的陰極表面溫度在電解廠房的整個系列中約為40～50℃，經過12～24小時的固化反應後，塗層表面堅固，可以裝爐焙燒啟動，實際中經過24小時固化後裝爐啟動，經過48小時的電解槽焙燒啟動運行，逐漸炭化，經使用其運行狀況良好，降低槽電壓15～35mV，提高電流效率0.5％，達到預期目的。
實施例2根據工廠的實際要求，在30％石墨化陰極上塗覆TiB2塗層，要求24小時後裝爐啟動。所用的塗層配方如下，其中各成分的用量均為質量百分比(1)二硼化鈦TiB2粉 37％，平均粒度為5μm～10μm；(2)碳粉C 48％1)石墨粉 22％石墨粉平均粒度為5～78μm的質量百分比佔30％，平均粒度為78～246μm的質量百分比佔70％；2)鍛後石油焦粉 26％；鍛後石油焦粉平均粒度為5～78μm的質量百分比佔30％，平均粒度為78～246μm的質量百分比佔70％；(3)稀釋劑9％1)糠醇 7％2)無水乙醇 2％(4)粘結劑4％環氧樹脂 4％(5)固化劑2％聚醯胺樹脂 2％先將(1)和(2)混合均勻得到固相粉料，再將(3)和(4)混合均勻得到液相溶體；之後將固相和液相投入到攪拌機中攪拌、混合15～30分鐘，均勻後將固化劑(5)倒入混合料中，經過15～40分鐘的攪拌，得到均勻的糊料，將糊料塗覆到陰極表面。
塗抹完成後的陰極表面溫度在電解廠房的整個系列中約為40～50℃，經過12～24小時的固化反應後，塗層表面堅固，可以裝爐焙燒啟動，實際中經過24小時固化後裝爐啟動，經過48小時的電解槽焙燒啟動運行，逐漸炭化，經使用其運行狀況良好，降低槽電壓15～35mV，提高電流效率0.5％，達到預期目的。
實施例3根據工廠的實際要求，在30％石墨化陰極上塗覆TiB2塗層，要求24小時後裝爐啟動。所用的塗層配方如下，其中各成分的用量均為質量百分比(1)二硼化鈦TiB2粉60％，平均粒度為5μm～10μm；(2)碳粉C 22％1)石墨粉 10％
石墨粉平均粒度為5～78μm的質量百分比佔30％，平均粒度為78～246μm的質量百分比佔70％；2)鍛後石油焦粉 12％；鍛後石油焦粉平均粒度為5～78μm的質量百分比為30％，平均粒度為78～246μm的質量百分比佔70％；(3)稀釋劑10％1)糠醇9％2)無水乙醇1％(4)粘結劑15％1)環氧樹脂601 4％(5)粘結劑22)酚醛樹脂1％(6)固化劑3％聚醯胺樹脂213 3％先將(1)和(2)混合均勻得到固相粉料，再將(3)和(4)混合均勻得到液相溶體；之後將固相和液相投入到攪拌機中攪拌、混合15～30分鐘，均勻後將固化劑(5)倒入混合料中，經過15～40分鐘的攪拌，得到均勻的糊料，將糊料塗覆到陰極表面。
塗抹完成後的陰極表面溫度在電解廠房的整個系列中約為40～50℃，經過12～24小時的固化反應後，塗層表面堅固，可以裝爐焙燒啟動，實際中經過24小時固化後裝爐啟動，經過48小時的電解槽焙燒啟動運行，逐漸炭化，經使用其運行狀況良好，降低槽電壓15～35mV，提高電流效率0.5％，達到預期目的。
本發明基於節能環保和可持續發展的目標，針對目前電解鋁工業高能耗的特點，在大量實驗研究的基礎上研製成功一種在工業鋁電解槽陰極碳塊上塗覆TiB2-C複合材料塗層的簡便方法。使電解槽的陰極碳塊上覆蓋著一層能夠與液態鋁溼潤的塗層，是工業鋁電解槽生產過程中陰極壓降低，槽底沉澱少，提高電流效率；實現節能、環保、單位產能高的巨大效益。提升我國鋁電解工業的快速、高效、綠色環保發展。
權利要求
1.一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極，其特徵在於是在鋁電解陰極表面塗敷有二硼化鈦塗層，該塗層主要由如下質量百分比的各成份組成TiB235～65％碳粉20～50％有機樹脂膠 15～30％將上述的二硼化鈦和碳粉在有機樹脂膠的粘結作用下，採用直接塗敷製作鋁電解槽的陰極塗層。
2.據權利要求1所述的一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極，其特徵在於碳粉由如下質量百分比的成份組成石墨粉 40～88％鍛後石油焦粉 12～60％。
3.根據權利要求1所述的一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極，其特徵在於有機樹脂膠主要由如下質量百分比的各成份組成固化劑10～35％粘結劑30～55％稀釋劑15～35％。
4.根據權利要求3所述的一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極，其特徵在於固化劑選用聚醯胺樹脂；粘結劑選用環氧樹脂；稀釋劑主要由質量百分比為50～95％的糠醇和5～50％的無水乙醇構成。
5.根據權利要求1所述的一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極，其特徵在於有機樹脂膠由如下質量百分比的各成分組成固化劑10～25％粘結劑1 20～40％粘結劑2 10～30％稀釋劑10～35％。
6.根據權利要求5所述的一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極，其特徵在於固化劑選用聚醯胺樹脂；粘結劑1選用環氧樹脂；粘結劑2選用酚醛樹脂；稀釋劑選用糠醇。
7.一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極的製備方法，其特徵在於該塗層的製備按如下步驟進行a、按權利要求1所述配方取原料；b、將TiB2和碳粉投放到攪拌機中，添加增韌材料碳纖維混合均勻後得到固相TiB2-C粉料；c、將有機樹脂膠中的環氧樹脂、酚醛樹脂和稀釋劑投放到混合均勻的TiB2-C複合粉中，攪拌15～30分鐘，當混合攪拌均勻後，將有機樹脂膠的聚醯胺樹脂作為固化劑倒入混合料中，在攪拌機中攪拌15～40分鐘，均勻後形成糊狀料；d、將混合好的糊狀料塗抹在陰極上；e、將步驟c所得的糊狀料塗抹於電解槽底部，塗抹完成後，自然固化，12～24小時後裝爐啟動電解槽；f、在電解槽焙燒啟動階段使塗層炭化。
8.根據權利要求7所述的一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極的製備方法，其特徵在於TiB2的粒度為5-78μm，碳粉的粒徑為5μm～246μm。
9.根據權利要求7所述的一種鋁電解陰極二硼化鈦塗層的製備方法，其特徵在於步驟c中將陰極表面清掃乾淨，再用壓縮空氣機將細小粉塵吹除後再塗抹糊狀料。
全文摘要
本發明涉及一種帶有二硼化鈦塗層的鋁電解陰極及其製備方法，是一種能夠快捷地在工業鋁電解槽陰極碳塊上塗覆TiB
文檔編號C25C3/08GK1807693SQ20051013088
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月26日 優先權日2005年12月26日
發明者石忠寧, 徐君莉, 班允剛, 邱竹賢 申請人:石忠寧, 徐君莉, 班允剛, 邱竹賢