一種鋁電解用高溫導電粘結材料的製作方法

2023-06-24 12:43:56 2

專利名稱：一種鋁電解用高溫導電粘結材料的製作方法
技術領域：
本發明與鋁電解有關，特別涉及鋁電解碳素陽極、碳素陰極、惰性陽極、TiB2可潤溼性陰極的連接，以及它們與金屬導體連接用的高溫導電粘結材料，它還適用於其他高溫環境下材料間的導電連接。
背景技術：
目前，鋁電解採用的陰、陽極材料都是碳素材料。陽極碳塊與導電鋼棒間由磷生鐵澆鑄粘結；連續式預焙陽極間採用碳質糊料粘結；陰極炭塊和陰極導電鋼棒間採用炭質糊料搗固或磷生鐵澆鑄粘結；從而使炭塊與炭塊或鋼棒間緊密連接並起到導電作用。
採用碳素陽極和碳素陰極的現行熔鹽鋁電解工藝存在能耗高、碳耗大、成本高、環境汙染嚴重、生產不穩定等問題。採用惰性陽極和TiB2可潤溼性陰極的新型電解槽及其電解新工藝，可望解決上述問題，改革現有生產工藝，實現鋁電解生產過程的低能耗，無汙染和低成本等目標。然而惰性陽極材料主要有金屬氧化物陶瓷、合金陽極和金屬陶瓷三類，其中，除合金陽極外，金屬氧化物陶瓷和金屬陶瓷惰性陽極都存在與金屬導杆連接困難的問題；TiB2可潤溼性陰極可分為TiB2塗層、TiB2-C複合材料和TiB2基複合陶瓷三類，其中TiB2-C複合材料和TiB2基複合陶瓷也存在與金屬導杆連接困難這一難題。

發明內容
本發明的目的就是開發出具有良好導電性，粘結強度高的可用於惰性陽極和TiB2可潤溼性陰極與相應金屬導杆連接的高溫導電粘結材料，取代目前所用的陽極炭塊與陽極鋼爪(棒)連接用澆鑄磷生鐵或炭質糊料、連續式預焙陽極炭塊粘結用炭質糊料、陰極炭塊與陰極炭塊連接用粘結劑、陰極炭塊與陰極鋼棒連接用澆鑄磷生鐵或炭質搗固糊等；用作惰性陽極與陽極導杆的連接，TiB2可潤溼性陰極與陰極鋼棒的連接用高溫導電粘結材料；用它處理的電極在鋁電解工藝過程中生產穩定、能耗降低、環境汙染減小。
本發明所設計的鋁電解用高溫導電粘結材料其特徵在於糊料配方如表1所示。
表1 鋁電解用高溫導電粘結材料的糊料配方


上述高溫導電粘結材料的糊料配方包括導電功能材料粉末、樹脂粘結劑、固化劑、溶劑、增強添加劑和其它添加劑等，其中I.導電功能材料粉末為下述三種中的至少一種①金屬粉末包括Cu、Fe、Ni、Co、Cr、Mn、Ti、Nb、Ta、W、Mo、Ti、Ag、Au、Pt金屬粉末；②導電陶瓷粉末包括TiB2、ZrB2、TiC、ZrC粉末；③石墨粉和其它炭質粉末包括石油焦、冶金焦、瀝青焦、煅後無煙煤粉末；
且分三種不同粒度，粒徑分別為小於10μm、10～149μm和149～250μm；II.樹脂粘結劑為呋喃樹脂、酚醛樹脂、E51環氧樹脂、E44環氧樹脂、E42環氧樹脂中的至少一種；III.固化劑為乙酸丁脂、對甲苯磺酸、磷酸乙脂、硫酸乙脂和無機酸，包括H2SO4、H3PO4中的至少一種；IV.溶劑為乙醇和丙酮中的至少一種；V.增強添加劑包括碳纖維和碳纖維粉等；其它添加劑為煤焦油和氧化瀝青粉中的至少一種。
本發明的發明的優點和積極效果表現在高溫導電粘結材料具備良好的粘結強度、導電性、高溫力學性能和抗熱衝擊性能。
高溫導電粘結材料實現了常溫下固化，免去了高溫固化所需的加熱設備及人力物力，降低了應用成本，廣泛應用於鋁電解生產等高溫條件下各種高溫導電材料間的連接及其與金屬導體間的連接。
高溫導電粘結材料分別針對鋁電解用陽極炭塊、陰極炭塊、金屬氧化物陶瓷惰性陽極、金屬陶瓷惰性陽極、TiB2可潤溼性陰極包括TiB2-C複合材料和TiB2基複合陶瓷、陽極鋼爪或導杆和陰極鋼棒等高溫導電材料的物理化學特性而配備；根據具體應用對象調整其熱膨脹性能，保持良好的與被粘結高溫導電材料的熱匹配性，保證了粘結材料在高溫使用過程中，不分層、不開裂、不脫落，生產穩定，能耗降低，環境汙染減少。
具體實施例方式實施例1一種連續式預焙陽極碳塊連接用高溫導電粘結材料。高溫導電粘結材料的糊料配方見表2。
表2 連續式預焙陽極碳塊連接用高溫導電粘結材料的糊料配方實例


將表2中的各物料混合成糊料，連接連續式預焙陽極炭塊，炭塊間粘結強度為3MPa，大於鋁電解用預焙陽極炭塊的抗拉強度；隨著溫度的升高，粘結材料的電阻率急劇下降，25℃下電阻率為5×10-3Ωm，150℃下電阻率為3×10-4Ωm，400℃下電阻率為4×10-5Ωm(與相同條件下預焙陽極炭塊的電阻率相當)，800℃下電阻率為1.9×10-5Ωm，低於相同條件下預焙陽極炭塊的電阻率；連續式預焙陽極炭塊在使用條件下的導電性能良好，連接處無裂紋，不脫落。
實施例2一種惰性陽極與金屬導杆連接用高溫導電粘結材料。
表3惰性陽極與金屬導杆連接用高溫導電粘結材料的糊料配方實例


將表3中的各物料混合成糊料，塗抹於含10wt％Ni的NiFe2O4/Ni金屬陶瓷惰性陽極與不鏽鋼導杆的連接處，室溫固化2h後，即具備良好的粘結強度；然後將惰性陽極試樣懸掛於試驗鋁電解槽上方，在高溫電阻爐內隨同試驗電解槽一起升溫到970℃，在此升溫過程中高溫導電粘結材料的粘結劑發生炭化；待電解質熔化後，將惰性陽極插入電解質，1A/cm2下通電電解10h，同時測試電解槽的槽電壓。在整個電解過程中，槽電壓基本恆定在2.7V，說明所用高溫導電粘結材料的導電性能良好。電解完成後，直接取出陽極試樣在空氣中冷卻，結果發現金屬陶瓷惰性陽極與不鏽鋼導杆的連接處無裂紋，不脫落，表明所用高溫導電粘結材料具有良好的粘結強度、抗熱震性和高溫力學性能。
實施例3一種陰極炭塊與陰極鋼棒連接用高溫導電粘結材料。
表4 陰極炭塊與陰極鋼棒連接用高溫導電粘結材料的糊料配方實例


將表4中的各物料混合成糊料，用於陰極炭塊與陰極鋼棒的連接，室溫固化2h後，用於鋁電解槽的砌築。鋁電解槽焙燒啟動和正常生產過程中，陰極電流分布均勻，未見陰極鋼棒發紅，陰極鋼棒與陰極母線連接處的溫度為100～250℃，表明所用高溫導電粘結材料的導電性能良好，使用條件下材料內部無裂紋、分層等缺陷。
權利要求
1.一種鋁電解用高溫導電粘結材料，其特徵在於表1鋁電解用高溫導電粘結材料的糊料配方
上述高溫導電粘結材料的糊料配方包括導電功能材料粉末、樹脂粘結劑、固化劑、溶劑、增強添加劑和其它添加劑，其中I.導電功能材料粉末分為下述三種中的至少一種①金屬粉末包括Cu、Fe、Ni、Co、Cr、Mn、Ti、Nb、Ta、W、Mo、Ti、Ag、Au、Pt金屬粉末；②導電陶瓷粉末包括TiB2、ZrB2、TiC、ZrC粉末；③石墨粉和其它炭質粉末包括石油焦、冶金焦、瀝青焦、煅後無煙煤粉末；且分三種不同粒度，粒徑分別為小於10μm、10～149μm和149～250μm；II.樹脂粘結劑為呋喃樹脂、酚醛樹脂、E51環氧樹脂、E44環氧樹脂、E42環氧樹脂中的至少一種；III.固化劑為乙酸丁脂、對甲苯磺酸、磷酸乙脂、硫酸乙脂和無機酸，包括H2SO4、H3PO4中的至少一種；IV.溶劑為乙醇和丙酮中的至少一種；V.增強添加劑包括碳纖維和碳纖維粉等；其它添加劑為煤焦油和氧化瀝青粉中的至少一種。
2.根據權利要求1鋁電解用高溫導電粘結材料，其特徵在於連續式預焙陽極碳塊連接用高溫導電粘結材料的糊料配方如表2連續式預焙陽極碳塊連接用高溫導電粘結材料的糊料配方實例
3.根據權利要求1鋁電解用高溫導電粘結材料，其特徵在於一種惰性陽極與金屬導杆連接用高溫導電粘結材料糊料配方為表3惰性陽極與金屬導杆連接用高溫導電粘結材料的糊料配方實例
4.根據權利要求1鋁電解用高溫導電粘結材料，其特徵在於一種陰極炭塊與陰極鋼棒連接用高溫導電粘結材料糊料配方為表4陰極炭塊與陰極鋼棒連接用高溫導電粘結材料的糊料配方實例
全文摘要
本發明與鋁電解有關，特別涉及鋁電解用的碳素陽極、碳素陰極、惰性陽極、TiB
文檔編號C25C3/00GK1552788SQ0314052
公開日2004年12月8日 申請日期2003年5月27日 優先權日2003年5月27日
發明者賴延清, 李劼, 李慶餘, 丁鳳其, 田忠良, 劉宏專, 李利, 張吉龍, 孟傑, 劉業翔 申請人:中南大學, 中國鋁業公司