用等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法

摘要

一种用等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法，该方法步骤包括：烘干的硼化钛粉末、氧化铝粉末和石墨粉按照一定比例加入高温焙烧炉中使其形成共晶体，共晶体经过破碎、球磨以及进一步的超细粉碎后加入等离子喷涂设备的料斗中，启动喷涂设备的主控及机械手，通过控制喷嘴与基体距离及移动速度，在铝电解槽阴极炭块的表面形成TiB2阴极涂层复合材料；本发明在工业铝电解槽内有效地控制TiB2复合材料阴极涂层的厚度，有利于降低铝电解槽的工业电压及二次反应几率，有效提高电流效率、降低能耗，延长工业铝电解槽的使用寿命，改善铝电解生产，提高铝产品的质量。

权利要求

1.一种等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法，其特征在于利用等离子喷涂设备通过机械手在工业铝电解槽内的阴极表面形成组织结构致密、均匀和粘结强度大的TiB2复合材料涂层，该方法有如下步骤：

（1）烘干的硼化钛粉末、氧化铝粉末和石墨粉末按一定比例加入高温焙烧炉中形成共晶体；

（2）共晶体经过破碎、球磨以及进一步的超细粉碎后加入等离子喷涂设备的料斗中，并在主控制系统内输入相应的三维空间移动数据，启动喷涂设备的主控制系统及机械手；

（3）通过机械手控制喷涂设备送粉器的喷嘴与阴极表面基体的距离以及喷嘴的移动速度，在铝电解槽阴极表面形成TiB2阴极涂层复合材料；

所述的步骤（1）加入高温焙烧炉中粉末的成分按重量百分比为硼化钛粉末60%～80%、氧化铝粉末10～30%、石墨粉末10~20%；所述的高温焙烧炉为中频感应炉。

2.如权利要求1所述的等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法，其特征在于步骤（2）中共晶体粉碎后的粒度为-325～+625目。

3.如权利要求1或2所述的等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法，其特征在于所述共晶体超细粉碎用的设备为气流粉碎机。

4.如权利要求1所述的等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法，其特征在于所述等离子喷涂设备的工艺参数为：使用氩气为主气加次气为氢气联合送粉，主气流量

2000～3000L/h，次气流量20～35L/h；工作电流500～650A，工作电压65～75V；料斗的送粉器流量为200～400L/h。

5.如权利要求1所述的等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法，其特征在于所述喷嘴与阴极表面基体的距离5cm～10cm，喷嘴的移动速度0.001～0.10m/s，在铝电解槽阴极表面形成厚度为0.4～1.5mm的TiB2阴极涂层复合材料。

说明书

用等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及工业铝电解槽阴极惰性涂层的制备及涂覆方法，具体涉及到一种用等离子喷涂法制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法。

背景技术

[0002] 硼化钛（TiB2）熔点高、导电率高，且在高温下有良好的导电性、致密性能好、硬度大，能抵御铝液和冰晶石电解液的浸蚀作用，对铝液有良好的湿润性，现已成为制造铝电解槽可润湿惰性阴极涂层的首选材料。

[0003] 为了使TiB2能够牢固粘结在铝电解用碳素阴极表面上，通常在以TiB2作为基料的阴极涂层中的糊料中加入热固性树脂、固化剂和溶剂等，经过固化、炭化等过程得到铝电解槽能使用的涂层阴极。固化速度及固化反应的剧烈程度会对涂层形貌的稳定性产生影响。固化速度快，反应越剧烈，涂层的裂纹和孔隙就越大，致使涂层与炭阴极的结合较弱，容易脱落而影响阴极涂层的应用效果。且刷涂层较厚，使得在电解槽通电焙烧、启动时受热冲击大，热应力不均，最终导致涂层早期的脱落。加之工艺复杂、施工难度大、时间长、严重阻碍了TiB2阴极涂层的推广应用。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有惰性阴极技术的上述不足，提供一种用等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法，能够延长工业铝电解中电解槽使用寿命，以实现铝电解槽低极距操作，提高阴极对铝液的润湿性，提高阴极涂层的热稳定性，抵御冰晶石电解质的浸蚀能力，以达到提高电流效率、降低能耗等目的。

[0005] 本发明通过如下技术方案实现：

[0006] 一种用等离子喷涂技术制备铝电解槽TiB2阴极涂层的方法，其特征在于利用等离子喷涂设备通过机械手在工业铝电解槽内的阴极表面形成组织结构致密、均匀和粘结强度大的TiB2复合材料涂层，

[0007] 该方法有如下步骤：

[0008] （1）烘干的硼化钛粉末、氧化铝粉末和石墨粉末按一定比例加入高温焙烧炉中形成共晶体；

[0009] （2）共晶体经过破碎、球磨以及进一步的超细粉碎后加入等离子喷涂设备的料斗中，并在主控制系统内输入相应的三维空间移动数据，启动喷涂设备的主控制系统及机械手；

[0010] （3）通过机械手控制喷涂设备送粉器的喷嘴与阴极表面基体的距离以及喷嘴的移动速度，在铝电解槽阴极表面形成TiB2阴极涂层复合材料。

[0011] 作为本发明的优选方案：

[0012] 步骤（1）中加入高温焙烧炉的粉末按重量百分比为硼化钛粉末60%～80%、氧化铝粉末10～30%、石墨粉末10~20%；所述的高温焙烧炉为中频感应炉。

[0013] 步骤（2）中共晶体粉碎后的粒度为-325～+625目。

[0014] 所述共晶体超细粉碎采用的设备为气流粉碎机。

[0015] 所述等离子喷涂设备的工艺参数为：使用氩气为主气加次气为氢气联合送粉，主气流量2000～3000L/h，次气流量20～35L/h；工作电流500～650A，工作电压65～75V；料斗的送粉器流量为200～400L/h。

[0016] 所述喷嘴与阴极表面基体的距离5cm～10cm，喷嘴的移动速度0.001～0.10m/s，在铝电解槽阴极表面形成厚度为0.4～1.5mm的TiB2阴极涂层复合材料。

[0017] 本发明采用等离子喷涂法在铝电解槽阴极炭块上直接喷涂厚度0.4～1.5mm的TiB2复合材料涂层，所形成的TiB2阴极涂层平整、致密，其与炭阴极结合牢固紧密，不易脱落，具有良好的耐冲击损伤能力及韧性，较低的电阻率，导电性良好，具有较高的热稳定性，较强的抵御冰晶石电解质的浸蚀能力，且与铝液润湿性良好。

[0018] 本发明工艺简单，生产处理成本低；在工业铝电解槽内有效地控制TiB2复合材料阴极涂层的厚度，有利于降低铝电解槽的工业电压及二次反应几率，TiB2阴极涂层的使用大大降低了铝电解槽的槽电压，延长了铝电解槽的使用寿命，有效提高了电流效率和降低能耗，有利于改善铝电解生产，提高铝产品的质量。

[0019] 附图说明：

[0020] 图1为本发明的工艺流程图。

[0021] 具体实施方式：

[0022] 实施例1：

[0023] 将TiB2、Al2O3、石墨粉放入恒温干燥箱中，在120℃下干燥3～6h。烘干后的TiB2、Al2O3和石墨粉末按质量百分含量是：TiB260%、Al2O330%和石墨粉10%，加入中频感应炉中形成共晶体。经过破碎、球磨以及进一步的超细粉碎后粒度D50是400目的物料，加入等离子喷涂设备的料斗中。

[0024] 启动喷涂设备的主控系统及机械手进行等离子喷涂。工艺参数：使用氩气为主气加次气为氢气联合送粉，主气流量2000L/h，次气流量20L/h；工作电流550A，工作电压70V；送粉器流量为240L/h；喷涂设备移动速度0.02m/s，喷嘴距离基体距离是8cm。得到涂层厚度是0.7mm。

[0025] 实施结果：所得阴极涂层无裂纹，无气泡孔，组织结构致密，不脱落，粘结强度大，具备应用于铝电解生产的基本条件。铝电解过程的槽电压下降到380mv，电流效率提高了0.5%；阴极槽的寿命也延长到2000天以上。

[0026] 实施例2

[0027] 将TiB2、Al2O3和石墨粉放入恒温干燥箱中，在120℃下干燥3～6h。烘干后的TiB2、Al2O3和石墨粉按质量百分含量是：TiB260%，Al2O320%和石墨粉20%，加入高温焙烧炉中形成共晶体。经过破碎、球磨以及进一步的超细粉碎后，粒度D50是500目，加入等离子喷涂设备的料斗中。

[0028] 启动喷涂设备的主控系统及机械手进行等离子喷涂。工艺参数：使用氩气为主气加次气为氢气联合送粉，主气流量2500L/h，次气流量30L/h；工作电流600A，工作电压72V；送粉器流量为320L/h；喷涂设备移动速度0.08m/s，喷嘴距离基体距离是9cm。得到涂层厚度是1.0mm。

[0029] 实施结果：所得阴极涂层无裂纹，无气泡孔，组织结构致密，不脱落，粘结强度大，具备应用于铝电解生产的基本条件。铝电解过程的槽电压下降到385mv，电流效率提高了0.8%。阴极槽的寿命也延长到2000天以上。

[0030] 实施例3

[0031] 将TiB2、Al2O3和石墨粉放入恒温干燥箱中，在120℃下干燥3～6h。烘干后的TiB2、Al2O3和石墨粉按质量百分含量是：TiB280%、Al2O310%和石墨粉10%，加入高温焙烧炉中形成共晶体。经过破碎、球磨以及进一步的超细粉碎后，粒度D50是500目，加入等离子喷涂设备的料斗中。

[0032] 启动喷涂设备的主控系统及机械手，进行等离子喷涂。工艺参数：使用氩气为主气加次气为氢气联合送粉，主气流量3000L/h，次气流量35L/h；工作电流650A，工作电压75V；送粉器流量为350L/h；喷涂设备移动速度0.04m/s，喷嘴距离基体距离是10cm。得到涂层厚度是1.2mm。

[0033] 实施结果：所得阴极涂层无裂纹，无气泡孔，组织结构致密，不脱落，粘结强度大，具备应用于铝电解生产的基本条件。铝电解过程的槽电压下降到390mv，电流效率提高了0.9%。阴极槽的寿命也延长到2000天以上。