铝电解用惰性可润湿性TiB_2复合阴极涂层的研制与工业应用

【摘要】：为了克服我国预焙铝电解槽槽寿命过短的严重弊端，并且发展新型铝电解槽用惰性可润湿性阴极材料，本文在广泛的文献调查和前人工作基础上，对TiB_2复合阴极涂层材料和技术进行了深入的研究。 (1)对TiB_2粉末原料的性质和TiB_2阴极涂层的性能进行了较为全面的研究。选出了较佳的TiB_2粉末原料；确定了TiB_2阴极涂层加热固化、炭化变温升温制度；探讨了TiB_2阴极涂层电阻率随温度变化的规律，并发现TiB_2阴极涂层能使基体阴极炭块的电阻率在一定的程度上变小；研究了涂层中的TiB_2含量对的涂层电阻率、抗钠渗透性及与铝液的润湿性的影响。 提出了用数值简明扼要表征铝电解用阴极材料抗钠渗透性的思路；建立起了钠渗透数学模型：In(ΔL)/L)=Ina-(b/t)，寻找到了数字化表征阴极材料抗钠渗透性的因子，即a和Q(=a/b)，并用众多的实验数据验证了可用a、Q表征阴极材料抗钠渗透性。 (2)探讨了TiB_2阴极涂层的增强机理。研究了涂层中碳纤维的含量，碳纤维表面氧化处理方法、碳纤维表面含氧基团的多少，呋喃树脂粘均分子量的大小等与TiB_2阴极涂层的抗拉强度、粘结强度等性能的关系。对TiB_2阴极涂层材料进行了进一步的优化。研究了液相法氧化处理碳纤维表面的工艺。 (3)在实验室内，检测了优化后的TiB_2阴极涂层材料的性能，结果表明，各项性能指标均达到或超过GB8744-88对铝电解用半石墨 博士学位论文。摘要 阴极炭块的要求;模拟了工业涂层阴极层焦粒焙烧和电解过程，焦粒 焙烧炭化后的涂层不开裂、不分层，电解12小时后涂层阴极同样完 整、完好。 将TIB:阴极涂层技术在160kA大型预焙槽进行了应用，并考核了 涂层槽的指标，结果显示，焙烧启动后，TIB:阴极涂层不脱落，涂层 槽的工作状态良好，炉膛规整，炉底干净，电流分布均匀;与对比槽比 较，阴极内衬对钠的吸收减少，钠渗透速率减缓，炉底压降降低(平 均降低39mv)，电流效率提高(平均提高0.41%);涂层的寿命为38个 月。 (4)提出了常温固化TIB:阴极涂层的概念;研制了常温固化TIBZ 复合阴极涂层材料，并检测了其性能;分别在160kA和75认预焙槽 上，应用了常温固化TIB:复合阴极涂层技术，并对常温固化涂层槽 进行了考核。应用实践表明，常温固化涂层技术简化了高温固化涂层 施工工艺，节约了高温固化涂层所需加热固化设备的投资，缩短了涂 层施工时间，大大降低应用成本，对TIB:阴极涂层技术的推广应用 起到了促进作用。 常温固化涂层阴极性能显示，其各项性能与高温固化涂层阴极相 当，均超过了GB8744一88对铝电解用半石墨阴极炭块的要求，具备 应用于铝电解生产的基本条件。 对常温固化涂层槽的考核表明，与高温固化涂层槽一样，阴极内 衬对钠的吸收减少，钠渗透速度减缓，从而减小钠膨胀危害，减少了 博士学位论文摘要 铝电解槽早期破损的几率;启动后，常温固化涂层不脱落，同样具有 良好的粘接性能; 与对比槽相比较，常温固化涂层槽正常生产后，阴极表面干净、 光洁，无沉淀或结壳，炉膛规整，阴极、阳极电流分布均匀，炉底压 降降低(平均降低11.smv)，电流效率提高(平均提高1.48%);涂层 在电解槽内存在的时间可达到44个月以上;常温固化涂层同样可以 起到改善电解槽工作状态、节能降耗、延长槽寿命的作用。