纳米陶瓷基涂料在预防铝电解槽阳极钢爪氧化中的应用的制作方法

本发明属于冶金技术领域，具体而言，本发明涉及纳米陶瓷基涂料在预防铝电解槽阳极钢爪氧化中的应用。

背景技术：

阳极是铝电解槽的“心脏”，它由阳极铝质导杆、铝铁爆炸焊块、阳极钢爪和阳极炭块四个部分组成。阳极钢爪连接着连接阳极导杆和阳极炭块，不但要承担阳极重量还要输送大功率电流，因此阳极钢爪在铝电解过程中十分重要。阳极钢爪处于300～900℃的高温下，空气、氟化氢气体及高浓度co2气氛中，不断受到氧化性腐蚀，同时还要承受电磁力、振动力、热应力以及碰撞力，这些因素对于钢爪都具有一定的破坏性。而这种破坏性直接影响钢爪的使用寿命、铝液的污染以及对电解槽运行工况的正确判断。因此研究阳极钢爪横梁在铝电解槽中的腐蚀原因，找到相应的解决对策对于延长阳极钢爪使用寿命、降低铝电解生产成本有着积极的意义。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出纳米陶瓷基涂料在预防铝电解槽阳极钢爪氧化中的应用，通过将纳米陶瓷基涂料应用到铝电解槽阳极钢爪上，可以有效降低阳极钢爪的腐蚀速度，进而延长阳极钢爪以及铝电解槽的使用寿命，降低生产成本。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种处理铝电解槽的方法，包括：

在所述铝电解槽的阳极钢爪表面喷涂纳米陶瓷基涂料，以便在所述阳极表面形成纳米陶瓷基涂层。

根据本发明上述实施例的处理铝电解槽的方法，通过在铝电解槽的阳极钢爪表面喷涂纳米陶瓷基涂料，可以使阳极钢爪表面形成一层致密的纳米陶瓷基涂层，有效隔绝空气、二氧化碳、氟化氢、冰晶石蒸汽与阳极钢爪直接接触，使阳极钢爪具有优良的抗腐蚀性能，显著降低阳极钢爪的腐蚀速度，有效延长阳极钢爪以及铝电解槽的使用寿命，降低生产成本。

另外，根据本发明上述实施例的处理铝电解槽的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，处理铝电解槽的方法进一步包括：预先对所述纳米陶瓷基涂料进行搅拌，并在完成所述搅拌后5分钟内利用对所述纳米陶瓷基涂料进行喷涂。由此，可以使纳米陶瓷基涂料能够被均匀的喷涂到阳极钢爪上。

在本发明的一些实施例中，所述阳极钢爪的下部套设有磷铁环，在所述阳极钢爪上未套设所述磷铁环的表面喷涂所述纳米陶瓷基涂料。由此，可以有效针对阳极钢爪最容易被腐蚀的部位进行有效防护，显著提高涂料的利用率。

在本发明的一些实施例中，所述喷涂采用的喷嘴为225#喷嘴、227#喷嘴或者229#喷嘴。由此可以进一步提高喷涂效率。

在本发明的一些实施例中，所述喷涂的压力不低于14mpa。由此可以显著提高喷涂的效率。

在本发明的一些实施例中，所述喷涂的压力为14-20mpa。由此可以进一步提高喷涂的效率。

在本发明的一些实施例中，所述喷涂的距离为5-10cm。由此不仅可以提高涂料的喷涂效果，还能有效提高涂料的利用率。

在本发明的一些实施例中，所述阳极钢爪为旧阳极钢爪，在喷涂所述敷纳米陶瓷基涂料之前进一步包括：除去所述旧阳极钢爪表面的形成的氧化产物。由此，可以使旧阳极钢爪表面更加干净平整便于喷涂涂料。

在本发明的一些实施例中，所述喷涂采用上下移动的点喷法进行，经过所述喷涂形成的所述纳米陶瓷基涂层的厚度为2-3mm。由此，可以有效避免喷涂过程中涂料流挂或造成后喷的涂料飞溅到已喷好的涂料层上，提高涂料的喷涂效率。

根据本发明的另一个方面，本发明还提出了一种铝电解槽，包括：阴极炭块、阳极炭块、阳极钢爪和阳极导杆，其中，所述阳极钢爪的表面具有纳米陶瓷基涂层。

根据本发明上述实施例的铝电解槽，通过使用表面具有纳米陶瓷基涂层的阳极钢爪，可以有效隔绝空气、二氧化碳、氟化氢、冰晶石蒸汽与阳极钢爪直接接触，使阳极钢爪具有优良的抗腐蚀性能，显著降低阳极钢爪的腐蚀速度，进而有效延长铝电解槽的使用寿命。

另外，根据本发明上述实施例的铝电解槽还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述纳米陶瓷基涂层的厚度为2-3mm。由此，可以进一步提高阳极钢爪的的抗腐蚀性能，进而提高铝电解槽的使用寿命。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的喷涂纳米陶瓷基涂料的旧钢爪和未喷涂纳米陶瓷基涂料的旧钢爪对比图。

图2是根据本发明一个实施例的喷涂纳米陶瓷基涂料的旧钢爪和未喷涂纳米陶瓷基涂料的旧钢爪分别使用2个电解周期后的对比图。

图3是根据本发明一个实施例的喷涂纳米陶瓷基涂料的旧钢爪和未喷涂纳米陶瓷基涂料的旧钢爪分别使用2个电解周期后的局部放大图。

图4是根据本发明一个实施例的喷涂纳米陶瓷基涂料的旧钢爪使用2个电解周期后的周长变化图。

图5是根据本发明一个实施例的未喷涂纳米陶瓷基涂料的旧钢爪分别使用2个电解周期后的周长变化图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明是在致力于解决以下问题的基础上提出的：在实际生产中，阳极钢爪在使用过程中被氧化腐蚀会带来很大地危害，首先，会影响原铝质量，发明人经大量实验测试得出结论：每棵阳极钢爪在使用周期内将减少25～35㎏，大量fe的氧化物进入电解极上料和残极，导致阳极炭块、电解极上料fe含量偏高，二者对电解原铝液铁含量影响约占电解生产物料的49.78％。面壳块中的铁主要以fe2o3和fe3o4存在，由于fe2o3没有磁性，除铁器对其基本无作用，现在除铁工艺除铁率达不到50％，最终进入铝液导致原铝中铁含量升高；其次，缩短钢爪使用周期：发明人经大量实验发现，阳极钢爪在循环使用30个电解周期后，直径最小处的周长将降低50％以上，阳极钢爪的氧化剥落不但会增加原铝fe含量，更会缩短其使用寿命，带来额外的生产成本；第三，影响电流均衡分布，安装于铝电解槽内的阳极钢爪爪头直径差异越大，对电流均衡分布越不利，导致阳极之间消耗速度的差异，增加露底化爪的几率。有时出现部分爪头发红，钢爪电阻增加，极端情况将出现阳极脱落现象；此外，还会影响阳极浇铸质量，阳极钢爪氧化形成的“细腰”钢爪容易产生向内弯曲现象，钢爪轴向中心线与碳碗中心不重合，钢爪浇铸均分效果差。并且钢爪上形成的氧化物也会阻碍铁水在在钢爪与碳碗内壁之间顺畅的流动，制作的磷铁环质量较差，铁碳压降升高，情况严重时将出现钢爪发红甚至脱极。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种处理铝电解槽的方法，包括：在铝电解槽的阳极钢爪表面喷涂纳米陶瓷基涂料，以便在阳极表面形成纳米陶瓷基涂层。

根据本发明上述实施例的处理铝电解槽的方法，通过在铝电解槽的阳极钢爪表面喷涂纳米陶瓷基涂料，可以使阳极钢爪表面形成一层致密的纳米陶瓷基涂层，有效隔绝空气、二氧化碳、氟化氢、冰晶石蒸汽与阳极钢爪直接接触，使阳极钢爪具有优良的抗腐蚀性能，显著降低阳极钢爪的腐蚀速度，有效延长阳极钢爪以及铝电解槽的使用寿命，降低生产成本。

根据本发明的具体实施例，处理铝电解槽的方法可以进一步包括：预先对纳米陶瓷基涂料进行搅拌，并在完成搅拌后5分钟内利用对纳米陶瓷基涂料进行喷涂。为了有效解决涂料在使用之前可能发生的沉降问题，本发明中通过预先对涂料进行搅拌，可以使纳米陶瓷基涂料具有较好的均一性，进而使纳米陶瓷基涂料能够被均匀地喷涂到阳极钢爪上。此外，并在完成搅拌后5分钟内利用对纳米陶瓷基涂料进行喷涂可以避免涂料再次发生沉降导致涂料喷涂不均，同时还可以有效防止喷涂过程中堵塞喷枪。根据本发明的实施示例，对纳米陶瓷基涂料进行搅拌的方式并不受特别限制，例如，可以使用电锤对纳米陶瓷基涂料进行搅拌。由此可以进一步提高搅拌的效率。

根据本发明的具体实施例，阳极钢爪由钢爪横梁和连接在述钢爪横梁上的多个爪柱组成，具体地在多个爪柱的表面喷涂纳米陶瓷基涂料。根据本发明的具体实施例，阳极钢爪的下部套设有磷铁环，可以在阳极钢爪上未套设磷铁环的表面喷涂纳米陶瓷基涂料。根据本发明的具体示例，磷铁环套设在爪柱的下部，由此可以在阳极钢爪的爪柱上未套设磷铁环的表面喷涂纳米陶瓷基涂料。发明人经过大量实践研究发现，阳极钢爪与磷铁环结合部以上的钢爪是最容易被腐蚀、氧化的部位，腐蚀生成黑色结块，脱落并混合于极上料中，最终进入铝液，使铝液中铁含量升高，降低了阳极钢爪的利用率，给生产造成不利影响。本发明中通过对阳极钢爪爪柱上未套设磷铁环的表面喷涂纳米陶瓷基涂料，可以有效针对阳极钢爪最容易被腐蚀的部位进行有效防护，显著提高纳米陶瓷基涂料的利用率。

根据本发明的具体实施例，喷涂采用的喷嘴可以为225#喷嘴、227#喷嘴或者229#喷嘴。发明人经过大量的实验发明，通过选用上述几种型号的喷嘴能够有效满足本发明对喷涂涂料时喷雾流量、喷雾扇形面、喷雾角度和喷雾压力等的要求，显著提高对阳极钢爪喷涂纳米陶瓷基涂料的喷涂效率。

根据本发明的具体实施例，喷涂的压力可以不低于14mpa。发明人经过大量的实验发现，当喷涂压力过小时，涂料渗透力度较小，容易在阳极钢爪上形成分散分布的涂料滴，严重影响喷涂效果。由此，本发明中通过控制喷涂压力不低于14mpa，可以使纳米陶瓷基涂料能够被均匀的喷涂到阳极钢爪上，显著提高喷涂的效率。

根据本发明的具体实施例，喷涂的压力可以为14-20mpa。由此，可以进一步提高喷涂的效率，并避免由于喷涂压力过大时可能出现的涂料在阳极钢爪上流挂的现象，提高涂料的利用率。

根据本发明的具体实施例，喷涂的距离可以为5-10cm。需要说明的是，本发明中所述的喷涂距离指的是喷嘴与涂料在阳极钢爪上实际喷涂点之间的距离。发明人经过大量实验发现，当喷嘴与阳极钢爪上实际喷涂点之间的距离过小时，容易造成涂料在阳极钢爪上流挂，造成喷涂效果不均匀，而当喷嘴与阳极钢爪上实际喷涂点之间的距离过大时，容易造成涂料在喷涂过程中飞散造成涂料浪费。由此，本发明中通过控制喷涂距离为5-10cm，不仅可以提高涂料的喷涂效果，还能有效提高涂料的利用率。

根据本发明的具体实施例，当阳极钢爪为旧阳极钢爪时，在喷涂纳米陶瓷基涂料之前可以进一步包括：除去旧阳极钢爪表面的形成的氧化产物。由此，可以使旧阳极钢爪表面更加干净平整便于喷涂涂料，使涂料能够紧密覆盖阳极钢爪，避免阳极钢爪进入电解槽后随着温度升高，喷涂材料随着氧化产物一起脱落。

根据本发明的具体实施例，喷涂采用上下移动的点喷法进行，经过所述喷涂形成的所述纳米陶瓷基涂层的厚度为2-3mm。本发明中通过采用上下移动的点喷法进行喷涂，可以有效避免喷涂过程中涂料流挂或造成后喷的涂料飞溅到已喷好的涂料层上，提高涂料的喷涂效率。此外，发明人发现，当经过喷涂形成的纳米陶瓷基涂层的厚度为2-3mm，可以有效隔绝空气、二氧化碳、氟化氢、冰晶石蒸汽与阳极钢爪直接接触，使阳极钢爪具有优良的抗腐蚀性能。

根据本发明的另一个方面，本发明还提出了一种铝电解槽，包括：阴极炭块、阳极炭块、阳极钢爪和阳极导杆，其中，阳极钢爪的表面具有纳米陶瓷基涂层。

根据本发明上述实施例的铝电解槽，通过使用表面具有纳米陶瓷基涂层的阳极钢爪，可以有效隔绝空气、二氧化碳、氟化氢、冰晶石蒸汽与阳极钢爪直接接触，使阳极钢爪具有优良的抗腐蚀性能，显著降低阳极钢爪的腐蚀速度，进而有效延长铝电解槽的使用寿命。

根据本发明的具体实施例，纳米陶瓷基涂层的厚度为2-3mm。发明人发现，当经过喷涂形成的纳米陶瓷基涂层的厚度为2-3mm时，可以有效隔绝空气、二氧化碳、氟化氢、冰晶石蒸汽与阳极钢爪直接接触，使阳极钢爪具有优良的抗腐蚀性能，进一步提高阳极钢爪的的抗腐蚀性能，进而提高铝电解槽的使用寿命。

实施例1

通过测量铝电解槽中阳极钢爪的周长对比喷涂纳米陶瓷基涂料的钢爪与未喷涂的钢爪之间的差异。选择试验钢爪和对比钢爪各24颗，其中，试验钢爪使用纳米陶瓷基涂层保护技术，喷涂量为403克/颗钢爪，喷涂纳米陶瓷基涂层后的旧钢爪如图1(a)所示；对比钢爪不喷涂，未喷涂纳米陶瓷基涂层的旧钢爪如图1(b)所示。试验前测量并记录各试验钢爪和各对比钢爪的周长。将上述处理后的试验钢爪和对比钢爪各24颗进行连续试验2个换极周期，试验后测量并记录钢爪最细处周长，并进行计算分析。

其中，纳米陶瓷基涂料为由云南泽能科技有限公司研发的by-2型纳米陶瓷基涂料，该产品以氧化铝为骨料，微量稀土为催化剂，主要组成如表1所示。

表1纳米陶瓷基防氧化涂层材料主要组成

试验结果：

图2(a)显示了使用2个电解周期后的试验钢爪图(喷涂纳米陶瓷基涂料)，图2(b)显示了使用2个电解周期后的对比钢爪图(未喷涂米陶瓷基涂料)。从图中可以看出，经过2个换极周期之后，喷涂了纳米陶瓷基涂料的阳极钢爪的氧化剥落物明显少于未喷涂纳米陶瓷基涂料的阳极钢爪。

图3(a)显示了使用2个电解周期后的试验钢爪的局部放大图(喷涂纳米陶瓷基涂料)，图3(b)显示了使用2个电解周期后的对比钢爪的局部放大图(未喷涂米陶瓷基涂料)。从图中可以看出，喷涂了纳米陶瓷基涂料的阳极钢爪的表面比较光滑，而未喷涂纳米陶瓷基涂料的阳极钢爪的表面则有明显的氧化结块。

进一步地，通过对试验前后的试验钢爪和对比钢爪的周长进行计算分析。其中2个换极周期的涂层试验钢爪试验前后周长和2个换极周期的对比试验钢爪试验前后周长分别见表2-3和图4-5。

表22个换极周期的涂层试验钢爪试验前后周长(试验24颗，回收20颗)

表32个换极周期的对比试验钢爪试验前后周长(试验24颗，回收22颗)

如表2所示，涂层试验钢爪初始平均周长为434.53mm，2个换极周期后平均周长降低至425.13mm，涂层试验钢爪平均周长降低(434.53-425.13)÷2＝4.70mm/周期，半径腐蚀速度为0.75mm/周期；如表3所示，对比钢爪初始平均周长为420.77mm，2个换极周期后平均周长降低至401.06mm，对比钢爪平均周长降低了(420.77-401.06)÷2＝9.86mm/周期，半径腐蚀速度为1.57mm/周期；因此，涂层试验钢爪的腐蚀速率较对比钢爪降低(9.86-4.70)/9.86×100％＝52.3％。

由图4可知，纳米陶瓷基涂层技术试验钢爪在试验2个换极周期之后周长变化较小，因此两条折线相似度及重合率较高。图5未使用纳米陶瓷基涂层技术的对比钢爪，2条折线之间出现了较大的空隙，这说明2个换极周期之后周长明显降低。而图5第5点竟然出现明显的周长增加的现象，这是因为钢爪基体氧化膨胀，但是氧化腐蚀强度较低，氧化层未脱离基体，因此出现周长增加的假象。

综上可以得出结论：通过在铝电解槽的阳极钢爪上喷涂纳米陶瓷基涂料可以有效降低钢爪的氧化腐蚀速度，钢爪氧化腐蚀速度可降低52.3％。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。