[go: up one dir, main page]

RU2336369C2 - Method of fabricating inert anode for production of aluminium by means of electrolisis in melt - Google Patents

Method of fabricating inert anode for production of aluminium by means of electrolisis in melt Download PDF

Info

Publication number
RU2336369C2
RU2336369C2 RU2005131580/02A RU2005131580A RU2336369C2 RU 2336369 C2 RU2336369 C2 RU 2336369C2 RU 2005131580/02 A RU2005131580/02 A RU 2005131580/02A RU 2005131580 A RU2005131580 A RU 2005131580A RU 2336369 C2 RU2336369 C2 RU 2336369C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nickel
phase
weight
content
mixture
Prior art date
Application number
RU2005131580/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2005131580A (en
Inventor
Вероник ЛОРАН (FR)
Вероник ЛОРАН
Арман ГАБРИЭЛЬ (FR)
Арман ГАБРИЭЛЬ
Original Assignee
Алюминиюм Пешинэ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Алюминиюм Пешинэ filed Critical Алюминиюм Пешинэ
Publication of RU2005131580A publication Critical patent/RU2005131580A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2336369C2 publication Critical patent/RU2336369C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C25C3/12Anodes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention refers to method of fabricating inert anode out of cermet NiO-NiFe2O4-M. The method of fabricating inert anode out of cermet NiO-NiFe2O4-M, containing single oxide nickel phase N, spinel nickel phase S, containing iron and nickel, and metallic phase M, containing copper and nickel, includes preparation of a source mixture containing at least a precursor of single oxide phase N and spinel phase S, a precursor of metallic phase M and organic binding with its contents in the source mixture less, than 2.0% wt; at that the precursor of the metallic phase contains a metallic powder including copper and nickel; the precursor of the single oxide and spinel phase contains mixture of oxides out of nickel oxides and nickel ferrite; ratio of weight contents of nickel oxide to weight contents of nickel ferrite lies within the range of 0.2/99.8 to 30/70; then the method includes forming this mixture for producing of a raw electrode of a certain shape, then sintering of the raw anode at the temperature above 900°C in controlled ambiance, containing inert gas and oxygen; at that contents of single oxide phase in cermet is less, than 40% in weight.
EFFECT: facilitating reduction of toxic volatile substances discharge at low supply of oxygen and continuous exhaust of binding, and curtailing chances of cracks and porosity in electrodes.
21 cl, 4 dwg, 1 tbl, 4 ex

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к производству алюминия электролизом в расплаве. В частности, оно относится к анодам, применяемым в этом производстве, и к способам, применяемым для их изготовления.The present invention relates to the production of aluminum by melt electrolysis. In particular, it relates to the anodes used in this production, and to the methods used for their manufacture.

Предшествующий уровень техникиState of the art

В промышленности металлический алюминий производят электролизом в расплаве, а именно: электролизом глинозема (оксида алюминия), растворенного в ванне на основе расплавленного криолита, называемой ванной электролита, в частности, при помощи хорошо известного способа Холла-Эру. Ванна электролита содержится в емкостях, называемых «электролизными ваннами», включающих в себя стальной кожух, который футерован изнутри огнеупорными и/или изоляционными материалами, и катодное устройство, расположенное на дне этой электролизной ванны. Аноды частично погружены в ванну электролита. Термином «электролизер» обычно называют комплекс, содержащий электролизную ванну и один или множество анодов.In industry, metallic aluminum is produced by melt electrolysis, namely, by electrolysis of alumina (aluminum oxide) dissolved in a bath based on molten cryolite, called an electrolyte bath, in particular using the well-known Hall-Heroult method. The electrolyte bath is contained in containers called “electrolysis baths,” including a steel casing that is lined internally with refractory and / or insulating materials, and a cathode device located at the bottom of the electrolysis bath. The anodes are partially immersed in the electrolyte bath. The term "cell" is usually called a complex containing an electrolysis bath and one or many anodes.

Ток электролиза, который протекает в ванне электролита и слое жидкого алюминия через аноды и катодные элементы, вызывает реакции восстановления алюминия и позволяет также поддерживать ванну электролита при температуре, обычно составляющей примерно 950°С, за счет эффекта Джоуля. В электролизную ванну регулярно загружают глинозем с тем, чтобы компенсировать расход глинозема во время реакций электролиза.The electrolysis current that flows in the electrolyte bath and the liquid aluminum layer through the anodes and cathode elements causes aluminum reduction reactions and also allows the electrolyte bath to be maintained at a temperature of usually about 950 ° C due to the Joule effect. Alumina is regularly charged into the electrolysis bath in order to compensate for the consumption of alumina during electrolysis reactions.

В классической технологии аноды выполнены из углеродистого материала и расходуются за счет реакций восстановления алюминия. Обычно срок службы анода из углеродистого материала составляет от 2 до 3 недель.In classical technology, the anodes are made of carbon material and are consumed due to aluminum reduction reactions. Typically, the service life of a carbon material anode is 2 to 3 weeks.

Требования по охране окружающей среды и затраты, связанные с изготовлением и утилизацией анодов из углеродистого материала, заставляют производителей вести поиск путей изготовления анодов из нерасходуемых материалов, называемых «инертными анодами». Было предложено множество материалов, среди которых, в частности, фигурируют композиционные материалы, содержащие фазу, называемую «керамической», и металлическую фазу. Эти композиционные материалы известны под названием «кермет» (металлокерамика).Environmental protection requirements and costs associated with the manufacture and disposal of anodes made of carbon material force manufacturers to search for ways to make anodes from non-consumable materials called “inert anodes”. Many materials have been proposed, among which, in particular, are composite materials containing a phase called “ceramic” and a metal phase. These composite materials are known as cermet (cermet).

Некоторые керметы стали объектом многочисленных исследований, такие как керметы, керамическая фаза которых содержит смешанный оксид железа и никеля. Эти исследования проводились, в частности, на материалах-керметах, керамическая фаза которых содержит смешанную фазу оксида никеля (NiO) и феррита никеля (NiFe2O4), а металлическая фаза которых содержит, например, железо, никель или медь. В дальнейшем эти керметы стали называть «керметы NiO-NiFe2O4-M», где М обозначает металлическую фазу.Some cermets have been the subject of numerous studies, such as cermets, whose ceramic phase contains a mixed oxide of iron and nickel. These studies were carried out, in particular, on cermet materials, the ceramic phase of which contains a mixed phase of nickel oxide (NiO) and nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ), and the metal phase of which contains, for example, iron, nickel or copper. In the future, these cermets began to be called "NiO-NiFe 2 O 4 -M cermets," where M denotes the metal phase.

Как описано, например, в американских патентах US 4455211, US 4454015 и US 4582585, керметы NiO-NiFe2O4-M обычно получают при помощи способа, включающего в себя приготовление смеси порошков металла и порошков одного или более оксидов железа и никеля, прессование этой смеси для формования сырых (неспеченных) тел определенной формы и спекание этих сырых тел при температуре, находящейся в пределах от 900 до 1500°С. Исходные порошки оксида железа и никеля, как правило, представляют собой предварительно обожженную смесь оксида никеля (NiO) и оксида железа (как правило, Fe2O3 или Fe3O4).As described, for example, in US patents US 4455211, US 4454015 and US 4582585, NiO-NiFe 2 O 4 -M cermets are usually obtained using a method comprising preparing a mixture of metal powders and powders of one or more iron and nickel oxides, pressing this mixture for molding raw (non-sintered) bodies of a certain shape and sintering of these raw bodies at a temperature in the range from 900 to 1500 ° C. The starting powders of iron oxide and nickel are typically a pre-baked mixture of nickel oxide (NiO) and iron oxide (typically Fe 2 O 3 or Fe 3 O 4 ).

В американском патенте US 4871438, выданном на имя «Batelle Memorial Institute», раскрыт способ изготовления, в котором упомянутый исходный порошок оксида представляет собой порошок NiO-NiFe2O4, а исходным металлическим порошком является смесь из 10-30% по массе порошка меди и 2-4% по массе никеля. Массовое отношение NiO к NiFe2O4 находится в пределах между 2:3 (≈0,67) и 3:2 (=1,5). Во время спекания медь и никель образуют сплав, температура плавления которого превышает температуру спекания, что позволяет избежать выпотевания металлической фазы («bleed out» в английской терминологии) и получать, таким образом, конечное количество металлической фазы, превышающее 17% по массе. Исходная смесь не содержит органического связующего. Спекание осуществляют в атмосфере аргона или азота, содержащей от 100 до 500 ч/млн кислорода.US Pat. No. 4,871,438, issued to the Batelle Memorial Institute, discloses a manufacturing method in which said starting oxide powder is a NiO-NiFe 2 O 4 powder and the starting metal powder is a mixture of 10-30% by weight of copper powder and 2-4% by weight of nickel. The mass ratio of NiO to NiFe 2 O 4 is between 2: 3 (≈0.67) and 3: 2 (= 1.5). During sintering, copper and nickel form an alloy whose melting point is higher than the sintering temperature, which avoids bleeding out of the metal phase (in English terminology) and thus obtain a final amount of the metal phase in excess of 17% by weight. The initial mixture does not contain an organic binder. Sintering is carried out in an atmosphere of argon or nitrogen containing from 100 to 500 ppm of oxygen.

В более позднем американском патенте US 5794112, выданном на имя «Aluminium Company of America», раскрыт способ получения кермета, в котором исходная смесь содержит металлический порошок, содержащий медь и/или серебро и от 2 до 10 частей по массе органического связующего, и в котором спекание осуществляют в контролируемой атмосфере аргона, содержащей от 5 до 3000 ч/млн кислорода.In a later US patent US 5794112, issued in the name of "Aluminum Company of America", disclosed is a method for producing cermet, in which the initial mixture contains a metal powder containing copper and / or silver and from 2 to 10 parts by weight of an organic binder, and which sintering is carried out in a controlled atmosphere of argon containing from 5 to 3000 ppm of oxygen.

Однако известные способы изготовления порождают проблемы при производстве деталей из кермета NiO-NiFe2O4-M, металлическая фаза М которого содержит медь и никель, в частности, при производстве крупногабаритных деталей (то есть деталей, минимальный размер которых - как правило, диаметр - превышает или равен примерно 20 см). Заявитель столкнулся с трудностями при регулировании и удовлетворительном управлении составом и относительным содержанием всех фаз кермета. Однако упомянутые состав и содержание влияют на эксплуатационные свойства кермета. Кроме того, удаление продуктов испарения и разложения связующего во время спекания в основном зависит от его природы, что делает способ очень чувствительным к выбору связующего, когда его содержание в исходной смеси является значительным (как в способе, раскрытом в патенте US 5794112). Кроме того, сочетание низкой теплопроводности и большого размера сырой детали приводит к остановке отвода газов испарения и разложения из-за закупоривания пор на поверхности. Детали могут также растрескиваться. Эти проблемы могут быть частично решены путем удлинения этапа удаления связующего, но такое решение существенно снижает производительность способа.However, the known manufacturing methods give rise to problems in the production of parts from cermet NiO-NiFe 2 O 4 -M, the metal phase M of which contains copper and nickel, in particular, in the manufacture of large parts (that is, parts whose minimum size is usually a diameter of greater than or equal to about 20 cm). The applicant encountered difficulties in regulating and satisfactorily managing the composition and relative content of all phases of the cermet. However, the composition and content mentioned affect the performance of the cermet. In addition, the removal of the products of evaporation and decomposition of the binder during sintering mainly depends on its nature, which makes the method very sensitive to the choice of binder, when its content in the initial mixture is significant (as in the method disclosed in US patent 5794112). In addition, the combination of low thermal conductivity and the large size of the wet part leads to a stop of the removal of evaporation gases and decomposition due to clogging of pores on the surface. Parts may also crack. These problems can be partially solved by lengthening the binder removal step, but such a solution significantly reduces the productivity of the method.

Поэтому заявитель поставил перед собой задачу найти такие решения, которые позволяют устранить недостатки известных способов изготовления.Therefore, the applicant has set himself the task of finding such solutions that can eliminate the disadvantages of known manufacturing methods.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Объектом настоящего изобретения является способ изготовления инертного анода из кермета, при этом упомянутый кермет обозначается формулой «NiO-NiFe2O4-M» и содержит металлическую фазу М, содержащую медь и никель, и керамическую фазу С, называемую смешанной и содержащую по меньшей мере две разные фазы, а именно: фазу N, называемую «монооксидной никелевой фазой», и фазу S, называемую «шпинельной никелевой фазой» («никелевой шпинелью»).The object of the present invention is a method of manufacturing an inert anode from cermet, wherein said cermet is designated by the formula "NiO-NiFe 2 O 4 -M" and contains a metal phase M containing copper and nickel, and a ceramic phase C, called mixed and containing at least two different phases, namely: phase N, called the "monoxide nickel phase", and phase S, called the "spinel nickel phase"("nickelspinel").

Монооксидная никелевая фаза N обычно соответствует формуле NiO, которая может быть нестехиометрической и которая может, в случае необходимости, содержать другие элементы, отличные от никеля, такие как железо. Шпинельная никелевая фаза S обычно соответствует формуле NiFe2O4, которая может быть нестехиометрической и которая может, в случае необходимости, содержать другие элементы, отличные от никеля и железа.The monoxide nickel phase N usually corresponds to the formula NiO, which may be non-stoichiometric and which, if necessary, may contain other elements than nickel, such as iron. The spinel nickel phase S usually corresponds to the formula NiFe 2 O 4 , which may be non-stoichiometric and which, if necessary, may contain other elements than nickel and iron.

Согласно изобретению способ изготовления инертного анода из кермета типа NiO-NiFe2O4-M, содержащего, по меньшей мере, монооксидную никелевую фазу N, шпинельную никелевую фазу S, содержащую железо и никель, и металлическую фазу М, содержащую медь и никель, отличается тем, что он включает в себя:According to the invention, the method of manufacturing an inert anode from a cermet of the type NiO-NiFe 2 O 4 -M containing at least a monoxide nickel phase N, a spinel nickel phase S containing iron and nickel, and a metal phase M containing copper and nickel are different in that it includes:

- приготовление исходной смеси, содержащей, по меньшей мере, предшественник монооксидной фазы N и шпинельной фазы S, предшественник металлической фазы М и органическое связующее, при этом содержание органического связующего в исходной смеси является низким, а именно - менее 2,0% по массе, и предшественник металлической фазы содержит металлический порошок, содержащий медь и никель;- preparation of the initial mixture containing at least a precursor of the monoxide phase N and spinel phase S, the precursor of the metal phase M and an organic binder, while the content of the organic binder in the initial mixture is low, namely less than 2.0% by weight, and the metal phase precursor comprises a metal powder containing copper and nickel;

- операцию формования этой смеси, как правило, прессованием или изостатическим прессованием, для получения сырого анода определенной формы;- the operation of molding this mixture, as a rule, by pressing or isostatic pressing, to obtain a crude anode of a certain shape;

- операцию спекания сырого анода при температуре, как правило, более 900°С и в контролируемой атмосфере, содержащей небольшое количество кислорода, а именно - как правило, менее 200 ч/млн О2.- the operation of sintering the crude anode at a temperature, as a rule, of more than 900 ° C and in a controlled atmosphere containing a small amount of oxygen, namely, as a rule, less than 200 ppm O 2 .

Заявитель пришел к идее разделить физико-химические функции, выполняемые связующим и предшественником металлической фазы. В этом контексте он обнаружил, что обычно бывает достаточно использовать небольшое количество органического связующего для обеспечения сохранения формы (прочности) детали в начале спекания (то есть для существенного ограничения и даже предотвращения ее деформации) и что роль химического восстановителя упомянутого связующего может быть обеспечена за счет добавления металлического никеля в предшественник металлической фазы, который предпочтительно образован металлическими порошками.The applicant has come up with the idea to separate the physicochemical functions performed by the binder and the precursor of the metal phase. In this context, he found that it is usually sufficient to use a small amount of an organic binder to maintain the shape (strength) of the part at the beginning of sintering (that is, to significantly limit and even prevent its deformation) and that the role of the chemical reducing agent of the binder can be ensured by adding metallic nickel to the metal phase precursor, which is preferably formed by metal powders.

Такое разделение двух функций - обеспечения механической прочности и управления составом металлической фазы - позволяет сократить количество связующего и, следовательно, снизить выделение токсичных летучих веществ при небольшом подводе кислорода, сократить продолжительность удаления связующего и ограничить опасности растрескивания и образования пористости, связанные с удалением связующего в газовой фазе и летучих продуктов разложения связующего в крупногабаритных деталях. Корректировка состава металлической фазы спеченного материала за счет добавления никеля позволяет не только избежать выпотевания металлической фазы во время спекания, но также лучше управлять локальной химией (химическим составом) керамической и металлической фаз. Корректировка состава металлической фазы согласно изобретению позволяет также обеспечить лучшую однородность микроструктуры кермета в крупногабаритных деталях.This separation of the two functions — providing mechanical strength and controlling the composition of the metal phase — reduces the amount of binder and, therefore, reduces the release of toxic volatile substances with a small supply of oxygen, reduces the duration of removal of the binder and limits the risks of cracking and porosity associated with the removal of the binder in the gas phase and volatile decomposition products of the binder in large parts. The adjustment of the composition of the metal phase of the sintered material due to the addition of nickel allows not only to avoid sweating of the metal phase during sintering, but also to better control the local chemistry (chemical composition) of the ceramic and metal phases. Correction of the composition of the metal phase according to the invention also allows for better uniformity of the cermet microstructure in large parts.

Использование небольшого количества органического связующего позволяет повысить надежность способа в рамках промышленного производства анодов (и, в более общем случае, деталей, предназначенных для формирования анодов). В частности, оно позволяет снизить чувствительность способа к размерам спеченных деталей.The use of a small amount of organic binder can improve the reliability of the method in the industrial production of anodes (and, in a more general case, parts intended for forming anodes). In particular, it allows to reduce the sensitivity of the method to the size of the sintered parts.

Спекание приводит к миграции части металлических элементов между различными фазами. Так, как правило, оксид никеля обогащается железом, феррит никеля становится нестехиометрическим, а металлическая фаза обогащается никелем и, необязательно, железом, как правило - в меньших пропорциях. Следовательно, полученный в результате спекания кермет может быть более точно выражен формулой Ni1-xFexO1±δ-NiyFe3-yO4±δ-M', где М' представляет собой сплав, включающий в себя исходный металл М, железо и никель (MFeNi). Тем не менее, для упрощения терминологии в дальнейшем фазы NiO (и, в более общем случае, - Ni1-xFexO) и NiFe2O4 (и, в более общем случае, - NiyFe3-yO4) будут обозначаться соответственно терминами «монооксидная фаза» и «шпинельная фаза». Кроме того, кермет будет просто обозначаться формулой «NiO-NiFe2O4-M», где NiO обозначает монооксидную фазу (N), NiFe2O4 обозначает шпинельную фазу (S), а М - металлическую фазу.Sintering leads to the migration of part of the metal elements between different phases. So, as a rule, nickel oxide is enriched in iron, nickel ferrite becomes non-stoichiometric, and the metal phase is enriched in nickel and, optionally, iron, as a rule, in smaller proportions. Therefore, the cermet obtained as a result of sintering can be more accurately expressed by the formula Ni 1-x Fe x O 1 ± δ- Ni y Fe 3-y O 4 ± δ -M ', where M' is an alloy including the starting metal M, iron and nickel (MFeNi). However, to simplify the terminology in the future, the phases NiO (and, in the more general case, Ni 1-x Fe x O) and NiFe 2 O 4 (and, in the more general case, Ni y Fe 3-y O 4 ) will be denoted by the terms “monoxide phase” and “spinel phase”, respectively. In addition, the cermet will simply be denoted by the formula “NiO-NiFe 2 O 4 -M”, where NiO denotes the monoxide phase (N), NiFe 2 O 4 denotes the spinel phase (S), and M the metal phase.

Инертные аноды согласно изобретению предназначены для производства алюминия электролизом в расплаве. В случае необходимости, их можно соединять, образуя анодные сборки, состоящие из множества отдельных анодов, такие как анодные блоки.Inert anodes according to the invention are intended for the production of aluminum by melt electrolysis. If necessary, they can be connected to form anode assemblies consisting of many separate anodes, such as anode blocks.

Настоящее изобретение станет более очевидным из нижеследующих прилагаемых фигур и подробного описания.The present invention will become more apparent from the following accompanying figures and detailed description.

Фиг.1 показывает предпочтительный вариант осуществления способа изготовления по изобретению.Figure 1 shows a preferred embodiment of a manufacturing method according to the invention.

Фиг.2А представляет собой микрофотографию типового кермета, полученного способом изготовления по изобретению.Figa is a micrograph of a typical cermet obtained by the manufacturing method according to the invention.

Фиг.2В представляет собой схематическую репродукцию микрофотографии, показанной на фиг.2А.Fig. 2B is a schematic reproduction of the micrograph shown in Fig. 2A.

Фиг.3 представляет собой тройную диаграмму NiO/NiFe2O4/M, показывающую предпочтительные области исходного состава в предпочтительном варианте осуществления изобретения.Figure 3 is a triple diagram of NiO / NiFe 2 O 4 / M showing preferred regions of the starting composition in a preferred embodiment of the invention.

Фиг.4 представляет собой усеченную тройную диаграмму Ni/Cu/Оксиды, показывающую предпочтительные области исходного состава в предпочтительном варианте осуществления изобретения.FIG. 4 is a truncated triple diagram of Ni / Cu / Oxides showing preferred regions of the starting composition in a preferred embodiment of the invention.

Металлический порошок, содержащий медь и никель, как правило, представляет собой смесь порошка металлической меди и порошка металлического никеля. Согласно изобретению можно также использовать металлический порошок, содержащий, полностью или частично, сплав меди и никеля. Предпочтительно, по меньшей мере 95% по массе частиц (зерен) упомянутого металлического порошка имеют размер от 3 до 10 мкм.A metal powder containing copper and nickel is typically a mixture of a metal copper powder and a metal nickel powder. According to the invention, it is also possible to use a metal powder containing, in whole or in part, an alloy of copper and nickel. Preferably, at least 95% by weight of the particles (grains) of said metal powder have a size of from 3 to 10 microns.

Содержание металлического порошка в исходной смеси предпочтительно превышает 15% по массе, а еще предпочтительнее - превышает 20% по массе. Это содержание предпочтительно составляет менее 35% по массе. Как правило, оно находится в пределах от 15% до 30% по массе, а еще чаще - от 20% до 25% по массе. Эти предпочтительные содержания показаны на тройной диаграмме на фиг.3 в случае, когда предшественником упомянутых монооксидной фазы N и шпинельной фазы S является оксид никеля NiO и феррит никеля NiFe2O4.The content of the metal powder in the starting mixture is preferably greater than 15% by mass, and even more preferably greater than 20% by mass. This content is preferably less than 35% by weight. As a rule, it is in the range from 15% to 30% by weight, and even more often from 20% to 25% by weight. These preferred contents are shown in the ternary diagram of FIG. 3 in the case where the precursor of said monoxide phase N and spinel phase S is nickel oxide NiO and nickel ferrite NiFe 2 O 4 .

Содержание никеля в металлическом порошке предшественника металлической фазы (то есть во взятом количестве металлического порошка) предпочтительно превышает или равно 3% по массе, а еще предпочтительнее - находится в пределах от 3 до 30% по массе, а как правило - находится в пределах от 5 до 25% по массе. Эти предпочтительные содержания показаны на тройной диаграмме на фиг.4 в случае, когда предшественником металлической фазы являются никель и медь. Предпочтительные области содержаний Ni и Cu выражаются в виде отношения Ni/Cu (например, отношение 3/97 соответствует 3 мас.% Ni в металлическом порошке). Выражение «Оксиды» обозначает совокупность компонентов предшественника монооксидной фазы N и шпинельной фазы S; содержания М, приведенные на этой диаграмме, соответствуют разности между 100% и общим содержанием оксидов.The nickel content in the metal powder of the metal phase precursor (i.e., in the taken amount of the metal powder) is preferably greater than or equal to 3% by weight, and even more preferably is in the range of 3 to 30% by weight, and typically in the range of 5 up to 25% by weight. These preferred contents are shown in a ternary diagram in FIG. 4 in the case where the precursor of the metal phase is nickel and copper. Preferred ranges of Ni and Cu are expressed as the Ni / Cu ratio (for example, the ratio 3/97 corresponds to 3 wt.% Ni in the metal powder). The term “Oxides” means the combination of the components of the precursor of the monoxide phase N and the spinel phase S; the contents of M shown in this diagram correspond to the difference between 100% and the total oxide content.

Исходная смесь может, в случае необходимости, также содержать по меньшей мере один элемент, способный ограничивать окисление металлической фазы кермета, такой как серебро. Этот элемент-противоокислитель обычно добавляют в виде порошка. Он может быть, в случае необходимости, добавлен в исходный металлический порошок. Упомянутый элемент-противоокислитель может необязательно находиться в окисленном виде, таком как оксид (например, Ag2O), который будет восстановлен во время спекания. Элементы-противоокислители, в металлическом или окисленном виде, могут быть добавлены на любом этапе приготовления исходной смеси.The starting mixture may, if necessary, also contain at least one element capable of limiting the oxidation of the metal phase of the cermet, such as silver. This antioxidant element is usually added in powder form. It can, if necessary, be added to the starting metal powder. Said antioxidant element may optionally be in an oxidized form, such as an oxide (e.g., Ag 2 O), which will be reduced during sintering. Antioxidant elements, in metallic or oxidized form, can be added at any stage in the preparation of the initial mixture.

Содержание органического связующего в исходной смеси предпочтительно находится в пределах от 0,5 до 1,5% по массе. Упомянутое связующее предпочтительно способно обеспечивать прочность сформованной детали в сыром виде. Согласно изобретению, нет необходимости в использовании органического связующего, обладающего свойствами химического восстановителя, так как функция восстановления окисленных фаз в основном выполняется металлическим порошком (или смесью металлических порошков), используемым(ой) в исходной смеси. Упомянутое связующее, как правило, представляет собой ПВС (поливиниловый спирт), но можно также представлять собой любое известное органическое или металлоорганическое связующее, такое как акриловые полимеры, полигликоли (такие как полиэтиленгликоль или ПЭГ), поливинилацетаты, полиизобутилены, поликарбонаты, полистиролы, полиакрилаты или стеараты (такие как стеариновая кислота или стеарат цинка).The content of the organic binder in the feed mixture is preferably in the range of 0.5 to 1.5% by weight. Said binder is preferably capable of providing strength to the formed part in its raw form. According to the invention, it is not necessary to use an organic binder having the properties of a chemical reducing agent, since the function of reducing the oxidized phases is mainly performed by the metal powder (or a mixture of metal powders) used in the initial mixture. Said binder is typically PVA (polyvinyl alcohol), but can also be any known organic or organometallic binder, such as acrylic polymers, polyglycols (such as polyethylene glycol or PEG), polyvinyl acetates, polyisobutylene, polycarbonates, polystyrenes, polyacrylates or stearates (such as stearic acid or zinc stearate).

Предшественником монооксидной и шпинельной фаз обычно является смесь оксидов или металлоорганических соединений, способных образовывать упомянутые фазы во время спекания. Эти оксиды или соединения могут быть, в случае необходимости, введены в исходную смесь раздельно, но предпочтительно их смешивают друг с другом перед добавлением в исходную смесь.The precursor of the monoxide and spinel phases is usually a mixture of oxides or organometallic compounds capable of forming said phases during sintering. These oxides or compounds may, if necessary, be separately introduced into the feed mixture, but are preferably mixed with each other before being added to the feed mixture.

Оксиды и/или соединения в исходной смеси, в частности предшественник монооксидной и шпинельной фаз, предпочтительно присутствуют в виде порошков. Еще предпочтительнее, по меньшей мере 95% по массе частиц этих порошков имеют размер, находящийся в пределах от 5 до 10 мкм.The oxides and / or compounds in the starting mixture, in particular the precursor of the monoxide and spinel phases, are preferably present in the form of powders. Even more preferably, at least 95% by weight of the particles of these powders have a size in the range of 5 to 10 microns.

Как правило, предшественник монооксидной и шпинельной фаз содержит смесь оксидов, содержащую оксид никеля (как правило, NiO) и феррит никеля (как правило, NiFe2O4). Эту смесь оксидов можно получить разными способами. Например, ее можно сформировать смешиванием порошка оксида никеля (NiO) и порошка феррита никеля (NiFe2O4). Ее можно также получить обжигом смеси порошка оксида никеля и порошка оксида железа (такого как Fe2O3 или Fe3O4).Typically, the monoxide and spinel phase precursor contains a mixture of oxides containing nickel oxide (typically NiO) and nickel ferrite (typically NiFe 2 O 4 ). This mixture of oxides can be obtained in various ways. For example, it can be formed by mixing a powder of nickel oxide (NiO) and a powder of nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ). It can also be obtained by calcining a mixture of nickel oxide powder and iron oxide powder (such as Fe 2 O 3 or Fe 3 O 4 ).

Упомянутую смесь оксидов преимущественно получают при помощи пиролиза соединений железа и никеля, что позволяет получать однородную (тонкую) смесь исходных оксидов и избежать попадания примесей, которые часто присутствуют в промышленных оксидах железа и никеля. Такой способ (известный под названием «распыление и пиролиз», от английского «spray pyrolysis») обычно включает в себя совместное осаждение солей в водном растворе, распыление (диспергирование) этих солей при высокой температуре, измельчение и обжиг или «шамотирование» (от французского «chamottage») при достаточно высокой температуре, как правило, превышающей 900°С.The above-mentioned mixture of oxides is mainly obtained by pyrolysis of iron and nickel compounds, which allows to obtain a homogeneous (thin) mixture of the starting oxides and to avoid the ingress of impurities, which are often present in industrial iron and nickel oxides. This method (known as “spraying and pyrolysis”, from the English “spray pyrolysis”) usually involves the joint precipitation of salts in an aqueous solution, spraying (dispersing) these salts at high temperature, grinding and firing, or “chamotte” (from French “Chamottage”) at a sufficiently high temperature, usually in excess of 900 ° C.

Содержание феррита никеля (NiFe2O4) в исходной смеси обычно составляет от 50 до 85% по массе, а предпочтительно - от 60 до 85% по массе. Для достижения достаточного уплотнения кермета содержание оксида никеля в исходной смеси, как правило, находится в пределах от 0,1% по массе до 25% по массе. Отношение массового содержания оксида никеля к массовому содержанию феррита никеля (обычно NiO/NiFe2O4) предпочтительно находится в пределах от 0,2/99,8 до 30/70, а еще предпочтительнее - от 0,2/99,8 до 20/80.The content of Nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ) in the initial mixture is usually from 50 to 85% by weight, and preferably from 60 to 85% by weight. To achieve sufficient cermet compaction, the nickel oxide content in the feed mixture is typically in the range of 0.1% by weight to 25% by weight. The ratio of the mass content of Nickel oxide to the mass content of Nickel ferrite (usually NiO / NiFe 2 O 4 ) is preferably in the range from 0.2 / 99.8 to 30/70, and even more preferably from 0.2 / 99.8 to 20 / 80.

Заявитель установил, что важно точно корректировать различные содержания для получения конечного продукта, обладающего необходимыми свойствами для применения в качестве анода в производстве алюминия электролизом. В частности, он отметил важность первоначальной корректировки относительных содержаний общего количества железа и общего количества никеля (то есть в любых фазах, вместе взятых) и относительных содержаний оксида никеля и феррита никеля для получения конечного кермета с требуемыми свойствами. В частности, содержания предшественников монооксидной, шпинельной и металлической фаз (например, содержания оксида никеля, феррита никеля и металла) в исходной смеси, температуру спекания и содержание кислорода в атмосфере спекания преимущественно корректируют таким образом, чтобы получить необходимое атомное отношение железа к никелю (Fe/Ni) в шпинельной фазе кермета. Предпочтительно, это отношение превышает или равно 2,4, а еще предпочтительнее - превышает или равно 2,8.The applicant has determined that it is important to accurately adjust the various contents to obtain a final product having the necessary properties for use as an anode in the production of aluminum by electrolysis. In particular, he noted the importance of initially adjusting the relative contents of the total amount of iron and the total amount of nickel (that is, in any phases combined) and the relative contents of nickel oxide and nickel ferrite to obtain the final cermet with the desired properties. In particular, the contents of the monoxide, spinel and metal phase precursors (for example, the content of nickel oxide, nickel ferrite and metal) in the initial mixture, the sintering temperature and the oxygen content in the sintering atmosphere are mainly adjusted so as to obtain the necessary atomic ratio of iron to nickel (Fe / Ni) in the spinel phase of the cermet. Preferably, this ratio is greater than or equal to 2.4, and even more preferably greater than or equal to 2.8.

Исходная смесь, то есть смесь, предназначенная для формования и спекания с получением детали из кермета, обычно содержит воду и диспергатор для облегчения смешивания компонентов и формования сырых деталей.The initial mixture, that is, a mixture intended for molding and sintering to form a part from cermet, typically contains water and a dispersant to facilitate mixing of the components and molding of the raw parts.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, исходную смесь готовят при помощи способа, включающего в себя:According to a preferred embodiment of the invention, the initial mixture is prepared using a method including:

- приготовление шликера, содержащего воду (как правило, 40% по массе), диспергатор, способный предотвратить образование агломератов порошков (предпочтительно, менее 1% по массе), и исходный порошок оксида(ов);- the preparation of a slip containing water (typically 40% by weight), a dispersant capable of preventing the formation of powder agglomerates (preferably less than 1% by weight), and the initial oxide powder (s);

- операцию деагломерации шликера, как правило, путем перемешивания, с тем, чтобы получить определенную вязкость (как правило, от 0,1 до 0,2 Па·сек);- a slip deagglomeration operation, usually by stirring, so as to obtain a certain viscosity (usually from 0.1 to 0.2 Pa · sec);

- добавление порошка предшественника металлической фазы и органического связующего.- adding a metal phase precursor powder and an organic binder.

Диспергатор, предпочтительно, не способен вступать в химическую реакцию с медью из предшественника металлической фазы.The dispersant is preferably not capable of reacting chemically with copper from the metal phase precursor.

Перед операцией формования исходную смесь, предпочтительно, сушат для удаления содержащейся в ней воды. Эту сушку обычно осуществляют при помощи распыления (распылительной сушки, от английского «spray drying»).Before the molding operation, the feed mixture is preferably dried to remove the water contained therein. This drying is usually carried out by spraying (spray drying, from the English "spray drying").

Операцию формования сырой детали обычно осуществляют холодным изостатическим прессованием, то есть прессованием при температуре, позволяющей избежать чрезмерного испарения или разложения органического связующего. Как правило, температура холодного прессования составляет менее 200°С. Давления прессования обычно составляют от 100 до 200 МПа.The operation of forming a wet part is usually carried out by cold isostatic pressing, that is, pressing at a temperature that avoids excessive evaporation or decomposition of the organic binder. Typically, the cold pressing temperature is less than 200 ° C. Pressing pressures typically range from 100 to 200 MPa.

Операцию спекания сырой детали (то есть сырого анода или сырого элемента анода) обычно осуществляют в контролируемой атмосфере, содержащей по меньшей мере один инертный газ и кислород. Как правило, инертный газ в используемой при спекании контролируемой атмосфере представляет собой аргон. Упомянутая контролируемая атмосфера предпочтительно содержит от 10 до 200 ч/млн кислорода. Минимальное содержание кислорода является предпочтительным для предотвращения восстановления оксидов в смеси. Максимальное содержание преимущественно тем, что позволяет избежать окисления металлического порошка или металлических порошков.The sintering operation of a crude component (i.e., a crude anode or a raw anode element) is usually carried out in a controlled atmosphere containing at least one inert gas and oxygen. Typically, the inert gas in the controlled atmosphere used in sintering is argon. Said controlled atmosphere preferably contains from 10 to 200 ppm oxygen. A minimum oxygen content is preferred to prevent the reduction of oxides in the mixture. The maximum content is predominantly that avoids the oxidation of metal powder or metal powders.

Температура спекания предпочтительно находится в пределах от 1150 до 1400°С, а еще предпочтительнее - от 1300 до 1400°С. Как правило, она составляет 1350°С. Время выдержки при температуре спекания не является критическим в способе согласно изобретению. Как правило, это время выдержки составляет примерно два часа с тем, чтобы обеспечить однородность спекания. После этапа выдержки при температуре спекания способ предпочтительно включает в себя этап медленного охлаждения со скоростью охлаждения, обычно составляющей от -10° до -100°/час от температуры спекания до промежуточной температуры, находящейся в пределах от примерно 900 до примерно 1000°С; медленное охлаждение в начале этапа охлаждения позволяет увеличить удельную электропроводность анода.The sintering temperature is preferably in the range from 1150 to 1400 ° C., and even more preferably from 1300 to 1400 ° C. As a rule, it is 1350 ° C. The exposure time at sintering temperature is not critical in the method according to the invention. Typically, this holding time is approximately two hours in order to ensure uniformity of sintering. After the holding step at the sintering temperature, the method preferably includes a slow cooling step with a cooling rate typically from -10 ° to -100 ° / h from the sintering temperature to an intermediate temperature ranging from about 900 to about 1000 ° C; slow cooling at the beginning of the cooling stage allows to increase the conductivity of the anode.

Содержание металлической фазы в конечном кермете предпочтительно составляет более 15% по массе, еще предпочтительнее - от 15 до 30% по массе, и, как правило, находится в пределах от 15 до 25% по массе. Содержание никеля в металлической фазе предпочтительно превышает или равно 3% по массе, предпочтительно - находится в пределах от 3 до 30% по массе, а еще предпочтительнее - от 5 до 25% по массе, чтобы повысить сопротивление металлической фазы окислению во время использования в процессе электролиза в солевом расплаве.The content of the metal phase in the final cermet is preferably more than 15% by mass, even more preferably from 15 to 30% by mass, and typically ranges from 15 to 25% by mass. The nickel content in the metal phase is preferably greater than or equal to 3% by mass, preferably in the range of 3 to 30% by mass, and even more preferably in the range of 5 to 25% by mass in order to increase the resistance of the metal phase to oxidation during use in the process electrolysis in molten salt.

Содержание шпинельной фазы в конечном кермете предпочтительно составляет от 30 до 90% по массе и, как правило, находится в пределах от 40 до 90% по массе. Шпинельная фаза является предпочтительно нестехиометрической с тем, чтобы повысить удельную электропроводность. С этой целью, атомное отношение железа к никелю (Fe/Ni) в шпинельной фазе предпочтительно превышает или равно 2,4, а еще предпочтительнее - превышает или равно 2,8.The content of the spinel phase in the final cermet is preferably from 30 to 90% by weight and, as a rule, is in the range from 40 to 90% by weight. The spinel phase is preferably non-stoichiometric in order to increase the electrical conductivity. To this end, the atomic ratio of iron to nickel (Fe / Ni) in the spinel phase is preferably greater than or equal to 2.4, and even more preferably greater than or equal to 2.8.

Шпинельная фаза может, в случае необходимости, содержать по меньшей мере один элемент замещения, способный повысить ее удельную электропроводность, такой как четырехвалентный элемент (Ti, Zr и т.п.).The spinel phase may, if necessary, contain at least one substitution element capable of increasing its conductivity, such as a tetravalent element (Ti, Zr, etc.).

Содержание монооксидной фазы в конечном кермете предпочтительно составляет менее 40% по массе для обеспечения достаточной стойкости кермета к электрохимической коррозии.The content of the monoxide phase in the final cermet is preferably less than 40% by mass to ensure sufficient cermet resistance to electrochemical corrosion.

Заявитель установил, что, как видно из фиг.2А и 2В, кермет, полученный при помощи способа согласно изобретению, содержит развитую шпинельную фазу (S), которая окружает островки металлической фазы (М) и образует перколяционную решетку (сетку). Монооксидная фаза (N) является прерывистой (дискретной) фазой. Заявитель выдвинул гипотезу, что повышенная удельная проводимость кермета в основном связана с перколяционной решеткой шпинельной фазы, находящейся в тесном контакте с металлической фазой. Он также выдвинул гипотезу, что перколяционный характер шпинельной фазы может быть достигнут только при достаточных содержаниях Ni в металлической фазе, как правило, превышающих 5% по массе.The applicant has found that, as can be seen from figa and 2B, the cermet obtained using the method according to the invention contains a developed spinel phase (S), which surrounds the islands of the metal phase (M) and forms a percolation lattice (grid). The monoxide phase (N) is an intermittent (discrete) phase. The applicant hypothesized that the increased conductivity of the cermet is mainly due to the percolation lattice of the spinel phase, which is in close contact with the metal phase. He also hypothesized that the percolation nature of the spinel phase can only be achieved with sufficient Ni contents in the metal phase, typically exceeding 5% by weight.

Пористость конечного кермета, как правило, меньше или равна 5%. Его удельная электропроводность при температуре от 900°С до 1050°С предпочтительно составляет более 50 Ом-1·см-1, а еще предпочтительнее - более 100 Ом-1·см-1.The porosity of the final cermet is typically less than or equal to 5%. Its conductivity at a temperature of from 900 ° C to 1050 ° C is preferably more than 50 Ohm -1 · cm -1 , and even more preferably more than 100 Ohm -1 · cm -1 .

Способ согласно изобретению преимущественно применяют для изготовления инертных анодов, предназначенных для производства алюминия электролизом в расплаве.The method according to the invention is mainly used for the manufacture of inert anodes intended for the production of aluminum by melt electrolysis.

Объектом изобретения является также применение инертных анодов или сборок инертных анодов, полученных способом изготовления согласно изобретению, для производства алюминия электролизом в расплаве. Другими словами, объектом настоящего изобретения является также способ производства алюминия электролизом в расплаве, включающий в себя применение по меньшей мере одного инертного анода, полученного способом изготовления согласно изобретению.The invention also relates to the use of inert anodes or assemblies of inert anodes obtained by the manufacturing method according to the invention for the production of aluminum by melt electrolysis. In other words, an object of the present invention is also a method for producing aluminum by melt electrolysis, comprising the use of at least one inert anode obtained by the manufacturing method according to the invention.

Объектом изобретения является также электролизер, предназначенный для производства алюминия электролизом в расплаве, содержащий по меньшей мере один инертный анод, полученный способом изготовления согласно изобретению.The object of the invention is also an electrolyzer intended for the production of aluminum by melt electrolysis, containing at least one inert anode obtained by the manufacturing method according to the invention.

Сравнительные испытанияComparative tests

Партия 1Party 1

Было изготовлено несколько анодов из кермета в соответствии с предшествующим уровнем техники, исходя из смесей порошков Cu, NiFe2O4 и NiO, взятых в следующих пропорциях (по массе): 17% Cu, 61% NiFe2O4, 22% NiO. В эту смесь добавили 5% по массе ПВС в водном растворе и осуществили формование холодным изостатическим прессованием. Сырые аноды подвергли спеканию при максимальной температуре 1350°С в контролируемой атмосфере (остаточное содержание кислорода от 10 до 100 ч/млн). Плотность спеченных анодов составила 6,10 г/см3, то есть остаточная пористость составила 2,84%. Спеченный материал состоял из 28% по массе металлической фазы, содержащей 32% по массе Ni, при этом содержания шпинельной фазы и монооксидной фазы составили соответственно 45,2% и 26,7% по массе. Удельная электропроводность этих анодов при 1000°С составляла примерно 77 Ом-1·см-1.Several cermet anodes were made in accordance with the prior art, based on mixtures of powders of Cu, NiFe 2 O 4 and NiO, taken in the following proportions (by weight): 17% Cu, 61% NiFe 2 O 4 , 22% NiO. To this mixture was added 5% by weight of PVA in an aqueous solution and molding was carried out by cold isostatic pressing. Raw anodes were sintered at a maximum temperature of 1350 ° C in a controlled atmosphere (residual oxygen content from 10 to 100 ppm). The density of the sintered anodes was 6.10 g / cm 3 , i.e., the residual porosity was 2.84%. The sintered material consisted of 28% by weight of the metal phase containing 32% by weight of Ni, while the contents of the spinel phase and the monoxide phase were 45.2% and 26.7% by weight, respectively. The electrical conductivity of these anodes at 1000 ° C was approximately 77 Ohm -1 · cm -1 .

Партия 2Party 2

Было изготовлено несколько анодов из кермета в соответствии с настоящим изобретением, исходя из смесей порошков Cu, Ni, NiFe2O4 и NiO, взятых в следующих пропорциях (по массе): 16% Cu, 5% Ni, 57% NiFe2O4 и 22% NiO. В эту смесь добавили 1% по массе ПВС в водном растворе и осуществили формование холодным изостатическим прессованием. Сырые аноды подвергли спеканию при максимальной температуре 1350°С в контролируемой атмосфере (остаточное содержание кислорода от 10 до 100 ч/млн). Плотность спеченных анодов составила 6,14 г/см3, то есть остаточная пористость составила 2%. Спеченный материал состоял из 24% по массе металлической фазы, содержащей 28,5% по массе Ni, при этом содержания шпинельной фазы и монооксидной фазы составили соответственно 40% и 36% по массе. Удельная электропроводность этих анодов при 1000°С составляла примерно 48 Ом-1·см-1.Several cermet anodes were made in accordance with the present invention, based on mixtures of powders of Cu, Ni, NiFe 2 O 4 and NiO, taken in the following proportions (by weight): 16% Cu, 5% Ni, 57% NiFe 2 O 4 and 22% NiO. To this mixture was added 1% by weight of PVA in an aqueous solution and molding was carried out by cold isostatic pressing. Raw anodes were sintered at a maximum temperature of 1350 ° C in a controlled atmosphere (residual oxygen content from 10 to 100 ppm). The density of the sintered anodes was 6.14 g / cm 3 , i.e., the residual porosity was 2%. The sintered material consisted of 24% by weight of the metal phase containing 28.5% by weight of Ni, while the contents of the spinel phase and the monoxide phase were 40% and 36% by weight, respectively. The conductivity of these anodes at 1000 ° C was approximately 48 Ohm -1 · cm -1 .

Партия 3Party 3

Было изготовлено несколько анодов из кермета в соответствии с настоящим изобретением, исходя из смесей порошков Cu, Ni, NiFe2O4 и NiO, взятых в следующих пропорциях (по массе): 19% Cu, 6,4% Ni, 60% NiFe2O4 и 14,6% NiO. В эту смесь добавили 1% по массе ПВС в водном растворе и осуществили формование холодным изостатическим прессованием. Сырые аноды подвергли спеканию при максимальной температуре 1350°С в контролируемой атмосфере (остаточное содержание кислорода от 10 до 100 ч/млн). Плотность спеченных анодов составила 6,17 г/см3, то есть остаточная пористость составила 1,95%. Спеченный материал состоял из 30,7% по массе металлической фазы, содержащей 32% по массе Ni, при этом содержания шпинельной фазы и монооксидной фазы составили соответственно 41,6% и 27,7% по массе. Удельная электропроводность этих анодов при 1000°С составляла примерно 103 Ом-1·см-1.Several cermet anodes were made in accordance with the present invention based on mixtures of powders of Cu, Ni, NiFe 2 O 4 and NiO, taken in the following proportions (by weight): 19% Cu, 6.4% Ni, 60% NiFe 2 O 4 and 14.6% NiO. To this mixture was added 1% by weight of PVA in an aqueous solution and molding was carried out by cold isostatic pressing. Raw anodes were sintered at a maximum temperature of 1350 ° C in a controlled atmosphere (residual oxygen content from 10 to 100 ppm). The density of the sintered anodes was 6.17 g / cm 3 , i.e., the residual porosity was 1.95%. The sintered material consisted of 30.7% by weight of the metal phase containing 32% by weight of Ni, while the contents of the spinel phase and the monoxide phase were 41.6% and 27.7% by weight, respectively. The conductivity of these anodes at 1000 ° C was approximately 103 Ohm -1 · cm -1 .

Партия 4Party 4

Было изготовлено несколько анодов из кермета, исходя из смесей порошков Cu, Ni, NiFe2O4 и NiO, взятых в следующих пропорциях (по массе): 21% Cu, 4% Ni, 30% NiFe2O4, 45% NiO. В эту смесь добавили 1% по массе ПВС в водном растворе. Сырые аноды подвергли спеканию при максимальной температуре 1200°С в контролируемой атмосфере (остаточное содержание кислорода от 10 до 100 ч/млн). Плотность спеченных анодов составила 6,49 г/см3, то есть остаточная пористость составила 3,57%. Спеченный материал состоял из 27,3% по массе металлической фазы, содержащей 24,8% по массе Ni, при этом содержания шпинельной фазы и монооксидной фазы составили соответственно 21,7% и 51% по массе. Удельная электропроводность этих анодов при 1000°С составляла примерно 139 Ом-1·см-1.Several cermet anodes were made based on mixtures of powders of Cu, Ni, NiFe 2 O 4 and NiO, taken in the following proportions (by weight): 21% Cu, 4% Ni, 30% NiFe 2 O 4 , 45% NiO. To this mixture was added 1% by weight of PVA in an aqueous solution. Raw anodes were sintered at a maximum temperature of 1200 ° C in a controlled atmosphere (residual oxygen content from 10 to 100 ppm). The density of the sintered anodes was 6.49 g / cm 3 , that is, the residual porosity was 3.57%. The sintered material consisted of 27.3% by weight of the metal phase containing 24.8% by weight of Ni, while the contents of the spinel phase and the monoxide phase were 21.7% and 51% by weight, respectively. The electrical conductivity of these anodes at 1000 ° C was approximately 139 Ohm -1 · cm -1 .

Аноды, изготовленные в партиях 1, 3 и 4, были испытаны в опытном электролизере при следующих условиях:Anodes manufactured in batches 1, 3 and 4 were tested in an experimental electrolyzer under the following conditions:

- продолжительность электролиза: 10 часов;- duration of electrolysis: 10 hours;

- температура электролиза: 960°С;- electrolysis temperature: 960 ° C;

- состав ванны электролита: криолитовая ванна с молярным отношением NaF/AlF3, равным 2,2 (то есть с избытком AlF3 в 11% по массе), насыщенная глиноземом;- the composition of the electrolyte bath: cryolite bath with a molar ratio of NaF / AlF 3 equal to 2.2 (that is, with an excess of AlF 3 in 11% by weight), saturated with alumina;

- плотность тока электролиза: 1,5 А/см2.- electrolysis current density: 1.5 A / cm 2 .

Измеренные значения скорости коррозии приведены в таблице. Колонка "число испытаний" соответствует числу испытанных анодов, при этом каждое испытание проводилось на одном аноде. Колонка "отношение Fe/Ni» соответствует атомному отношению Fe/Ni в шпинельной фазе S, измеренному рентгеновским методом (партии 1, 3 и 4) или при помощи микроанализатора (партия 2).The measured values of the corrosion rate are given in the table. The column "number of tests" corresponds to the number of anodes tested, with each test being carried out on one anode. The column "Fe / Ni ratio" corresponds to the atomic ratio Fe / Ni in the spinel phase S, measured by the X-ray method (parties 1, 3 and 4) or using a microanalyzer (party 2).

Сравнение результатов для партий 1 и 3 показывает, что аноды могут быть изготовлены согласно настоящему изобретению с использованием небольших количеств органического связующего при сохранении низкой скорости коррозии и при достижении высокого значения удельной электропроводности в горячем состоянии. Сравнение результатов для партий 3 и 4 показывает, что слишком высокое содержание фазы NiO в спеченном кермете приводит к плохой стойкости к электрохимической коррозии.A comparison of the results for parties 1 and 3 shows that the anodes can be made according to the present invention using small amounts of an organic binder while maintaining a low corrosion rate and achieving a high hot conductivity. A comparison of the results for batches 3 and 4 shows that too high a NiO phase content in the sintered cermet leads to poor resistance to electrochemical corrosion.

ТаблицаTable ПартияThe consignment Число испытанийNumber of tests Удельная электропроводность при 1000°С (Ом-1·см-1)Electrical conductivity at 1000 ° С (Ohm -1 · cm -1 ) Скорость коррозии (см/год)Corrosion Rate (cm / year) Отношение Fe/NiFe / Ni Ratio 1one 4four 7777 6,4±16.4 ± 1 3,0393,039 22 -- 4848 -- 2,882.88 33 22 103103 7,2±1,57.2 ± 1.5 3,0873,087 4four 22 139139 12,8±1,512.8 ± 1.5 2,732.73

Claims (21)

1. Способ изготовления инертного анода из кермета типа NiO-NiFe2O4-M, содержащего по меньшей мере монооксидную никелевую фазу N, шпинельную никелевую фазу S, содержащую железо и никель, и металлическую фазу М, содержащую медь и никель, включающий приготовление исходной смеси, содержащей, по меньшей мере, предшественник упомянутых монооксидной фазы N и шпинельной фазы S, предшественник металлической фазы М и органическое связующее, при этом содержание органического связующего в исходной смеси составляет менее 2,0% по массе, предшественник металлической фазы содержит металлический порошок, содержащий медь и никель, предшественник монооксидной и шпинельной фаз содержит смесь оксидов, содержащую оксид никеля и феррит никеля, отношение массового содержания оксида никеля к массовому содержанию феррита никеля находится в пределах от 0,2/99,8 до 30/70, формование этой смеси для получения сырого анода определенной формы, спекание сырого анода при температуре более 900°С в контролируемой атмосфере, содержащей по меньшей мере один инертный газ и кислород, при этом содержание монооксидной фазы в кермете составляет менее 40% по массе.1. A method of manufacturing an inert anode from cermet type NiO-NiFe 2 O 4 -M containing at least monoxide nickel phase N, spinel nickel phase S containing iron and nickel, and a metal phase M containing copper and nickel, including preparing the original a mixture containing at least a precursor of said monoxide phase N and a spinel phase S, a precursor of the metal phase M and an organic binder, wherein the content of the organic binder in the initial mixture is less than 2.0% by weight, the metal precursor phase contains a metal powder containing copper and nickel, the monoxide and spinel phase precursor contains a mixture of oxides containing nickel oxide and nickel ferrite, the ratio of the mass content of nickel oxide to the mass content of nickel ferrite is in the range from 0.2 / 99.8 to 30 / 70, molding this mixture to obtain a raw anode of a certain shape, sintering the raw anode at a temperature of more than 900 ° C in a controlled atmosphere containing at least one inert gas and oxygen, while the content of the monoxide phase cermet is less than 40% by weight. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый металлический порошок представляет собой смесь порошка металлической меди и порошка металлического никеля.2. The method according to claim 1, characterized in that said metal powder is a mixture of metallic copper powder and metallic nickel powder. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый металлический порошок содержит, полностью или частично, сплав меди и никеля.3. The method according to claim 1, characterized in that said metal powder contains, in whole or in part, an alloy of copper and nickel. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, 95% по массе частиц упомянутого металлического порошка имеют размер от 3 до 10 мкм.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that at least 95% by weight of the particles of said metal powder have a size of from 3 to 10 microns. 5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержание металлического порошка в исходной смеси составляет более 15% по массе, предпочтительнее более 20% по массе.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the content of the metal powder in the initial mixture is more than 15% by weight, more preferably more than 20% by weight. 6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержание никеля в металлическом порошке предшественника металлической фазы превышает или равно 3% по массе, предпочтительнее находится в пределах от 3 до 30% по массе.6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the nickel content in the metal powder of the metal phase precursor is greater than or equal to 3% by weight, more preferably in the range of 3 to 30% by weight. 7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержание органического связующего в исходной смеси находится в пределах от 0,5 до 1,5% по массе.7. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the content of the organic binder in the initial mixture is in the range from 0.5 to 1.5% by weight. 8. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что предшественник монооксидной и шпинельной фаз представляет собой порошок, по меньшей мере 95% по массе частиц которого имеют размер от 5 до 10 мкм.8. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the precursor of the monoxide and spinel phases is a powder of at least 95% by weight of particles of which have a size of from 5 to 10 microns. 9. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержание феррита никеля в исходной смеси находится в пределах от 50 до 85% по массе.9. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the nickel ferrite content in the initial mixture is in the range from 50 to 85% by weight. 10. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержание феррита никеля в исходной смеси находится в пределах от 60 до 85% по массе.10. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the content of Nickel ferrite in the initial mixture is in the range from 60 to 85% by weight. 11. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержание оксида никеля в исходной смеси находится в пределах от 0,1 до 25% по массе.11. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the content of Nickel oxide in the initial mixture is in the range from 0.1 to 25% by weight. 12. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что отношение массового содержания оксида никеля к массовому содержанию феррита никеля находится в пределах от 0,2/99,8 до 30/70, предпочтительнее от 0,2/99,8 до 20/80.12. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio of the mass content of nickel oxide to the mass content of nickel ferrite is in the range from 0.2 / 99.8 to 30/70, more preferably from 0.2 / 99, 8 to 20/80. 13. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержание предшественников монооксидной, шпинельной и металлической фаз в исходной смеси и температуру спекания регулируют для получения атомного отношения железа к никелю (Fe/Ni) в шпинельной фазе S кермета, превышающего или равного 2,4, предпочтительнее превышающего или равного 2,8.13. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the content of the monoxide, spinel and metal phase precursors in the initial mixture and the sintering temperature are controlled to obtain an atomic ratio of iron to nickel (Fe / Ni) in the spinel phase S of the cermet exceeding or equal to 2.4, preferably greater than or equal to 2.8. 14. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что формование сырого анода осуществляют путем холодного изостатического прессования.14. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the raw anode is molded by cold isostatic pressing. 15. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутая контролируемая атмосфера содержит от 10 до 200 ч./млн кислорода.15. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said controlled atmosphere contains from 10 to 200 ppm of oxygen. 16. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что температура спекания находится в пределах от 1150 до 1400°С, предпочтительнее от 1300 до 1400°С.16. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the sintering temperature is in the range from 1150 to 1400 ° C, more preferably from 1300 to 1400 ° C. 17. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что после выдержки при температуре спекания, осуществляют медленное охлаждение со скоростью, находящейся в пределах от -10 до -100°/ч, от температуры спекания до промежуточной температуры, находящейся в пределах от 900 до 1000°С.17. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that after exposure to the sintering temperature, slow cooling is carried out at a rate in the range from -10 to -100 ° / h, from the sintering temperature to an intermediate temperature in ranges from 900 to 1000 ° C. 18. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что исходная смесь дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, способный ограничивать окисление металлической фазы кермета, такой как серебро.18. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the initial mixture further comprises at least one element capable of limiting the oxidation of the metal phase of the cermet, such as silver. 19. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что шпинельная фаза дополнительно содержит по меньшей мере один элемент замещения, способный повышать ее удельную электропроводность.19. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the spinel phase further comprises at least one substitution element capable of increasing its electrical conductivity. 20. Способ по п.19, отличающийся тем, что упомянутый элемент замещения представляет собой четырехвалентный элемент.20. The method according to claim 19, characterized in that said substitution element is a tetravalent element. 21. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что удельная электропроводность кермета при температуре в пределах от 900 до 1050°С составляет более 50 Ом-1·см-1, предпочтительнее более 100 Ом-1·см-1.21. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the specific conductivity of the cermet at a temperature in the range from 900 to 1050 ° C is more than 50 Ohm -1 · cm -1 , more preferably more than 100 Ohm -1 · cm -1 .
RU2005131580/02A 2003-03-12 2004-03-10 Method of fabricating inert anode for production of aluminium by means of electrolisis in melt RU2336369C2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0303045A FR2852331B1 (en) 2003-03-12 2003-03-12 PROCESS FOR PRODUCING AN INERT ANODE FOR ALUMINUM PRODUCTION BY IGNEE ELECTROLYSIS
FR0303045 2003-03-12

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005131580A RU2005131580A (en) 2006-02-10
RU2336369C2 true RU2336369C2 (en) 2008-10-20

Family

ID=32893235

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005131580/02A RU2336369C2 (en) 2003-03-12 2004-03-10 Method of fabricating inert anode for production of aluminium by means of electrolisis in melt

Country Status (14)

Country Link
EP (1) EP1601820B1 (en)
CN (1) CN100507090C (en)
AR (1) AR043490A1 (en)
AT (1) ATE396290T1 (en)
AU (1) AU2004222545B2 (en)
DE (1) DE602004013935D1 (en)
ES (1) ES2305745T3 (en)
FR (1) FR2852331B1 (en)
IS (1) IS2627B (en)
NO (1) NO20054641L (en)
RU (1) RU2336369C2 (en)
SI (1) SI1601820T1 (en)
WO (1) WO2004082355A2 (en)
ZA (1) ZA200508244B (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2590362C1 (en) * 2015-01-22 2016-07-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего&nbsp Method of producing inert anode of cast composite material
US9771659B2 (en) 2013-03-13 2017-09-26 Alcoa Usa Corp. Systems and methods of protecting electrolysis cell sidewalls
RU2691290C2 (en) * 2014-06-26 2019-06-13 Рио Тинто Алкан Интернэшнл Лимитед Electrode material and use thereof for inert anode production
RU2699815C2 (en) * 2015-02-06 2019-09-11 Серес Интеллектуал Проперти Компани Лимитед Electrolyte formation method
US10897056B2 (en) 2015-02-06 2021-01-19 Ceres Intellectual Property Company Limited Electrolyte forming process

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101255570B (en) * 2007-12-07 2010-07-07 东北大学 A kind of inert anode material for aluminum electrolysis and its manufacturing method
CN101713083B (en) * 2008-06-02 2011-09-28 王飚 Molten-salt electrolytic aluminum inert anode, preparation method and application thereof
RU2401324C2 (en) * 2008-06-27 2010-10-10 Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН Inert anode to electrolytic production of metals
KR20110060926A (en) 2008-09-08 2011-06-08 리오 틴토 알칸 인터내셔널 리미티드 Oxygen generating metal anode operating at high current density for aluminum reduction cell
CN102489700B (en) * 2011-12-23 2013-06-19 长沙理工大学 Cu-Ni-Al alloy powder and its preparation method
CN102732765A (en) * 2012-07-18 2012-10-17 武汉科技大学 Metal ceramic matrix used as aluminium electrolyzing inert anode and preparation method thereof
CN103556184B (en) * 2013-11-13 2016-01-20 昆明冶金研究院 A kind of full moist type nano-Ni/Fe 2o 4the preparation method of-NiO-Cu-Ni cermet inert anode
CN104047035A (en) * 2014-06-27 2014-09-17 中国铝业股份有限公司 Inert anode for fused salt electrolysis and preparation method thereof
FR3034433B1 (en) 2015-04-03 2019-06-07 Rio Tinto Alcan International Limited CERMET MATERIAL OF ELECTRODE
CN110282966A (en) * 2019-06-26 2019-09-27 北京信息科技大学 A kind of New Nickel ferrite ceramic material and preparation method thereof
CN113215429A (en) * 2021-04-30 2021-08-06 中南大学 Preparation method of high-density metal ceramic inert anode material for aluminum electrolysis
CN117362068B (en) * 2023-10-31 2024-05-03 昆明理工大学 A method for preparing a spinel-based porous thermal insulation cover plate for aluminum electrolysis
CN117886596A (en) * 2024-01-25 2024-04-16 中铝郑州有色金属研究院有限公司 A metal ceramic inert anode material with low metal phase content and preparation method thereof
CN118407084B (en) * 2024-07-01 2024-09-17 北矿新材科技有限公司 Electrode material and preparation method thereof, electrode and preparation method thereof, and electrolytic cell

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4871438A (en) * 1987-11-03 1989-10-03 Battelle Memorial Institute Cermet anode compositions with high content alloy phase
RU2106431C1 (en) * 1996-04-04 1998-03-10 Научно-исследовательский физико-технический институт Charge for manufacturing inert anodes
US5794112A (en) * 1997-06-26 1998-08-11 Aluminum Company Of America Controlled atmosphere for fabrication of cermet electrodes
US6372119B1 (en) * 1997-06-26 2002-04-16 Alcoa Inc. Inert anode containing oxides of nickel iron and cobalt useful for the electrolytic production of metals
US6423195B1 (en) * 1997-06-26 2002-07-23 Alcoa Inc. Inert anode containing oxides of nickel, iron and zinc useful for the electrolytic production of metals
US6440279B1 (en) * 2000-12-28 2002-08-27 Alcoa Inc. Chemical milling process for inert anodes

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5865980A (en) * 1997-06-26 1999-02-02 Aluminum Company Of America Electrolysis with a inert electrode containing a ferrite, copper and silver
US6423204B1 (en) * 1997-06-26 2002-07-23 Alcoa Inc. For cermet inert anode containing oxide and metal phases useful for the electrolytic production of metals

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4871438A (en) * 1987-11-03 1989-10-03 Battelle Memorial Institute Cermet anode compositions with high content alloy phase
RU2106431C1 (en) * 1996-04-04 1998-03-10 Научно-исследовательский физико-технический институт Charge for manufacturing inert anodes
US5794112A (en) * 1997-06-26 1998-08-11 Aluminum Company Of America Controlled atmosphere for fabrication of cermet electrodes
US6372119B1 (en) * 1997-06-26 2002-04-16 Alcoa Inc. Inert anode containing oxides of nickel iron and cobalt useful for the electrolytic production of metals
US6423195B1 (en) * 1997-06-26 2002-07-23 Alcoa Inc. Inert anode containing oxides of nickel, iron and zinc useful for the electrolytic production of metals
US6440279B1 (en) * 2000-12-28 2002-08-27 Alcoa Inc. Chemical milling process for inert anodes

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9771659B2 (en) 2013-03-13 2017-09-26 Alcoa Usa Corp. Systems and methods of protecting electrolysis cell sidewalls
RU2642782C2 (en) * 2013-03-13 2018-01-26 Алкоа Инк. Systems and methods for protection of electrolyser side walls
RU2691290C2 (en) * 2014-06-26 2019-06-13 Рио Тинто Алкан Интернэшнл Лимитед Electrode material and use thereof for inert anode production
RU2590362C1 (en) * 2015-01-22 2016-07-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего&nbsp Method of producing inert anode of cast composite material
RU2699815C2 (en) * 2015-02-06 2019-09-11 Серес Интеллектуал Проперти Компани Лимитед Electrolyte formation method
US10897056B2 (en) 2015-02-06 2021-01-19 Ceres Intellectual Property Company Limited Electrolyte forming process
US10978727B2 (en) 2015-02-06 2021-04-13 Ceres Intellectual Property Company Limited Electrolyte forming process for a metal-supported solid-oxide fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
AR043490A1 (en) 2005-08-03
EP1601820A2 (en) 2005-12-07
NO20054641L (en) 2005-12-12
SI1601820T1 (en) 2008-10-31
CN100507090C (en) 2009-07-01
WO2004082355A3 (en) 2004-10-28
CN1759207A (en) 2006-04-12
ZA200508244B (en) 2007-01-31
AU2004222545A1 (en) 2004-09-30
ES2305745T3 (en) 2008-11-01
FR2852331B1 (en) 2005-04-15
EP1601820B1 (en) 2008-05-21
RU2005131580A (en) 2006-02-10
AU2004222545B2 (en) 2009-03-26
DE602004013935D1 (en) 2008-07-03
NO20054641D0 (en) 2005-10-10
FR2852331A1 (en) 2004-09-17
IS2627B (en) 2010-05-15
WO2004082355A2 (en) 2004-09-30
ATE396290T1 (en) 2008-06-15
IS8063A (en) 2005-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2336369C2 (en) Method of fabricating inert anode for production of aluminium by means of electrolisis in melt
CA2388206C (en) Inert anode containing oxides of nickel, iron and cobalt useful for the electrolytic production of metals
RU2283900C2 (en) Electrolytic production of high-purity aluminum with the use of ceramic inert anodes
RU2251591C2 (en) Cermet inert anode used at electrolytic production of metals in bath of hall cell
CA2341779A1 (en) Inert electrode material in nanocrystalline powder form
EP1230437A1 (en) Inert anode containing oxides of nickel, iron and zinc useful for the electrolytic production of metal
WO1989004384A1 (en) Cermet anode with continuously dispersed alloy phase and process for making
EP1546439A1 (en) Protection of non-carbon anodes and other oxidation resistant components with iron oxide-containing coatings
US20060231410A1 (en) Stable anodes including iron oxide and use of such anodes in metal production cells
US6758991B2 (en) Stable inert anodes including a single-phase oxide of nickel and iron
US20040089558A1 (en) Stable inert anodes including an oxide of nickel, iron and aluminum
US7425284B2 (en) Inert anode for the production of aluminium by fused bath electrolysis and method of making this anode
ZA200602351B (en) Inert anode for producing aluminium by igneous electrolyse and method for producing said anode
AU2007221833B2 (en) Stable anodes including iron oxide and use of such anodes in metal production cells
AU2804689A (en) Cermet anode with continuously dispersed alloy phase and process for making

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160311