[发明专利]一种用于多极镁电解技术中的氮化硅陶瓷绝缘材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于多极镁电解技术中的高纯氮化硅绝缘材料，更确切地说所述Si₃N₄绝缘材料用于多极镁电解法还原海绵钛电解槽中石墨电极板间的绝缘材料，该产品使用寿命已经超过18个月，有效地提高了电解槽的寿命，提高了生产效率。属于特种陶瓷技术领域。

背景技术

在镁法海绵钛制造工艺中，镁是钛生产主要原料之一。熔融镁作为还原剂与四氯化钛反应生成海绵钛，同时还原反应产出熔融态氯化镁。氯化镁需要经电解工艺产出镁和氯气，镁以液镁形态返回到海绵钛还原工序作为还原剂，氯气返回氯化工序作为原料制备四氯化钛，或进行液化处理生产液氯。因此电解是镁法海绵钛生产工艺中原料循环使用的重要工艺环节（其工艺流程如图1所示）。

目前应用于海绵钛行业的镁电解技术在国内主要有海绵钛行业110kA无隔板镁电解槽技术；国际上以乌克兰为代表的175kA无隔板镁电解槽技术以及日本的多极镁电解槽技术。除此之外，全流程生产海绵钛技术中，每生产1T海绵钛的单位电耗约为3.2万kWh，其中用于镁电解的单位电耗约为2.1万kWh。由此可见，镁电解电耗占海绵钛生产电耗的65%以上。因此，低电耗、高质量镁的镁电解技术对于提升海绵钛质量、降低海绵钛生产成本有着举足轻重的作用。镁电解技术的水平主要取决于镁电解槽的技术装备水平。体现电解槽技术水平的主要技术指标是单位产品能耗低、单槽产能大、产品回收率高、产品质量好及环保指标好。

当前，国际上镁电解槽的设计正在朝着大型槽、大电流方向发展，并且在槽型结构上不断优化改进。电解槽按照结构可分为有隔板与无隔板两种。有隔板电解槽由于密闭性差、氯气回收率低以及氯气浓度低在国际上已被淘汰。目前国际上有代表性的镁电解槽按照阴阳极的结构分为单极槽（有隔板槽与无隔板槽）与多级槽(见图2)。多级槽是指在阳极与阴极之间增加数个双电极，以增加电解面积从而提高电解效率。

如图2所示，在阴、阳极间电势能的作用下，氯化镁被电解为镁离子和氯离子，分别聚积在阴极区和阳极区。镁离子在阴极获得2个电子变为金属镁。由于其质量比电解液质量轻而上浮到电解液顶部进入到电解槽内的集镁室，定期通过真空被抽吸到电解槽外的镁抬包送至液镁缓冲装置，供进一步使用。电解产生的氯离子在阳极区失去电子，与另一个氯离子结合生成氯气，顺着阳极上升到电解液表面通过管道被氯气压缩机所提供的负压抽吸到氯气总管。

由于多极镁电解槽良好的电解镁质量、高浓度的氯气含量、较低的直流电耗和较小的环境压力，其对海绵钛生产最终产品-海绵钛的质量指标有着良好的促进作用；高浓度的氯气及较低的直流电耗对于降低海绵钛的成本也有着积极作用。因此，多极镁电解槽技术在海绵钛生产工艺中的成功运用，必将成为全流程海绵钛健康发展的必由之路。

国内有些企业曾经使用过反应烧结氮化硅、氮化硅结合碳化硅等材质都没有取得较好的效果，而本发明人拟采用热压烧结制成的高纯氮化硅陶瓷绝缘材料用于多极镁电解槽中双极性电极正负极间（如图2示）起绝缘作用，利用高纯Si₃N₄优异的物化性能，有望取得良好的使用效果。本发明的产品的成功使用的原因，归结于该产品具备了良好的耐侵蚀、耐高温、强度高等综合特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多极镁电解技术中的高纯氮化硅绝缘材料。所述的绝缘材料用于多极镁电解法还原海绵钛的电解槽中双极性石墨电极板间的绝缘材料，所提供的绝缘材料不仅必须具备经受长期在浸泡在MgCl₂溶液中，并且要长期在高温下承受金属镁熔液的侵蚀，而且还要有足够的高温下强度和高温下的高绝缘性，以保障石墨电极的长期稳定工作。

为了实现这一目标，本发明材料所提供的陶瓷材料必须具备：①良好的高温强度；②良好的抗镁溶液侵蚀性；③良好的抗腐蚀性能；④良好的绝缘性能。

基于以上要求，本发明提供的绝缘材料采用高纯氮化硅为主体原料，为确保提供的绝缘材料具有高的相对密度（要求≥98%），而且又要降低烧结温度以节省能耗，所以在高纯Si₃N₄主体原料中添加少量烧结剂，比如：Y₂O₃、BN、Al₂O₃、MgO、CaO、Fe₂O₃或MgF₂中两种、三种或以上采用真空热压的工艺来实现材料的综合性能。