熔盐电脱氧法制备金属Nb及Nb-Ti合金

论文摘要

金属铌具有熔点高、耐蚀性好、热中子俘获截面小、导热性能好等特点，是现代科学技术中重要的金属材料。在钢铁、航空、电子工业和低温超导等领域已得到广泛的应用。现有的金属铌和铌基合金制备工艺复杂、成本高、能耗大、污染环境。因此，有必要研究一种流程短、成本低且对环境友好的铌及铌合金制备方法。 本文采用FFC Cambridge Process法，亦称熔盐电脱氧法，在CaCl2-NaCl熔盐中，以烧结的Nb2O5片为阴极、石墨棒为阳极，在3.1V电压下将Nb2O5直接还原成金属铌。 研究了烧结温度、烧结时间、电解温度、电解时间、阴极片成型压力、阴极片尺寸和阳极尺寸对电脱氧制各金属铌的影响。实验结果表明，10MPa压力成型、1200℃烧结12小时的阴极片有较好的电化学性能，电解8小时后残余氧含量最低，为1.09％；电脱氧过程中电极反应速率是不均匀的，反应速率随电解时间的延长逐渐下降；阴极产物中残余氧含量随电解温度升高而降低，但超过850℃，电解温度对残余氧含量没有明显的影响；阴极中残余氧含量随阴极表面积的增大而减小，但电流效率逐渐下降。采用相同阴极，阳极大小尺寸对电脱氧后阴极产物中残余氧含量没有明显的影响。 采用外电压间断法，分析了电脱氧反应机理，确定了氧离子在阴极中的扩散是整个电解过程的限制步骤。 对阴极改性，研究了在阴极原料Nb2O5粉末中添加石墨、CaO、CaCO3、CaCO3+C、NaCl和CaCl2粉对烧结后阴极片微观形貌和阴极产物中氧含量的影响。结果表明，添加石墨、CaO、CaCO3粉可以增加烧结后阴极片的氧空位，改变孔隙结构和Nb2O5颗粒尺寸，从而提高阴极的电化学反应活性，加快电脱氧反应的进行；CaCO3+C、NaCl和CaCl2的添加减小了阴极片孔隙度，电脱氧速度降低，阴极产物的氧含量增大。 采用熔盐电脱氧法，以Nb2O5和TiO2粉末为原料，压片、烧结制成阴极，以石墨棒为阳极，CaCl2-NaCl为熔盐电解质，在800℃、3.1V外电压下电解12小时，制备出Nb-Ti合金。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 铌资源现状
• 1.2 铌的性质
• 1.2.1 铌的物理性质
• 1.2.2 铌的化学性质
• 1.3 铌的应用及发展
• 1.3.1 铌的应用现状
• 1.3.2 世界铌应用的发展
• 1.4 铌的制备工艺
• 1.4.1 铌传统的制备方法
• 1.4.2 制备金属铌的新方法
• 1.4.2.1 OS法
• 1.4.2.2 PRP法
• 1.4.2.3 EMR法
• 1.4.3 现有方法存在的缺点
• 1.5 本论文的研究目的、意义和内容
• 第二章 实验原理与方法
• 2.1 实验原理
• 2.1.1 熔盐电解理论
• 2.1.2 理论分析
• 2.1.3 动力学分析
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验装置及主要原料
• 2.2.1.1 实验装置
• 2.2.1.2 主要实验原料
• 2.2.2 实验准备
• 2.2.2.1 阴极片的准备
• 2-NaCl混合盐的准备'>2.2.2.2 CaCl₂-NaCl混合盐的准备
• 2.2.3 实验过程
• 2.3 电脱氧产物表征方法
• 2.3.1 电脱氧产物的物相与形貌表征
• 2.3.2 电解产物中铌含量的测定
• 2.3.3 孔隙度的测量
• 第三章 金属铌的制备
• 3.1 烧结对电脱氧的影响
• 3.1.1 烧结温度对电脱氧的影响
• 3.1.2 烧结时间对电脱氧的影响
• 3.2 电解时间对电脱氧的影响
• 3.3 电解温度对电脱氧的影响
• 3.4 压片压力对电脱氧的影响
• 3.5 阴极尺寸对电脱氧的影响
• 3.5.1 900℃烧结的阴极片尺寸对电脱氧的影响
• 3.5.2 1200℃烧结的阴极片尺寸对电脱氧的影响
• 3.6 阳极碳棒尺寸对电脱氧的影响
• 3.7 本章小节
• 第四章 阴极掺杂对电脱氧的影响
• 4.1 引言
• 4.2 阴极中掺入石墨粉对电脱氧的影响
• 4.2.1 阴极中掺入石墨粉的热力学分析
• 4.2.2 阴极片中加入石墨粉对烧结后样品形貌及电脱氧的影响
• 4.3 阴极中加入CaO粉对电脱氧的影响
• 4.3.1 选择CaO粉末为阴极掺杂的理论分析
• 4.3.2 阴极中加入CaO粉末对烧结后样品形貌及电脱氧的影响
• 3粉对烧结后样品形貌及电脱氧的影响'>4.4 阴极中加入CaCO₃粉对烧结后样品形貌及电脱氧的影响
• 3+C粉对电脱氧的影响'>4.5 阴极中加入CaCO₃+C粉对电脱氧的影响
• 3+C粉为阴极掺杂的理论分析'>4.5.1 选择CaCO₃+C粉为阴极掺杂的理论分析
• 3+C粉对烧结样品形貌和电脱氧的影响'>4.5.2 阴极中加入CaCO₃+C粉对烧结样品形貌和电脱氧的影响
• 2粉对电脱氧的影响'>4.6 阴极中添加NaCl和CaCl₂粉对电脱氧的影响
• 4.7 本章小节
• 第五章 Nb-Ti合金的制备
• 5.1 引言
• 5.2 不同配比的阴极对烧结后阴极形貌的影响
• 5.3 不同配比的阴极对电脱氧电流的影响
• 5.4 不同配比的阴极电脱氧后产物分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论著和取得的其它成果
• 致谢