以氧化镁为原料熔盐电解法制备Al-Mg合金的研究

论文摘要

以氧化镁为原料熔盐电解法制备铝镁合金有其独特的环境效益和经济优势。同时,该研究成果可以进一步发展为一种新的镁电解工艺,为镁工业提供新的研究发展思路。试图在Na3AlF6-AlF3体系中以氧化镁为原料制备Al-Mg合金。镁在Al-Mg合金中的含量均很低,最高为0.08w%。从两种制备Al-Mg合金的还原机理上都否定了在Na3AlF6-AlF3体系中可以制备Al-Mg合金的可能性。以RECl3-KCl-MgCl2为电解质合金中Mg含量可以达到4.76%。但合金中同时由Al还原出了电解质中的RE元素形成了Al-Mg-RE三元合金。通过Al直接还原实验,证实了Al-Mg合金中RE元素是由Al直接还原而来,合金中的RE元素含量比较稳定,质量百分比为0.8-1.2%。MgF2-LiF-KCl为电解质体系研究了KCl对电解质临界电流密度的影响,结果表明KCl加入到电解质中,可以增加电解质对MgO的溶解性能。Al-Mg合金中镁含量随电解时间的延长而逐渐增加,最高达到9.2%。而电流效率随电解时间的延长也有所升高,最高达到了79.4%。进行200A实验室扩大实验中发现槽电压比较平稳,基本上没有发生太大的变化,变化的幅度在0.6V之内,电流效率为82.6%。BaF2-LiF-MgF2电解质体系电流效率都比较高,最高可以达到89.4%,最低也有81.7%。电解质中KCl含量增加并没有使电解的电流效率提高。但同不加KCl相比较,加了KCl的电解质的电流效率还是比不加KCl的电解质的电流效率高。45%BaF2-13%LiF-33%MgF2-9%KCl电解质体系的电流效率在其它条件相同的情况下比45%BaF2-13%LiF-42%MgF2电解质体系的电流效率提高了11%。当电解时间在60min时,电流效率最大,达到了87.7%。之后电流效率有下降的趋势,但最小的电流效率还是保证在82%以上。随着电解时间的延长,合金中镁含量逐渐增高,在3h内,合金中镁含量达到了18.6%,在保证电解质中维持2%的氧化镁浓度,可以使电解在电流密度为0.7A/cm2的情况下正常进行。电化学实验证明电解质中有最正的析出电位的K+离子的析出电位为-2.25V,而镁在BaF2-MgF2-LiF-KCl体系中相对于铂电极在钨电极上的析出电位-1.42V。说明镁离子有比电解质体系中其它离子更正约830mV的析出电位。不同电流下电流时间的常数基本上没有发生改变,说明镁离子的沉积过程由镁离子在熔体中的扩散控制。由计时电流曲线中上升部分的电流I和t1/2的关系图可知电流I和t1/2呈良好的线性关系,说明镁离子在钨电极上的成核过程是瞬时成核起主导作用。电解质的密度随温度的升高而减小,同时KCl含量的增加和MgF2的含量减少共同作用可以使电解质的密度减小。电解质的初晶温度随KCl含量的增加和MgF2的含量减少共同作用而降低。用CVCC技术测定熔盐电解质的电导率,结果表明：随温度的升高,熔盐电解质的电导率上升,电解质成分中KCl含量的增加和MgF2的含量减少可以使电解质的电导率升高。透明槽实验研究发现氧化镁在电解质中的溶解过程可分为四个连续的过程。阳极侧面的气体生长是个动态的连续过程,小气泡可以汇合成大气泡溢出电解质,而阳极底部的气体是一个小气泡慢慢的长大,变成一个大气泡,甚至气体可以生长到直径和阳极的直径（Φ=5mm）一样大时才从阳极的侧面上很快的溢出电解质。阳极气体的析出行为和阴极有很大的关系,底部生成的阳极气体均是从靠近阴极的阳极侧面溢出电解质。同时,靠近阴极的阳极侧面气体直径比另一侧阳极侧面的气体直径小。在低电流密度下,阳极气体的气泡直径比较小,在高电流密度下,阳极气体的气泡直径比低电流密度下生成的气泡直径大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 镁及镁合金的特点
• 1.2 镁及镁合金的应用
• 1.2.1 镁的应用
• 1.2.2 镁合金的应用
• 1.3 中国镁工业现状及存在问题
• 1.3.1 中国镁资源及镁工业现状
• 1.3.2 中国镁工业面临的问题
• 1.3.3 铝镁合金生产及现状
• 1.4 本论文的工作及拟达到的目标
• 3AlF₆-AlF₃体系制备Al-Mg合金'>第2章 Na₃AlF₆-AlF₃体系制备Al-Mg合金
• 2.1 实验试剂,设备及装置
• 2.1.1 实验试剂和设备
• 2.1.2 装置图
• 2.2 实验过程及现象
• 2.3 实验结果及讨论
• 2.3.1 槽电压随电解时间的变化
• 2.3.2 Al-Mg合金中的镁含量
• 2.4 本章小结
• 3-MgCl₂-KCl体系的研究'>第3章 RECl₃-MgCl₂-KCl体系的研究
• 3.1 实验试剂,设备及装置
• 3.1.1 实验试剂及设备
• 3.1.2 实验装置
• 3.2 实验过程及现象
• 3.3 实验结果及讨论
• 3.3.1 反电动势的测定
• 3.3.2 电流效率的研究
• 3.3.3 铝直接还原实验
• 3.4 本章小结
• 2-LiF-KCl电解质体系的研究'>第4章 MgF₂-LiF-KCl电解质体系的研究
• 2-LiF电解质体系制备Al-Mg合金'>4.1 MgF₂-LiF电解质体系制备Al-Mg合金
• 4.1.1 实验试剂,设备及装置
• 4.1.2 实验过程及现象
• 4.1.3 电解温度的选择
• 4.1.4 槽电压同时间的关系及阳极效应
• 4.1.5 Al-Mg合金中的镁含量
• 2-LiF-KCl电解质体系'>4.2 MgF₂-LiF-KCl电解质体系
• 4.2.1 临界电流密度及MgO在电解质中的溶解度
• 2-30%LiF-30%KCl电解质体系研究'>4.2.2 40%MgF₂-30%LiF-30%KCl电解质体系研究
• 2-20%LiF-40%KCl电解质体系的研究'>4.2.3 40%MgF₂-20%LiF-40%KCl电解质体系的研究
• 2-30%LiF-50%KCl电解质体系的研究'>4.2.4 20%MgF₂-30%LiF-50%KCl电解质体系的研究
• 4.3 200A实验室扩大实验
• 4.3.1 实验过程及现象
• 4.3.2 槽电压同电解时间的关系
• 4.3.3 Al-Mg合金中Mg含量及电流效率
• 4.4 本章小结
• 2-MgF₂-LiF-KCl体系的研究'>第5章 BaF₂-MgF₂-LiF-KCl体系的研究
• 5.1 实验试剂,设备及装置
• 5.2 实验过程及现象
• 5.3 实验结果及讨论
• 5.3.1 电解温度的选择及电解质组成
• 5.3.2 反电动势的研究
• 5.3.3 槽电压同电流强度的关系
• 5.3.4 电流效率同电解时间及电解质体系的关系
• 5.3.5 电解时间同合金中镁含量的关系以及合金的形貌
• 5.4 本章小结
• 第6章 电化学研究
• 6.1 实验
• 6.1.1 实验装置及试剂
• 6.2 实验过程
• 6.3 实验结果及讨论
• 6.3.1 KCl熔盐的循环伏安
• 6.3.2 氧化镁在电解质中的循环伏安
• 6.3.3 计时电位法
• 6.3.4 计时电流法
• 6.4 本章小结
• 第7章 电解质物理化学性质的研究
• 7.1 密度
• 7.1.1 实验测试方法,装置及过程
• 7.1.2 实验结果
• 7.2 初晶温度
• 7.2.1 初晶温度的测定方法,装置及过程
• 7.2.2 实验结果
• 7.3 电导率
• 7.3.1 原理
• 7.3.2 CVCC（可连续变化电导池常数）技术
• 7.3.3 实验
• 7.3.4 温度对电解质电导率的影响
• 7.4 本章小结
• 第8章 透明槽实验
• 8.1 实验
• 8.1.1 实验试剂,仪器和装置
• 8.1.2 实验过程
• 8.2 结果及讨论
• 8.2.1 氧化镁在电解质中的溶解过程
• 8.2.2 阳极气体的析出行为
• 8.3 本章小结
• 第9章 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文及申请的专利
• 致谢
• 作者简介