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铝电解惰性阳极制备与性能测试

2020-11-28阅读(574)

铝电解惰性阳极制备与性能测试

论文摘要

传统Hall-Heroult铝电解槽由于采用消耗式炭素阳极而存在能耗高,炭耗大,成本高和环境污染严重等问题。因惰性阳极能够克服以上问题而成为铝冶金的研究重点和热点。研究者们进行了大量的研究和尝试力图寻求符合铝电解工业应用的惰性阳极材料。采用粉末冶金法制备了FeNi金属阳极,Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷阳极。研究了成型压力,烧结温度,保温时间对阳极试样密度和孔隙度的影响。确定了FeNi阳极试样的最佳工艺参数,成型压力400MPa,氩气保护下1200℃烧结2h。Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷阳极最佳工艺参数为,成型压力150MPa,氩气保护下1500℃烧结2h。采用渗流理论分析了金属陶瓷阳极中Fe含量对阳极导电性的影响。在高温下,金属陶瓷阳极的导电率呈现半导体导电和电子导电的特征。采用氧化增重的方法研究了阳极的恒温氧化行为,得到了不同温度下的恒温氧化动力学曲线,利用X射线衍射分析仪、扫描电镜对恒温氧化产物及其形貌进行了分析,并对阳极氧化机理进行了分析。FeNi金属阳极的高温氧化动力学曲线符合典型的抛物线规律。生成的氧化膜致密能够很好的保护阳极,复合氧化膜主要成分为Fe2O3, FeO, NiFe2O4,Fe3O4。分析了FeNi金属阳极氧化膜的破损机理,建立金属阳极的高温氧化模型。Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷在空气中氧化时,氧化速率随温度升高而增加。金属相含量达到50wt%以上时的金属陶瓷表面氧化膜较厚,抗氧化性较好。Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷阳极在氧化初期3h内氧化动力学曲线符合抛物线规律,计算出抛物线常数。在长期氧化过程中,随着温度的不同金属陶瓷阳极氧化规律较复杂,遵循立方规律和对数规律,说明金属陶瓷阳极同金属阳极相比更难被氧化。并且金属陶瓷阳极氧化膜致密,附着力强。AlSi金属阳极的热腐蚀试验中,主要发生冰晶石熔盐中Na离子和F离子对阳极的渗透腐蚀。AlSi阳极电解过程中槽电压波动较大,腐蚀层较疏松,基体中的Al向外扩散形成保护膜的同时在基体内部留下空洞。提高氧化铝浓度可减小阳极的腐蚀速率。FeNi金属阳极在电解过程中阳极表面产生大量的氧气,槽电压稳定在4.0V左右,阳极表面经X-射线和扫描电镜分析,主要由Fe2O3, NiO和NiFe2O4复合氧化物组成,腐蚀层结构致密,并且较薄,所形成的电阻很小,产生的阳极压降小。Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷阳极的电解实验中,槽电压保持稳定,考察了氧化铝浓度,电流密度,分子比对阳极材料电解腐蚀行为的影响。氧化铝浓度升高,分子比增加,电流密度减小均能降低阳极的腐蚀速率,铝产品纯度达到97%。讨论了阳极在冰晶石-氧化铝熔盐中的腐蚀机理。用扫描电镜和X-射线衍射仪分析阳极的腐蚀层结构,腐蚀层主要由FeAl2O4, NiFe2O4和Fe2O3陶瓷相组成,形成的网状保护膜能够抵御电解质的腐蚀。阳极基体组分未发生较大变化,Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷结构稳定性和耐腐蚀能力很好。采用电化学方法研究了氧化铝浓度,分子比对FeNi基金属阳极极化曲线的影响,可以迅速便捷的分析金属阳极的耐腐蚀性能。氧化铝浓度升高,金属阳极的腐蚀电位正移,提高了阳极的耐腐蚀性能。含Co元素的FeNi金属阳极的耐腐蚀性能要高于含Cu和Al的FeNi金属阳极的耐腐蚀性能。采用双室透明槽观察了炭阳极和FeNi金属阳极的阳极气泡析出行为,炭阳极析出的气泡同FeNi金属惰性阳极气泡相比尺寸大而且不易从阳极上排出。电流密度增大,阳极反应速度增加,两种阳极气泡的析出频率均增大。在炭阳极的循环伏安曲线上1.2V（相对于铝参比电极）处出现氧化峰电流,此时发生的反应为：在FeNi金属阳极的循环伏安曲线上2.3V（相对于铝参比电极）处出现氧化峰电流,与Al2O3在惰性电极上的理论分解电压2.2V相符,此时的反应为：利用阳极的电化学阻抗谱对炭阳极和FeNi金属惰性阳极的阳极过程进行等效电路的模拟,分析了电流密度对炭阳极和FeNi金属惰性阳极阳极过程的影响。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 前言
  • 1.1 铝冶金历史
  • 1.2 惰性阳极
  • 1.3 惰性阳极研究现状
  • 1.3.1 金属阳极
  • 1.3.2 氧化物陶瓷阳极
  • 1.3.3 金属陶瓷阳极
  • 1.3.4 其它阳极材料
  • 1.4 惰性阳极发展趋势
  • 1.4.1 与低温铝电解相结合
  • 1.4.2 与惰性阴极相结合
  • 1.4.3 与新型电解槽相结合
  • 1.5 本论文的主要研究内容
  • 第二章 惰性阳极制备
  • 2O3金属陶瓷阳极'>2.1 Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷阳极
  • 2O3金属陶瓷惰性阳极的制备'>2.1.1 Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷惰性阳极的制备
  • 2.1.1.1 实验用原料
  • 2.1.1.2 配料与混料
  • 2.1.1.3 阳极粉料压制成形
  • 2.1.1.4 烧结
  • 2.1.2 性能检测
  • 2.1.2.1 密度孔隙度
  • 2.1.2.2 电导率测试
  • 2O3金属陶瓷阳极实验结果'>2.1.3 Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷阳极实验结果
  • 2.1.3.1 压力对金属陶瓷性能的影响
  • 2.1.3.2 烧结温度对金属陶瓷性能的影响
  • 2.1.3.3 保温时间对金属陶瓷性能的影响
  • 2.1.3.4 金属陶瓷显微结构分析
  • 2O3金属陶瓷导电性分析'>2.1.3.5 Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷导电性分析
  • 2.1.3.6 Fe含量对电导率的影响
  • 2.1.3.7 温度对电导率的影响
  • 2.2 Fe-Ni金属阳极制备
  • 2.2.1 Fe-Ni金属阳极制备
  • 2.2.2 Fe-Ni金属阳极结果与讨论
  • 2.2.2.1 Ni含量对压坯密度和烧结密度的影响
  • 2.2.2.2 烧结温度对密度的影响
  • 2.3 小结
  • 第三章 惰性阳极的高温氧化
  • 3.1 高温氧化热力学
  • 3.1.1 反应物化学热力学稳定性
  • 0—T图'>3.1.2 金属氧化ΔG0—T图
  • 3.2 高温氧化动力学
  • 3.3 实验研究方法
  • 3.3.1 氧化试验
  • 3.3.2 高温氧化后的组织分析
  • 3.3.2.1 扫面电镜分析（SEM）
  • 3.3.2.2 XRD物相分析
  • 3.4 Fe-Ni金属阳极高温氧化性能
  • 3.4.1 Fe-Ni阳极材料热力学计算
  • 3.4.2 Fe-Ni阳极氧化动力学行为
  • 3.4.2 1900℃氧化动力学曲线
  • 3.4.2.2 Ni含量对氧化动力学曲线的影响
  • 3.4.2.3 表面氧化物形貌
  • 3.4.2.4 截面氧化物形貌
  • 3.4.2.5 氧化膜破损机理
  • 3.4.2.6 金属阳极高温氧化模型
  • 2O3金属陶瓷阳极高温氧化性能'>3.5 Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷阳极高温氧化性能
  • 2O3金属陶瓷材料热力学分析'>3.5.1 Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷材料热力学分析
  • 2O3金属陶瓷氧化动力学行为'>3.5.2 Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷氧化动力学行为
  • 3.5.2.1 氧化动力学曲线
  • 3.5.2.2 金属陶瓷氧化动力学
  • 3.5.2.3 氧化物表面形貌
  • 3.5.2.4 氧化激活能
  • 3.6 小结
  • 第四章 惰性阳极电解腐蚀
  • 4.1 实验方法
  • 4.1.1 热腐蚀实验
  • 4.1.2 电解实验
  • 4.2 Al-Si金属阳极腐蚀实验
  • 4.2.1 热腐蚀实验
  • 4.2.1.1 热腐蚀实验过程与装置
  • 4.2.1.2 实验结果分析
  • 4.2.2 Al-Si金属阳极电解实验
  • 4.2.2.1 电解实验过程与装置
  • 4.2.2.2 电解实验结果与分析
  • 4.3 Fe-Ni金属阳极腐蚀实验
  • 4.3.1 电解槽设计
  • 4.3.2 金属阳极电解
  • 4.3.3 结果与讨论
  • 4.3.3.1 槽电压与时间的关系
  • 4.3.3.2 阳极腐蚀速率
  • 4.3.3.3 FeNi金属阳极腐蚀后形貌分析
  • 4.3.3.4 FeNi金属阳极反应机理
  • 2O3电解腐蚀试验'>4.4 Fe-Ni-Al2O3电解腐蚀试验
  • 4.4.1 实验装置与过程
  • 4.4.1.1 实验原料
  • 4.4.1.2 实验步骤
  • 2O3电解腐蚀实验结果'>4.4.2 Fe-Ni-Al2O3电解腐蚀实验结果
  • 4.4.2.1 电解时间杂质质量
  • 4.4.2.2 分子比对腐蚀速率的影响
  • 4.4.2.3 氧化铝浓度对腐蚀速率的影响
  • 4.4.2.4 电流密度对腐蚀速率的影响
  • 4.4.2.5 不同阳极电解产品铝中杂质
  • 4.4.2.6 阳极电解腐蚀形貌
  • 4.5 阳极腐蚀机理
  • 4.5.1 氧化物与电解质之间的反应
  • 4.5.2 铝热反应
  • 4.5.3 铝与氟化物之间的反应
  • 4.5.4 氟化物挥发
  • 4.5.5 钠还原
  • 4.5.6 阳极氧化物中金属离子的析出
  • 4.6 小结
  • 第五章 金属阳极的电化学腐蚀
  • 5.1 腐蚀电化学概述
  • 5.1.1 电极电位与腐蚀倾向
  • 5.1.2 电极极化
  • 5.2 测量原理与方法
  • 5.3 实验方案与测试
  • 5.3.1 实验设备
  • 5.3.2 电极的选择
  • 5.3.2.1 参比电解
  • 5.3.2.2 工作电极
  • 5.3.2.3 辅助电极
  • 5.3.3 实验原料
  • 5.3.4 实验过程
  • 5.4 结果与讨论
  • 5.4.1 阳极极化曲线特征
  • 2O3浓度下金属阳极的极化曲线'>5.4.2 不同Al2O3浓度下金属阳极的极化曲线
  • 5.4.3 不同金属阳极的动电位极化曲线
  • 5.4.4 不同分子比金属阳极的动电位极化曲线
  • 5.5 结论
  • 第六章 电极反应过程研究
  • 6.1 实验研究方法
  • 6.1.1 透明槽观测
  • 6.1.2 循环伏安测量（CV）
  • 6.1.3 交流阻抗测量（EIS）
  • 6.2 实验装置
  • 6.3 阳极表面电化学特征
  • 6.3.1 透明槽实验
  • 6.3.2 阳极循环伏安行为
  • 6.3.2.1 炭阳极循环伏安行为
  • 6.3.2.2 金属电极循环伏安行为
  • 6.3.3 阳极的电化学阻抗谱
  • 6.3.3.1 炭阳极电化学阻抗谱
  • 6.3.3.2 金属阳极电化学阻抗谱
  • 6.4 小结
  • 第七章 结论
  • 参考文献
  • 博士期间发表的论文及奖励
  • 致谢
  • 作者介绍

    • 相关论文文献

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