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Na3AlF6-K3AlF6-AlF3体系的初晶温度、Al2O3溶解能力及NiFe2O4基惰性阳极低温电解腐蚀研究

2020-11-28阅读(915)

Na3AlF6-K3AlF6-AlF3体系的初晶温度、Al2O3溶解能力及NiFe2O4基惰性阳极低温电解腐蚀研究

论文摘要

采用惰性阳极和可润湿性阴极的新型铝电解槽技术，是铝电解工业实现节能、减排与增效的重要发展方向。惰性阳极的研究已取得较大进展，但仍然无法满足现行铝电解质体系与电解工艺条件下的耐腐蚀要求，严重阻碍着惰性阳极铝电解技术的工业化实现。低温铝电解技术具有诱人的节能潜力，更是解决惰性阳极耐腐蚀问题的重要途径。本文在国家973计划（2005CB623703）的资助下，以发展低温铝电解技术、解决NiFe2O4基惰性阳极耐腐蚀问题为目标，通过文献调研并结合5Cu／（NiFe2O4-10NiO）金属陶瓷低温电解腐蚀探索，选择K3AlF6-Na3AlF6-AlF3为低温电解质体系，系统研究了K3AlF6-Na3AlF6-AlF3体系的初晶温度和Al2O3溶解能力（饱和溶解度与溶解速度），为低温铝电解质体系设计与电解工艺优化提供理论基础；在此基础上，选择一种较具前景的低温电解质23．4wt．％K3AlF6-54．6wt．％Na3AlF6-22wt．％AlF3，研究NiFe2O4-10NiO基惰性阳极在其中的电解腐蚀行为，为惰性阳极材料制备技术的改进及其低温电解工艺的建立提供依据。论文主要研究成果如下：（1）在AlF3含量为0-30wt．％、K3AlF6／（K3AlF6+Na3AlF6）为0-50wt．％的范围内，系统测定了K3AlF6-Na3AlF6-AlF3三元系的初晶温度，揭示了AlF3含量、K3AlF6／（K3AlF6+Na3AlF6）百分数和分子比对初晶温度的影响规律，建立了相关系数为0．987、平均误差为0．00167℃的K3AlF6-Na3AlF6-AlF3三元系初晶温度经验计算式，即T=1003．508-0．081 [AlF3]2.3159-5．87[K／（K+Na）]0.657-0．024[AlF3]2.22[K/（K+Na）](1．14+0．035[AlF3]2.17[K/（K+Na）]1.084，绘制了K3AlF6-Na3AlF6-AlF3三元系凝固等温线图，由此可以直接获取不同组成K3AlF6-Na3AlF6-AlF3低温电解质的初晶温度数据，也可以在给定初晶温度下快速确定系列K3AlF6-Na3AlF6-AlF3低温电解质组成。（2）在AlF3含量为23-29wt．％、K3AlF6／（K3AlF6+Na3AlF6）为0-50wt．％的范围内，系统研究了K3AlF6-Na3AlF6-AlF3三元系的Al2O3溶解能力；揭示了熔体组成、温度（690-940℃）与过热度（0-60℃）对其中Al2O3饱和溶解度的影响规律，建立了相关系数为0．988、平均误差为-0．00406wt．％的Al2O3饱和溶解度与熔体组成和温度关系的经验计算式，[Al2O3]sat=A×（T/1000）B，其中绘制了Na3AlF6-K3AlF6-AlF3三元系的等氧化铝溶解度曲线，由此可直接获取各种成分电解质的Al2O3饱和溶解度，也可以获得一定Al2O3饱和溶解度对应的一系列电解质组成；提出了用速率因子Q对电解质中Al2O3溶解速率进行数字表征的方法，揭示了熔体组成、温度（690-940℃）与过热度（0-60℃）对Q值的影响规律；发现并解释了将工业AlF3代替高纯AlF3用作原料时，Na3AlF6-K3AlF6-AlF3体系的氧化铝溶解度和溶解速度均有明显提高的现象，建立了两种AlF3原料下氧化铝溶解度相互关系式[Al2O3]工业=2．266+0．997×[Al2O3]高纯，其相关系数为0．998。（3）在900℃（初晶温度为890℃、过热度10℃）低温电解质23．4K3AlF6-54．6Na3AlF6-22AlF3中，系统研究了金属相组成（Cu和Ni含量分别为5wt．％和17wt．％）和CaO助烧剂对M／（NiFe2O4-10NiO）金属陶瓷电解腐蚀行为的影响，结果表明，5Cu／（NiFe2O4-10NiO）、5Ni／（NiFe2O4-10NiO）和17Cu／（NiFe2O4-10NiO）在低温条件下的年腐蚀率分别为0．41cm、0．64cm和1．06cm，远低于传统电解质（Na3AlF6-AlF3，CR=2．3，添加5wt．％Al2O3+5wt．％CaF2、过热度15℃）中的1．23cm、3．8cm和2．76cm，约降低了60％；尽管CaO助烧剂可有效促进NiFe2O4基惰性阳极的致密化与强韧化，但残留于晶界处的CaO及其反应产物对阳极耐腐蚀性能产生了不利影响，2wt．％CaO掺杂Cu／（NiFe2O4-10NiO）阳极电解后均出现不同程度肿胀现象，当CaO掺杂量分别为0wt．％、1wt．％、2wt．％和4wt．％时，NiFe2O4-10NiO阳极年腐蚀率分别为1．1cm、2．8cm、4．2 cm和10．7cm。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 前言
  • 1.1 铝电解工业概况
  • 1.2 铝电解惰性电极
  • 1.3 低温铝电解
  • 1.4 课题研究的目的和意义
  • 第二章 文献综述
  • 2.1 引言
  • 2.2 低温铝电解质物理化学性质的研究
  • 2.2.1 初晶温度
  • 2.2.2 氧化铝的溶解和饱和溶解度
  • 2.2.3 电导率
  • 2.2.4 铝的溶解和饱和溶解度
  • 2.2.5 密度
  • 2.3 低温铝电解工艺的研究
  • 2.3.1 炭素阳极的低温电解
  • 2.3.2 惰性阳极的低温电解
  • 2.4 铝电解质熔体初晶温度的研究方法
  • 2.4.1 目测法
  • 2.4.2 热分析法
  • 2.4.3 差热分析法
  • 2.4.4 静态法
  • 2.4.5 热力学计算法
  • 2.4.6 经验公式计算法
  • 2.5 氧化铝饱和溶解度研究方法及影响溶解速度的因素
  • 2.5.1 视觉观察法
  • 2.5.2 采样后化验方法
  • 2.5.3 电化学方法
  • 2.5.4 氧化铝旋转圆盘称重法
  • 2.5.5 影响氧化铝溶解速度的因素
  • 2.6 论文研究内容与方案
  • 2O4基惰性阳极用低温电解质体系的选择'>第三章 NiFe2O4基惰性阳极用低温电解质体系的选择
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验
  • 2O4-10NiO）惰性阳极的制备'>3.2.1 5Cu/（NiFe2O4-10NiO）惰性阳极的制备
  • 3.2.2 电解腐蚀实验
  • 3.2.3 分析与检测
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 几种低温电解质的电解探索研究
  • 3.3.2 不同钾盐对惰性阳极低温电解腐蚀的影响
  • 3AlF6-Na3AlF6-AlF3（0.5:0.5:1）中耐腐蚀性能的影响'>3.3.3 过热度对惰性阳极在 K3AlF6-Na3AlF6-AlF3（0.5:0.5:1）中耐腐蚀性能的影响
  • 3.4 本章小结
  • 3AlF6-K3AlF6-AlF3体系初晶温度的研究'>第四章 Na3AlF6-K3AlF6-AlF3体系初晶温度的研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验
  • 4.2.1 实验装置及实验过程
  • 4.2.2 实验装置的可靠性验证
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 热分析曲线的特征
  • 3含量对初晶温度的影响'>4.3.2 AlF3含量对初晶温度的影响
  • 3AlF6含量对初晶温度的影响'>4.3.3 K3AlF6含量对初晶温度的影响
  • 4.3.4 分子比对初晶温度的影响
  • 4.3.5 初晶温度与电解质组成的关系式
  • 4.3.6 凝固等温线
  • 4.4 本章小节
  • 3AlF6-K3AlF6-AlF3体系中Al2O3饱和溶解度与溶解速度研究'>第五章 Na3AlF6-K3AlF6-AlF3体系中Al2O3饱和溶解度与溶解速度研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验
  • 5.2.1 实验装置及实验过程
  • 5.2.2 实验装置的可靠性验证
  • 5.3 结果和讨论
  • 5.3.1 氧化铝溶解速度的数字化表征
  • 3含量对Al2O3溶解度和溶解速度的影响'>5.3.2 AlF3含量对Al2O3溶解度和溶解速度的影响
  • 3AlF6含量对Al2O3溶解度和溶解速度的影响'>5.3.3 K3AlF6含量对Al2O3溶解度和溶解速度的影响
  • 2O3溶解度和溶解速度的影响'>5.3.4 熔体过热度对Al2O3溶解度和溶解速度的影响
  • 2O3溶解度和溶解速度的影响'>5.3.5 分子比对Al2O3溶解度和溶解速度的影响
  • 2O3溶解度和溶解速度的影响'>5.3.6 初晶温度和熔体温度对Al2O3溶解度和溶解速度的影响
  • 2O3溶解度与电解质组成和熔体温度的关系式'>5.3.7 Al2O3溶解度与电解质组成和熔体温度的关系式
  • 5.3.8 等饱和氧化铝溶解度线
  • 3种类对氧化铝溶解能力的影响'>5.3.9 AlF3种类对氧化铝溶解能力的影响
  • 5.4 本章小节
  • 3AlF6-K3AlF6-AlF3体系中NiFe2O4基惰性阳极的电解腐蚀行为研究'>第六章 Na3AlF6-K3AlF6-AlF3体系中NiFe2O4基惰性阳极的电解腐蚀行为研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 实验
  • 6.2.1 金属陶瓷惰性阳极的制备
  • 6.2.2 电解腐蚀实验
  • 6.2.3 分析与检测
  • 6.2.4 阳极腐蚀率
  • 6.3 结果与讨论
  • 6.3.1 金属相种类及含量对金属陶瓷耐腐蚀性能的影响
  • 2O4-10NiO）金属陶瓷电解腐蚀行为的影响'>6.3.2 CaO助烧剂对XCu/（NiFe2O4-10NiO）金属陶瓷电解腐蚀行为的影响
  • 2O4-10NiO复合陶瓷电解腐蚀行为的影响'>6.3.3 CaO助烧剂对NiFe2O4-10NiO复合陶瓷电解腐蚀行为的影响
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 结论与展望
  • 7.1 主要结论
  • 7.2 展望与建议
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间主要的研究成果

    • 相关论文文献

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