两步烧结制备铝电解惰性阳极材料的研究

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业界的研究重点和热点。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。由于氧化物陶瓷阳极导电性能不佳，金属合金阳极难以动态控制其钝化膜厚度，而金属陶瓷复合材料兼备有陶瓷的强抗腐蚀性和金属的良好导电性能，因此本文选择镍铁尖晶石基金属陶瓷材料作为铝电解惰性阳极的研究对象。在合成NiFe2O4尖晶石（NiO过量15％）的过程中，首次向原料Fe2O3和NiO粉末中引入了添加剂MnO2、TiO2、V2O5。研究了各种添加剂对烧结及NiFe2O4尖晶石性能的影响。研究发现三种添加剂对烧结都起到了促进作用，另外还能提高材料各方面的性能。添加MnO2后材料的综合性能良好，材料的密度增加，电导率提高，抗腐蚀性增强，抗弯强度和抗热震性得到很好改善；TiO2对材料的电导率，抗弯强度和抗热震性贡献很大；V2O5对提高材料的抗腐蚀性贡献非常大，添加2.0％V2O5能使基体材料的静态热腐蚀率降低为无添加剂材料的1/46。由于一步烧结存在成品率较低，抗弯强度和抗热震性较差，阳极在电解的过程中出现裂纹等缺点，本文采用两步烧结的工艺制备惰性阳极试样，首次提出原料采用粒度配比。制备阳极材料时，首先在1000℃的预烧温度下合成掺杂的镍铁尖晶石基体材料。接着，针对不同规格的试样确定出了原料的最佳粒度配比。随后，通过五因素四水平的正交试验最终确定制备φ30×Xmm的金属陶瓷惰性阳极的工艺为：成型压力160MPa；烧结温度1350℃；保温时间6小时；原料的主颗粒直径为0.50～0.355mm，填充颗粒直径为0.105～0.074mm，细粉为0.074mm以下的粉料；金属银的添加量为10％。在最佳工艺条件下制备了阳极试样，对其性能进行了考察，发现两步烧结得到的阳极试样致密度高，抗腐蚀性强、抗弯强度和抗热震性好，电解腐蚀过程中没有出现阳极开裂，剥落的现象。另外还发现，金

论文目录

摘要

Abstract

第一章前言

1.1 课题研究背景及意义

1.2 惰性阳极的国内外研究现状

1.2.1 金属阳极

1.2.1.1 Cu—Ni合金

1.2.1.2 Al—Cu合金阳极

1.2.1.3 Ni—Al—Fe—Cu—X合金阳极

1.2.1.4 Ni—Fe合金

1.2.2 氧化物阳极

2O₄）型'>1.2.2.1 尖晶石（AB₂O₄）型

2'>1.2.2.2 SnO₂

1.2.2.3 ZnO

2'>1.2.2.4 CeO₂

2O₃—NiO—CuO'>1.2.2.5 Cr₂O₃—NiO—CuO

2O'>1.2.2.6 NiO—Li₂O

2O₃／NiO'>1.2.2.7 Ni₂O₃／NiO

1.2.2.8 ZnO

1.2.3 金属陶瓷阳极的研究

1.2.3.1 陶瓷相+金属相

1.2.3.2 陶瓷相+NiO+金属相

1.3 金属陶瓷惰性阳极研究存在的主要问题

1.4 本文的创新点及需要解决的问题

1.4.1.创新点

1.4.2.本文拟解决的主要问题

1.5 本文研究的主要内容

参考文献

第二章试验方法与过程

2.1 基体材料的合成工艺

2.1.1 原料配比的确定

2.1.2 球磨混料

2.1.3 烘干

2.1.4 研磨与造粒

2.1.5 模压成型

2.1.6 烧结

2.2 研究添加剂对镍铁尖晶石基体材料的性能影响试验

2.3 制备惰性阳极材料的试验

2.3.1 制备陶瓷基体材料时预烧温度的选择

2.3.2 粒度级配试验

2.3.2.1 粒度组成对阳极材料性能的影响

2.3.2.2 配料中大颗粒和小颗粒的作用

2.3.2.3 确定配方中各种颗粒粒度比例的依据

2.3.2.4 主、填充、细颗粒的粒径比和质量比的确定

2.3.2.5 各种粒度级配的振实试验方法

2.3.3 镍铁尖晶石基惰性阳极材料的制备试验

2.3.3.1 破碎筛分

2.3.3.2 原料配比

2.3.3.3 冷压成型

2.3.3.4 烧结

2.4 材料性能测试方法

2.4.1 密度与气孔率的测定

2.4.2 导电性的测试

2.4.3 抗腐蚀性的测试

2.4.3.1 静态热腐蚀率的测试

2.4.3.2 电解腐蚀的测试

2.4.4 抗弯强度的测试

2.4.5 抗热震性的测试

2.4.6 结构分析方法

参考文献

第三章合成镍铁尖晶石基体材料的试验结果

3.1 过量NiO对惰性阳极基体材料性能的影响试验结果

3.1.1 过量NiO对基体材料的密度及微观结构的影响

3.1.2 过量NiO对基体材料电导率的影响

3.1.3 过量NiO对基体材料静态热腐蚀率的影响

3.2 添加剂对惰性阳极基体材料性能影响的试验结果

2对NiFe₂O₄尖晶石基体材料性能的影响'>3.2.1 MnO₂对NiFe₂O₄尖晶石基体材料性能的影响

3.2.1.1 试样的X-射线衍射分析

2对镍铁尖晶石基体材料烧结性能的影响'>3.2.1.2 MnO₂对镍铁尖晶石基体材料烧结性能的影响

2对镍铁尖晶石基体材料导电性的影响'>3.2.1.3 MnO₂对镍铁尖晶石基体材料导电性的影响

2对镍铁尖晶石基体材料腐蚀率的影响'>3.2.1.4 MnO₂对镍铁尖晶石基体材料腐蚀率的影响

2对NiFe₂O₄尖晶石基体材料性能的影响'>3.2.2 TiO₂对NiFe₂O₄尖晶石基体材料性能的影响

2对NiFe₂O₄尖晶石基体材料密度、气孔率的影响'>3.2.2.1 TiO₂对NiFe₂O₄尖晶石基体材料密度、气孔率的影响

2对NiFe₂O₄尖晶石基体材料电导率的影响'>3.2.2.2 TiO₂对NiFe₂O₄尖晶石基体材料电导率的影响

2对NiFe₂O₄尖晶石基体材料腐蚀率的影响'>3.2.2.3 TiO₂对NiFe₂O₄尖晶石基体材料腐蚀率的影响

2O₅对NiFe₂O₄尖晶石基体材料性能的影响'>3.2.3 V₂O₅对NiFe₂O₄尖晶石基体材料性能的影响

3.2.3.1 烧结机理

2O₅试样的微观结构照片'>3.2.3.2 添加V₂O₅试样的微观结构照片

2O₅对试样电导率的影响'>3.2.3.3 V₂O₅对试样电导率的影响

2O₅对试样腐蚀率的影响'>3.2.3.4 V₂O₅对试样腐蚀率的影响

3.2.4 三种添加剂对试样抗弯强度和抗热震性的影响

2O₅的镍铁尖晶石金属陶瓷材料的试验结果'>3.3 制备掺杂V₂O₅的镍铁尖晶石金属陶瓷材料的试验结果

2O₅后的烧结机理'>3.3.1 添加V₂O₅后的烧结机理

2O₅后试样的微观形貌'>3.3.2 添加V₂O₅后试样的微观形貌

3.3.3 添加剂对试样电导率的影响

3.3.4 添加剂对试样静态热腐蚀率的影响

3.3.5 添加剂对试样力学性能和抗热震性的影响

本章小结

参考文献

第四章制备惰性阳极的试验结果

4.1 预烧温度的确定

4.2 粒度级配试验结果

4.2.1 主、填充、细颗粒的直径比和质量分数的确定

4.2.2 主颗粒与填充颗粒的填充效果分析

4.2.2.1 主颗粒质量分数对振实密度的影响

4.2.2.2 颗粒直径比对振实密度的影响

4.2.2.3 三种粒级的填充效果分析

4.2.3 二次烧结工艺条件的研究

4.2.3.1 二次烧结正交试验研究

4.2.4 不同粒度组成对试样性能的影响

4.2.4.1 不同粒度组成对试样微观结构的影响

4.2.4.2 不同粒度组成对试样密度、气孔率的影响

4.2.4.3 不同粒度组成对试样电导率的影响

4.2.4.4 不同粒度组成对试样抗腐蚀性的影响

4.2.4.5 不同粒度组成对试样抗热震性及抗弯强度的影响

2O₅对惰性阳极性能的影响'>4.2.5 添加剂V₂O₅对惰性阳极性能的影响

2O₅对试样密度、气孔率的影响'>4.2.5.1 V₂O₅对试样密度、气孔率的影响

2O₅对电导率的影响'>4.2.5.2 添加剂V₂O₅对电导率的影响

2O₅对试样电解腐蚀行为的影响'>4.2.5.3 添加剂V₂O₅对试样电解腐蚀行为的影响

2O₅对试样抗热震性及抗弯强度的影响'>4.2.5.4 添加剂V₂O₅对试样抗热震性及抗弯强度的影响

2对惰性阳极性能的影响'>4.2.6 添加剂MnO₂对惰性阳极性能的影响

2的惰性阳极材料的微观结构'>4.2.6.1 添加1.0％MnO₂的惰性阳极材料的微观结构

2的惰性阳极材料的性能'>4.2.6.2 添加1.0％MnO₂的惰性阳极材料的性能

4.3 一步烧结和二步烧结制备的惰性阳极试样的性能比较

4.3.1 惰性阳极试样的微观形貌比较

4.3.2 惰性阳极试样密度的比较

4.3.3 惰性阳极试样电导率的比较

4.3.4 惰性阳极试样电解腐蚀率的比较

4.3.5 惰性阳极试样力学性能及抗热震性的比较

本章小结

参考文献

第五章大尺寸阳极的电解试验研究

5.1 试验方法

5.1.1 惰性阳极的制备

5.1.2 电解试验

5.2 试验结果及分析

本章小结

参考文献

第六章结论

致谢

作者简介

攻读博士期间完成的论文

两步烧结制备铝电解惰性阳极材料的研究

论文摘要

论文目录

相关论文文献

猜你喜欢