鋁電解惰性陽極制備與性能測試.pdf

1、傳統(tǒng)Hall-Héroult鋁電解槽由于采用消耗式炭素陽極而存在能耗高，炭耗大，成本高和環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。因惰性陽極能夠克服以上問題而成為鋁冶金的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。研究者們進(jìn)行了大量的研究和嘗試力圖尋求符合鋁電解工業(yè)應(yīng)用的惰性陽極材料。
　　 采用粉末冶金法制備了FeNi金屬陽極，F(xiàn)e-Ni-Al2O3金屬陶瓷陽極。研究了成型壓力，燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間對陽極試樣密度和孔隙度的影響。確定了FeNi陽極試樣的最佳工藝參數(shù)，成型壓力40

2、0MPa，氬氣保護(hù)下1200℃燒結(jié)2h。Fe-Ni-Al2O3金屬陶瓷陽極最佳工藝參數(shù)為，成型壓力150MPa，氬氣保護(hù)下1500℃燒結(jié)2h。采用滲流理論分析了金屬陶瓷陽極中Fe含量對陽極導(dǎo)電性的影響。在高溫下，金屬陶瓷陽極的導(dǎo)電率呈現(xiàn)半導(dǎo)體導(dǎo)電和電子導(dǎo)電的特征。
　　 采用氧化增重的方法研究了陽極的恒溫氧化行為，得到了不同溫度下的恒溫氧化動力學(xué)曲線，利用X射線衍射分析儀、掃描電鏡對恒溫氧化產(chǎn)物及其形貌進(jìn)行了分析，并對陽極氧化機(jī)

3、理進(jìn)行了分析。FeNi金屬陽極的高溫氧化動力學(xué)曲線符合典型的拋物線規(guī)律。生成的氧化膜致密能夠很好的保護(hù)陽極，復(fù)合氧化膜主要成分為Fe2O3,FeO,NiFe2O4,Fe3O4。分析了FeNi金屬陽極氧化膜的破損機(jī)理，建立金屬陽極的高溫氧化模型。
　　 Fe-Ni-Al2O3金屬陶瓷在空氣中氧化時(shí)，氧化速率隨溫度升高而增加。金屬相含量達(dá)到50wt％以上時(shí)的金屬陶瓷表面氧化膜較厚，抗氧化性較好。Fe-Ni-Al2O3金屬陶瓷陽極在氧

4、化初期3h內(nèi)氧化動力學(xué)曲線符合拋物線規(guī)律，計(jì)算出拋物線常數(shù)。在長期氧化過程中，隨著溫度的不同金屬陶瓷陽極氧化規(guī)律較復(fù)雜，遵循立方規(guī)律和對數(shù)規(guī)律，說明金屬陶瓷陽極同金屬陽極相比更難被氧化。并且金屬陶瓷陽極氧化膜致密，附著力強(qiáng)。
　　 AlSi金屬陽極的熱腐蝕試驗(yàn)中，主要發(fā)生冰晶石熔鹽中Na離子和F離子對陽極的滲透腐蝕。AlSi陽極電解過程中槽電壓波動較大，腐蝕層較疏松，基體中的Al向外擴(kuò)散形成保護(hù)膜的同時(shí)在基體內(nèi)部留下空洞。提高氧

5、化鋁濃度可減小陽極的腐蝕速率。
　　 FeNi金屬陽極在電解過程中陽極表面產(chǎn)生大量的氧氣，槽電壓穩(wěn)定在4.0V左右，陽極表面經(jīng)X-射線和掃描電鏡分析，主要由Fe2O3,NiO和NiFe2O4復(fù)合氧化物組成，腐蝕層結(jié)構(gòu)致密，并且較薄，所形成的電阻很小，產(chǎn)生的陽極壓降小。
　　 Fe-Ni-Al2O3金屬陶瓷陽極的電解實(shí)驗(yàn)中，槽電壓保持穩(wěn)定，考察了氧化鋁濃度，電流密度，分子比對陽極材料電解腐蝕行為的影響。氧化鋁濃度升高，分子

6、比增加，電流密度減小均能降低陽極的腐蝕速率，鋁產(chǎn)品純度達(dá)到97％。討論了陽極在冰晶石-氧化鋁熔鹽中的腐蝕機(jī)理。用掃描電鏡和X-射線衍射儀分析陽極的腐蝕層結(jié)構(gòu)，腐蝕層主要由FeAl2O4,NiFe2O4和Fe2O3陶瓷相組成，形成的網(wǎng)狀保護(hù)膜能夠抵御電解質(zhì)的腐蝕。陽極基體組分未發(fā)生較大變化，F(xiàn)e-Ni-Al2O3金屬陶瓷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐腐蝕能力很好。
　　 采用電化學(xué)方法研究了氧化鋁濃度，分子比對FeNi基金屬陽極極化曲線的影響，可

7、以迅速便捷的分析金屬陽極的耐腐蝕性能。氧化鋁濃度升高，金屬陽極的腐蝕電位正移，提高了陽極的耐腐蝕性能。含Co元素的FeNi金屬陽極的耐腐蝕性能要高于含Cu和Al的FeNi金屬陽極的耐腐蝕性能。
　　 采用雙室透明槽觀察了炭陽極和FeNi金屬陽極的陽極氣泡析出行為，炭陽極析出的氣泡同F(xiàn)eNi金屬惰性陽極氣泡相比尺寸大而且不易從陽極上排出。電流密度增大，陽極反應(yīng)速度增加，兩種陽極氣泡的析出頻率均增大。
　　 在炭陽極的循環(huán)伏

8、安曲線上1.2V(相對于鋁參比電極)處出現(xiàn)氧化峰電流，此時(shí)發(fā)生的反應(yīng)為：
　　 3C+2Al2O3=3CO2+4Al在FeNi金屬陽極的循環(huán)伏安曲線上2.3V(相對于鋁參比電極)處出現(xiàn)氧化峰電流，與Al2O3在惰性電極上的理論分解電壓2.2V相符，此時(shí)的反應(yīng)為：
　　 2Al2O3=3O2+4Al利用陽極的電化學(xué)阻抗譜對炭陽極和FeNi金屬惰性陽極的陽極過程進(jìn)行等效電路的模擬，分析了電流密度對炭陽極和FeNi金屬惰性陽極