鎳鐵尖晶石基金屬陶瓷惰性陽(yáng)極的制備及性能研究.pdf

1、現(xiàn)行鋁電解工藝仍采用霍爾-埃魯特法，其碳素陽(yáng)極的使用存在許多弊端。而采用惰性陽(yáng)極來(lái)代替炭陽(yáng)極的研究始于19世紀(jì)60年代，由于不再需要頻繁更換陽(yáng)極，從而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，而且生產(chǎn)過(guò)程中排出氧氣而不再是二氧化碳，可以新增經(jīng)濟(jì)效益3％。由于鎳鐵尖晶石材料具有穩(wěn)定性高、熱膨脹系數(shù)低以及耐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此本文以鎳鐵尖晶石材料做為制備惰性陽(yáng)極的基體材料。 惰性陽(yáng)極制備采用高溫固相合成法，以前的研究工作重點(diǎn)放在二次燒結(jié)工藝上，而合成工藝對(duì)試

2、樣性能的影響并未引起足夠的重視，本文詳細(xì)研究了鎳鐵尖晶石陶瓷基體合成工藝的各個(gè)影響因素(如原料配比、合成溫度、合成時(shí)間以及壓制壓力)對(duì)材料燒結(jié)性能、耐蝕性和導(dǎo)電性的影響，確定出最佳合成工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明：以42.1wt％NiO和57.9wt％Fe2O3為原料，粉料在900℃下加熱6h后制成陶瓷基料，經(jīng)粉碎、壓制和二次燒結(jié)制備的惰性陽(yáng)極試樣的各項(xiàng)性能均最佳。 在研究鎳鐵尖晶石陶瓷粉體燒結(jié)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)過(guò)程中，首次引入初期燒結(jié)擴(kuò)散方

3、程及燒結(jié)活性的概念，對(duì)不同合成溫度合成的尖晶石粉料燒結(jié)初期的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：在滿足合成NiFe2O4尖晶石熱力學(xué)條件下，合成反應(yīng)先于致密化過(guò)程結(jié)束；當(dāng)尖晶石陶瓷粉體合成溫度為800℃和900℃時(shí)，惰性陽(yáng)極試樣初期燒結(jié)過(guò)程由界面擴(kuò)散控制；當(dāng)尖晶石陶瓷粉體合成溫度為1000℃和1100℃時(shí)，惰性陽(yáng)極試樣初期燒結(jié)過(guò)程由體積擴(kuò)散控制。隨著尖晶石合成溫度的提高，陶瓷粉體的活性降低，不利于燒結(jié)。 考察了不同添加劑添加量對(duì)

4、試樣性能的影響，對(duì)氧化物添加劑進(jìn)行了篩選。研究結(jié)果表明：添加TiO2和MnO2均可以促進(jìn)鎳鐵尖晶石燒結(jié)進(jìn)行，添加La2O3阻礙了燒結(jié)進(jìn)行；當(dāng)TiO2添加量為1wt％時(shí)，試樣的燒結(jié)活化能比不添加TiO2的試樣降低了102.65kJ·mol-1；當(dāng)MnO2添加量為2wt％時(shí)，惰性陽(yáng)極抗冰晶石熔鹽腐蝕性能最好，通過(guò)掃描電鏡及X-射線衍射分析，首次提出了試樣靜態(tài)熱腐蝕機(jī)理，即摻雜的MnO2在晶界處富集，熔鹽對(duì)晶粒的腐蝕首先在晶界處發(fā)生，反應(yīng)生成

5、結(jié)構(gòu)致密的Mn2AlO4相，冰晶石熔鹽通過(guò)該相向NiFe2O4尖晶石晶粒內(nèi)擴(kuò)散速度減慢，從而降低了腐蝕速率。 考察了金屬銀添加方式對(duì)惰性陽(yáng)極性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：添加氧化銀粉和金屬銀粉均能提高惰性陽(yáng)極試樣的高溫導(dǎo)電性，但添加金屬銀粉試樣的電導(dǎo)率約為添加同比例氧化銀粉試樣的兩倍，同時(shí)添加金屬銀粉試樣的電解腐蝕速率也最小，所以直接添加金屬銀粉為適宜的金屬相添加方式。 利用掃描電鏡及X-射線衍射對(duì)惰性陽(yáng)極試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行

6、了分析，對(duì)其動(dòng)態(tài)電解腐蝕機(jī)理作了初步的探討。試驗(yàn)結(jié)果表明：純鎳鐵尖晶石試樣在電解過(guò)程中容易發(fā)生離解反應(yīng)，電解腐蝕最先發(fā)生在晶界處，繼而生成FeAl2O4保護(hù)層阻止電解腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行。而添加金屬銀粉的惰性陽(yáng)極試樣在電解過(guò)程中不易發(fā)生離解反應(yīng)，電解腐蝕通過(guò)物理溶解過(guò)程進(jìn)行，晶粒最先被腐蝕。 首次引用Furnas模型以及線性堆積理論，考察了兩種粒徑顆粒的級(jí)配及細(xì)顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)鎳鐵尖晶石陶瓷粉末的振實(shí)效率及空隙率的影響，提出了適合Ni