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本文以电解槽中生产Al-Zr合金为范例,建立了制备铝基中间合金的热力学计算模型;以金属阳极技术与电解铝技术相结合,在电解槽中制备了Al-Fe、Al-Ni和Al-Cu中间合金;以熔盐为介质制备了市场上急需的Al-Ti、Al-Ti-C、Al-Mg和Al-RE中间合金。
计算了在950℃,活性阳极或惰性阳极电解的条件下,金属氧化物与铝反应的自由能;氧化物的分解电压;金属氧化物与铝反应的平衡常数;金属与铝共同析出时,金属元素在铝液中的活度系数;结合Al-Me二元相图,在给定的温度下,判定合金液中金属元素的最高含量。
以普碳钢阳极取代炭阳极,Fe<,2>O<,3>为原料,在熔融的冰晶石-氧化铝体系中制备了Al-Fe中间合金。结果表明,在2小时之内,合金中含Fe量随着电解时间的增加而增加,合金中最高含Fe量可达16mass%;在阳极电流密度为1.31A/cm<2>时,腐蚀速率为0.285~0.288mm/h,电流密度为1.12A/cm<2>时,阳极腐蚀速率为0.183mm/h;阳极氧化层的溶解、剥落速度较慢,滞留在阳极表面,需要及时清除。实验结果表明,在电解槽中以普碳钢阳极取代炭阳极制备Al-Fe中间合金,可将部分电解铝工业由污染型转变为环保型,并且节约大量的焦碳,具有较好的工业应用前景。
以金属镍为阳极,Ni<,2>O<,3>为原料,在熔融的冰晶石-氧化铝体系中,制备了Al-Ni中间合金。研究发现,在1.5小时之内,合金中含Ni量随着电解时间的增加而增加,合金中最高含Ni量可达33.8mass%;在电流密度为1.31A/cm<2>时,阳极腐蚀速率为2.22mm/h,电流密度为0.80A/cm<2>时,阳极腐蚀速率为0.41mm/h;Ni阳极的腐蚀速率较大。
以电解铜为阳极,CuO为原料,在熔融的冰晶石-氧化铝体系中电解制备了Al-Cu中间合金。结果发现,合金的含Cu量可达50.01mass%;电流密度为1.86A/cm<2>时,阳极最大腐蚀速率为0.40mm/h,最小腐蚀速率为0.17mm/h;铜阳极在电解过程中,表面形成较致密的氧化层,可有效防止铜阳极的进一步氧化腐蚀;铜阳极具有优异的抗氧化及抗冰晶石熔体的腐蚀性能,以铜为阳极在电解槽中制备Al-Cu中间合金具有广阔的工业应用前景。在温度范围为1150~1300℃的冰晶石熔体中,以TiO<,2>为原料,Al为还原剂,制得了Ti含量为7.83~11.80mass%的Al-Ti中间合金。讨论了温度、Al<,2>O<,3>加入量及搅拌等参数对Al-Ti合金中Ti含量的影响;Ti在制备Al-Ti中间合金中,主要以TiAl<,3>和TiC的形式存在;冰晶石熔体中TiO<,2>的添加量相对于金属Al过剩时,会产生爬壁现象。
在960℃的冰晶石-氧化铝熔体中,以TiO<,2>为原料,利用部分热还原剩余的冰晶石覆盖为电解质,电解制备了钛含量小于2mass%的Al-Ti中间合金。研究发现合金中Ti含量随电解时间的延长而增加。
在温度范围为1200~1350℃的冰晶石熔体中,以TiO<,2>及高纯石墨粉为原料,Al为还原剂,制备了Al-Ti-C中间合金。分析了温度与TiO<,2>/C质量比对Al-Ti-C合金中相组成的影响;讨论了Al-Ti-C中间合金形成的热力学条件,建立了Al-Ti-C中间合金形成的模型。
以MgO为原材料,在电解槽中直接制备Al-Mg中间合金:
在冰晶石体系中以MgO为原料,电解2~6小时制备的Al-Mg中间合金中,Mg含量只有0.020~0.056 mass%,合金中镁含量极低。
在NaCl-MgF<,2>体系中,以MgO为原料,电解4小时,可制备出Mg含量约为7mass%的Al-Mg中间合金。电解过程中,电解质会产生“沸腾”现象。电解过程中,可能发生下列反应阳极:20<2->-4e=O℃ 2Cl<->-2e=Cl℃阴极:Mg<2+>+2e=Mg Na<+>+e=Na与其它杂质元素的还原反应。
在960℃的冰晶石-氧化铝熔体中,以混合碳酸稀土为原料,电解制备了Al-RE(稀土)中间合金。研究发现,合金中RE含量随电解时间的延长而增加。
在温度范围为1000~1200℃的冰晶石熔体中,以混合碳酸稀土为原料,Al为还原剂,还原时间为2h,制备了RE含量为2.11~9.75mass%的Al-RE中间合金。研究发现在Al-RE中间合金中,有许多Al与RE的中间化合物;分析了还原温度对合金中稀土含量的影响;讨论了Al-RE中间合金形成的热力学条件,建立了Al-RE中间合金的形成模型。研制了阳极保护涂层。实验发现,阳极保护涂层可有效地保护阳极暴露在空气中的部分,延缓阳极的氧化。