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两种铝电解用惰性阳极模型的设计与制备

张晓泳  
【摘要】:现在电解铝生产过程中采用碳素材料作为电解阳极,存在着电能消耗高,优质碳消耗大,电解过程中会排放出CO_2及大量致癌性碳氟化合物CF_n等有害气体产生环境污染,效率低,生产不稳定等问题。因此国内外大力开展惰性阳极的研究以取代碳素材料阳极,来解决碳素材料阳极所存在的问题。 本文着重进行两种惰性阳极模型的设计和制备研究,选取NiFe_2O_4/Cu金属陶瓷体系作为制备惰性阳极的主要材料,使之兼备陶瓷良好的耐腐蚀、抗氧化性能和金属良好的导电、抗热震、可焊接性能。首先设计出一种二维梯度阳极模型并着重对其进行了表面热应力缓和设计,利用ANSYS有限元分析软件得到了优化设计参数(梯度层数n=9,成分指数p=0.2,锥角θ=45°),但模型电极的局部区域存在着数值范围很大的热应力,分析认为高温下该区域易产生开裂。为验证计算结果的真实性,采用离心沉降方法制取坯料、气氛烧结致密化的工艺路线制备出一种环状梯度样品,并证实了理论设计结果与试验结果相吻合。针对第一种二维梯度阳极模型存在的缺陷进行改进,设计了一种简化的梯度阳极模型,整个模型由外部杯状结构(NiFe_2O_4+Ni)、芯杆(1Cr12WMoV合金钢)、中间填充层(NiFe_2O_4+Cu)三部分组成,由于这三部分的热膨胀系数、弹性模量等物性参数是呈梯度缓慢过渡的,因此可以把这个模型看成是广义的梯度模型。利用ANSYS有限元分析软件计算了在工作温度下整个模型的热应力分布,结果表明,杯状部位的热应力值较第一种模型有大幅度的降低,但是杯壁/填充层之间的界面受力状态不利于两者的结合。采用分步烧结结合整体热压的工艺制备出阳极表面无裂纹的杯状阳极样品,但是中间填充层与杯壁之间存在局部裂纹,这表明计算结果与试验结果是相符合的,需要采取在杯壁内侧化学镀Ni的手段,通过Ni与填充层中的Cu形成固溶体方式来加强界面的冶金结合,以提高中间填充层与杯壁的结合强度。


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