铝电解惰性阳极用Fe--Ni--Al合金的抗氧化和耐腐蚀性能

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铝电解惰性阳极电解时阳极释放氧气,而非目前炭阳极排放的CO2温室气体,而阳极不消耗,可以克服传统铝电解的环保和节能问题,同时具有提高电解槽自动化程度、降低劳动强度、改善生产环境和节省优质炭素等优点,一直以来都是铝业界研究的重点和热点。
  本文通过中频炉感应熔炼,制备了Fe和Ni质量比为1.42、添加不同铝含量的6种Fe-Ni-Al合金;对合金进行了高温氧化、电解腐蚀和电化学性能分析等实验,结合X射线衍射、扫描电镜、能谱分析等技术手段对腐蚀和电解后的产品进行分析,研究了Fe-Ni-Al合金在铝电解的高温氧气和冰晶石环境下的抗氧化和耐腐蚀性能。
  当铝的添加量不大于5.3%时,铝均匀溶解在Fe-Ni合金相中,形成γ-(Fe,Ni)-Al单一相,未出现第二相;随着铝含量增多,合金中出现第二相,52.9Fe-39.2Ni-7.9Al和54.1Fe-37.3Ni-8.6Al合金中存在两相:Fe-Ni-Al固溶的γ-(Fe,Ni)-Al相和Ni、Al富集相γ-AlNi3。
  合金氧化期间伴随着不同程度的氧化膜剥落再生现象;当温度为750℃和900℃时,合金表面形成的氧化膜的抗氧化性相对不太稳定,而温度为800℃和850℃时氧化增重过程稳定;当合金中Al的添加量为5.3%时,形成的氧化膜稳定性最好。氧化膜为多层,外氧化层主要为铁的氧化物,在内氧化层中随着氧的逐渐浸入,从外到内有不同程度的氧化;低Al含量的合金,氧化后表面主要物相为Fe2O3,内氧化层为Fe-Ni-O和金属Ni,随着温度的增高,内氧化层为Fe-Ni-O逐步转化为稳定的NiFe2O4相;随着合金中Al含量的增加,内氧化层形成NiFe2O4相和NiAl2O4相,两相相互交错,并与外氧化层相互沟堑;在内氧化区,Al和Ni富集的相,对氧有一定的阻挡作用,铝元素的添加对提高合金抗氧化性有积极作用。
  Fe-Ni-Al合金惰性阳极的槽电压起始阶段都较为稳定,在4.5V到5.5V之间,电解120分钟后开始有不同程度的电压升高,说明合金阳极电阻增大;成功电解出了铝产品,其纯度在97%~99%之间。腐蚀层中含有氟盐,对氧化膜有侵蚀作用。腐蚀层为多层,内层Ni富集,外层Fe、O富集,这是由于Fe的优先氧化。电解后阳极表面产生的腐蚀层厚度相对较厚,约2000μm,氧化膜中含有Al2O3、NiO、NiFe2O4、FeAl2O4这些具有保护性的氧化膜,使得合金的耐腐蚀性较强。对比前人所做的Fe-Ni合金阳极的测试,添加Al元素能够显著增强阳极的抗腐蚀性能,且以添加5.3%Al的合金阳极性能为最优。
  线性伏安曲线可分为三部分:活性溶解区、过渡区和过钝化区,钝化区不明显。过渡区出现了双峰现象是由于合金中存在两相。当Al添加量为1.4%、3.9%、5.3%和7.9%时,合金的Ep较负,较易进入钝化状态,其ip也较小,腐蚀较慢;56.1Fe-39.5Ni-4.4Al和54.1Fe-37.3Ni-8.6Al合金的Eb较大,钝化膜不易发生破坏。根据塔菲尔曲线可得,当Al添加量为1.4%、3.9%和5.3%时,合金阳极的腐蚀电压较正,耐腐蚀性能较好;当Al添加量为1.4%和3.9%时,合金的腐蚀电流密度较大,腐蚀速率较快;综合来看56.8Fe-37.9Ni-5.3Al合金的耐电化学腐蚀性能最好。
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