Изучение закономерностей и моделирование разрушения поверхности никелевых сплавов с целью повышения стойкости анодов в высокотемпературных кислородсодержащих расплавах

• Автор: Дроздова, Татьяна Николаевна
• Шифр специальности: 05.16.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 156 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.
1 ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНЕРТНЫХ АНОДОВ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ.

1.1 Теория электролитического получения алюминия.

1.2 Инертные материалы, используемые для производства анодов электролизера

1.2.1 Использование керамических материалов для производства анодов

1.2.2 Использование керамикометаллических материалов для производства анодов

1.2.3 Использование металлических материалов для производства анодов

1.3 Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость и жаростойкость никелевых сплавов

1.3.1 Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость никелевых сплавов

1.3.2 Влияние легирующих элементов на жаростойкость никелевых сплавов

1.4 Коррозионноэлектрохимическое поведение сплавов на основе никеля .

1.4.1 Межкристаллитная коррозия.
1.4.2 Питтинговая коррозия
1.5 Влияние окисления на целостность и свойства материала.
1.5.1 Природа процесса окисления
1.5.2 Окисление сложных сплавов на никелевой основе.
1.6 Защита никелевых сплавов от окисления.
1.6.1 Способы защиты от окисления.
1.6.2 Процессы нанесения покрытий.
1.6.3 Поведение покрытий при высоких температурах.
1.7 Термодинамический анализ системы конструкционный материал расплав фгоридных солей.
1.8 Выводы и постановка задач исследований
2 МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБОРУДОВАНИЕ
2.1 План экспериментальных исследований.
2.2 Материалы для изготовления инертных металлических анодов
2.3 Технология и оборудование для получения экспериментальных анодов .
2.3.1 Технология и оборудование получения экспериментальных металлических анодов.
2.3.2 Технология и оборудование получения интерметаллидного покрытия на основе никеля и олова.
2.4 Оборудование и параметры испытаний анодов при высокотемпературном электролизе.
2.5 Методики исследования химического состава в микрообъемах и микроструктуры металлических анодов.
2.6 Методика проведения математического планирования эксперимента
2.7 Оборудование и методики исследований качества покрытий, полученных на аноде из никелевого сплава
2.7.1 Оборудование и методика рентгенофазового исследования.
2.7.2 Оборудование и методика измерения микротвердости
2.8 Разработка методики по определению характеристик жаростойкости металлов и сплавов
2.8.1 Определение глубины равномерной коррозии металла
2.8.2 Определение средней скорости проникновения коррозии в металл .
2.8.3 Определение удельной потери массы металла и средней скорости потери массы металла
3 ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ АНОДОВ ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА.
3.1 Определение характеристик жаростойкости и исследования макроструктуры поверхности анодов после электролиза.
3.2 Исследования микроструктуры поверхности анодов после электролиза
3.3 Выводы
4 ОПИСАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛА АНОДОВ ПОСЛЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА
4.1 Микроструктурные и рентгеноспектральные исследования приповерхностной зоны экспериментальных анодов
4.2 Распределение кислорода, компонентов сплава и электролита по сечению деградационного слоя экспериментального анода.
4.3 Описание механизма анодного разрушения поверхности металлических сплавов в условиях высокотемпературного электролиза
4.4 Выводы.
5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА
5.1 Моделирование процессов анодного разрушения поверхности никелевых сплавов в условиях высокотемпературного электролиза
5.1.1 Основные уравнения и расчетные формулы, используемые при моделировании порообразования металлических систем.I
5.1.2 Расчетная программа
5.1.3 Моделирование порообразования шестикомпонентного сплава в условиях высокотемпературного электролиза
5.1.4 Сравнитечьный анализ расчетных и экспериментальных данных моделирования порообразования
5.2 Математическое планирование порообразования
5.2.1 Анализ системы ИСие.
5.2.2 Анализ системы МеА.
5.2.3 Анализ системы МеСиб А
5.3 Выводы.
6 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ОЛОВА И НИКЕЛЯ.
6.1 Разработка технологии получения покрытия на основе интермсталлидов олова и никеля.
6.2 Изучение анодного материала с покрытием на основе интерметаллида МзБпг в условиях высокотемпературного электролиза
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ


Работа электролизера характеризуется высокой температурой, большой силой тока, значительным магнитным полем и агрессивным электролитом, в котором растворяется большинство металлов 3, 4. Однако, использование угольных анодов, применяемых в процессе электролиза, имеет определенные недостатки. Наиболее очевидным является то, что он расходуется в ходе электролиза. В зависимости от типа электролизера и условий процесса расход углерода составляет кгт алюминия. Это приводит к необходимости регулирования положения анода в ходе процесса для поддержания необходимого междуполюсного расстояния, что немаловажно для регулирования энергетического баланса ванны. Помимо этого угольный анод является источником примесей, загрязняющих электролит и металл. Процесс осыпания несгоревших частиц углерода требует дополнительных трудовых затрат по извлечению угольной пены, ликвидации технологических нарушений. Используемая технология приводит к выбросу в атмосферу вредных полициклических ароматических углеводородов и газов СО и С, образующихся при взаимодействии кислорода, выделившегося на аноде, с углеродом анода. На каждую тонну электролитического алюминия выделяется около м3 смеси газов С0С, часть которых отсасывается через газоходы в систему газоочистки, а часть попадает в атмосферу рабочей зоны, ухудшая санитарногигиенические условия труда 5. Указанные недостатки угольных анодов привели к поиску инертных материалов, которые могли бы революционно преобразовать способ электролитического получения алюминия ЭруХолла. Слово инертный означает не реагирующий химически или электрохимически. Поэтому габариты инертного анода стабильны, хотя с течением времени он все же вступает в реакцию с электролитом или анодными газами. Скорость расхода анода зависит от применяемого материала. Удовлетворительной может считаться уменьшение толщины анода эрозия со скоростью менее мм в год. Срок службы инертного анода в электролизере должен исчисляться месяцами, а лучше годами. Использование инертных анодов может дать значительные преимущества с точки зрения охраны окружающей среды и снижение себестоимости производства. Очевидно, что использование инертных не расходуемых анодов приведет к исключению необходимости контроля междуполюсного расстояния, с малым перемещением его в случае необходимости. И, несмотря на то, что потенциал разложения глинозема на инертном аноде выше потенциала разложения глинозема на угольном аноде за счет деполяризующего эффекта анодной реакции, исследователями предлагаются варианты технологии, позволяющие получить потенциал на электролизере не превышающие существующие величины 3. Разработанная концепция инертного анода предполагает три варианта его исполнения керамический анод, керамикометаллический кермет и анод на основе металлов сплавов. Кислородовыделяющие, нерасходуемые аноды разрабатываются для использования в промышленном производстве алюминия. Керамические электроды медленно растворяются в электролите, а процесс растворения контролируется стадией массопереноса. Келлер и сотр. А она зависит по большей степени от скорости восстановления компонентов анода на катоде. Реакцию растворения оксида церия в криолитовых расплавах изучали в работе 9, которые определяли растворимость как функцию давления кислорода, содержания глинозема и фтористого алюминия в расплаве. Они обнаружили, что церий присутствует в расплаве исключительно в форме Се3. Соответствующим доминантным соединением является СеБз, причем СеБз возможно связан в комплексе Ыа2СеР5. Нет никаких доказательств существования СеОИ . При измерении растворимости является важным контролирование давления кислорода, поскольку оксид церия имеет больше одного окисленного состояния. Практический опыт использования кислородовыделяющих анодов с покрытием Се показал, что растворимость оксида при изменении концентрации глинозема изменяется меньше, чем этого можно ожидать. Отсутствие Се4 в расплаве также благоприятно однако если Се3 и Се4 сосуществуют, цикл окислениявосстановления может привести к низким значениям выхода по току. В работе И тестировали в лабораторном масштабе инертный анод состава ,3 вес. Сгз, ,7 вес.