电解铝用TiB_2惰性可润湿性阴极材料的研究现状
铝电解惰性阳极与可湿润性阴极的研究与开发进展
Ｅｎｅｒｇｙ，Ｊｕｌｙ。１９９９．
［６］Ｂ．Ｊ．ｗｅｌｃｈ．”Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｐａｔｈ
Ｊ．ｏｆ
ｉｎ
Ｔｈｅ Ｎｗｅ
Ｍｉｌｈｎｉｕｍ”，
Ｍｅｔａｌｓ（ＪＯＭ），Ｍａｙ，１９９９；２４～２８．
（７ＪＡｌｔｏｈ
Ｆｒｏｍ
Ｔ．Ｔａｈｎｅｒｅａｕｘ．“Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ—Ｗｈｅｒｅ
试验。
３．３评估的结论 新型槽的设计还会陆续提出，付之实施需要解
决以下问题。
（１）电解槽的数学模型。在理论上要综合研究
它的流体力学、电化学、多相界面反应、温度场和电
场等技术基础问题以及结构的综合优化。完成理论
上的探索，提出更科学的数学模型。
４．５经济效益和社会效益的估计 （１）采用惰性阳极，全国仅节约优质碳每年可达 ４８亿人民币（按年铝产量为３００万ｔ计，每吨铝节约 碳耗０．５ｔ，即每年可节省１５０万ｔ阳极，实价为３２００
的电解条件下，这种阳极的表面可以产生阳极钝化
层，从而获得很高的抗腐蚀性。 ２．１．４评估的结论
美铝公司的金属陶瓷阳极是目前表现最佳的惰 性阳极。美铝公司正从制造过程和电解槽的操作条 件两方面进一步改进，进而提高阳极的性能，估计在 今后１～２年中可望解决，也就是说达到阳极的腐蚀
率１．０～１．５ｃｍ／ａ，铝的纯度为９９．７％（即工业铝的
参考文献：
（１］Ａｌｃｏａ Ｌａｔｅｓｔ Ｎｅｗｓ，ＰＩＴＴＳＢＵＲＧＨ，Ｊｕｎｅ ２２，２０００。Ｊｕｎｅ ２８，２０００．
据乐观的估计，１０００Ａ电流的新型结构的电解
槽将于５年内出现。 ４
对我国对策的建议
４．１加快以企业（公司）为主的技术创新中心的组 建工作。及时成立惰性电极研究与开发中心，建议 以长城铝业公司为试验基地。组成政府一产业一院 校的密切伙伴关系，尽快开展惰性阳极和可湿润性 阴极的研究和开发工作。其中，政府要大力支持，企 业是主要经费投入者和受益者，学校和研究院所作
铝电解用TiB2基惰性阴极材料的研究与应用
பைடு நூலகம்
・
３ ・ ４
铝
镁
通
讯
２０ ０ ６年 Ｎ３ ｏ
铝 电解 用 ＴＢ 基 惰 性 阴极 材 料 的研 究 与 应 用 ｉ２
姜 治 安
（ 中国铝 业郑 州研 究院 ，河 南 郑 州 ４０ ４ ） ５ ０ １
摘
要 ：ｎ 能被 熔 默金 属 铝 良好 润湿 ， 具有 高熔 点 、 高硬 度 ， 良好 的 导 电 、 热 性 能 以 及 优 异 的 耐 磨 性 能 。 挡 熔 默金 导 抵
稳定 ， 最终 导 致 阴极 的膨胀 、 破损 等 。近半 个世 纪 以
力； 能够 和基体 材料 良好 地 结合 ； 易加 工 成 型 ， 容 原
料 来源广 泛 ， 生产制 造 、 安装施 工应 用成 本低 。
能够满 足惰性 阴极 要求 的材 料 不 多 ， 要 是 高 主
熔 点硬 质合 金 （ ＨＭ） Ｒ 材料 中钛 、 的化 合 物 ， 中 锫 其 尤 以二硼化 钛材 料 为好 。上世 纪 ５ ０年代 英 国 铝 业 公 司研 究 发 现 ， ｉ２能 被 熔 融 金 属 铝 良好 的 润 ］ＴＢ
湿， 并且设想 ＴＢ 及其相关的化合物能成为铝 电解 ｉ ２
槽用 惰性 可润湿 性 阴极 材 料 ， 以后 经过 研 究 发观 过 渡金属 ， 尤其 Ｔｉ Ｚ 的 硼化 物 以及 碳 化 物 具 有 惰 和 ｒ
性 可润湿性 阴极 材 料所 要 求 的性 能 ， 它们 均 属 于一
来， 随着 材料 科学 与工 程技 术取 得重 大进 展 ， 铝工 业
能效 率 、 节省 电能 。近年 来 ， 界 铝工业 界拟 发展 的 世
一
的润湿性 ， 能抵 挡熔 融 金 属铝 和 氧 化 铝 冰 晶石 熔 盐
210979053_可润湿性硼化钛阴极研究现状
TiB2 惰性阴极在工业试验过程中均达到了预期的目标，电 解槽运行稳定，炉底压降较同比槽降低，原铝质量没有受到 明显影响，原铝直流电单耗降低。然而，从 TiB2 研究文献数 量变化曲线（图 1）上可以看出，2015 年后关于 TiB2 惰性阴 极的研究成果数量明显降低，其工业应用实验和大规模应用 推广也未见报道。究其原因，主要是 TiB2 晶体中 a、b 轴方 向主要由微共价键相连，而 c 轴方向则主要是离子键相连， 故晶体具有强烈的各向异性。导致 TiB2 强度低、韧性低，而 且，最主要的是，在离子键和 σ 键的共同作用下，Ti2+ 和 B均难于发生迁移，因此，TiB2 的原子自扩散系数很低，烧结 性能差，其粉末难以通过加热烧结收缩获得高致密度，良好 机械性能的 TiB2 材料 ；其次，TiB2 价格昂贵，随着电解槽 容量的增加，使用 TiB2 惰性阴极的成本逐级增加 ；TiB2-C 涂层技术主要是 TiB2 碳胶涂层的粘结剂在铝电解过程中容 易与铝反应生成碳化铝，最后导致 TiB2 颗粒脱离，而采用非 碳阴极材料与碳阴极相比没有明显的优势 ；至于 TiB2/C 复 合阴极，电解后发现粘结剂碳化后结焦容易与铝反应在阴极 界面处形成碳化铝，导致 TiB2 颗粒脱落，复合阴极材料的孔 隙度增加，加剧钠的渗透膨胀，从而发生内部膨胀变形等导 致材料断裂等。缩短阴极的使用寿命。无论是技术方面，还 是成本方面均存在问题 。 [16-18]
图 1 描述了国内某数据库中以 TiB2 惰性阴极为主题的 研究文献数量变化曲线。从图中可以看出国内关于 TiB2 惰 性阴极的起步较国外至少晚 30 年，但至 90 年代末关注度明 显增加，主要是上世纪九十年代，国内多家铝厂与科学院所， 高等院校合作相继开展了 TiB2 碳胶涂层阴极和 TiB2/C 复合 阴极两个方向的研究及工业应用试验。
《TiB2与Al基复合材料的制备与性能研究》
《TiB2与Al基复合材料的制备与性能研究》一、引言随着现代工业的快速发展，复合材料因其独特的物理和化学性能，在航空航天、汽车制造、电子信息等领域得到了广泛应用。
TiB2作为一种具有高导电性、高热稳定性和优良机械性能的材料，与Al基复合材料相结合，能够显著提高复合材料的综合性能。
本文旨在研究TiB2与Al基复合材料的制备方法及其性能，为相关领域的应用提供理论依据和技术支持。
二、TiB2与Al基复合材料的制备1. 材料选择与预处理选择高纯度的TiB2粉末和Al基体材料。
对TiB2粉末进行干燥、过筛处理，以去除杂质；对Al基体材料进行表面处理，以提高其与TiB2的界面结合力。
2. 制备方法采用粉末冶金法，将预处理后的TiB2粉末与Al基体材料混合，通过热压烧结、热等静压等方法制备TiB2与Al基复合材料。
在制备过程中，控制温度、压力、时间等参数，以保证复合材料的致密性和性能。
三、TiB2与Al基复合材料的性能研究1. 密度与孔隙率通过阿基米德排水法测量复合材料的密度，计算孔隙率。
结果表明，制备的TiB2与Al基复合材料具有较高的致密性，孔隙率较低。
2. 硬度与耐磨性采用维氏硬度计和磨损试验机对复合材料的硬度与耐磨性进行测试。
结果表明，TiB2的加入显著提高了Al基复合材料的硬度与耐磨性。
3. 力学性能通过拉伸试验、压缩试验等方法，研究复合材料的力学性能。
结果表明，TiB2与Al基复合材料具有较高的抗拉强度和抗压强度。
4. 电学性能采用四探针法测量复合材料的电导率。
结果表明，TiB2的加入提高了Al基复合材料的电导率，使其具有更好的导电性能。
四、结论本文研究了TiB2与Al基复合材料的制备方法及其性能。
通过粉末冶金法，成功制备了致密性高、性能优良的TiB2与Al基复合材料。
实验结果表明，TiB2的加入显著提高了Al基复合材料的硬度、耐磨性、力学性能和电学性能。
因此，TiB2与Al基复合材料在航空航天、汽车制造、电子信息等领域具有广泛的应用前景。
惰性阳极和阴极可湿性用于铝电解槽的经济学
铝电解槽使用惰性阳极和可湿性阴极的经济性在冶炼厂必须推测惰性阳极和可湿性阴极技术成本的影响，因为这样的技术还没有被商业化。
即便如此，一些宽泛的结论可以得出关于惰性阳极在改造和新建冶炼厂的经济价值。
研究表明，加装惰性阳极现有的预焙槽生成经济效益不足以证明这是客观的。
槽提供了潜在的阴极，只要该槽寿命大于超过三年，它节约了能源提高了生产。
双方惰性阳极和阴极可湿性价值材料将要求其在垂直使用电极结构，操作的成本，特别是资金成本，预期是显著的。
垂直电极单元将要求惰性电极表面的磨损率小于每年约5mm，在经济上和技术上可行的，远小于具有迄今有报道。
简介一段时间后，铝电解槽惰性阳极产生的氧气而不是二氧化碳已经宣布，而经济效益在很大程度上来自一个非自耗阳极。
因为最近的报道提出了在不久的将来惰性阳极和泄流式电解槽技术有可能实现商业化，所以仔细看看这些经济潜力技术是必要的。
这项研究的操作比较使用传统冶炼厂成本碳阳极与使用惰性阳极或可湿性阴极技术有什么差别。
在这些技术没有被商业应用之前，推断惰性阳极和可湿润性阴极的性能水平是必然的。
经济分析是有用的，然而，在澄清的关键技术障碍和性能目标要从改造或新建设计的经济利益实现应用。
在关键技术参数允许的情况下，敏感性分析是对进行的的各种的经济可行性技术的大致判断。
考虑的情况是惰性阳极槽和排水阴极改造相结合，在新设计的垂直电极槽上应用。
惰性阳极设计阳极组合物和方法制造研究是基于美国专利5865980，1999年2月分配到美国铝业公司。
该阳极包含铜，银，是在受控气氛中烧结通过冷等静压该粉末状的混合物形成的镍- 铁素体的金属陶瓷。
选择改造阳极形状的电解槽将取决于许多因素，例如1实现高电活性表面面积重量比的金属陶瓷，尽量减少材料成本。
2通过实现最小磨损均匀的电流密度过电活性表面，连同均匀的释放气泡。
特别是局部区域磨损率必须避免，因为他们将确定整个阳极块。
3机械和热机械强度。
4保护电气连接对槽阳极的攻击。
铝电解槽侧壁材料的研究现状
导致表层炉帮熔化，使得Si3N4结合SiC材料宜接与 高温熔融电解质接触,这也加剧了其被侵蚀的程度O 李世斌等研究了並叫结合SiC材料的耐电解质腐 蚀性能。实验结果表明试样在与熔融电解质和气体 同时接触的三相区域(气-固-液)被电解质侵蚀的比
较严重。张广荣等页将Si3N4结合SiC浸入熔融冰晶 石基电解质中，在1 000 °C保温4 h后，测试腐蚀试 样在腐蚀前后的质量和外观尺寸的变化。这些研究
较好，并且其价格仅相当于自结合SiC材料的1/10~ 1/7。在1993年,国外开始使用晁叫结合SiC的作为 铝电解槽侧壁材料。国内于2001年也在230 kA试验 槽上进行了试验，取得了较好的效果。经过实践的证
明之后，铝电解槽通常使用晁叫结合 SiC材料作为 侧壁材料。
2.2.1 Si^结合SiC复合材料制备 Si3N4结合SiC材料的制备方法主要有燃烧合成
在非氧化气氛下,碳素材料具有高的导热率、较 好的抗热震性，并且不润湿熔融电解质和不会降低
• 84 •
.山酉肖金 E—mail:sxyjbjb@
第44卷
高温强度等优良性能。加之其在铝电解工艺中会在 表面形成一层凝固电解质（保护性炉帮）,这样碳素 材料就可以满足铝电解槽用侧壁的要求，电解槽的
稳定运行也就能得到保证。但是铝电解一般在960 °C 的高温下运行，高温氧化性气体容易将炭素材料氧
化。例如Ficke®的氧 化程度更加严重。另外,铝电解槽侧壁材料的选择还 与槽型有关，在电解槽大型化之前，碳素材料基本能 满足铝电解槽对侧壁的要求。随着铝电解工业技术 的迅速发展，大型中间点式下料铝电解槽在国内广 泛推广应用。碳素侧壁难以满足这种电解槽对侧壁 的要求。其主要原因如下叫
置。铝电解槽主要构成部分是阳极钢棒、炭阳极、导 电母线、底部碳阴极和绝缘侧壁等切。侧壁是铝电解 槽不可缺少的组成部分，_方面是由于它被用作盛 置电解质和熔融铝液容器，另一方面侧壁起着保护 钢制金属外壳免受电解质熔体的侵蚀。因此侧壁工 作状况很大程度上决定了电解槽的使用寿命。更为 关键的是，侧壁炉膛的形状规整性对铝电解生产过 程中电流效率影响很大，从而宜接影响着铝电解技
熔盐电镀制取铝电解用TIB2惰性阴极
收稿日期：2004-01-02基金项目：国家重点基础研究与发展规划项目（G 1999064903）；·第25卷第9期2004年9月东北大学学报（自然科学版）Journal o f Nort heastern U ni versit y （N at ural S cience ）V o l.25，No.9S e p !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.2004文章编号：1005-3026（2004）09-0873-03熔盐电镀制取铝电解用T i B 2惰性阴极徐君莉，石忠宁，邱竹贤（东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110004）摘要：采用熔盐电解法在碳阴极上电镀T i B 2铝电解用惰性阴极材料，电解温度800C ，电解质组成（质量分数，%）为KC l 4.8，KF 55.7，K 2T i F 615.3，KBF 424.2，电流密度为0.3A ／c m 2，电解3h ·对制得的镀层做XRD 和EM P 电子探针形貌分析，实验结果表明，镀层成分为单一的T i B 2，无杂相·镀层厚度可达0.2mm ，表面平整，分布均匀，与碳基体结合良好，且有金属光泽·说明该电解条件下，T i 和B 能够在阴极上共沉积并生成T i B 2·关键词：铝电解；惰性阴极；熔盐电镀；T i B 2涂层中图分类号：T F 821文献标识码：A现在工业铝电解槽的槽破损主要是阴极碳块的破损，这主要是目前铝电解槽的阴极是碳阴极，它虽能够较好地满足铝电解生产的需要，但由于碳对铝液的湿润性不好，使冰晶石熔体，尤其是其中的钠浸入碳块，促使碳阴极体积膨胀甚至产生裂缝，导致电解槽破损［1，2］·另外，电解质还可能渗漏至阴极钢棒，致使阴极产品铝中含铁量升高，降低产品质量·近年来T i B 2被公认为是较为合适的可代替碳阴极的材料［3!5］，因为T i B 2在铝中溶解度很小，具有良好的导电性和热稳定性，对铝液有良好的湿润性，能有效防止电解质熔体和钠的侵蚀［6，7］·T i B 2阴极表面不易生成沉淀或结壳，这不仅能使炉膛比较规整，使电流分布均匀，减少磁场对铝液的扰动，减缓二次反应过程，提高电流效率，也能改善铝的质量·炉底沉淀和结壳的减少，使得炉底电压降较低，降低了生产能耗·如果它能和惰性阳极配合使用，则可以进一步降低极距，降低电耗，提高电流效率［8!10］，使铝工业工艺获得重大突破·生产铝电解工业用T i B 2阴极的方法主要有：熔盐电解法、固相反应法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法·除了熔盐电解法外，其余几种方法生产纯度高的二硼化钛，成本甚高；因此往往采用在碳阴极上电镀T i B 2层作铝电解用惰性阴极，况且此项技术工艺过程简单，涂层费用低，能满足经济效益的要求［11］·国外对T i B 2涂层的研究比较深入，但目前也还没有在工业上得到完全应用·国内相关研究工作主要集中于东北大学、中南大学等高校，与国外水平相近·本文在前人的研究基础上对熔盐电解T i B 2工艺进行了进一步实验研究，希望能改进硼化钛涂层技术·1实验本文采用熔盐电镀法制取铝电解用T i B 2阴极·实验所用的装备如图1所示·图1熔盐电镀制取T i B 2阴极装置图F i 9.1Ex P e ri ment a l se tu P f o r e l ec tr o P l ati n 9T i B 2coati n 9实验中采用垂直方式电解，为了提高阳极电流密度，在碳阳极侧部套上刚玉套，避免电流从阳极侧部流过·本实验所用的电解质组成（质量分数，%）为Kc l4.8，KF55.7，K2t i F615.3，KBF424.2，均为化学纯·电解温度为8 C，电解时间为3h，电流密度为.3A／c m2·实验前预先把电解质烘干·氟化钾的烘干方法为：先把氟化钾加热到13 C时恒温24h，然后将其与NH4HF2按1I4质量混匀，在2 C恒温2h后，在45 !5 C下恒温3h·实验中观察到从炉中冒出白烟，直到白烟消失为止·其他的电解质均在2 C下烘干4h·电解过程中定时加入K2t i F6，KBF4以维持t i F2-6和BF-4的活度·2实验结果与讨论2.1槽电压与电解时间关系本实验中槽电压与电解时间关系如图2所示·图2槽电压与电解时间关系图F i9.2The r e l ati onshi P be t ween ce l l vo l t a9eand e l ec tr o l y ti c ti me从上图中可以看出，电解过程槽电压比较稳定，说明电解过程反应恒定·电镀实验后，发现t i B2镀层表面平整，有金属光泽·2.2镀层形貌分析对镀层表面作了电子探针形貌分析，如图3a；图3b为镀层中的钛的面分布图；图3c为碳基体和t i B2镀层界面形貌图·图3T i B2镀层形貌分析F i9.3Mo r P ho l o9y o f T i B2coati n9（a）—镀层表面；（b）—钛的面分布图；（c）—碳基体与t i B2镀层界面·从图3可以看出：镀层中钛含量的分布比较均匀，镀层比较致密，镀层的厚度约为.2mm·2.3XRD分析结果对镀层进行XRD成分分析，结果如图4所示·从XRD分析结果来看，镀层成分单一，均为t i B2·电解过程在电解槽中可能发生的反应有：t i F2-6+4e!-t i+6F-，!"=-1.19V；BF-4+3e!-B+4F-，!"=-1.6V；K++e!-K，!"=-2.924V；N a++e!-N a，!"=-2.714V·在此电解质体系中，从上述各物质的析出电位看，t i和B的析出电位比K，N a的高，更容易析出·而且t i F2-6和BF-4的分解电压很接近，t i 和B在阴极上可同时沉积出来，进一步反应生成t i B2或t i B·反应式为478东北大学学报（自然科学版）第25卷!G （T i B 2!!!）-461541+92.3T （J ／m o l ）·也有可能是T i （s ）+B （s !!!）T i B （s ），!G （T i B !!!）-302990+82.8T （J ／m o l ）·总反应为T i F 2-6+2BF -4+10e !!!-T i B 2+14F -，或T i F 2-6+BF -4+7e !!!-T i B +10F -·在800C 下，!G （T i B 2!!!）-362503.1（J ／m o l ），!G （T i B !!!）-214145.6（J ／m o l ）·由热力学计算可知：在实验条件下，反应T i F 2-6+2BF -4+10e !!!-T i B 2+14F -更有可能发生，但是并不能排除有T i B ，K ，N a 等在阴极上析出·从XRD 分析结果来看，本实验中没有在镀层中发现T i B ，K 20等杂质，这说明此种电镀工艺条件是比较优良的·3结论（1）熔盐电解制取T i B 2镀层，镀层成分均一，分布均匀，表面平整有金属光泽·（2）电解温度为800C ，电解质组成（质量分数，%）为KC l 4.8，KF 55.7，K 2T i F 615.3，KBF 424.2，在0.3A ／c m 2的电流密度下电解3h ，能得到较为理想的T i B 2涂层·参考文献：［1］邱竹贤·铝电解原理与应用［M ］·徐州：中国矿业大学出版社，1998.274-278（@i u Z X.T heor y and a 11lication o f al u m inu melectrol y sis［M ］.Xuzhou ：Ch i na U n ivers it y of M i n i n g and T echno lo gy P ress ，1998.274-278.）［2］M cleod A D ，~a gg ert y J S ，S adoW a y D R.E lectricalres istivities o f m onocr y stalli ne and p o l y cr y stalli ne T i B 2［J ］.Journal o f Am erican c era m ic s ociet y ，1984，67（9）：705-708.［3］王兆文，孙淑萍，李冰，等·M oS i 2对二硼化钛惰性阴极材料性能的影响［J ］·东北大学学报（自然科学版），1999，20（6）：619-621·（W an g Z W ，S un S P ，L i B ，et al .E ff ects o f M oS i 2add ition on p ro p erties o f t he T i B 2cat hode m aterial ［J ］.Journal o fN ort heastern Uniuersit y （Nat ural s cience ），1999，20（6）：619-621.）［4］Christi n i R A ，D a W less R K ，R a y S P.A dvanced anodes and cat hodes utilized i n ener gy efficient alu m i nu m p 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W as used to detect t he com p os ition o f t he coati n g W it h t he E lectron P robe M icro A nal y zer （EPM ）used f or m or p ho lo gy observation.T he results shoW ed t hat t he coati n g is com p osed o f a s i n g le com p ound ，i .e.，T i B 2W it hout i nclus ions.T he 0.2mm -t h ick T i B 2coati n g is s m oo t h and a pp earsm etallic luster ，es p eciall y it is bonded fir m l y to t he carbon substrate.It is confir m ed t hat T i and B can be co -de p os ited to f or m a T i B 2coati n g on carbon surf ace as an i nert cat hode i n t h is W a y .K e y words ：alu m i nu m e lectro l y s is ；i nert cat hode ；m o lten salt e lectro l y s is ；T i B 2coati n g（R eceiued Januar y 2，2004）578第9期徐君莉等：熔盐电镀制取铝电解用T i B 2惰性阴极。
《TiB2颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接及焊缝金属迁移行为研究》
《TiB2颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接及焊缝金属迁移行为研究》一、引言随着现代工业的快速发展，对材料性能的要求日益提高。
TiB2颗粒增强铝基复合材料因其高强度、轻质、耐腐蚀等特性，在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。
然而，该类材料的焊接问题一直是制约其进一步应用的关键技术难题。
搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding, FSW）作为一种新型的固相连接技术，具有焊接过程无污染、接头强度高等优点，适用于此类复合材料的焊接。
因此，对TiB2颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接及焊缝金属迁移行为的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、TiB2颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接1. 焊接工艺及参数选择TiB2颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接过程涉及多个工艺参数，如焊接速度、旋转速度、焊接压力等。
这些参数的选择直接影响到焊接接头的质量和性能。
在实验中，我们通过调整这些参数，探索出最佳的焊接工艺。
2. 焊接接头的微观结构通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段，观察了焊接接头的微观结构。
发现TiB2颗粒在焊接过程中分布均匀，与基体金属结合紧密，未出现明显的颗粒脱落或聚集现象。
三、焊缝金属迁移行为研究1. 焊缝金属的流动与迁移在搅拌摩擦焊接过程中，焊缝金属的流动与迁移是影响接头质量的关键因素。
通过高速摄像技术和数值模拟方法，研究了焊缝金属的流动路径和迁移行为。
发现焊缝金属在旋转力和摩擦热的作用下，沿着特定的路径流动并迁移至焊缝中，形成致密的焊缝结构。
2. 金属迁移与接头性能的关系金属的迁移行为对焊接接头的性能具有重要影响。
研究发现，适当的金属迁移能够使焊缝组织更加均匀，减少缺陷的产生，从而提高接头的力学性能。
此外，金属迁移还能改善焊缝的耐腐蚀性和疲劳性能。
四、结论本研究采用搅拌摩擦焊接技术对TiB2颗粒增强铝基复合材料进行焊接，并对其焊缝金属的迁移行为进行了深入研究。
铝电解惰性阳极材料技术研究进展
铝电解惰性阳极材料技术研究进展发布时间：2022-05-26T02:30:29.448Z 来源：《中国科技信息》2022年第3期作者：王济闻[导读] 惰性阳极铝电解技术对于实现低碳发展具有很好的作用，其较好的优势能够很好的推动其工业化的大力发展王济闻新疆众和股份有限公司新疆 830013【摘要】：惰性阳极铝电解技术对于实现低碳发展具有很好的作用，其较好的优势能够很好的推动其工业化的大力发展，在对其耐蚀层的阳极表面，其有很好的优势，同时对于结构能有较好的优化作用，例如其导电性和耐蚀性能有很很好的优势，对其未来的工业发展有很大的促进作用。
【关键词】：惰性阳极；铝电解；金属阳极；引言通常采用的铝电解技术常常是通过高温下的通过把氧化铝还原成原铝来实现的，这个过程中会产生二氧化碳，同时对于碳素材料的消耗也比较大，同时生产过程中也比较耗能。
对于采用惰性阳极铝电解技术而言，该过程中不会产生二氧化碳和一氧化碳等气，同时节约优质碳素资源。
因此，对于惰性阳极铝电解技术的研究是一项非常有价值的技术，对于实现碳中和具有很好的发展前景。
其中的惰性阳极材料是比较相当重要的核心。
在相关的研究认识中，已经逐渐实现在其工业上的到了相关的应用，大规模的铝电解应用还没能得到大规模的发展推广，对于去进一步的发展研究非常有必要。
1 铝电解惰性的研究特点铝电解技术使用的是惰性不耗阳极材料，在其材料的特殊性和其电解过程中常常采用的是活性碳素阳极，其电解过程中阳级往往产生以C0+2C0为主的气体。
如果使用的是采用惰性阳极时，阳极不参与反应，阳极气体是氧，其产物是不污染的气体，使用的价值比较高。
其具有很多较好的优势特点：第一，能够较好的节约资源，例如碳的节约。
实际过程中大约为0.50～0.6kg左右，采用惰性阳极材料就可以将这些碳全部可节省下来；第二，在提炼在铝冶金中，其产物不会有污染大的气体和其他产物，同时使用的铝电解能源消耗更小，节能更好，平均会降低5～20%左右。
铝电解阴极性能影响分析
液的侵蚀和冲击及各种应力作用而发生 次升高，而Ｆ３＂所具有的费米能级最高。
变形和断裂。当其破损严重时，需要停 较低费米能级的Ｆｌ层结构的炭几乎全部
槽进行大修理。铝电解用碳阴极内衬的 存在于１０００℃的低温环境下，碱金属较
正常使用寿命为４￣５ａ。 二、影响铝电解阴极性能的机理
分析
易插入较低费米能级的炭中并对阴极产 生影响。炭材料的费米能级越低，可插 入碳材料的碱金属量也就越大，阴极性
研究阴极被破损机理、提升阴极抵抗侵蚀的能力、控制并抑制阴极界面反应对于铝电解工业稳定安全高效生产具有重大意义。基于此，文章就铝电解阴极
性能影响进行分析。
【关键词】铝电解槽阴极；界面反应；机理分析；性能
一、铝电解阴极的作用
（２）抵抗碱金属对阴极侵蚀的方
铝电解用碳阴极之上为铝液和电解 法。有许多学者已经研究了在钠冰晶石
三、钠和电解质对阴极炭块的渗
ＮａＦ大量存在于阴极表面，渗透深度会 透机理分析
伴随电解质分子比的升高而升高。钠
近年来，随着对铝电解阴极的深
插入炭阴极的晶格内部形成层间化合物 入研究，对其破坏机理也从单一因素考
Ｃ３２Ｎａ、Ｃ６４Ｎａ等。这些碳钠化合物将导 虑向多因素考虑转变。随着电解铝过程 致碳的晶格层间距增大约５％，使阴极炭 的进行，由碳块砌筑而成的阴极内衬会
１．碱金属向碳素阴极渗透机理及防 能越差。所以，钠与炭反应生成插层化
护
合物的主要原因是Ｆ１层石墨化碳材料结
（１）碱金属向碳素阴极渗透破坏机 构所造成。阴极碳材料的石墨化程度和
理。在铝电解过程中，通过置换反应或 费米能级相一致，当阴极炭材料拥有越
者电解反应在阴极表面生成碱金属，部 低的的石墨化度，其所受热处理的温度
电解铝阳极与阴极优化处理
2
重庆大学硕士学位论文
1 绪论
1ห้องสมุดไป่ตู้2.3 40 年来阳极生产概况及发展趋势
① 阳极生产的发展 阳极生产的发展表现在如下几个方面：阳极原料和阳极测试手段的发展；为 更好理解阳极在 CO2 和空气中的反应机理而对阳极原料进行的研究；有关阳极糊 工艺优化方法的改进；为了更好理解阳极消耗机理而进行的研究；研究阳极和阳 极残极质量对阳极性能的影响；利用振动成型机代替水压机，突破“阳极断面一 平方米”的大关；改进阳极焙烧炉的设计，采用火焰自动控制系统，以提高阳极 的质量和稳定性；统计方法和质量控制系统的应用。 阳极生产的未来发展趋势为：槽容量达到 300～500kA；铝厂标准规模达到 20～40 万 t/a；石油焦钒含量为 300～500PPM；石油焦的各种特性变得更差；获 得煤焦油沥青的难度更大；原材料投资增大；获得资金的难度增加；需要采取“零 污染”方法。 ② 阳极生产中存在的问题 随着工厂规模的不断扩大，原料需求量增大，依赖于一种单一原料供应方式 就不可能满足需要；热冲击造成阳极裂缝现象；在用固体沥青生产阳极时，建立 优良的工作卫生环境十分困难；许多阳极生产厂在废物处理方面存在问题，特别 是在固体废物和水污染方面。 ③ 中国阳极生产的发展 在上世纪 70 年代以前，国内电解铝厂大都采用自焙阳极生产电解铝，70 年代 初郑州铝厂 70kA 预焙电解槽投产，70 年代末抚顺铝厂 135kA 大型预焙电解槽投 产，开创了国内大型预焙阳极生产电解铝的先河；在 80 年代初，贵阳铝厂和青海 铝厂先后引进日本和德国先进的预焙阳极制造技术生产大块预焙阳极供 160kA 电 解槽使用；从 90 年代至今，沈阳铝镁设计研究院开发了 300kA 电解槽，该电解槽 的各项技术指标达到了国际先进技术水平。 ④ 阳极焙烧方面的发展 在阳极焙烧炉性能及规格方面已取得了显著的进步， 炉箱规格由通常的 3m 长 3m 深增加到 6m 长 6m 深；在烟气流量研究方面应用现代手段，使得温度在炉箱 中的分布比以前在小炉箱中要更合理；应用自动火焰控制系统大大降低了每吨阳 极的人力消耗，改善了沥青烟的燃烧，减少了排放物，并延长了耐火材料的寿命。 通常，焙烧炉用 4 个或更多的火焰系统来控制，每个火焰系统的年产量现已达到 5 万吨。一台典型焙烧炉的年产量现在可达到 15 万吨。
TiB2复合材料的研究
TiB2复合材料的研究硼化物陶瓷是一类具有特殊物理性能与化学性能的陶瓷。
由于它具有极高的熔点、高的化学稳定性、高的硬度和优异的耐磨性而被作为硬质工具材料、磨料、合金添加剂及耐磨部件等，由此得到广泛应用。
同时这类材料又具有优良的电性能，可作为惰性电极材料及高温电工材料而引人注目。
近几十年来，世界各国都在加紧研究开发硼化物陶瓷及其复合材料，在硼化物陶瓷材料中，TiB2具有许多优良性能，如熔点高、硬度高、化学稳定性好、抗腐蚀性能好，可广泛应用在耐高温件、耐磨件、耐腐蚀件以及其它特殊要求零件上。
相对其它陶瓷材料而言，TiB2具有优良的导电性，易于加工，性能特别优异而被作为最有希望得到广泛应用的硼化物陶瓷。
1，1 TiB2的结构特点TiB2是具有六方晶系C32型结构的准金属化合物，其完整晶体的结构参数为a=3.028U，c＝3.228U。
晶体结构中的硼原子面和钛原子面交替出现构成二维网状结构，其中B－外层有四个电子，每个B—与另外三个B—以共价键相结合，多余的一个电子形成离域大丌键。
这种类似于石墨的硼原子层状结构和和Ti外层电子构造决定了TiB2具有良好的导电性和金属光泽，因而可以采取电加工的方法对其进行成型；而硼原子面和钛原子面之间的Ti—B离子键决定了这种材料具有较高的熔点、高硬度、优良的化学稳定性。
但在TiB2晶体中，这种a、b轴为共价键，c轴为离子键的特性也导致了其性能的各向异性。
在TiB2材料的制备过程中，这种各向异性会导致晶体生长出现择优取向，从而随着晶粒的长大，材料中的残余应力加大，导致大量的微裂纹产生，使材料的机械性能下降。
同时在离子键与口键的共同作用下，Ti+与B-在烧结过程中均难发生迁移，因此TiB2的原子自扩散系数很低，烧结性很差。
1．2 TiB2的导电性TiB2最突出的优点是具有良好的导电性，具有像金属一样的电子导电性以及正的电阻率温度系数，而且优于金属Ti的导电性。
常温下，它的电阻几乎可以与Cu相比，这使它能够弥补大部分陶瓷材料的不足，是一种重要的电子陶瓷材料。
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《 陶瓷学报》
Ｊ ０ＵＲＮ ＡＬ ＯＦ ＣＥ ＲＡＭ Ｉ ＣＳ
Ｖ０ ． ２ Ｎｏ ３ １３ ． ． Ｓ ｐ ２ １ ｅ． ０ １
文章编 号 ：０ ０ ２ ７ （０ １０ － ４ １ ０ １０ — ２ ８ ２ １ ）３ ０ ９ － ５ －
碳块 ， 抗铝液的冲蚀 Ｉ能也不如无定型碳质碳块 。 生
威， 加拿大等国家对 ＴＢ 涂层的研究相当深入。 ｉ 美国
（） ３石墨化碳块具有比半石墨化和半石墨质碳块
更好的导电、 抗钠和电解质渗透性能 。 但抗压强度太 化生产时， 很少被铝厂选用。 目 前国内生产的铝电解槽用阴极碳块 ， 大多是以
在铝 电解槽中上述各种阴极碳块各有优缺点：
（） １无定型碳质碳块 ， 机械强度大 ， 抗铝液的冲蚀
且原料便宜 ， 生产成本低 ， 价格便宜。 缺点是 极 内部 ， 电解质对碳素 阴极的侵蚀 ， 造成 最终导致 电 性能好， 抗钠和 电解质的腐蚀 ｌ能差 。在铝电解槽上 生 解槽阴极破损 ， 被迫停炉检修和更换阴极 ， 造成很大 电阻大，
通讯联系人 ： 民， － ｉ ｗ ｎ ｗ ｈ ｔ ｉｃｍ 王为 Ｅ ｍａ ： ａ ｇ ｍ＠ ｏ ｌｏ ｌ ｍａ ．
（） ２半石墨化和半石墨质碳块 的性能相似 ， 它们
的抗钠和抗 电解质的腐蚀性差 ， 导电特 陛都大大好于
无定型碳质碳块 。 其缺点是抗压强度低于无定型碳质
《 陶瓷学报） ０ １年第 ３期 ） １ ２
素材料消耗和环境保护方面取得了长足的进步【 ｌ ｌ 。但
（） ３ 半石墨化碳块 ： 在其整块中（ 包括骨料碳和黏
含有可石墨化 的材料 ， 已经在 ２０￣左右受过 ３０ Ｃ 是依然存在许多缺点 ： 能耗较高 ， 碳素阳极消耗大 ， 产 结剂 ） 物污染环境 ， 碳素阴极易受铝液侵蚀等。生产一吨铝 热处理。 要耗能高达 １００ １００ｗ ， ３０—５０ｋ ｈ 消耗 ４０６０ｇ ５～０ｋ 优质
南大学等高校 ， 与国外水平相近。
Ｌｒ ． ｏ ａ 等人㈣测试了在电解条件下 ＴＢ ａ ｙ Ｂ ｘｌ ｒＧ ｌ ｉ２ 阴极涂层的润湿性 ，发现涂层中 ＴＢ 的含量为 ２ ％ ｉ ０
电煅无烟煤为基本骨料 ， 添加 ３ ％ ０ 左右的石墨碎 ， 与 煤沥青混合后经焙烧而成的半石墨质材料。 这种阴极
的研究现状 。
关键词 铝电解 ；ｉ。 ＴＢ ； 惰性阴极
中图分类号 ： Ｑ１ ４７ 文献标识 码 ： Ｔ ７ ．５ Ａ
１ 电解铝 传统碳 素 阴极
０ 前 言
根据铝 电解 用碳 阴极材料可将碳块分为以下 ４
４ １ 随着世界能源 日趋紧张和环境保护要求 日益严 种 ［： （） １无定形碳块 ： 其骨料碳没有或者只有一部分 格， 铝电解工业的高能耗和环境污染问题愈来愈受到
碳素材料 ， 并且排放出大量 ｃ ２ Ｏ 气体 ， 此外 ， 由于
铝液不能润湿碳素阴极 ， 不仅导致极距上升 ， 耗电量 巨大 ， 而且在 电解过程 中骨料被 石墨化 ， 而碳块（ 黏结
剂焦 ） 仅加热到正常的焙烧温度（ １０ ￣ 约 ２０ ｏ Ｃ
电解 铝用 ＴＢ 惰性可润湿性 阴极材料 的研究现状 ｉ２
费俊 杰 王为 民 傅正义 王 皓
（ 武汉理工大学材料复合新技 术国家重点实验 室， 湖北 武汉 ４０７） ３００
摘 要
ＴＢ 能被铝液良好润湿， ｉ 而且还耐熔融铝液和冰晶石熔体的侵蚀， 熔点高， 导电率高。 本文简要介绍了传统电解铝阴极材料的 发展现状以及新型 Ｔ ｉ 惰性阴极材料的作用机理及优点， Ｂ 系统叙述了国内外关于 Ｔ 。 ｉ 涂层阴极、ｉ Ｂ ＴＢ 陶瓷阴极、ｉ 基复合阴极 ＴＢ
Ｍｏｅｈ ｌｃ 公司， ｔ 澳大币亚 Ｃ ｍ ｌ 公司， Ｊ ｌ ｏ ａｏ ｃ 荷兰Ｈ ｏｏ ｅｓ ｏｇ ｖｎ
公司均采用 ＴＢ 涂层工艺 ， ｉ 其配方为 ：０ ＴＢ ，５ ３ ％ ｉ ％ ２ 极涂层的主流 。 我国的研究主要集 中于东北大学 、 中
低， 抗铝液的冲蚀性能差 ， 且价格太高， 除了电解槽强 树脂胶 ，５ 碳粉 ， ４％ 此涂层是当前工业化应用 ＴＢ 阴 ｉ
的经济损失 。 近年来 ， 国内外铝工业界一致认 同采用 使用 ， 炉底 电压降高。
惰性阳极和惰性可润湿性阴极可有效克服传统 电解 铝的缺点， 提高生产率 ， 达到节能环保的目标 ， 实现铝
工业的重大革新。
收稿 日期 ：０１０— ９ ２１—４ １ 基金项 目： 教育部 Ａ 前瞻计划项 目（ ３ 编号 ：０２１００ ） ５８１４３８
极大的重视 ， 已成国际铝业界关注的焦点。传统电解 铝工业一直沿袭使用的是 Ｈ ｌ Ｈ ｒ ｌ电解制铝法 ， ａ— ｅ ｕｔ ｌ ｏ
被石墨化过 ， 碳块焙烧到约 １０ ℃。 ２０ （） ２ 石墨化碳块 ： 在其整块中（ 包括骨料碳和黏结
含有可石墨化的材料 ， 已经受过热处理 （００ ３０ ℃） 此方法经过 １０ ０ 余年的发展和不断完善 ， 在提高电流 剂 ） 其骨料是石油焦。 效率， 延长槽寿命 ， 提高生产操作 自动化程度 ， 降低炭 而得到一种石墨质材料。
化铝 ， 后者易溶于高温氟化物熔盐从而导致 电流效率
低。 并且现行铝 电解槽中必须存 留 １ ０ｍ的熔融 ９ ３ｃ
由于阴极与熔融金属铝不润湿， 碳素可与铝液生成碳
电阻率高 、 热导率低 ， 使用寿命短 、 经济效益差 。 而 （ 质量分数） ，０ 时 ９ ％的涂层表面能为铝液润湿 ；ｉ ＴＢ的
含量为 ３ ０ 质量分数） ５ ６ ％（ ，涂层具有 良好的铝液润
湿性 ； 通电电解可加速铝液润湿 。 ｉ ａ ｉ ， ａ ｌ Ｘａ ｎ ａ Ｈ ｒｄ ｎ Ｌｏ ａ Ａ Ｏ ｅ习 ． ｙ［ 研究了 ＴＢ 涂层阴极的抗钠膨胀性 ， ｉ 结果表