惰性阳极基体材NiFe2O4尖晶石的研制2.doc

惰性阳极基体材料NiFe2O4尖晶石的研制 罗丽芬1 杨振海1 茹红强2 （1．中国铝业郑州研究院 河南 郑州 450041； 2．东北大学材料与冶金学院 辽宁 沈阳 110004） 摘要：本文用Ni2O3 和Fe2O3为原料制备了惰性阳极基体材料NiFe2O4尖晶石，详细介绍了整个制备过程，通过真密度、开口孔隙率以及NiFe2O4尖晶石的含量等重要指标进行研究比较，最终得出了制备NiFe2O4尖晶石最佳工艺条件，并用最佳配比重新制取试样进行热腐蚀实验。 关键词： NiFe2O4尖晶石 惰性阳极 真密度 开口孔隙度 1导论 1886年Hall和 Herout分别申请了电解氧化铝—冰晶石熔体生产金属铝的专利，从而奠定了被称为Hall-Herout炼铝法基础。 Al2O3（S）+3/2C（s）=2Al+3/2CO2 （1） 如果按电流效率100%（即阳极气体全部为CO2）计算，并假设阳极含碳量为100%，理论上每吨铝耗碳333kg，而实际碳耗远远大于此，占原铝生产成本的5-20%【1】。 当使用惰性阳极时，阳极材料不参与反应，阳极气体为O2，电解反应为： Al2O3（S）==2Al（l）+3/2O2（g） （2） 惰性阳极材料的应用有两大优势【2】，一为经济方面，二为环保方面。在经济方面，取代了碳素阳极而节省大量优质碳素材料，节省更换电极的劳动力成本，可降低电极的极距特别是如果同时使用惰性阳极和惰性阴极，可大大减少电解铝生产的能耗。同时，氧气作为电解铝过程中阳极的副产品，其经济效益可达电解铝生产效益的3%。在环保方面，惰性阳极的使用，可以根除产生温室效应的CO2气体，以及电解铝过程中的其它有害气体，如CF4，C2F6等的排放。从而有利于电解铝生产操作的工人健康和国家环保方面的要求。 因此，将惰性电极材料应用于生产中去，势必会对电解铝生产技术的进步和提高其经济效益具有重大意义。 一百多年来，关于惰性阳极研究工作冷热相间，每每出现能源短缺或铝市场不好等困难时，惰性阳极的研究就出现高潮，一直至今。由此可见，惰性阳极研究对于铝电解发展的重要性。1981年，K．Billehang 和H.A.Φye对1980年以前的工作进行了总结【3】，他们将已有的研究成果按所选材料分为四类。即： （1）耐热硬质合金阳极（Refractory Hard Anode， RHM） （2）气体燃料阳极（Gasous Fuel Anode） （3）金属阳极（Metal Anodes） （4）氧化物阳极（Oxide Anodes） 2 NiFe2O4尖晶石的制备 本文的工作是以Ni2O3 和Fe2O3为原料，制取惰性阳极用的NiFe2O4尖晶石。通过正交实验设计，得出Ni2O3 和Fe2O3的配比，试样的烧结温度和烧结时间对形成NiFe2O4尖晶石的含量、密度和开口孔隙度的影响情况，从而找出最佳合成NiFe2O4尖晶石的方案。 在实验之前，查阅了一些相关资料【4，5，6】后，定出下面的三因素三水平表。 表1 因素水平表 因素 水平 配比（摩尔比）Ni2O3 ：Fe2O3 温度（0C） 时间（小时） 1 2：1 1250 3 2 1.5：1 1300 6 3 1：1 1350 9 2.1 混料 按照三个配比，将各原料在天平上称量后配成编号为1，2，3的三种料。用高能球磨机混料，因为转速较高且原料粉较细，因此采用湿混，液体介质为水，其作用是产生能降低物料强度的吸附效应，湿混还可以使组元更均匀地分布。球磨两小时后取出糊状料置于盘内，于烘箱内烘干。 2.2 研磨与压制 由于混合料由糊状烘干而成，故结成块状，先在研钵里研磨成细粉后加入聚乙烯醇作为粘结剂，再次研磨，使混合料和聚乙烯醇混合均匀。研磨好的混合料过30目筛子、造粒，用天平称量15克混合料，在60吨万能液压机上压成直径为30mm的圆形试样，压制压力为200MPa，每种配比压9个样，每小组为3个样，将压制好的试样放入烘箱内烘干。 2.3烧制 决定烧结试样的密度、合成好坏的因素主要是配比、烧结温度、烧结时间和烧结时的压力。我们拟采用冷压成形—-常压烧结法，则密度只取决于配比、烧结温度和烧结时间，其中烧结温度更重要。根据陶瓷的烧结原理，氧化物的烧结温度应稍高于其泰曼温度。而氧化物的泰曼温度约为其熔点的0.5～0.8倍【7】。故Ni2O3 和Fe2O3的烧结温度选在1300℃附近。 综上所述，制备NiFe2O4尖晶石工艺流程如下图1所示： Fe2O3粉 水 Ni2O3粉 高能球磨机球磨混料 烘干 研磨 加粘合剂混匀 筛分 压制成型 烘干 烧结 图1制备NiFe2O4尖晶石的