Введение к работе
Актуальность темы. Производство алюминия является одной из ведущих отраслей металлургии. Перед наукой в этой области стоит ряд серьезных вопросов: процесс электролиза требует огромных экономических затрат, связанных с большим потреблением электроэнергии и углеродных компонентов. Особую остроту приобретают экологические проблемы загрязнения окружающей среды оксидами углерода СО, СОг и канцерогенными углеводородами — продуктами горения угольно-графитовых анодов в технологическом процессе.
Решением связанных с этим проблем занимаются как у нас в стране, так и за рубежом. Поиск ведется в основном, в области создания новых материалов, и, в частности, в направлении замены существующих углеграфи-товых анодов на так называемые несгораемые или «инертные», «нерасхо-дуемые». Проблема несгораемых анодов многогранна, но материаловедче-ский аспект является определяющим, т.к. вследствие весьма тяжелых условий работы (высокая температура, агрессивный фтористый электролит, контакт с выделяющимся кислородом) трудно создать анодный материал, не загрязняющий готовый продукт, длительно стабильный и экономически целесообразный. Решение этой задачи позволило бы повысить эффективность технологического процесса и сделать его экологически чистым.
Работы, начатые в нашей стране в 30-е годы и проведенные позже рядом зарубежных и российских авторов, показали, что перспективными для таких анодов являются композиционные материалы на основе оксидов с дисперсными металлическими включениями (керметы). Класс керметов включает в себя композиции на базе тугоплавких оксидов, карбидов, нитридов и металлов, используемые в технике в качестве конструкционных материалов. Однако применение керметов в качестве электропроводящих и коррозионно-стойких материалов началось лишь недавно.
Помимо известных керметных композиций на основе феррита никеля NiFe204-18NiO-17Cu (мас.%) в качестве возможных претендентов на материал анода предложены керметы Cu20-Cu на основе закиси меди или CuA102-Cu. Такие материалы содержат только один химический элемент, способный загрязнять катодный алюминий и этим, наряду с относительно низкой стоимостью, выгодно отличаются от более сложных составов. Это малоизученные материалы, сведения о физических свойствах которых отрывочны и скудны, в то время как именно физические характеристики в большой степени определяют служебные свойства кермета как анодного материала. Весьма слабо указанньге керметные системы исследованы и в технологическом отношении. Изучению основных служебных свойств вышеназванных композитов и посвящена данная диссертационная работа.
Целью диссертационной работы явилось создание составов керметных композиций на основе феррита никеля или закиси меди с добавлением
металлической меди для анодов, изучение свойств и разработка технологии их производства
В связи с этим, в задачу работы входило:
исследование физических свойств материалов (механических, электрических, теплофизических), их микроструктуры, выявление их взаимосвязи с технологическими факторами при создании на этой основе анодов с необходимыми характеристиками;
отработка этапов технологической схемы по изготовлению образцов анодов;
изготовление образцов анодов и их лабораторно-производственные испытания.
Методика исследований.
Для изготовления образцов материалов использовали методы порошковой металлургии. Дисперсионный состав порошковых компонентов контролировали методом седиментационного анализа. Механические свойства керметов изучали на установке ИГД СО РАН (г. Новосибирск) динамическим методом составного стержня Гопкинсона. Электропроводность образцов измеряли стандартным мостовым методом, а теплопроводность - с помощью измерителя ИТЭМ-1М методом стационарного теплового потока. Основное количество микроструктурных данных получено на электронном сканирующем микроскопе Superprob-733, имеющем рентгеновский микроанализатор.
Научная новизна. Отработаны технологические схемы изготовления образцов материалов методами порошковой металлургии:
установлены количественные зависимости основного показателя - пористости - для прессовок и готовых образцов от давления прессования, температуры и продолжительности спекания;
определены оптимальные условия получения материалов с требуемыми физико-химическими характеристиками.
Экспериментально изучены и теоретически объяснены физические свойства керметов изучаемых составов:
установлена зависимость физических свойств керметов от параметров отдельных стадий технологического. процесса, даны теоретические обоснования поведения физических характеристик материала при различных условиях производства;
впервые выявлена зависимость электропроводности изученных оксидно-металлических керметов, как материалов с резко неоднородными фазовыми составляющими, от величины пористости при переменном соотношении фаз.
Выполнено систематическое исследование физических свойств и технологического поведения керметов состава Ci^O-Cu, изготовленных по восстановительной технологии.
Практическая ценность полученных результатов:
выявлены наиболее перспективные для анодов составы керамико-металлических композиций с применением оксидов железа, никеля и меди;
накоплен технологический опыт производства анодов, изготовление которых сопряжено с проблемами окисления материала и термическими напряжениями в массивном образце;
установлены технологические закономерности, позволяющие варьировать конечные свойства материалов изменением параметров подготовительных стадий и стадий производства;
изученные классы керметных композиций показали свою работоспособность в качестве анодного материала; они могут быть использованы как основа для дальнейшей конструкторской и технологической разработки несгораемого анода для более экологически чистого процесса электролиза алюминия.
В диссертационной работе автор защищает:
результаты экспериментального изучения технологического поведения и физических свойств порошковых композиций (механических, электрических, теплофизических), микроструктурных исследований;
теоретические обоснования полученных зависимостей и взаимосвязи физических и служебных свойств, а также процессов, происходящих в образцах при изготовлении и эксплуатации.
Достоверность результатов подтверждена совпадением полученных данных с результатами других авторов, а также использованием известных и проверенных методик измерений.
Апробация работы. Результаты работы представлены и обсуждены на Powder Metallurgy World Congress 98 (Spain, Granada, 1998), на IV Всероссийской конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (Красноярск, 1998), на V Всероссийской конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (Красноярск, 1999), на V Российско-китайском международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии» (Байкальск, 1999).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех основных глав, выводов и списка цитируемой литературы 111 наименований. Она изложена на 165 страницах машинописного текста, включает 7 таблиц и 51 рисунок.