Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Металловедение и термическая обработка металлов

Диссертационная работа:

Дроздова Татьяна Николаевна. Изучение закономерностей и моделирование разрушения поверхности никелевых сплавов с целью повышения стойкости анодов в высокотемпературных кислородсодержащих расплавах : дис. ... канд. техн. наук : 05.16.01 Красноярск, 2006 156 с. РГБ ОД, 61:07-5/1464

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

1 ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНЕРТНЫХ
АНОДОВ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ 9

  1. Теория электролитического получения алюминия 9

  2. Инертные материалы, используемые для производства анодов электролизера 11

  1. Использование керамических материалов для производства анодов 13

  2. Использование керамико-металлическихматериалов для производства анодов 17

  3. Использование металлических материалов для производства анодов 21

1.3 Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость и
жаростойкость никелевых сплавов 26

  1. Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость никелевых сплавов 27

  2. Влияние легирующих элементов на жаростойкость никелевых сплавов 28

1.4 Коррозионно-электрохимическое поведение сплавов на основе никеля
33

  1. Межкристаллитная коррозия , 35

  2. Питтинговая коррозия 36

1.5 Влияние окисления на целостность и свойства материала 37

  1. Природа прогресса окисления 38

  2. Окисление сложных сплавов на никелевой основе , 41

1.6 Защита никелевых сплавов от окисления 46

  1. Способы защиты от окисления , 46

  2. Процессы нанесения покрытий 48

  3. Поведение покрытий при высоких температурах 48

  1. Термодинамический анализ системы "конструкционный материал -расплав фторидных солей" 49

  2. Выводы и постановка задач исследований 51

2 МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБОРУДОВАНИЕ
53

  1. План экспериментальных исследований .-....53

  2. Материалы для изготовления инертных металлических анодов 54

  3. Технология и оборудование для получения экспериментальных анодов 54

  1. Технология и оборудование получения экспериментальных металлических анодов 54

  2. Технология и оборудование получения интерметаллидного покрытия на основе никеля и олова 55

  1. Оборудование и параметры испытаний анодов при высокотемпературном электролизе 55

  2. Методики исследования химического состава в микрообъемах и микроструктуры металлических анодов 57

  3. Методика проведения математического планирования эксперимента..58

  4. Оборудование и методики исследований качества покрытий, полученных на аноде из никелевого сплава 61

2.7J Оборудование и методика рентгенофазового исследования 61

2.7.2 Оборудование иметодика измерения микротвердости 61

2.8 Разработка методики по определению характеристик жаростойкости
металлов и сплавов 61

  1. Определение глубины равномерной коррозии металла 63

  2. Определение средней скорости проникновения коррозии в металл ...65

  3. Определение удельной потери массы металла и средней скорости потери массы металла 65

3 ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ АНОДОВ ИЗ
НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО
ЭЛЕКТРОЛИЗА 67

  1. Определение характеристик жаростойкости и исследования макроструктуры поверхности анодов после электролиза 67

  2. Исследования микроструктуры поверхности анодов после электролиза 71

  3. Выводы 75

4 ОПИСАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛА АНОДОВ
ПОСЛЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА 77

  1. Микроструктурные и рентгеноспектральные исследования приповерхностной зоны экспериментальных анодов 77

  2. Распределение кислорода, компонентов сплава и электролита по сечению деградационного слоя экспериментального анода 99

  3. Описание механизма анодного разрушения поверхности металлических сплавов в условиях высокотемпературного электролиза 103

  4. Выводы 108

5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ
НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО
ЭЛЕКТРОЛИЗА 110

5.1 Моделирование процессов анодного разрушения поверхности
никелевых сплавов в условиях высокотемпературного электролиза 110

  1. Основные уравнения и расчетные формулы, используемые при моделировании порообразования металлических систем 111

  2. Расчетная программа 112

  3. Моделирование порообразования шестикомпонентного сплава в условиях высокотемпературного электролиза 114

  4. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных моделирования порообразования 118

5.2 Математическое планирование порообразования 122

  1. Анализ системы Ni-Cu-Fe 122

  2. Анализ системы Ni-Fe-Al 123

  3. Анализ системы Ni-Fe-Cu-6 %А1 125

5.3 Выводы 126

6 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ

ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ОЛОВА И НИКЕЛЯ... 128

  1. Разработка технологии получения покрытия на основе интерметалл и дов олова и никеля 128

  2. Изучение анодного материала с покрытием на основе интерметалл и да Ni3Sn2 в условиях высокотемпературного электролиза 134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 143

Введение к работе:

Актуальность работы

В алюминиевой промышленности для электролиза алюминия в качестве анодов используют угольные материалы. Однако их применение сопряжено с рядом недостатков: угольный анод расходуется в ходе электролиза, что приводит к необходимости регулирования положения анода в ходе процесса для поддержания необходимого между полюсного расстояния, используемая технология угольного анода приводит к выбросу в атмосферу вредных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и парниковых газов. Проблемы использования угольных анодов способствовали поиску инертных материалов, которые бы позволили кардинально преобразовать способ электролитического получения алюминия Эру-Холла и улучшить экологичность его производства.

Наиболее реальным направлением, несмотря на некоторые критические оценки, следуют считать создание конструкции инертного анода, которая заменила бы в алюминиевых электролизерах обожженные или самообжигающиеся угольные аноды при принципиальном сохранении существующих катодных устройств. До настоящего времени практически ничего не сообщалось о промышленном использовании инертных анодов, поэтому разработка нерасходуе-мого анода из инертных материалов является важнейшей и приоритетной задачей в области получения первичного алюминия.

В мире проводятся широкомасштабные исследования материалов, которые могут выступать в качестве инертных анодов. В качестве инертных анодов могут применяться керамические, металло-керамические и металлические материалы. Металлические аноды обладают рядом преимуществ: имеют высокую электропроводность, легко отливаются в нужную форму, способны вырабатывать поверхностный оксидный слой в ходе электролиза, который защищает анод от воздействия криолит-глиноземного расплава.

В качестве перспективных материалов для создания инертных анодов могут применяться никелевые сплавы, поскольку никель обладает высокой жаро-

стойкостью и является основой наиболее распространенных в настоящее время жаростойких сплавов, применяемых как конструкционный материал для слабо-нагруженных элементов энергетических установок, для деталей газовых турбин и реактивных двигателей. Однако использование никелевых сплавов в качестве анодов для электролизеров ограничивается агрессивным воздействием электролита на материал анода из-за активного взаимодействия компонентов сплава с составляющими криолит-глиноземного расплава. В литературе отсутствуют сведения о процессах, происходящих при взаимодействии материала анода с расплавом криолит-глиноземного электролита, о механизмах и моделях разрушения анодов в условиях электролиза.

В связи с этим, изучение процессов и закономерностей при разрушении металлических анодов из перспективных никелевых сплавов для выявления путей повышения стойкости при высокотемпературном электролизе и моделирование этих процессов, является актуальной задачей.

Цель работы

Целью настоящей работы является установление закономерностей и механизма разрушения, моделирование деградационных процессов в приповерхностных слоях материала анода из никелевых сплавов для повышения стойкости металлических анодов в высокотемпературных кислородсодержащих расплавах.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

разработать методику по определению характеристик жаростойкости сплавов для количественной оценки коррозионного разрушения металлических анодов после электролиза;

изучить процессы и механизм разрушения материала анода при воздействии кислородсодержащего электролита;

создать модель приповерхностного разрушения сплавов на никелевой основе в условиях высокотемпературного электролиза;

- на основе проведенных исследований выявить пути повышения стойкости анодов и предложить способы создания барьеров на границе анод - кислородсодержащий расплав, разработать защитное покрытие для поверхности металлического анода и испытать его в электролитической ячейке при высокотемпературном электролизе.

Научная новизна работы

  1. Впервые обнаружено новое явление порообразования в металлическом приповерхностном слое анодов из многокомпонентных никелевых сплавов при их коррозионном разрушении.

  1. Установлены закономерности формирования пористой зоны слоя при коррозионном разрушении, свидетельствующие о диффузионной природе ее образования. Показано, что в многокомпонентных никелевых сплавах в условиях электролиза пористая зона формируется при выносе в электролитный расплав компонентов, имеющих высокое сродство к кислороду. Дальнейшей диффузии компонентов сплава из глубинных слоев к поверхности способствует градиент концентрации этих компонентов.

  2. Предложен и научно обоснован новый механизм разрушения анодов из никелевых сплавов в условиях высокотемпературного электролиза, включающий насыщение поверхностной зоны кислородом и образование оксидов с легирующими компонентами анодного сплава, приводящее к их растворению при контакте с электролитом, и образование в этой зоне непрерывных каналов пористости, проникновение по этим каналам вглубь анода расплава электролита; единонаправленный диффузионный вынос компонентов сплава из приповерхностной зоны к поверхности раздела с электролитом с образованием пористости по вакансионному механизму.

4. Показана роль барьерного слоя интерметаллидного покрытия, защи
щающего от проникновения жидкого электролита и кислорода вглубь металли
ческого анода, исключающего образование пористой зоны в приповерхностном
слое.

Практическая значимость работы

  1. Установлено, что поведение при электролизе многокомпонентных никелевых сплавов определяется полученными в исследовании закономерностями коррозионного разрушения поверхности,

  2. Создана программа, которая позволяет моделировать порообразование в приповерхностном слое материала анода по заданным параметрам процесса, использование которой дает возможность прогнозировать и регулировать разрушение сплавов на никелевой основе.

  3. Разработана методика по определению характеристик жаростойкости сплавов для количественной оценки коррозионного разрушения металлических материалов, позволяющая учитывать внутренние эффекты коррозии, которая используется ООО «Инженерно-технологический центр» в рамках проекта «Электролизер с инертными анодами».

  4. Предложена и опробована новая технология получения защитных ин-терметаллидных покрытий на основе №звп2 на поверхности никелевого сплава. Испытания в электролитической ячейке показали, что не происходит разрушения созданного слоя интерметаллида N13S112.

5. Результаты работы использованы при разработке опытно-
промышленного образца нерасходуемого анода в проекте «Электролизер с
инертными анодами» компании «Русский алюминий» и 000 «ИТЦ».

Представленная работа выполнялась в рамках проекта «Разработка научных основ ресурсо- энергосберегающих и экологически чистых технологий комплексного освоения месторождений рудного и техногенного сырья и глубокой переработки благородных, цветных и редких металлов Сибирского региона», гранта № НШ-2213.2003.8 Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых и ведущих школ Российской Федерации на выполнение научных исследований, № гос. per. 01200315949, а также по договору с компанией «Русский алюминий» и ООО «Инженерно-технологический центр» в рамках проекта «Электролизер с инертными анодами».

Подобные работы
Якоев Александр Георгиевич
Создание на основе газотермических покрытий поверхностных диффузионных слоев с высокими жаро- и износостойкостью с целью повышения стойкости медных деталей металлургического оборудования
Горбунов Дмитрий Юрьевич
Изучение закономерностей структурообразования при полунепрерывном литье, комплексном модифицировании, деформации и термообработке эвтектических силуминов с целью получения тонкостенных труб, проката и проволоки
Лопатина Екатерина Сергеевна
Изучение механизма модифицирования алюминиевых сплавов и закономерностей структурообразования при получении лигатурных материалов методом высокоскоростной кристаллизации-деформации
Сизов Игорь Геннадьевич
Разработка научных основ и технологии электронно-лучевого борирования железоуглеродистых сплавов с получением на поверхности боридов тугоплавких металлов
Добрынина Яна Сергеевна
Изучение и моделирование возврата в сплаве АМг6 с целью прогнозирования ресурса эксплуатации деталей авиакосмической техники
Грюнвальд Татьяна Михайловна
Термомеханическое упрочнение сталей для металлических конструкций с деформацией в межкритическом интервале с целью повышения комплекса их механических свойств
Кузин Олег Анатольевич
Микролегирование улучшаемых борсодержащих сталей с целью повышения прокаливаемости и конструктивной прочности
Жадан Александр Васильевич
Разработка и промышленное опробование ВТМО винтовых пружин с целью повышения эксплуатационных свойств
Шиманаев Александр Евгеньевич
Установление особенностей горячей прокатки крупногабаритных слитков из сложнолегированных медных сплавов с целью повышения качества полос
Мануйлова Наталья Борисовна
Исследование и разработка режимов деформационно-термической обработки высокопрочного алюминиевого сплава 1901 с целью повышения свойств деформированных полуфабрикатов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net