铝电解阴极用钢的制备与电导性研究

摘要

铝及铝合金产品有着优越的性能,已广泛地应用在各个领域当中。铝及铝合金应用的扩展带动了铝生产工业的飞速发展,中国的铝产量接近世界铝产量的一半。与此同时,中国铝工业也是我国工业耗电大户。研究表明,铝工业生产中的能量利用率不足50％,节能空间十分巨大。阴极钢棒作为铝电解阴极组装的重要部分,是能耗散失的重要环节。研究具有优良电导率的钢棒成为科研人员研究的热点。本文选用YT01纯铁、Q195钢和Q235钢作为研究对象,通过热处理和添加元素改变阴极钢棒试样的微观组织结构,改善阴极钢棒试样的导电性能及其综合使用性能。采用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)等测试分析手段系统研究了热处理和添加元素后阴极钢棒试样的微观组织结构特征,通过测试高温条件下阴极钢棒试样电导率和硬度,分析了热处理和添加元素对阴极钢棒试样电导率的影响,讨论了高温条件下微观组织对阴极钢棒的导电机理。
　　研究结果表明:
　　(1)热处理可以通过改善金属内部的空位与位错等缺陷和金属内部晶粒的大小来影响金属的电导率。随着晶粒的增大,3种材料的电导率呈上升的趋势。YT01纯铁、Q195钢与Q235钢在850℃下保温2h的晶粒大于在750℃下保温2h的晶粒,分别增大了0.2、0.6与0.2m/Ω·mm2。
　　(2)在相同热处理条件下，YT01纯铁的电导率优于Q195钢的电导率，Q195钢的电导率优于Q235钢的电导率。三种材料在850℃下保温2h，YT01纯铁、Q195钢与 Q235钢在930℃下的电导率分别为0.94、0.86、0.80 m/Ω·mm2。
　　(3)在保温时间相同的条件下，YT01纯铁、Q195钢与Q235钢的硬度都呈减小的趋势。以YT01纯铁为例，在未处理、750℃下保温2h与850℃下保温2h三种热处理状态下的硬度分别为91HV、85 HV与84H V。
　　(4)向 YT01纯铁中添加多种合金元素后，金属晶粒变小。这是由于在晶粒长大的过程中，加入的合金元素阻止晶粒的进一步长大。合金元素在金属基体中形成的固溶体可对载流子造成散射作用，影响金属的电导率。
　　(5)向YT01纯铁中添加合金元素Ti后，Ti元素细化晶粒的作用十分明显。Ti元素在合金中与Fe元素形成Fe2Ti相，该化合物可以稳定合金在高温下的硬度，使合金在高温下的硬度不会降的太低。向 YT01纯铁中添加Al元素后，Al元素可与Fe形成B2型体心立方结构的FeAl有序相，该有序相的形成可以恢复金属晶体内部的周期性，增大电子的平均自由程，这对金属电导率的提高十分有益。向 YT01纯铁中添加 Ti与 Al元素后，Ti会固溶在F e元素与Al元素形成的有序相F eAl中，会增大F eAl有序相的晶格常数，使有序相进一步增大大，进而使金属电导率得到提升。Ti元素与Al元素的添加量存在一个对合金电导率最有益的配比，该配比有待进一步研究。

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第一章 绪论

1. 1 研究背景及意义

1. 2阴极导电钢棒的研究进展

1. 3金属导电理论

1. 4 影响金属电导率的因素

1.4.1 温度的影响

1.4.2 合金元素或杂质的影响

1.4.3 晶体缺陷的影响

1.4.4 塑性变形的影响

1.4.5 热处理的影响

1. 5 本课题研究的主要内容

第二章 实验方案及分析方法

2. 1 铁基合金的制备

2.1.1 铁基合金的成分设计

2.1.2 铁基合金的冶炼

2.1.3 铁基合金的热处理

2. 2 铁基合金的分析方法

2.2.1 金相分析

2.2.2 X射线衍射分析

2.2.3 扫描电镜与能谱分析

2.2.4 差热分析

2. 3 铁基合金性能检测

2.3.1 硬度检测

2.3.2 电导性检测

第三章 热处理对铁基合金微观组织与电导率的影响

3. 1 引言

3. 2热处理对微观组织的影响

3.2.1 YT01纯铁的微观组织

3.2.2 Q195钢的微观组织

3.2.3 Q235钢的微观组织

3. 3热处理对YT 01纯铁、Q 195钢与Q 235钢电导率的影响

3.3.1 YT01纯铁的电导率

3.3.2 Q195钢的电导率

3.3.3 Q235钢的电导率

3.3.4 YT01纯铁、Q195钢与Q235钢电导率的综合分析

3. 4热处理对YT 01纯铁、Q 195钢与Q 235钢硬度的影响

3.4.1纯铁的硬度

3.4.2 Q195钢的硬度

3.4.3 Q235钢的硬度

3. 5 本章小结

第四章 合金元素对金属电导率的影响

4. 1 引言

4.2 Al和Ti元素对合金微观组织与性能的影响

4.2.1 合金金相分析

4.2.2 合金XRD分析

4.2.3 合金SEM及EDS分析

4.2.4 差热分析

4.2.5 合金的电导率与硬度分析

4. 3 多种元素对合金微观组织与性能的影响

4.3.1 合金金相分析

4.3.2 合金SEM及EDS分析

4.3.3 合金电导率分析

4.3.4 合金硬度分析

4. 4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文