冶金流程工程学

第一篇：冶金流程工程学

钢铁制造流程的解析集成及讨论

【关键词】钢铁制造流程 解析 集成 工序功能集 冶金流程学

【摘要】钢铁制造过程从本质上看是集物质状态转变、物质性质控制和物质流有效管制于一体的、多维的过程物流管制系统．迫切需要有一种立足于制造过程整体系统上的理论，来解决整体流程中的物质流、能量流、信息流优化集成问题

主要内容：对钢铁制造流程中若干深层次的理论问题进行了科学分支意义上的讨论，对工序功能集的解析－优化、工序关系集的协调－优化和流程工序集的集成－优化等给予物理－数学方面的概述和描述，提出了对可能发展起来的学科分支－冶金流程学的展望，同时进一步指出，制造流程的系统理论和制造过程的信息系统是２１世纪制造科学、制造工业发展的共性基础理论。

现代钢铁制造流程系统已发展成包含资源及能源利用、质量控制、新品开发、环境保护等内容的工程技术大系统，并进一步向准连续化／连续化、紧凑化／简化、高效化和综合利用、环境友好的方向发展．钢铁制造流程的特点是：规模以年产百万吨计，而其关键环节的工艺控制和装置的技术水平不亚于任何“新”材料的水平。钢铁工业成为世界上最高产、高效和技术先进的工业之一, 进入21世纪更面临着市场竞争和可持续发展的挑战。

一个多世纪以来，钢铁制造过程一直是以解析的方法为主，将整个制造过程分解成原料准备与处理、焦化、炼铁、炼钢、凝固、金属塑性压力加工、金属热处理等工序并形成了学科分支，然后机械地将过程联接起来．造成了过程物质流的停顿、间歇，过程物质温度的多次起伏，能耗及物耗高、排放

量大、过程时间长等问题．因此，迫切需要一种立足于制造过程整体系统上的理论，来解决整体流程中的物质流、能量流及信息流优化集成问题—— 即进行钢铁制造流程解析一集成优化的研究，提出新的理论和方向，以支持钢铁工业的健康发展．钢铁制造流程的本质

钢铁制造流程是由诸多完全不同功能的工序、装置所构成的流程系统。从根本上看，钢铁制造流程性能结构的本质是物质状态转变、物质性能控制、物质流管制在时间、温度和空间上的融合、贯通、协调和控制。冶金流程学和钢铁制造流程的解析与集成长期以来，冶金学科的划分突出强调了过程解析基础上的学科分支，缺乏总体相关性、系统性；并在某种程度上影响了用过程信息系统等高新技术改造传统工业的有效性因而，作为面向21世纪的工程科学问题，应该探索和研究跨现有学科分支的、作为冶金制造流程系统理论的新学科分支—— 冶金流程学，研究制造流程的结构、功能本质及其解析与集成，无论在科学上还是经济上都有非常重要的价值

2．1 钢厂结构的演进

第二次世界大战以后．钢铁制造流程逐步由间歇型向准连续／连续型过渡，工艺流程不断紧凑化、准连续化／连续化，产品结构专业化是钢厂结构调整的主要方向同时，从主要注重规模的扩大和流程中工序功能的简单划分(解析)和简单叠加，转向不仅注重流程功能的解析．而且越来越注意流程功能的综合集成以及在此基础上的流程结掏优化．

2．2 钢铁制造流程的结构解析

流程系统内各单元工序／装置应在流程整体优

化的原则指导下：

— — 选择、分配、协调好诸多工序／装置各自的优

化功能，建立起解析 优化的工序功能集合：

— — 建立、分配、协调好诸多工序／装置问相互的关系 建立起协调一优化的工序关系集合— — 在工序功能集的解析 优化和工序关系集的协调一优化的基础上重新组合成新一代的流程工序集，即实现流程系统内工序组成的重构一优化．所谓流程系统结构是指系统内具有不同特定功能的工序的构成集合和各单元工序之间在一定条件下所形成的相互关系集合系统结构的内涵不只是系统内各工序的简单的数量堆积和数量比例，更主要的是工序功能集、工序关系集的合理性、系统运行的动态可调性及其内在的活力状况．

钢铁制造流程的解析一综合集成研究，就是根据流程系统的目标

(群)的需要来引导流程系统的结构优化和功能优化．基本内容将涉及图4所示过程工序功能集(包括单元工序功能集)的解析一优化、工序关系集(相邻的、长程的)的协调一优化和流程系统工序集的重构一优化过程科学与信息技术在制造流程中的结合钢铁工业属于流程制造业信息技术在钢铁制造流程中的应用将主要体现在对过程的描述(反映)，对过程或装置的调控、反馈以及对流程系统的评估 优化等方面．经过不断完善将会形成一种流程系统的控制策略流程系统的控制策略主要集中在对工艺过程中主要参数的调控、优化和使工艺过程中各工序总体目标的稳定实现随着过程物流在工序间流动运行．控制策略将呈现衔接

传递、转变、遗传等特性要求．当然，流程系统的控制策略必须是既能在各工序中贯通．又能在一系列工序的各自优化目标上分别得到调控和实现如前所述，钢铁制造赢程的特性可用工序功能集(F)、工序关系集()和流程工序集()来描述为了实现对流程的 体协调 优化和评估 判断一反馈调控．在流程系统中必须有一系列的控制策略，形成控制策略集(G)这样．流程系统及其各工序经过主要由信息技术构成的控制策略集的调控后．将分别产生工序的输出集。4 结论

‘l呔制造”的概念已在全球范围内得到广泛认可，它几乎包括了一切工业产品的制造业．制造流程系统理论和制造过程信息系统是21世纪制造科学、制造工业发展的重要共性基础理论．钢铁工业是一种流程制造工业，它既不同于离散事件型的机械制造装配工业，也不同于石油化工类的连续过程工业．钢铁工业是介于两者之间的混合类型．其制造流程的特点是间歇／准连续型的物质流过程

钢铁制造过程从本质上看是集物质状态转变、物质性质控制和物质流有效管制于一体的、多维的过程物流管制系统．迫切需要有一种立足于制造过程整体系统上的理论，来解决整体流程中的物质流、能量流、信息流优化集成问题．

作为科学问题，应该探索和研究跨现有冶金学科分支的冶金流程学这一可能发展起来的学科分支冶金流程学应建立在对钢铁制造流程进行解析一集成的研究以及过程科学与信息技术结合的基础上．将涉及钢厂结构整体优化的工程逻辑，以及制造流程中工序功能集的解析一优化、工序关系集的协调一优化和流程工序集的重构一优化等

面临21世纪经济全球化的趋势，全球钢铁工业的根本性命题是市场竞争力和可持续发展。这就要求全球钢铁工业都要从总体战略上来观察问题、解决问题．而不是把上述重大命题简单地割裂成为产量、规模、质量、品种等孤立问题．“头痛医头、脚摘医脚”地解决．甚至引起顾此失馊的矛盾；时至今日．应该从根本上考虑问题．追求从战略整体上来解决时代性的命题。

然而对钢铁产品质量的认识，要避免满足于化学成分合格、尺寸公差合格，也不能局限地从材料学角度来看某些力学性能。事实上把质量问题孤立化，往往只能做到勉强交货，或是不惜工本、不惜牺牲生产效率，交几件特殊专用产品或试验产品，而这无助于从整体上增强钢厂的持续竞争力。最后，中国钢铁工业应该充分发挥现代钢厂的3个功能[5]，通过钢铁制造流程的优化、产品结构的调整和优化以及产品质量的提高，充分发挥钢厂生产流程的能源转换功能，节能降耗和消纳处理社会大宗废弃物等方面的努力，到2020年左右，成为全球一流的产钢国。

第二篇：冶金反应工程学论文

铝电解用惰性阳极的研究进展及NiFe204基惰性阳极腐蚀组元在电解质中的传质问题

王有维

（昆明理工大学 冶金与能源工程学院，云南 昆明650093)）

摘 要：本文简要介绍了国际上铝电解惰性阳极方面较有影响的研究工作，以及国内在此领域的研究状况。对惰性阳极材料的选择问题进行较深入的探讨．分析了陶瓷、金属和金属陶瓷材料在惰性阳极研究应用中所出现的问题，并对惰性阳极未来的研究发展方向提出了一些建议。其中NiFe204基金属陶瓷是最具应用前景的铝电解惰性阳极材料，国内外对其性能与制备技术进行了大量研究。并对NiFe204基金属陶瓷惰性阳极腐蚀组元在电解质中的传质问题进行了相关的分析。关键词：铝电解；惰性阳极；选材；NiFe204基金属陶瓷；传质问题

Research Progress of inert anodes in aluminum electrolysis and NiFe2O4 based inert anode corrosion component mass transfer in the electrolyte Abstract：This article briefly describes the more influential international aluminum electrolytic inert anodes research work, as well as the situation in this area.More in-depth discussion on the choice of the inert anode material.Ceramic, metal and cermet inert anode research applications, and the direction of future research and development of inert anodes made some suggestions.Aluminum electrolytic NiFe204 cermets most promising inert anode material, at home and abroad, its performance and Manufacturing Technology conducted a lot of research.And NiFe204based cermet inert anode corrosion component to the analysis of mass transfer in the electrolyte.Key words：Aluminum electrolytic;inert anode;selection;NiFe204 cermets;mass transfer problems

引言

铝作为产量最大的有色金属，是我国国民经济的重要支柱产业，2006年国内原铝产量和消耗继续位居全球第一，分别为934万吨和867万吨。随着国民经济发展和人民生活水平的不断提高，对铝的需求还将继续增长。现行Hall-Herout铝电解槽采用炭素阴阳极，吨铝直流电耗高达13200kv，电能效率低于50％，同时消耗500kg优质炭素材料，巨大的能源消耗、资源消耗和环境负荷等正严重制约着铝电解工业的发展，节能、降耗及降低污染是其未[1～3]来发展的方向。基于惰性阳极(析氧阳极)的铝电解新技术可降低雏耗20％以上(按国内现有原铝产量计算，年节电能力超200亿千瓦时)，并能消除温室气体COz和致癌物质CFn与沥青烟气的排放，因而成为国际铝业界和材料界的关注焦点和研究热点。金属阳极由于具备比陶瓷和金属陶瓷阳极更为优良的导电导热性和机械加工性能一直是铝工业界和材料学界的关注重点，被认为是最有前景的铝电解阳极材料之一。但是利用金属阳极进行铝电解，必须解决材料的抗氧化和耐熔盐腐蚀问题，特别是在目前940～970℃(即使采用惰性阳极配合低温电解质电解，温度仍会高达750～850℃)的熔盐介质和表面吸附新生氧的环境下，阳极工作表层的金属与氧反应生成氧化物，金属和氧化物溶解进入电解质，金属离子还原沉积到阴极铝液等问题。所以金属阳极研究的重点是提高材料的抗氧化和耐腐蚀性以保证产品铝的纯度。1国内外技术发展概况

国外对于惰性阳极的研究进行的很早，参与过的机构比较多，但研究最多且离工业化较

[1]近的当属Alcoa，以下是Alcoa及其后来者在惰性阳极及相关领域的研究工作。对于惰性阳极技术的探讨迅速升温，惰性阳极成了2000年国际铝工业界最热门的话题。2001年，惰性阳极热潮波及到国内，我国在此领域的研究工作开始受到来自各方面的关注，大量的知名学者撰文评述惰性阳极技术，国家也加大了投入。原有的国家重大基础研究项目计划(即“973”项目)关于铝电解方面的子课题全部改为“惰性电极系统的研究”，参加单位是东北大学和中南大学。后来，此项目研究又被列为十五“863”项目，由东北大学、中南大学、清华大学和中国铝业公司郑州研究院共同承担。伴随着国外惰性阳极热的降温，以及国内研究工作的深入进行，越来越多的问题摆在面前，一些专家学者开始对惰性阳极的研究提出 质疑，从事此项研究的人们也开始对此问题进行思考，此课题当如何深入进行下去，成为许多业内人士探讨的话题。作为惰性阳极材料，应满足以下基本要求：能耐电解质的腐蚀，溶解度小；能耐受新生态氧的渗蚀；有良好的导电性；机械强度高，抗热震性强，不易脆裂；

[7～11]容易加工成型，易于与金属导杆连接；原料价廉易得等。

目前研究的惰性阳极集中在氧化物陶瓷、金属或合金、金属陶瓷等3类材料，其中金属或合金具有强度高，导电性能好、抗热震性强、不易脆裂，易于加工成形，易实现与金属导杆间连接等优点，是美国等发达国家近年来重点关注的材料体系。然而，单一成分的金属(除贵金属如铂等外)难于满足铝电解阳极的恶劣服役环境，研究工作主要集中于合金惰性阳极，如铜基合金、铜镍基合金、镍基合金。

1.1铝电解用惰性阳极的环境效益和社会效益

采用惰性阳极取代炭阳极，会为电解铝工业带来巨大的环境效益和经济效益。

环境效益：2012年我国电解铝产量达171.70万吨，世界电解铝产量近2600万吨，环保压力极大。如采用惰性阳极，将会消除或大大减少温室气体CO2和 CO、PAH（多环芳香

［2］烃）等有害气体以及致癌物质CF4 和C2F6 的排放；同时阳极产生的是有价值的副产品—O2；这意味着电解铝工业将由污染型转变成绿色环保型。

经济效益：节约阳极碳耗 400-500／Kg.AL，占铝生产成本的12%-15% ；降低电解工艺能耗（包括生产炭阳极的能耗，总节能达 5%-32%）；节约劳动力的消耗，提高劳动效率；销售O2（其价值约占铝价值的 3%）；同时若采用惰性阳极新技术，新建铝厂可节约投资35%。

2铝电解惰性阳极材料分类

2.1金属阳极

金属（合金）具有良好的导电性、强度和抗热震性等优点，是较理想的铝电解阳极材料。但除某些贵金属外，金属阳极在铝电解槽的生产环境中不能充分抵御冰晶石熔体腐蚀和阳极产生的高温氧气的氧化。目前，金属（合金）型惰性阳极仍在探索中。

［3］［4］单质金属方面Belgav and studentsov和kronen berg研究发现在铝电解条件下，Cu、Ni、Cr和Ag的阳极表面被不断析出的O2 所氧化，不能形成致密的氧化膜而被消耗，［5］不适合做阳极。S.s.Djokic和B.E.conwqy对W、Ni和不锈钢的研究发现，这些金属阳极在铝电解槽的生产环境中也不能抵御冰晶石熔体和氧的腐蚀，也不适合作铝电解的惰性阳极。可选用的材料，只有Pt 电极可满足铝电解的苛刻条件，但其价格昂贵，不能用于工业生产。

［6］合金方面J.N.Hryn 等对Cu-Al、Ni-Al、Cr-Al、Fe-Cr Al 合金用做阳极进

［7］行了研究:TheodoreR.Beck等对Cu-Ni-Fe合金阳极，在750℃、CR=1.29的条件下连续电解两天，发现生产能耗仅为11KWh ／kg.Al，铝产品的纯度符合标准，但在扩大试验中出现了诸多问题:J.A.Sekhar等对Ni-Al-Cu-Fe 合金阳极进行研究，发现其不能充分

［9］抵御冰晶石熔体和氧的腐蚀，也不适合作铝电解的惰性阳极。石中宁、邱竹贤等对Cu-Al（Fe、Cr）、Cu-Ni-Al-Ag金属阳极的研究表明：Cu-Ni-Al的抗氧化性较好，电解质中氧化铝的浓度对合金机体表面膜的生成与溶解影响较大，温度越低，金属的抗腐蚀能力越强，对Ni-Fe合金阳极的阳极研究发现，Fe／Ni=1.42时，合金的综合性能较好，电解时其表面形成了NiO、Fe2O3 和NiFe204等氧化物，电解铝产品质量达到97.7%-99.1%；目前研究的合金惰性阳极，只有Ti-Au 合金在性能上几乎完全达到了所有的电化学要求，但因其太昂［10］贵而被放弃。

［11］反应膜保护层：Sadoway提出反应膜保护层概念，即在金属表面氧化生成致密的氧化保护层，从而使金属内部免受侵蚀，同时氧化层不能过厚，不能影响阳极的导电能力。此技术的关键在于使氧化层的溶解速度与生成速度一致，材料处于一种动态平衡之中。Moltech 公司开展了梯度惰性阳极和多孔惰性阳极的研究工作，目的是在金属表面找到稳定氧化膜。

［12］铝电解动态金属阳极：在1999TMS年会上，J.N.Hryn和M.Pellin提出了铝电解动态金属阳极的概念，该阳极包括一个杯形合金容器，容器内含溶解铝的熔盐；在氧存在的情况下，外面形成的氧化铝膜厚度足以保证电极免于腐蚀和维持导电性。膜的再生通过熔盐中铝扩散来实现，周期性添加铝来保证熔盐中的活度，产出的铝远大于添加的铝，从而达到阳极的惰性。

2.2金属氧化物陶瓷

氧化物陶瓷材料由于其显著的化学惰性而倍受关注。但几乎所有的氧化物在冰晶石熔体

［13］中都会有不同程度的溶解，其中SnO2 基氧化物、尖晶石类和CeO2 涂层溶解速度缓慢被作为阳极材料的首选。

SnO2基氧化物：SnO2的高温电阻较小，添加其它金属氧化物改善导电、成型等方面的性能。薛济来、邱竹贤在SnO2中添加ZnO、CuO、Fe2O3、Sb2O3、Bi2O，制得了导电性和耐腐蚀性都较高的阳极材料，并成功地进行了100A的扩大实验。

［14］尖晶石型：尖晶石型材料在冰晶石熔体中有不同程度的，其中Zn Fe2O4、Ni Fe2O4质

［25-30］材料在冰晶石中的溶解度较小、导电性好等优点，研究较为深入。

虽然有关SnO2基、尖晶石型阳极材料的研究论文和专利很多，都因为材料本身在电解质熔体的腐蚀问题，一直没有达到工业实验的规模。

涂层：CeO2 涂层在冰晶石表现出良好的抗腐蚀性和导电性，可与其他基体材料相结合作为良好的惰性阳极材料；其结合方式有两种：一种是在某种基体上直接沉积一层该涂层后用于电解阳极，另一种是添加Ce离子到冰晶石熔池中，由于电解时极化的作用而沉积在阳极表面。2.3金属陶瓷

金属陶瓷集中了陶瓷材料（低的腐蚀速率和抗氧化性）和金属材料（良好的导电性和较高的抗热冲击强度）的优点，其氧化物基体形成抗腐蚀网络，网络中的金属相增强了材料的导电性，被看作是最有前途的惰性阳极的材料。

Ni Fe2O4+ NiO+Cu：颇具代表性的是美国铝业公司（Alcoa）研制的含有17% Cu 和51.7% NiO+48.3% Fe2O3的阳极材料，通过大量的试验测试，普遍认为它的各种性能是最为稳定的，但在大型化上尚有一定的问题，Alcoa目前正积极调整其配方，希望其将能够在工业铝电解铝上得以应用。

Ni Fe2O4+ NiO+Cu+Ag：为了提高惰性阳极的导电性，Alcoa调整了其成分，向惰性阳极

［16-19］中加入了一定量的银。Alcoa的惰性阳极专利报道，含铁酸盐（如Ni Fe2O4或Zn Fe2O4）和金属氧化物（如NiO或ZnO）尖晶石结构的陶瓷相和Cu-Ag合金相构成惰性阳极。

［9］Fe-Ni-Al2O3：石忠宁和邱竹贤研制了Fe-Ni-Al2O3金属陶瓷型惰性阳极，发现此类阳

［8］极所能达到的最低腐蚀速率为 18mm／a，电解铝的纯度可达98%，有的可达99% ；进行100A 的扩大试验电解后，计算得到阳极的年平均腐蚀速率为19mm／a，阳极产物为纯氧气，电解铝的纯度接近98%，电流效率为70%。

［20］徐君莉等对Fe-Ni-（Al2O3）惰性阳极在20.6NaF-43.2AlF3-22BaF2-14.2Ca F2（Wt%）重电解质体系中的研究发现，其电流效率可达810% 以上，电解铝的纯度达99.4%。NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极

3.1 NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极研究背景

现代铝电解工业追求高效率、低能耗、无严重污染的工艺，而传统铝电解槽采用消耗式碳素阳极，不仅成本高，而且污染严重、操作条件恶劣。长久以来，人们在进行新方法炼铝的研究中一直把寻找降低能耗、降低生产成本的阳极材料作为重要的发展方向之一。

从利用Hall—H6muh熔盐电解法炼铝开始，人们就在寻找惰性阳极以取代消耗式碳阳极。20世纪80年代以来，对惰性阳极的研究进入了一个全新阶段，针对合金阳极、金属氧化物阳极和金属陶瓷阳极开展了大量实验研究，而且还进行了扩大化实验。金属陶瓷是一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质复合材料，兼具有陶瓷良好的热化学稳定性、强耐腐蚀性、抗氧化性和金属良好导电性及热冲击性等优点，长期以来被认为是一种最具应用前景的铝电解用惰性阳极材料。研究表明，具有尖晶石结构的NiFe2O4。陶瓷在Na3A1F6-A1203，熔体中表现出比其它氧化物陶瓷更强的耐腐蚀性能，是一种较好的惰性阳极基体材料。

3.2 NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极优点

近二十年来人们在致力于开发采用惰性电极系统的铝电解技术，其核心是惰性阳极。惰

［11］性阳极是指不消耗阳极，与现行碳素阳极相比，惰性阳极至少有以下几方而的优点：

一、经济方面

l、惰性电极可取代碳素电极节省大量优质碳素材料，节省更换电极的劳动力成本；

2、由于它在电解过程中，外形尺寸稳定，可降低电极的极距，从而可大大减少电解铝生产的电耗。特别是在同时使用惰性阳极和惰性阴极的情况下，效果更为履著，预计节能最高可达35％；

3、改用惰性电极后，电极不再参加反应，而是0直接在阳极放电生成氧气，氧气可作为电解铝生产过程中阳极的副产品，加以回收、利用。

二、环保方面

惰性电极的使用，可以根除产生温室效应的C02气体，以及电解铝中其他有害气体，如CF4、C2F6等的排放，从而有利于电解铝生产操作工人的健康和环保方的要求。

由于惰性电极具有上述两大方面的优点，因而自从Hall—Heroult电解槽发明以来惰性电极材料的研究从来没有中断过。惰性电极的应用将是H—H怯电解生产铝过程的一次工业

［24］革命，势必会对电解铝生产技术的过滤和提高其经济效益具有重大的意义，因此研制惰性阳极已经成为国际上革新铝冶金技术的重要发展方向。3.3惰性阳极材料性质及其选用要求

由于铝电解生产条件的特殊性，使得惰性阳极材料的选择范围极其狭窄，根据目前的观

［25］点，惰性阳极材料必需满足以下几点要求：

1、在铝电解的环境中(温度为960℃～970℃，电解质为腐蚀性极强的冰晶石一氧化铝熔盐)，能耐受高温电解质和铝液的腐蚀(年腐蚀速度(3cm／a)，溶解度小；

2、能够耐受新生氧的渗透腐蚀作用，可以生产出工业用纯铝；

3、阳极材料容易得到，而且价廉；

4、容易加工成大型部件易于与金属导体连接；

5、机械强度高，抗热震性强，不易脆裂；

6、有良好的导电性。从材料方面来说，单纯地由氧化物组成的材料的导电率比较低。经研究发现不添加铜的-1纯铁酸镍材料的导电率只有10Ω·cm，其电阻率P和温度T的关系满足半导体材料的关系式：

LgP=Lgpo+u／(2．303T)„„„„„ l-1 式中：u一导电激活能；

K一波尔茨曼常数；

在纯铁酸镍基体材料中添加金属铜(5～17％)后，材料的导电性有所增加，添加17％的-1铜的材料导电率提高到90Ω·cm，但铜的添加量不能超过20％，否则材料不易成型，废品率高。他们认为以后的研究应通过使金属陶瓷中金属材料的粒度和结构最佳化来改进其导电率。1996年，挪威的Jomar．Thonstad继续了上述工作，他采用一些新的方法，运用相同的制备方案获得了一种具有更好晶粒结构的镍铁基金属陶瓷材料。主要是因为比S．P．Ray使用了更细小的粒度的材料，因而制造出更致密的镍铁基金属陶瓷。实验结果表明其惰性阳极腐蚀率已得到改进，达到了0．12cm／a，可见材料粒度对惰性阳极性能是很有影响的。但实际上，在粉末冶金中，粉末材料的粒度会直接影响到制品性能，尤其对硬质合会和陶瓷材料更是如此，一般要求越细越好。但也不能一味的靠减少粒度来提高性能，如果粒度过小会给以后的大型化阳极带来更大的困难。基金属惰性阳极腐蚀组元在电介质中的传质问题研究

4.1 传质理论介绍

由于铝电解质的高温、高腐蚀性，所以对于阳极腐蚀组元在电解质及铝液中的传质过程文献报道不多。到目前为止，关于惰性阳极腐蚀组元在电解质中传质过程的理论是由Evan。

［28］和Keller提出的传质理论。他们认为，阳极腐蚀组元的迁移、扩散过程为传质控制。惰性阳极的腐蚀是个复杂的过程，它涉及到阳极组元溶解进电解质的过程、从电解质迁移扩散进铝液的过程。所以认识这些过程并且控制这些过程对降低惰性阳极的腐蚀是很有帮助的。

［29］惰性阳极在熔融冰晶石混合物体系中的传质过程以图2来说明.简单的理论推导如下:

n+ 腐蚀产物以离子M的形式迁移到阴极最后被阴极铝还原成金属M:

假设过程为传质控制，上述反应为线性反应，则描述阳极溶解产物由阳极迁移到阴极［31］过程的扩散方程为:

式中: c(t)—跟时间有关的阳极溶解产物浓度，mol·m；

Csat—阳极溶解产物在电解质中的饱和浓 度，mol·m-3；

kan—为阳极溶解产物从阳极到电解质迁移过程的传质系数，m·s-1； Aa,Am—分别为阳极、阴极的表面积，m2； V—为电解质的体积，m3；

Kcal—榕解产物从电解质迁移到阴极过程的传质系数，m.s-1。

-3上述一阶方程的解为:

运用上述方程时应注意以下三点: 1)过程中假设kan>>kcal，即整个过程为传质控制，即阳极组元从阳极腐蚀、溶解进人电解质的传质系数远远大于由电解质经迁移、扩散进人阴极铝的传质系数；

2)为了使上述方程能在实际电解槽中应用，引人一个腐蚀产物的初始浓度co； 3)上述阳极腐蚀产物从阳极到阴极铝的迁移过程最后达到一个“稳态”过程，“稳态”过程的标志是阳极腐蚀产物从阳极溶解进人电解质的速率等于其从电解质迁移、扩散进人阴极铝的速率，此时阳极腐蚀产物在电解质中的浓度为“稳态”浓度co，它和腐蚀产物在电解质中的饱和浓度csal有区别。通过引人腐蚀产物浓度co和“稳态浓度”cm，方程(3)变成:

式中:co—腐蚀组元在电解质中的初始浓度；

cm—腐蚀组元在电解质中的稳态浓度。

如果kan>>kcat时，可由计算得出的cm来准确地预测csat。而在实际的铝电解槽中，由于电解质/铝液界面存在一滞留层，使得阳极腐蚀产物从电解质向阴极铝迁移、扩散的过程非常缓慢。在实际的过程中往往存在kan>>kcat，所以从腐蚀产物的“稳态”浓度和饱和浓度的［30］接近程度即可判断模型和假设是否合理。4.2 过热度对复试组员传质的影响

传质的过程往往是偏离平衡状态的过程，而偏离平衡状态的程度决定了传质推动力的大小。从腐蚀组元从金属陶瓷表面溶解进人电解质开始，腐蚀组元在金属陶瓷惰性阳极表面的浓度一直高于阴极铝液附近的浓度，正是这种浓度差导致了传质的发生。从动力学观点来看，过热度的升高必定导致金属陶瓷在电解质中的溶解度增大，即增大了腐蚀组元在金属陶瓷/

［34］电解质界面的浓度，使浓度差增大，最终导致了传质推动力的增大。结语

综上所述，NiFe2O4基金属陶瓷可望兼备NiFe2O4陶瓷的强耐腐蚀和金属的良好导电与力学性能，但作为铝电解工业应用惰性阳极材料，仍存在一些急需解决的问题：

(1)通过金属陶瓷惰性阳极的强韧化机制研究，提高材料的断裂韧性和抗热震性能；通过金属陶瓷惰性阳极的表面金属化及其与金属间高温自耦合电连接机制研究，实现与金属问良好高温电连接；在力学性能方面为大尺寸惰性阳极的长寿命电解生产奠定基础。

(2)以降低惰性阳极腐蚀率为中心，研究新型铝电解质物理化学性质及其与惰性电极的交互作用，研究新型铝电解槽的物理场耦合分布与演变规律及冶金学行为，获得最适宜于惰性电极的新型电解槽结构、铝电解质体系及电解工艺调控手段，促进惰性阳极的成功开发，最终实现惰性电极系统的整体突破。

此外，对于NiFe2O4基金属陶瓷组元传质对于与阳极、阴极的组成有关外，而且电解槽的形状也不尽相同。所以不宜单纯从数量上对传质系数进行分析，而应该在相同的条件下横向对不同的组元的动力学参数进行分析和讨论。即阳极腐蚀组元从阳极进人电解质的大小顺序来看，Fe的抗腐蚀性能是最差的，Ni次之，最好的是Cu组元。

参考文献

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2002(08)［11］D.R.Sadoway apparatus and method for the electrolytic production of metals 1989 ［12］Inert metal anode life in low temperature aluminium reduction process ［13］H.Zhang;V.De Nora materials used in the Hall-Herout cell for aluminium production 1994 ［14］I.Vchida;H.A.Laitinent 查看详情 1983 ［15］C.F.Windishch;D.M.Srrachan Materials characterization of cermet anodes tested in a pilot cell1993 ［16］S.P.Ray;R.W.Woods Controlled atmosphere for fabrication of cermet electrodes 1997 ［17］S.P.Ray Electrolysis with an inert electrode containing fernite,copper and silver 1997 ［18］R.K.Dawless Reduced ternperature aluminium production in an electrolytic cell having inertanodes ［19］S.P.Ray Inert anode containing metal oxides, copper and noble metal 1997 ［20］徐君莉 惰性阳极在低温铝电解质中的应用[学位论文] 2004 ［21］B.Wdlch;M.M.Hyland Future materials requirements for the high-energy-intensity productionof aluminium[外文期刊] 2001(02)［22］N.Margolis;J.Eisenhauer Inert anode road map, a framework for technology development.TheAluminium association and the US Departrnent of Energy, energetics Inc 1998 ［23］Anonymous Alooa to shut Troutdale smelter temporarily 2000 ［24］郭鉴镜 美铝惰性阳极试验受阻 2002(30)［25］ELHITI M A，ABOELATA AM．Semicoductivityin Ba2Ni2-xZnxFel2022y-type Hexaferrites[J]．JournalofMagnetismandMagnetiC MaterialS，1999，195(3)：667-678．

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2001(05)［28］WELCH B J Aluminum production paths in the new millennium[外文期刊] 1999(05)［29］BECK T R Non-consumable metal anode for production of aluminum with low-temperature fluoride melts 1995 ［30］Vecchio-sadus A.M;Constable D.C;Dorin R Tin dioxide based ceramics as inert anodes for aluminium smelfing:alaboratorystudy 1996 ［31］RAY S P;RAPP R A Composition suitable as inert electrode having good electrical conductivity and mechanicalproperties 1984 ［32］YANG J H;JOHN N H;GREG K K Aluminium electrolysis tests with inert anodes in KF-AlF3-based electrolytes 2006 ［33］Zaikov Y;Khranov A;Kovrov V Electrolysis of aluminum in the low melting electrolytes based on potassium cryolite2008 ［34］张刚;赖延清;田忠良;秦庆伟 李劼 黎文献 铝电解用NiFe2O4基金属陶瓷的制备[期刊论文]-材料科学与工程学报 2003(04)

第三篇：冶金科学与工程学英文求职信

Dear leaders:

Hello!

First of all, thank you for your busy schedule to take the time to read this自荐信.I am the Central South University(formerly Central South University)College of Metallurgical Science and Engineering, 2003, a young professional graduates metal metallurgy.In the near graduation, I would like to have your organization's appreciation and cultivation.In order to develop themselves in the future, special to your organization ourselves.Central South University students has been such a word “to his alma mater proud of you today, tomorrow, proud of his alma mater to you”, from the school, I have it in mind, determined to four years in college all-round development of their own, from the social development to adapt to the point of view of improving their quality.The future can really make a success in their work for the glory to his alma mater.I would like to “strict” Blinded by greed, strict diligence in learning, knowledge of the classroom do not know how to ask, seek a deep understanding.In the grasp of the basis of expertise, did not forget to expand their knowledge, especially in computer applications, a timely read books, and the acquisition of personal computers, to master the Visual Basic programming, pHp & MYSQL, JavaScript and other dynamic websites building technology.I am learning English, and constantly strive to expand the vocabulary of English communicative competence also has made substantial progress.At the same time, in order to enhance the personal qualities, I actively participated in various activities, joined the Central South University shooting team, after a long hard training, as well as in many national competitions in Hunan achieved excellent results.This experience has taught me to the importance of unity and cooperation, but also learned a lot of social knowledge, an increase of experience, I believe that this is the next to join the community will play an important role.Now, I am filled with enthusiasm, ready to plunge into the real world in this big melting pot, although there are many hardships and difficulties, but I am sure that university life to my spiritual wealth so that I can overcome them.I want to give your company a development platform, I will cherish it and go all out for the realization of the value of your life to fight for your company's development.Finally, once again Thank you for reading this自荐信!

Thriving business,祝贵, performance success, and I wish you good health and good luck!

第四篇：材料工程学

—填空，1,钢铁材料是当今材料领域中最主要的工程材料，又称为()，它与

()统称为金属材料。

2,钢铁材料包括()、()及().3, 碳钢分类方法很多，通常按含碳量可分为

(),()及（）。

按冶炼方法可分为(),()及（）.4，合金钢分类方法很多按用途分为（）、（）及（）等。按合金元素质量分数分可分为（），（）及（）。

5，根据碳在铸铁中存在形态及石墨的形状，铸铁可分为（），（），（），（）及（）。

6，钝铝中含有铁、硅、铜、锌等杂质元素。按其纯度可分为（），（）及（）。

7，根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为两类（）和（）。

8，形变铝合金可分为2大类（）和（）。

9，硅系合金是工业上使用最广泛的铸造合金。该合金流动性好，热裂倾向小，补缩能力强。

铝硅系铸造铝合金又称（），仅由铝、硅两个组元构成的二元合金，为简（），含有多种合金元素称为（）。

10，纯铜呈玫瑰红色，表面形成氧化膜后呈紫色，故称（）。纯铜的密度为（），熔点（）.11，根据铜合金成分特点可将其分为（）、（）和（）三种。

12，黄铜是以（）为主要元素的铜合金；（）是以镍为主要元素的铜合金；青铜是以（）为主要元素的合金。

13，以锌为主要合金元素的铜合金为（）。其中仅含铜锌二个组元的合金称为（）或（），若加入多种组元则称其为（）或（）。

14，镁是地壳中储量最丰富的金属之一，储量占地壳质量的（），镁的密度（）。

15，镁合金可以分为（）与（）。

16，特种陶瓷的品种繁多，其分类可按化学组成分类，也可以按性质分类。但通常都把它划分为

()和()两大类。

17, 特种陶瓷经常遇到的键合是()和

().18，粉末的等温烧结过程，按时间大致可以划分为三个界限不十分明显的阶段即（），（）和（）。

19按照基本性能和应用状况，铁氧体材料分为（）、（）、（）、（）和（）等五类

名词解释

1，合金结构钢

2，合金工具钢

3，特殊性能钢

4，形变铝合金

5，铸造铝合金

6，陶瓷

7，特种陶瓷

8，结构陶瓷

9，功能陶瓷

10, 灰口铁

简答题

1，简述特种陶瓷常用的烧结方法

2，简述铁氧体磁性材料的种类和特点。

3，简述高强度低合金钢的性能特点

4，简述合金弹簧钢的性能特点

5，简述热作模具钢的性能特点

6，简述如何对黄铜的牌号进行命名。

7，简述形变铝合金的分类以及他的命名方法 8，简述钛合金分类

9，简述钢铁的4个脆性以及他们都与什么元素有

关

10，简述合金结构钢的分类。

11，

第五篇：第二届全国金属材料与冶金工程学术交流会圆满召开

第二届全国金属材料与冶金工程学术交流会圆满召开

详情见中国矿冶网

为了促进企业、高校、科研院所等单位金属材料与冶金工程工作者的相互交流，推动金属材料科技发展和生产技术进步，实现金属材料与冶金工程专业理论、工艺、设备在行业发展中的共同繁荣与进步，湖南省金属学会、《金属材料与冶金工程》杂志社、中国金属材料与冶金工程网联合长沙矿冶研究院有限责任公司和中南大学等单位，于2011年9月15日在四川省成都市金牛山庄共同举办了第二届全国金属材料与冶金工程学术交流会。

主办单位;

湖南省金属学会

联合长沙矿冶研究院和中南大学、湖南大学等单位

《金属材料与冶金工程》杂志社

中国金属材料与冶金工程网

北京德和伟业国际会展服务有限公司承办

感谢四川大学材料科学与工程学院金属材料系对本次会议的大力支持！

来自全国各地企业、高等院校、科研院所的60多位金属材料与冶金工程工作者参加了本次学术交流会。

中国工程院院士余永富先生，湖南省冶金行业管理办公室党组书记、主任、湖南省金属学会理事长窦成利先生，中国五矿集团总工程师、长沙矿冶研究院院长朱希英先生及部分湖南省金属学会的理事参加了交流会。

会议由湖南省冶金行业管理办公室副主任、湖南省金属学会常务理事肖渊祥主持。大会由窦成利同志致开幕词。朱希英同志作了重要讲话。

中国工程院院士余永富等9位专家分别作了学术报告。

中国工程院院士余永富、中南大学博士马莉、湖南华菱湘潭钢铁有限公司副总经理张爱兵、湖南华菱涟源钢铁有限公司副总经理焦国华、金瑞新材料科技股份有限公司研发部部长段兴无、湖南省冶金材料研究所副所长闵小兵、湖南大学教授、汽车车身先进设计制造国家重点实验室副主任李落星、中冶长天国际工程有限责任公司高工刘克俭、长沙矿冶研究院教授周岳远分别作了学术报告。他们对中国金属材料与冶金工程的发展现状、存在的技术问题与未来作了精彩的报告。

余永富院士就自己在国外的实地考察结果作了《国外某些铜、钼、铅、锌、铁矿选矿厂简介及细粒工业磨矿机应用与选择》的学术报告，报告讲得生动、严谨，代表们听得全神贯注。报告结束后，赢得阵阵掌声。

本次会议既有理论研究，又有实践经验的总结，是全国金属材料与冶金工程的一次盛会。

会议主题和交流内容

中国金属材料与冶金工程的发展现状、存在的技术问题与未来。

1、国内外金属材料与冶金工程（包括采矿、选矿、冶炼、检测）行业的现状及发展方向；

2、金属材料与冶金工程的新理论、新工艺、新技术、新设备的研究进展及工业实践；

3、新技术推广应用成果与企业技术改造先进经验；

4、金属材料与冶金工程理论研究新进展；

5、二次资源的优化处理及综合利用；

6、金属材料的制备、处理和应用；

7、行业可持续性发展战略研究；

8、冶金安全及环保技术；

9、冶金能源及其技术；

10、其他相关内容

参会人员

高等院校、科研院所和工矿企业从事金属材料与冶金工程教学、科研、生产与管理的工作人员；有关设备、测试仪器仪表研制与经销人员；相关媒体工作人员等