小铃铛MISS
摘 要：本文介绍了真空感应熔炼炉放电现象，分析了其放电的原因，并提出了通过降低电压、优化线圈设计结构、加强匝间绝缘等预防措施，克服放电现象的发生。关键词：真空感应熔炼炉；放电；预防 真空放电（电击穿）现象在真空熔炼中经常发生，尤其是在高真空熔炼中。目前国产真空感应熔炼炉真空工作压力一般在10～100Pa之间，大大高于进口设备，无法用于高纯合金的熔炼。真空放电现象已成为目前真空感应熔炼炉的设计难点。 1 真空感应熔炼炉放电现象机理 根据真空放电理论，真空中的放电有两种形式：气体放电击穿与真空放电击穿。 （1） 当真空度较低时，极间带电粒子碰撞空气分子，空气分子电离及倍增引起极间放电，称之为气体放电击穿。气体放电击穿依赖于电极之间带电粒子与残余气体的相互作用。粗真空及低真空系统（＞）中发生的的放电现象一般属于气体放电击穿。我国普遍使用的真空感应熔炼炉大部分属于这一范畴。 （2） 在真空度较高的情况下，空气分子的平均自由程很大，两极间残余空气分子受带电粒子碰撞电离的几率几乎为零，因此不可能发生气体放电击穿。当压力进一步降低时，空气分子的平均自由程往往大于几十米（10Pa时，空气的平均自由程为50m），由于电极的表面效应与极间电场，容易引起两极间的离子交换，产生大量的金属蒸汽、气体或等离子体，使两极之间导通，产生强大电流引起放电，称之为真空放电。真空放电一般指高真空或超高真空系统（压力范围10-3～～～10-8Pa）发生的放电[1]。 德国物理学家帕邢1889年在他的博士论文中，分析了均匀电场中气体放电击穿电压、气隙和气压三者之间的实验数据，发现击穿电压U（KV）为气隙d（cm）和气压（Torr）乘积的函数，该关系被称为帕邢定律[1, 2]。图1为空气的帕邢曲线，其中纵轴表示空气的击穿电压，横轴表示气隙和气压之积。由空气帕邢曲线的左半支可知，在气隙一定的条件下，降低气压可以大幅度提高间隙击穿电压；同时由右半支看出，提高气压对提高间隙击穿电压也有一定作用。在气隙不变的条件下，空气在某个压力范围内最容易发生放电现象。 图1 空气的帕邢曲线 Fig. 1 The Paschen curve of air 2 真空感应熔炼炉放电现象的预防 引起感应放电的原因有许多，需要采取多种措施加以预防，分别说明如下： 降低匝间电场强度 降低电源电压，增大匝间距；采用合理的线圈联接方式均可以达到降低电场强度的作用。但是，由于受到线圈结构的限制，往往不能随意增大匝间距。因此，线圈的联结方式成为感应炉设计中的关键。 （1） 小型真空感应熔炼炉一般采用单一感应线圈，两端子之间（可认为电源电压）的电压最大，匝间电压很低。因此预防此类感应电炉放电的主要措施就是降低电源电压，同时根据具体条件增大匝间距离（匝间距一般在5～10mm，不能过大否则会引起电效率的降低）。在实际设计过程中，大部分小型真空感应电炉的电源采用250V电压，生产过程中不会导致放电的现象发生[3]。 （2） 大中型真空感应熔炼炉有时需要采用两个或多个线圈相连接的形式--串联（图2（a））或并联（图2（b））所示。两种情况匝间电场强度会出现不同的情况，现分析如下。 图2（a）为两个感应线圈串联，瞬间极性如图所示。两个线圈进电端子（A+）、出电端子（B-）相邻，假设电源电压有效值为V。按照电工学原理，则相邻两端子（A+、B-）之间电压幅值相等，方向相反。瞬间最大值为2 V。最大瞬时场强为 /气隙。 图2（b）为两个感应线圈并联，瞬间极性如图所示。两个线圈进电端子（A+）、（B+）相邻，假设电源电压有效值为V。按照电工学原理，则相邻两端子（A+、B+）之间电压幅值相等，方向相同。瞬间最大值为0。最大瞬时场强为0。 （a） （b） 图2 双线圈连接方式 Fig. 2 The connection mode of double coils 通过以上分析可以看出，如果上下相邻感应线圈采用不同的联接方式，相邻匝间的瞬时电压不同，电场强度不同，放电的几率就不同。当两线圈串联时，两线圈相邻匝间电压瞬时值最大，电场强度最大，放电的可能性最大。当两线圈并联时，两线圈相邻匝间电压瞬时值为0，电场强度最小，放电的可能性最小。可见大中型感应电炉两线圈采用并联方式能够很好地预防放电现象发生。因此，设计过程中尽可能遵循“同进、同出”原则。 匝间填充绝缘材料降低场强 在匝间填充绝缘材料，可以预防匝间放电，该方法的物理原理如下： 根据物理学的原理，真空中电压为V、距离为h的两极板之间的电场强度为V/h；当两极之间填充厚度为h、相对介电常数为 的材料后，材料中的电场强度为V/h 。由于一般介电材料的相对介电常数 ＞1，因此绝缘材料的电场强度小于真空的电场强度。这就是利用绝缘材料防止感应线圈匝间放电的物理原理。一些常用绝缘材料的相对介电常数见表1。 环氧树脂和酚醛树脂具有介电常数高，来源广泛，价格低廉等特点被广泛应用。在现实生产过程中，经常以玻璃丝布带缠绕线圈两到三层，外涂以环氧树脂两遍。可以起到很好的预防匝间放电效果。 炉体内充保护性气体 根据工艺特点，向炉内充氮气、氩气等保护性气体，使炉内具有一定的压力（高于可能放电的压力范围）能够有效避免放电现象的发生。 其他因素及预防措施 除了上述因素与措施外，感应线圈的放电现象还与其他因素有关，需采取多种措施积极预防。 （1）电极面积越小，边缘效应越强，容易引起放电。 预防措施：感应线圈截面采用扁平形状，扩大匝间相对面积。 （2）线圈表面加工粗糙，有尖锐棱角存在，容易引起放电。 预防措施：提高表面加工精度，焊接处打磨光滑。 （3）线圈材料含有挥发性高的金属杂质容易引起放电。 预防措施：使用合格材质的紫铜管加工线圈。 （4）炉料中含有汞、锌、铅、镁等蒸汽压较高的元素，在真空融化过程中逸出金属蒸汽，引起放电。 预防措施：炉料进行预处理，熔炼过程充气保护。 3.结语 真空感应熔炼炉真空中的放电有气体放电击穿与真空放电击穿两种形式，通过降低电压、优化线圈设计结构、加强匝间绝缘，同时采取提高真空感应炉的工作真空度等其他综合措施，可以有效克服放电现象的发生。 参考文献 [1] 沈以忱，真空工艺与实验技术，冶金工业出版社，2006. [2] 王欲知，真空技术，四川人民出版社，1984.
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各学校可能不同吧~~我们学校是这样的，参考文献的书写格式应符合BG7714-87《文后参考文献著录规则》。常用参考文献编写项目和顺序规定如下：著作图书文献序号□作者. （注意：应为小点，并空一格，以下同）书名. （应为小点，并空一格） 出版社， （应为逗号，并空一格） 出版年：引用部分起止页例子：[1] 冯端. 金属物理学第三卷金属力学性质. 科学出版社，1999：132－144翻译图书文献序号□作者. 书名. 译者. 出版社. 出版年：引用部分起止页例子：约翰逊著. 钛合金熔炼. 张成军，马臣等译. 科学出版社. 2000年：112－121学术刊物文献序号□作者. 文章名. 学术刊物名， 年，卷（期）：引用部分起止页例子：［1］ 张二林，金云学，曾松岩等. 原位自生TiCP／Ti复合材料组织与铝含量的影响. 材料研究学报， 2001，4(3)：25－28学术会议论文序号□作者. 文章名. 编者名. 会议名称，会议地址，年份. 出版地，出版社，出版年：引用部分起止页例子：严爱民. 我国铸造行业现状及发展对策. 福建省机械工程学会铸造学会编. 第四届20省市铸造学术会议论文集，武夷山. 2002年：1－8学位论文类参考文献序号□研究生名. 学位论文题目. 学校及学位论文级别. 答辩年份：引用部分起止页学术会议若出版论文集者，可在会议名称后加“论文集”字样。未出版论文集者省去“出版社”、“出版年”两项。会议地址与出版地相同者省略“出版地”。会议年份与出版年相同者省略“出版年”。例子：马明臻. TiC/2024复合材料的组织及阻尼性能的研究. 哈尔滨工业大学博士学位论文. 1999年：25－31
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CHINESE JOURNAL OF RARE METALS 1999年第23卷第5期 铝/空气电池用铝阳极的研究 许文江王向东阚素荣薛红霞 摘要：研究了铝/空气电池用铝阳极中添加合金元素的作用， 镓、 铟、 铋、 锡能增大阳极的开路电压， 镁、 铋、 铈可增大阳极的抗蚀性。 以高纯铝 () 为基体制得的两种铝阳极合金A1、 A2基本上达到了碱性铝/空气电池的要求。 以普通铝 () 为基体制得的铝合金A3作为铝阳极， 其电化学性能良好。 关键词：铝阳极空气电池 Study on Aluminium Anode for Aluminium-air Battery Xu Wenjiang, Wang Xiangdong, Kan Surong and Xue Hongxia (General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 10088, China) Abstract：The effect of addition rare metal in aluminium anode was studied. The results indicate that gallium, indium, bismuth and tin can increase open circuit voltage of anode; and magnesium, bismuth, cerium can reduce corrosion velocity of anode. Two aluminium anodes with high pure aluminium () and rare metals such as gallium, magnesium, bismuth has been made. These anodes have good electrochemical quality and can meet demand of alkaline aluminium-air battery. The anode with industrial aluminium () was also made, which has better electrochemical quality. Key Words:Aluminium, Anode, Air-battery 由于环境问题的压力及石油资源的有限性， 促使各国政府和汽车制造商寻找石油资源的替代品， 制造“零污染”汽车。 由此电动汽车日益受到人们的关注， 成为当前研究的热点。 发展电动汽车的关键是其动力 —— 电池电源的开发， 电池的技术水平基本上决定了现代电动汽车的发展水平。 汽车制造厂家和化学电源研究人员开发了铅酸、 镍镉镍氢、 钠硫等动力电池， 这些电池有些已基本成熟， 但在续驶里程和动力性能方面与内燃机相比还有很大差距。 由于铝/空气电池具有高重量比能量、 大重量比功率密度 (见表1)， 能提供同内燃机可比的动力性， 而且其机械充电所耗充电时间和添加汽油燃料时间相差不大， 铝资源也相当丰富， 因此铝/空气电池作为动力电源， 受到美国能源部、 加拿大Alcan公司等许多研究机构的重视。 表1电动汽车电源用各种电池性能比较 电池 铅酸 镍镉镍氢 钠硫电池 锂电池 空气电池重量比能量/Whkg-1比功率密度/Wkg-1体积比能量/WhL-130～4070～90140～170130～17040080～100100～200250～400150～20080～10080～1001120～15070～90...特点成熟， 成本低成本稍高， 镉污染危险性大成本高， 研究中复杂性 然而不论是酸性电池还是碱性电池， 纯铝乃至高纯铝都不能直接作为电池的阳 极。 这是基于以下两个原因： 金属铝表面覆盖着一层氧化膜， 致使铝的阳极过电位升高， 降低了阳极的电压效率， 也即降低了电池的输出功效； 在含有腐蚀性离子的溶液或强碱溶液中， 铝的溶解速度相当快， 产生大量的氢气， 导致阳极的法拉第效率极低［1］。 为了克服纯铝作为阳极的缺陷， 可采取以下两种办法。 一是将铝和其它合金元素制成二元、 三元乃至多元合金。 这些合金中的活性元素可降低接触过电势， 而且这些元素提高了析氢过电位， 降低了自腐蚀速度。 二是在电解液中添加抑制剂， 比如NaSnO3等， 以降低过电势和自腐蚀性［2］。 铝/空气电池阳极的研究目标为： ① 开路电势 V (对Hg/HgO) 以上。 ② 开路自腐蚀速度 (电流) 小于10 mA/cm2。 ③ 在100～600 mA/cm2电流密度下电压按U (对Hg/HgO) = I稳定工作， 这里的电流密度单位为A/cm2。 ④ 阳极和空气阴极及电解液管理系统匹配［3］。 至今， 所有成熟的铝阳极合金都是以高纯铝 () 乃至以上的特纯铝为基体制成的， 使铝阳极合金的成本很高， 阻碍了铝/空气电池的商业化和进一步发展。 在工业级铝中杂质含量很高， 它使阳极的自腐蚀成倍增加， 大大降低了阳极的库仑效率。 近期的研究指出， 可采用在合金中加入锰来抵销铁的作用。 阳极材料中铁是极具危害的元素， 但在电解铝中铁是不可避免的杂质。 不存在锰时， 铁以FeAl3形式存在， FeAl3对周围的铝基体显示阳极性， 因此在电极内部形成电化学活性区域， 降低了电池的库仑效率。 当存在锰时， 铁以FeMnAl6形式存在， 它在电化学性质上和周围的铝基体类似， 因此从本质上降低了电化学活性， 提高了库仑效率。 本试验重点研究铝阳极合金的特性、 合金元素添加量和熔炼因素等的影响， 也对普通铝阳极合金进行了探讨。 1试验方法 试验装置 试验装置示意图见图1， 试验电池中电解液用化学纯NaOH配制， 浓度为4 mol/L。 调节变阻器R控制电池回路电流， 由电流表A读出工作电流 (mA)， 电压表V2读出电池输出电压， V1读出铝阳极的开路或极化电压。 所有的铝阳极电压相对于参比电极 Hg/HgO测得。 图1试验装置示意图 1 — 空气阴极； 2 — 铝阳极； 3 — Hg/HgO参比电极； 4 — 4 mol/L NaOH溶液 控制条件 控制铝阳极面积小于空气阴极面积的1/10， 减少空气阴极极化的影响。 控制铝阳极和空气阴极的间距为2～5 mm， 减少电解液的欧姆内阻。 每次测定更换新的电解液。 测定开路电压和自腐蚀时， 计算阳极两面的面积； 测定电池极化时的阳极利用率时， 铝阳极一面涂蜡， 只计算一面的面积。 试验中各合金添加剂均用化学纯级以上的化学试剂。 测定过程 在小型敞口的坩埚炉中熔炼铝， 熔炼温度750～800℃， 熔体容器用氧化铝坩埚。 首先熔化铝， 再依次按量加入合金元素， 搅拌、 恒温10～20 min， 倒入铜模中铸 锭， 自然冷却。 其中添加镁时， 将镁粉碎为小粒， 以铝箔密封包好， 用不锈钢夹子直接压入铝溶液中。 铸成锭的铝合金放入坩埚炉中热处理， 控制热处理温度300～350℃， 时间2 h， 使合金均匀化， 晶粒细化。 清理热处理后的铝合金锭表面使之光洁， 作成规则的长方体作为铝阳极待用。 结果计算 首先测定铝阳极合金的开路电压和自腐蚀速度， 这两个参数优良者， 再测其极化性能和其它电化学特性。 开路电压和极化电压由电压表V1读出。 自腐蚀参数由一定时间内阳极的失重计算而得。 I自=1000 mF/ hS(1) 稀有金属/990511 式中： m为失重质量， g； F为法拉第常数， C/mol； h是时间， s； S为阳极面积， cm2； I自为自腐蚀电流， mA/cm2。 在有工作电流极化下阳极的利用率 η=I极化h/(mF/)(2)式中： I极化为阳极极化电流， A； m是失重质量， g; F为法拉第常数， C/mol； h是时间， s； η为阳极效率， %。 2结果和分析 二元合金的性质 二元合金的性质见表2。 由表看出， 纯铝中加入镓、 铟、 铋、 锡增加了铝的开路电压， 因而它们都是活性元素； 纯铝中加入铈、 镧降低了铝的开路电压， 而镁对开路电压影响不大。 表2二元铝合金的性质 合金 开路电压 (对Hg/HgO)/V 自腐蚀电流密度/.[1**********]局部钝化钝化 注： 添加合金元素浓度ω ; 电解液4 mol/L NaOH 除添加镁、 铈外所有的二元合金都使腐蚀加大， 所以要兼顾增加开路电压和降低自腐蚀性， 二元合金显然达不到要求。 图2是合金元素添加量对合金性能的影响， 可以看出， 添加合金元素的量在以下时， 合金元素对开路电压和自腐蚀影响不大， 而大于时， 开路电压和自腐蚀增大不多。 对于铟、 锡也有类似的结果。 因而在制备合金时镓、 铟、 锡的添加量一般控制在～。 图2合金元素添加量对合金性能的影响 (Al-Ga) 1 — 开路电压； 2 — 自腐蚀电流密度 (4 mol/L NaOH) Al-Mg、 Al-Ce合金有一定的钝化作用， 表明镁和铈增加了铝的抗蚀性。 但铈使开路电压降低较大。 Al-Bi合金有独特的特性。 在低含量 (3%) 时， 加入铋可使铝的开路电压增加， 但发生钝化现象。 综上所述， 添加镓、 铟、 锡、 铋可增加铝的开路电压， 而添加镁、 铋、 铈可增加铝的抗蚀性。 多元合金的研究 根据二元合金的研究结果， 以高纯铝 () 为基体， 通过试验比较， 筛选制成了Al、 A2两种铝合金作为碱性铝/空气电池的铝阳极合金。 Al： ; A2： 。 图3、 4是铝及有关合金的自腐蚀电流和开路电压， 图5是铝合金的极化曲线。 其中BDW合金是由加拿大Alcan公司开发研制的， 该合金已商业化； RX-808合金是由Reynolds公司开发的。 由图3～5可以看出， 合金A1和A2的电化学性能良好， 基本上可满足铝/空气电池的需要。 其中A1合金的开路和极化电压稍高一些， 而A2合金的抗蚀性好一些。 图3铝及有关合金的腐蚀情况 (4 mol/L NaOH) 图4铝及有关合金的开路电压 (4 mol/L NaOH) 图5铝合金极化曲线 (4 mol/L NaOH) 图6是以A2合金作为铝/空气电池的阳极， 测得电池的输出电压与电流密度的关系。 表3是通过计算得到的阳极利用率。 这些结果均令人满意［4，5］。 图6单体电池工作电压和电流密度的关系 (4 mol/L NaOH) 表3不同电流密度下的阳极利用率 稀有金属/990511 (4 mol/L NaOH) 电流密度/[1**********] 阳极效率/% 普通铝阳极合金 根据二元合金研究的结果， 在普通铝 () 中加入铈、 铋来增加其抗蚀作用， 自腐蚀明显降低， 但相应的开路电压也降低。 在Al-Bi合金中， 铋含量超过5%时阳极发生钝化。 以铋和锰来增加铝的抗蚀性， 用普通铝基体制成铝合金A3： 。 该合金的开路电压达 V (对Hg/Hg)， 自腐蚀速度为34 mA/cm2， 其极化曲线如图7。 表4普通铝的二元合金性能 (4 mol/L NaOH) 名称 Al () Al-Bi (1%) Al-Ce (1%)自腐蚀电流密度 开路电压 (对Hg/HgO)/> 图7铝合金极化曲线 (4 mol/L NaOH) A3合金是目前铝阳极合金中性能较好的一种， 但与空气电池铝阳极合金的目标相比尚有一定差距。 今后应进一步研究， 特别是从微观结构上观察铝中铁的存在形态， 以采取合适的办法抵消铁的影响［6］。 3结论 稀有金属/990511 1. 铝阳极合金中添加镓、 铟、 铋、 锡等活性元素， 可增大阳极的开路电压， 提高电池的功率因素。 2. 添加镁、 铋、 铈可增加阳极的抗蚀性， 提高电池的库仑效率， 但输出电压有一定降低。 3. 以高纯铝 () 为基体制得了两种铝阳极合金A1、 A2， 基本上达到了碱性铝/空气电池的要求。 4. 以普通铝 () 为基体制得的铝合金A3作为铝阳极， 其电化学性能良好。 但今后应加强普通铝阳极合金的研究， 特别是从结构上查明合金中铁的存在形态。 作者简介：许文江，男，32岁，硕士，工程师；联系地址：北京市新街口外大街2号。 作者单位：北京有色金属研究总院， 北京100088 参考文献 A S and Rudd E J. The Development of Aluminium -air Battery for Electric Vehicles, in: Proc 24th IECEC, V3, 1989, 1331 D D. J. Appl. Electrochem., 1990, 20(3): 405 J F et al. The Aluminium-air Battery for Electric Vehicles Propulsion, in: Proc 15th IECEC, V2, 1980, 1487 4.刘稚惠， 李振亚. 电源技术， 1992， (5)： 6 5.日本公开特许公报 (A)， 昭62-37885， 1987 D S and Scott D H. USP4554131, 1985 收稿日期：1998-06-30 铝/空气电池用铝阳极的研究 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：许文江， 王向东， 阚素荣， 薛红霞， Xu Wenjiang， Wang Xiangdong， Kan Surong， Xue Hongxia北京有色金属研究总院,北京100088稀有金属CHINESE JOURNAL OF RARE METALS1999,23(5)7次 A E J The Development of Aluminium -air Battery for Electric Vehicles[外文会议] 1989 D D 查看详情 1990(03) J F The Aluminium-air Battery for Electric Vehicles Propulsion 1980 4.刘稚惠.李振亚 查看详情 1992(05) 5.查看详情 1987 D D H 查看详情 1985 1.郭瑞敏.杨占红 铝-空气电池钙钛矿型氧电极的研究[期刊论文]-电源技术 2007(6) 2.张燕.宋玉苏 碱性介质中Al-Ga-Sn-Mg的阳极行为研究[期刊论文]-腐蚀与防护 2005(4) 3.付承华 碱液中锂水电池缓蚀剂的研究[学位论文]硕士 2005 4.付承华 碱液中锂水电池缓蚀剂的研究[学位论文]硕士 2005 5.舒方霞 铝-空气燃料电池铝基合金阳极的制备及性能测试[学位论文]硕士 2004 6.张胜涛 铅、镍、铝、锌和铜电极改性的研究[学位论文]博士 2003 7.王华清.周上祺.陈昌国.尤兴波 锌-空气电池阳极材料的研究(Ⅰ)[期刊论文]-电源技术 2002(z1) 本文链接：.
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