炭素陽極是現(xiàn)代大型鋁電解槽中技術(shù)密集的關(guān)鍵部件,直接關(guān)系到陽極炭耗、電流效率、金屬鋁純度等重要技術(shù)指標(biāo)。近年來,炭素陽極原材料(特別是石油焦)品質(zhì)日益劣化,而新一代超大型高電流密度電解槽的發(fā)展亟需進(jìn)一步提升陽極性能和品質(zhì)。在系統(tǒng)總結(jié)以往有關(guān)陽極原料品質(zhì)控制、混捏成型和焙燒過程研究成果的基礎(chǔ)上,本文針對(duì)在炭素原料和陽極孔隙結(jié)構(gòu)、振動(dòng)成型生坯中應(yīng)力分布與裂紋、焙燒過程孔隙演變等方面的認(rèn)知不足和技術(shù)空白進(jìn)行探索研究,以期為實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)高性能炭陽極的先進(jìn)制造、鋁工業(yè)的低碳發(fā)展提供科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。首先,考察研究了煅后焦的煅燒程度對(duì)炭陽極孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。基于炭素材料選擇性氧化理論并借助圖像分析、壓汞法和激光聚焦技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),降低煅后焦煅燒程度,提高煅后焦在陽極焙燒過程的收縮率,降低其與瀝青焦之間的收縮率差異,可減少因此而形成的撕裂型孔隙。該部分孔為中型孔,其分布模式多為圍繞在大塊煅后焦周圍；但另一方面,提高煅后焦收縮率后,會(huì)導(dǎo)致其彼此缺少相互連接而出現(xiàn)大型狹長孔隙,最終可能容易引發(fā)陽極形成裂紋。同時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)煅燒溫度為900℃及由此形成的陽極孔隙結(jié)構(gòu)時(shí),煅后焦真密度為1.967-1.985g/cm3和Lc值為1.9-2.0nm,相關(guān)陽極電阻率、顯氣孔率、空氣滲透率、空氣反應(yīng)性、CO2反應(yīng)性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度達(dá)到最佳值。其次,研究了不同混捏工藝參數(shù)對(duì)炭陽極孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的耦合關(guān)系。結(jié)果表明,對(duì)于軟化點(diǎn)為100.8℃的煤瀝青,混捏溫度和混捏時(shí)間分別為170℃和35min時(shí),炭陽極電阻率、抗壓強(qiáng)度、體積密度、顯氣孔率、空氣滲透率、空氣反應(yīng)性能、CO2反應(yīng)性能達(dá)到最佳值。在最佳混捏時(shí)間和溫度之下,隨著混捏溫度的升高和混捏時(shí)間延長,混捏效果提高,陽極各孔徑范圍的孔隙體積均降低；混捏溫度超過170℃時(shí),由于煤瀝青揮發(fā)份揮發(fā),孔徑為20-80μm小孔大量增加；煅后焦顆粒在混捏過程中破碎,產(chǎn)生更多的表面積,使單位面積上的潤濕瀝青含量減少,混捏時(shí)間超過35min時(shí),陽極中孔徑為70-150μm孔隙大量增加。所獲有關(guān)混捏工藝參數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的耦合模式,為構(gòu)建后續(xù)陽極焙燒工藝及孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控提供了科學(xué)依據(jù)。隨后,基于有限元算法,首次構(gòu)建了振動(dòng)成型過程中工業(yè)陽極生坯應(yīng)力分布模型。研究發(fā)現(xiàn)在成型過程中,生坯受外力載荷作用下,所受應(yīng)力從生坯表面向內(nèi)衰減；生坯內(nèi)部所受應(yīng)力最低區(qū)域,因?yàn)檫B接作用薄弱,導(dǎo)致成型裂紋出現(xiàn)；工業(yè)陽極生坯不出現(xiàn)成型裂紋概率隨著生坯中心高度頂點(diǎn)所受應(yīng)力增大而增大：陽極長／寬比值是該應(yīng)力值主要影響因素,隨著陽極長／寬比值增大,陽極生坯內(nèi)部中心所受應(yīng)力增大；同時(shí)擬合出生坯中心高度頂點(diǎn)所受應(yīng)力和生壞成型裂紋的關(guān)系式,可用于預(yù)測不同形狀陽極生壞出現(xiàn)成型裂紋的概率。此外,考察煅后焦和瀝青性能、煅后焦粒度組成、瀝青配比及混捏溫度對(duì)陽極生坯成型后膨脹行為的影響。結(jié)果表明,瀝青在糊料中比例越高,混捏溫度越高,陽極生壞成型后體積膨脹越��；相對(duì)于中溫瀝青,改質(zhì)瀝青限制陽極生坯膨脹效果更好,且當(dāng)改質(zhì)瀝青含量足夠大時(shí),陽極生坯會(huì)出現(xiàn)體積收縮：陽極生坯成型后膨脹與生坯密度并非直接關(guān)聯(lián),而與煅后焦閉氣孔率成反比,與煅后焦真密度成正比。最后通過檢測在不同升溫速率的焙燒過程中,陽極體積和質(zhì)量的變化,借助孔隙體積、孔徑、形狀因子等參數(shù),研究焙燒過程中孔隙形成及演變特征。研究發(fā)現(xiàn),在100-210℃溫度區(qū)間,瀝青軟化,成型應(yīng)力釋放,使陽極內(nèi)部形成狹長撕裂孔：而該階段適當(dāng)加快升漏速率,多產(chǎn)生撕裂型孔,有利于提高陽極滲透性,增加陽極內(nèi)部揮發(fā)份向外排出速率,從而減少因此而形成的陽極體積膨脹；溫度超過210℃后,陽極中煤瀝青開始揮發(fā)失重,并在陽極內(nèi)部形成圓形揮發(fā)氣孔；陽極揮發(fā)失重在410℃達(dá)到最大值,之后失重逐漸減小,在498℃減小至零,此時(shí)陽極內(nèi)部圓形氣孔所占比例達(dá)到最大值。溫度超過498℃后,受瀝青相成焦收縮作用,焙燒之前形成孔隙的孔徑和體積逐漸減小,而瀝青焦與煅后焦的不同收縮率則使陽極中形成新的狹長撕裂型孔隙,其體積隨著焙燒溫度增高與瀝青焦收縮率提大而增加。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TF351
【部分圖文】：

工，充的效果由滿青的流動(dòng)巧和對(duì)般后焦的濕澗性決定Ｗ。在培燒過發(fā)份揮發(fā)和粘結(jié)劑結(jié)焦，會(huì)使炭素制品造成體積膨脹和收縮，中孔隙發(fā)生變化。炭陽極中煤巧青質(zhì)量在整個(gè)過程可能會(huì)改變們的真密度也會(huì)隨之增加Ｗ。逡逑后焦顆�？空辰Y(jié)劑的粘附作用抵抗粘結(jié)相收縮力Ｗ。如果粘附作在其炭化時(shí)會(huì)從般后焦顆粒上脫附，從而擴(kuò)大炭陽極的連接孔果粘附作用足夠強(qiáng)，粘結(jié)相會(huì)將鍛巧焦顆粒拉合在一起，使試（辟低試樣體積）。這一現(xiàn)象發(fā)生與否還取決于鍛后焦的堆積效焦堆積效果良好，當(dāng)體積膨脹和收縮時(shí)，焦炭榅粒會(huì)拉扯著彼所Ｗ，兩相之間的相互運(yùn)動(dòng)對(duì)控制炭陽極孔隙有一定的影響作鍛后焦堆積效果好，顆粒之間的孔隙被粘結(jié)劑所填充密實(shí)，揮變得很困難。在炭陽極內(nèi)部，炭化過程所形成的揮發(fā)物聚集會(huì)，形成類似于＂氣泡＂的孔洞。炭化過程粘結(jié)相的收縮和揮發(fā)份孔洞會(huì)造成陽極體積膨脹Ｗ。逡逑ｄ邋NB邋／邋ｄ邋１0３邋０邋ｆ邋化逡逑邐邐＇邐邐－－－－－－邐二．．．．．．．逡逑

Ｐｏｒｃｔ邋ａｎ療ＷＫ８邋ｃｆ！ａｎ巧ｉｗ邋（ｗ巧１逡逑困２－２炭素陽極理想孔隙分布Ｗ逡逑圖２－２顯示了一個(gè)炭素陽極Qg部孔可能存在的種類和它們理想分布模式。逡逑這些孔包含原材料本身存在和陽極制備過程中形成的孔，這些孔最后都會(huì)對(duì)逡逑試樣性能造成影響。逡逑在上世紀(jì)７０年代，瑞±鉛業(yè)公司定義了鉛工業(yè)的幾個(gè)關(guān)鍵要素逡逑－金屬質(zhì)量逡逑－陽極消耗逡逑－４－逡逑

一相反化性能，而應(yīng)該降低骨料相與粘結(jié)相的差異。通過對(duì)石油焦鍛燒溫度逡逑調(diào)整，在共同賠燒溫度（１０００吃）下，發(fā)現(xiàn)使用低鍛燒石油焦不僅有利于降逡逑低碳陽極化學(xué)反應(yīng)巧能，還能提高收縮性。如圖２－６、２－７、２－８所示。逡逑Ｓａｍａｎｏｓ等蛹過實(shí)驗(yàn)研究，也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)使用低鍛逡逑燒石油焦有利于提高碳陽極抗熱震性。逡逑ＯｘｙｒｅａｃｔｉｖＨｙ逡逑４邋－逡逑ｇ0０？ｃ邐ｆ逡逑，：翁邐３００邋NB逡逑—－＞000Ｔ邐冷／逡逑Ｉ邐b8逡逑ｓ邋０．５－邐ｙ逡逑ｏＪＩ逡逑＇邐！邐＇邋Ｉ邋＇邐１邐＇邐１邐邐邐１邐＇邐１逡逑０邐化０００邋之００００邋３００００邋４００００逡逑Ｔｉｍ邋ｅ邋（ｓ）逡逑圖２－５試樣與化反應(yīng)失重曲緒１５１逡逑Ｃ邋Ｊ化析４權(quán)ｎ邋Ｔ？ｍ押ｌｉｔ山＊逡逑：＝．ｗ逡逑ｉｊ邋／逡逑Ｉ邋■逡逑０－逡逑Ｊ邐，邐Ｊ邐？邐ｒ邐＇邐ｉ邐＇邐１逡逑０邐訊００邐１００００邐１５０００逡逑Ｔｉｍ邋ｅ邋（ｓ）逡逑圖２－６試巧與Ｃ化反應(yīng)失重曲線ｌｉｓｉ逡逑－７－

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