电解铝用石墨化阴极材料的研究

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1、电解铝用石墨化阴极材料的研究摘要石墨化阴极炭块具有电阻率低、热导率高、耐碱腐蚀性强、抗热震性好、电解膨胀率低、能有效延长电解槽使用寿命等特性。它的研究与开发必将给我国的铝电解工业带来一场新的技术革命。本文以优质电煅无烟煤为主配以一定比例的石油焦、沥青焦按照配料→混捏→模压成型→焙烧→浸渍→二次焙烧→石墨化等常规石墨制品生产工艺流程制备无烟煤基石墨化阴极试样，研究了以电煅无烟煤为主要原料制备铝电解槽用石墨化阴极材料的可行性。此外还初步探讨了添加剂种类及用量对石墨化阴极材料性能的影响。通过对原料焦炭和无烟煤的化学组成与性能

2、分析，选出两种石油焦、一种沥青焦和一种无烟煤作为制备石墨化阴极试样的原材料。将电煅无烟煤分别与3种焦炭以不同的质量比进行混合按石墨制品生产工艺制成三个系列共16个石墨化阴极试样。通过对试样制备过程中几个主要阶段的试样进行结构与性能测定，探讨石墨化试样的结构和性能与原料及各种工艺因素的关系，确立制备石墨化阴极材料的配方组成和工艺条件。研究表明，随着无烟煤用量的增加，X、F和L三个系列的无烟煤基石墨化阴极试样在焙烧过程中的收缩率和失重率均呈减小的趋势，而在石墨化过程中则相反。X和L系列试样的体积密度较高且随无烟煤用量的增加

3、呈减小的趋势，而F系列试样则相反。电煅无烟煤在石墨化过程中由于灰份的大量排出和晶体结构的变化造成失重率与收缩率较大，因此生产大规格无烟煤基石墨化制品时，应严格控制无烟煤的用量，并采取适当措施防止制品在石墨化过程中开裂。以电煅无烟煤为主配以一定比例的新疆焦和沥青焦所制备的X和L系列无烟煤基石墨化阴极试样其综合性能优于由单一无烟煤制备的石墨化阴极试样W，各项常规性能与国外优质石墨化阴极产品的性能指标相当。F系列试样的综合性能较X和L系列试样差，某些性能指标甚至低于试样W，说明抚顺焦不适合作无烟煤基石墨化阴极产品的原料。以单

4、一电煅无烟煤制备的石墨化阴极试样W的各项性能指标良好，基本上达到了石墨化阴极产品的要求，说明优质电煅无烟煤可以作为石墨化阴极产品的原料。以单一新疆焦和沥青焦为原料制备的石墨化阴极试样X和L，综合性能优于国外优质石墨化阴极产品。研究发现，石墨化阴极试样的电解膨胀量随电解时间的变化可分为两种形式：随电解时间的延长先增大而后趋于平稳和随电解时间的延长而不断增大。前者主要发生在孔隙率较高、平均孔径较大、微孔含量较低的石墨化样中，而后者以孔隙率较低、平均孔径较小、微孔含量较高的石墨化样为主。电解质熔体通过孔隙渗入试样内部以及Na

5、原子嵌入石墨微晶层面之间生成Na-石墨层间化合物是造成石墨化样电解膨胀的主要原因。II硕士学位论文为提高石墨化阴极材料的强度、硬度及其抗熔盐侵蚀能力，还以石油焦、沥青焦和无烟煤为原料，添加一定比例的ZrO2或TiO2，与煤沥青混合后按常规炭石墨材料的生产工艺制备石墨化阴极材料试样，考察了焙烧样和石墨化样的性能与加入添加剂的种类和比例的关系，探讨了石墨化过程中添加剂与炭基体发生的反应及其对基体炭结构和性能的影响。研究发现，与未加添加剂的焙烧样X、F、L和W相比，加入添加剂ZrO2或TiO2的焙烧试样灰分含量较高，真密度和

6、体积密度更大，抗压强度和抗折强度更高，电阻率除无烟煤系列试样降低外，其它试样的电阻率略有升高。加入添加剂的石墨化试样真密度较高，热膨胀系数较小，但体积密度较低，孔隙率与显气孔率较大，强度和弹性模量较低。除无烟煤系列试样的电阻率较大外，其余试样的电阻率都在16μΩ·m以下。研究表明，造成加入添加剂ZrO2或TiO2的石墨化样常规性能大幅度降低的主要原因是：（1）焙烧样未经沥青浸渍和二次焙烧处理，石墨化试样的体积密度偏低；（2）ZrO2和TiO2被碳还原生成ZrC和TiC并放出CO的过程中，消耗了大量的碳原子；（3）反应过

7、程中生成的金属蒸气部分逸出基体，使ZrC和TiC的生成量较少；（4）添加剂在炭基体中分散不均匀，不能与其周围的碳充分反应，导致碳化物的生成量较少等。在添加剂加入量较大时，上述现象更明显，因此应严格控制ZrO2和TiO2的添加量，并采取措施使添加剂均匀分散在炭基体中。关键词：石墨化阴极，无烟煤，性能，电解膨胀率，添加剂III电解铝用石墨化阴极材料的研究AbstractGraphitizedcathodeblockshavethepropertiesoflowerelectricalresistivity,higherth

8、ermalconductivity,powerfulalkalinecorrosionresistance,superthermalshockresistance,smallerRapoportexpansionandprolongingthelifelengthoftheelectrolysiscells,etc.Thestud