無煙煤制作鋁電解炭陽極的研究

【摘要】： 炭陽極是電解鋁生產(chǎn)的關(guān)鍵。盡管多年來炭陽極的生產(chǎn)工藝、成分配比等方面都得到了很大發(fā)展,但其主要原料沒有改變,依然是石油焦和煤瀝青。為緩解日益匱乏的石油資源及有效的利用我國的無煙煤資源,本文研制了一種新的用于電解鋁生產(chǎn)的炭陽極以替代目前主要采用石油焦為原料的炭陽極。 本文以低灰無煙煤為研究對(duì)象,對(duì)無煙煤和石油焦的熱解進(jìn)行了考察。分析了煅燒和酸堿脫灰處理對(duì)無煙煤結(jié)構(gòu)和灰分成分的影響。考察了煅燒無煙煤和煅燒石油焦顆粒性質(zhì)的差異。研究發(fā)現(xiàn):石油焦的熱解在200℃到850℃之間較寬的范圍內(nèi)完成,石油焦的結(jié)構(gòu)重排在1050℃左右;無煙煤的熱解過程主要集中在550～900℃之間較窄的溫度區(qū)間,電熱煅燒可促使無煙煤趨于石墨化,同時(shí)使煅燒無煙煤結(jié)構(gòu)緊湊,其(002)對(duì)應(yīng)的衍射角由25.83o增加至25.89o。脫灰處理使灰分由2.0%降低至0.58%,酸堿脫灰處理對(duì)其結(jié)構(gòu)具有解體作用,經(jīng)過脫灰的煅燒無煙煤的堆砌厚度由原來的10.78782nm降低至8.95094nm,微晶碳的層面由153個(gè)碳環(huán)降低至123個(gè)。 脫灰煅燒無煙煤灰分的雜質(zhì)含量均在要求的范圍之內(nèi),具有催化作用的Ni、V的統(tǒng)計(jì)平均值遠(yuǎn)低于石油焦的標(biāo)準(zhǔn),煅燒無煙煤中的S含量僅為0.1%,遠(yuǎn)低于煅燒石油焦的1.22%。煅燒無煙煤顆粒壓碎強(qiáng)度系數(shù)比煅燒石油焦高出10~30%,而且耐磨性好,顆粒回脹系數(shù)比煅燒石油焦低。采用正交試驗(yàn)方法確定了最佳的粒度級(jí)配配方:4~2mm:20%,2~1mm:15%,1~0.075mm:20%,-0.075mm:45%。 在炭陽極的制備過程中考察了煅燒無煙煤粉添加量、煤瀝青含量及焙燒工藝對(duì)焙燒體性能的影響。結(jié)果表明:40%煅燒無煙煤粉添加量和18%煤瀝青含量的炭陽極灰分為0.95%,體積密度(1.452 g/cm3)和孔隙率(22.77%)配合較好,抗壓強(qiáng)度(37.59MPa)和電阻率(54.72μ?·m)均在我國炭陽極標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)要求范圍內(nèi)。升溫速率對(duì)炭陽極的結(jié)構(gòu)影響較大,而對(duì)性能參數(shù)影響不明顯。炭陽極在室溫到950℃之間,電子受溫度的激發(fā)躍遷占主導(dǎo)地位,表現(xiàn)為負(fù)電阻溫度系數(shù)。電阻率隨溫度的變化關(guān)系可用ρt =ρ20 +α(t ? 20)表示。完全石油焦炭陽極電阻溫度系數(shù)為-0.00932;添加40%煅燒無煙煤粉炭陽極電阻溫度系數(shù)為-0.01750。 對(duì)石油焦炭陽極和無煙煤炭陽極的970℃CO2反應(yīng)性進(jìn)行了考察,研究了添加劑對(duì)970℃CO2反應(yīng)性的影響。結(jié)果表明:無煙煤炭陽極的氧化度和脫落度分別為17.61%和4.42%,比石油焦試樣分別低1.29%和0.13%。鋁系添加劑在970℃CO2反應(yīng)性試驗(yàn)中能顯著降低炭陽極的氧化度和脫落度以及總的消耗速率。尤其是含量為0.8%的Al粉的氧化度和脫落度達(dá)到最小值,分別比不添加時(shí)降低32.8%和70%,總消耗速率為39.28 mg·cm-2·h-1。CaF2的加入會(huì)增加炭陽極的氧化度3%以上,脫落度增加4倍,總的消耗速率增加一倍以上。NaF的催化作用更加明顯,添加1.6%NaF氧化度為29.76%,脫落度增加至33.85%,總的消耗速率為不含添加劑時(shí)的3倍。 對(duì)炭陽極的氧化機(jī)理進(jìn)行分析,認(rèn)為添加煅燒無煙煤的炭陽極能夠阻止600℃的空氣氧化燃燒。而炭陽極的970℃CO2反應(yīng)性則要通過改善炭陽極微觀結(jié)構(gòu)和降低煤瀝青焦的反應(yīng)性兩個(gè)方面來綜合考慮。 該論文有圖57幅,表39個(gè),參考文獻(xiàn)122篇。 【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TF821

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