收藏本站
《北京科技大学》 2015年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

铝用碳阴极孔隙结构及钠渗透—膨胀—蠕变过程研究

李想  
【摘要】:我国目前在大型铝电解槽设计制造方面已跻于世界一流水平,但在槽寿命方面与世界先进水平相比仍有较大差距。现代大型铝电解槽中碳阴极为关键大型部件,直接影响到槽寿命、能耗水平和固体废弃物排放量。已有研究表明,阴极失效、槽寿命降低的主要原因与电解质-钠渗透及阴极膨胀-蠕变过程有关。但先前研究工作多着重于阴极碳素材料实体结构,而对其孔隙空间研究尚不够充分且缺乏先进的定量表征分析方法。因此,本论文主要基于数字图像分析技术,建立适用于碳素阴极材料孔隙结构的分析表征方法,并以此深入研究探讨碳素阴极材料孔隙结构特征在焙烧制备过程的演变及其与电解渗透-膨胀-蠕变性能之间的耦合关系,为构建分析评价铝用碳阴极电解渗透-膨胀-蠕变性能的新方法、进而实现材料孔隙结构的优化调控提供技术依据和理论基础。 首先针对铝用阴极的材料及孔径范围,基于体视学和形态学原理改进和完善碳素阴极材料孔隙图像分析技术,定义孔隙率、平均孔径、视孔隙比表面积、形状因子、取向因子、连通率、配位数、孔隙分形特征等多种孔隙结构特征参数并实现了相关测量分析,形成了一种基于图像分析的碳素阴极孔隙结构表征方法。采用该法可定量、多方面的统计分析表征碳素阴极孔隙内部结构、微区孔隙结构、孔隙演变特征,并可作为研究孔隙结构与目标性能关系的技术手段。 其次,基于该图象分析方法对不同焙烧温度、不同成型压力下石墨质阴极孔隙结构、典型工业阴极的孔隙结构进行分析,发现石墨质阴极内群体孔隙及在不同焙烧温度下的演变具有自相似性并符合分形规律,其生坯经不同温度至1200℃焙烧后孔隙分形维数由1.25逐步增大为1.50,由此可借助图像分析孔隙结构参数和分形维数界定不同典型焙烧温度下阴极孔隙结构的演变特征。还发现随着成型压力升高,孔隙形状因子和连通率呈现单调增大趋势,而孔隙率则表现为先降低后升高的规律。同时,三种典型工业产品(半石墨质、全石墨质、石墨化)阴极的孔隙率随阴极材料石墨化程度提升而增大(分别为23%、25%和30%),而其孔隙比表面积、取向因子和孔隙连通性则呈减小趋势,孔隙趋于各向同性且分布更均匀。 然后,进一步采用图像分析与SEM-EDS分析相结合的方法,对碳素阴极材料电解前后的熔盐化学成分和孔隙结构进行精细协同分析。结果表明,电解时熔盐电解质主要以NaF形态通过不同类型孔隙通道渗透进入碳素阴极内部,熔盐渗透程度大小与孔隙结构特征的耦合关系可由图像分析所获参数中形状因子、孔隙连通率和配位数进行精细分析表征,即:较狭长的连通孔隙(形状因子、连通率和配位数数值均较大)比其他类孔隙更易于熔盐渗透,该狭长孔隙越多则熔盐渗透量越大。在改进的Carman-Kozeny渗透模型中引入二维图像孔隙参数,可对相同石墨化程度阴极材料中熔盐电解质的渗透规律进行模拟。 此外,在高温电解原位膨胀研究过程中首次发现孔隙结构均匀的高纯石墨阴极材料相临局部区域孔隙异化的演变现象,即:在开放自由膨胀条件下阴极中心区域孔隙减小而相邻边缘区域孔隙对应增大,并通过力学分析解释了这种相邻区域孔隙-应力间对应演变趋势,揭示出在无外界约束条件下阴极材料通过内部区域孔隙自组织行为达到应力与应变的平衡机制。 同时在高温电解原位蠕变研究过程中发现,阴极材料在初期蠕变时,孔隙率出现减小现象外,在更长的蠕变时间后,无论是中部还是边部区域孔隙都呈现数量增加、体积扩张的现象,实验室条件下蠕变行为最终导致孔隙率增加约50%。在有外力约束条件下,当膨胀行为是主作用时,阴极材料试样内部孔隙通过自组织行为释放不均匀应力,而当外应力导致蠕变行为占主导作用时,孔隙结构发生劣化坍塌,并产生新的孔隙。实际工业铝电解过程中,阴极碳素尺寸较大,内部应力分布不均使碳块整体处于膨胀-蠕变的非平衡状态下,孔隙的自组织调节将有利于不断释放阴极材料内应力,减小蠕变行为导致的阴极损伤。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TF821

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘庆生;薛济来;朱骏;李百松;;添加剂对铝电解炭基阴极钠渗透膨胀过程的影响[J];北京科技大学学报;2008年04期
2 任必军;石忠宁;刘世英;邱竹贤;;300kA铝电解槽阴极破损机理研究[J];东北大学学报(自然科学版);2007年06期
3 刘小君;黄毅;王伟;桂长林;;三维表面形貌的连通性表征[J];工程图学学报;2007年05期
4 邱竹贤,张明杰,姚广春,魏庆斌,范立满;铝电解中的界面现象[J];东北工学院学报;1989年04期
5 顾馨允;路新瀛;;PFC3D模拟颗粒堆积体的孔隙连通性初步研究[J];混凝土;2009年05期
6 任呈强;李铁虎;宋发举;;沥青热解模型[J];化学工程;2007年07期
7 徐建林,陈超;材料显微组织分析的研究[J];计量学报;2004年04期
8 冯乃祥;冰晶石熔体和金属Na在铝电解阴极碳块中的共同渗透[J];金属学报;1999年06期
9 杨建红,李庆余,王先黔,肖劲,殷恩生,刘永刚;现代工艺条件下预焙铝电解槽破损原因及解决对策[J];矿冶工程;2000年04期
10 刘世英;李文珍;王兆文;;电流密度对钠和铝电解质渗透行为的影响[J];矿冶工程;2009年01期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘庆生;薛济来;朱骏;李百松;;添加剂对铝电解炭基阴极钠渗透膨胀过程的影响[J];北京科技大学学报;2008年04期
2 王维;薛济来;朱骏;冯鲁兴;李吉刚;牛庆仁;何华;韩立国;王延庆;张成浩;;铝电解槽石墨化阴极和槽壳的变形[J];北京科技大学学报;2012年06期
3 杨云;郭芸;王秀峰;;数字图像技术辅助陶瓷显微组织定量分析研究[J];材料导报;2009年14期
4 唐慧鑫;俞小花;谢刚;;铝电解槽阴极TiB_2涂层的研究进展[J];材料导报;2011年S2期
5 肖伟峰;;探讨影响铝电解槽寿命的主要因素及其改进措施[J];世界有色金属;2008年05期
6 王凯旋;曾卫东;邵一涛;赵永庆;周义刚;;基于体视学原理的钛合金显微组织定量分析[J];稀有金属材料与工程;2009年03期
7 班允刚;杨少华;阚洪敏;王兆文;;TiB_2镀层制备及其耐腐蚀性能研究[J];东北大学学报(自然科学版);2007年12期
8 施斌;唐朝生;王宝军;姜洪涛;;粘性土在不同温度下龟裂的发展及其机理讨论[J];高校地质学报;2009年02期
9 杨秋红;丁君;;用体视学方法分析透明氧化铝陶瓷的显微结构[J];硅酸盐学报;2006年01期
10 唐朝生;施斌;刘春;;膨胀土收缩开裂特性研究[J];工程地质学报;2012年05期
中国重要会议论文全文数据库 前7条
1 于泳涛;;铝电解生产成本与电解槽槽龄的关系[A];2008中国环境科学学会学术年会优秀论文集(下卷)[C];2008年
2 孙毅;;高品质铝用阴极炭块的特性分析与展望[A];提高铝电解槽使用寿命学术研讨会论文集[C];2004年
3 孙毅;;中国铝用阴极炭块的技术现状与展望[A];中国有色金属学会第六届学术年会论文集[C];2005年
4 戴小平;;现代工艺条件下延长预焙铝电解槽寿命的研究[A];第二届全国延长铝电解槽使用寿命学术研讨会论文集[C];2007年
5 欧文莉;薛济来;;铝电解过程中TiB_2/C复合阴极内化学反应的研究[A];第二届全国延长铝电解槽使用寿命学术研讨会论文集[C];2007年
6 高院玲;薛济来;朱骏;焦克新;;基于图像分析的铝电解炭素阴极孔隙特征研究[A];有色金属工业科学发展——中国有色金属学会第八届学术年会论文集[C];2010年
7 文程宏;姜艳丽;喻亮;冯乃祥;唐鑫;;异型阴极结构铝电解槽热应力场仿真[A];2014年全国冶金物理化学学术会议论文集[C];2014年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 方钊;[K_3AlF_6/Na_3AlF_6]-AlF_3-Al_2O_3体系中低温铝电解的阴极抗渗透研究[D];中南大学;2011年
2 姜艳丽;新型阴极结构铝电解槽多物理场数值仿真研究[D];东北大学;2009年
3 彭建平;新型阴极结构铝电解槽试验研究[D];东北大学;2009年
4 李庆余;铝电解用惰性可润湿性TiB_2复合阴极涂层的研制与工业应用[D];中南大学;2003年
5 朱胜利;多孔TiNi形状记忆合金的研究[D];天津大学;2005年
6 戚喜全;泄流式TiB_2/C阴极电解槽研究[D];东北大学;2006年
7 黄昕;粘性炭素糊料冲击压实机理及其离散元数值仿真研究[D];中南大学;2007年
8 班允刚;铝电解用TiB_2基可湿润性阴极的研究[D];东北大学;2008年
9 田林;环保型铝用冷捣糊的研究[D];昆明理工大学;2012年
10 梁学民;大型预焙铝电解槽节能与提高槽寿命关键技术研究[D];中南大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吕林;图像处理技术在岩体块度分析中的应用[D];武汉理工大学;2011年
2 张阳;均质、优质生阳极生产工艺研究[D];兰州理工大学;2011年
3 刘保磊;微生物菌体及代谢产物驱油机理研究[D];中国科学院研究生院(渗流流体力学研究所);2011年
4 张君尉;水下堰体抛填密度模型试验研究[D];华南理工大学;2011年
5 左元杰;铝电解阳极焙烧过程中挥发分释放行为的研究[D];华中科技大学;2009年
6 蔡成志;随机单裂隙饱和—非饱和水力特性试验研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
7 陈国珠;ZL114A铝合金激光-电弧复合焊接头组织分布与性能研究[D];华中科技大学;2011年
8 方宁;铝用阴极冷捣糊的研究[D];昆明理工大学;2011年
9 温光宇;氮化硅/碳化硅成份及微结构设计与性能分析[D];西北工业大学;2004年
10 方静;铝电解用惰性可润湿性TiB_2/C复合阴极材料的制备与性能研究[D];中南大学;2004年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 曾庆猛;对未来我国铝工业发展的几点看法[J];世界有色金属;2002年03期
2 吴慧娅;我国铝电解工业的现状与竞争能力的分析[J];世界有色金属;2002年10期
3 蔡永庆,刘亚晨;核废料地质贮存岩体裂隙结构面几何特性参数分析[J];地质灾害与环境保护;2001年01期
4 胡静,水中和;水泥基材料水化与结构发展的三维计算机模拟[J];国外建材科技;2004年02期
5 王燕民,李竟先,FORSSBERG Eric;颗粒堆积现象的计算机模拟(英文)[J];硅酸盐学报;2003年02期
6 刘小君,丁曙光,赵小勇;表面形貌摩擦学功能表征参数的研究[J];合肥工业大学学报(自然科学版);1998年06期
7 徐建林;球墨铸铁金相图片分析系统[J];钢铁研究学报;2001年01期
8 李成贵,张国雄,袁长良;三维表面粗糙度的均一性研究[J];计量学报;1999年01期
9 冯乃祥;冰晶石熔体和金属Na在铝电解阴极碳块中的共同渗透[J];金属学报;1999年06期
10 翟昕;原生铝与再生铝缘何一热一冷两重天[J];有色金属再生与利用;2004年04期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张旭阳;杨青;侯文峰;岳小军;周琦;;不同孔隙结构砂砾岩储层水驱油效率评价[J];重庆科技学院学报(自然科学版);2011年06期
2 尤隆渤,刘雁来;碳分子筛制备及其研究Ⅱ、碳化物的孔隙结构特性[J];大连工学院学报;1987年04期
3 翁蕊;梅佑黔;;孔隙结构对聚合物捕集滞留量的影响[J];石油勘探与开发;1992年06期
4 赵爱红,廖毅,唐修义;煤的孔隙结构分形定量研究[J];煤炭学报;1998年04期
5 梁晓宏,范维澄;孔隙结构对焦碳燃烧影响的数值研究[J];火灾科学;1999年01期
6 王文峰,徐磊,傅雪海;应用分形理论研究煤孔隙结构[J];中国煤田地质;2002年02期
7 贺承祖;对马新仿等《用分形方法研究水驱前后岩石的孔隙结构》一文的置疑[J];新疆石油地质;2004年01期
8 谭廷栋;;混合孔隙结构指数的确定[J];石油勘探与开发;1978年03期
9 曾文冲;;孔隙结构指数m的物理意义及其表达式[J];测井技术;1979年05期
10 涂富华;唐仁琪;韩锦文;沈平平;;砂岩孔隙结构对水驱油效率影响的研究[J];石油学报;1983年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王桂莲;李德建;何满潮;杨国兴;台启民;;岩石吸水特性及其孔隙结构变化研究[A];中国软岩工程与深部灾害控制研究进展——第四届深部岩体力学与工程灾害控制学术研讨会暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议论文集[C];2009年
2 王中言;方华;白武明;;砂岩孔隙结构的图象分析及其物理意义[A];1995年中国地球物理学会第十一届学术年会论文集[C];1995年
3 陈红宇;范明;陈伟钧;;压汞法、气体吸附法联合测定岩石的孔隙结构[A];第十届全国有机地球化学学术会议论文摘要汇编[C];2005年
4 张元中;孟英峰;;非均质多孔介质孔隙结构与声波速度的关系[A];1998年中国地球物理学会第十四届学术年会论文集[C];1998年
5 张建华;张金喜;刘英;;不同含气量的混凝土孔隙结构研究[A];中国公路学会2005年学术年会论文集(上)[C];2005年
6 孙蔷;张向倩;陆安慧;;核壳限域空间内纳米炭球孔隙结构的调控[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第33分会:纳米材料合成与组装[C];2014年
7 唐刚;晏信飞;杨志芳;曹宏;;致密砂岩孔隙结构CT成像及等效速度预测[A];中国地球物理2013——第二十三专题论文集[C];2013年
8 张璨;郭德勇;;构造煤的孔隙结构及对CH_4的吸附性研究[A];瓦斯地质研究进展2013[C];2013年
9 郝耐;王永亮;毛灵涛;刘庆;;基于压汞法的煤岩孔隙结构实验研究与分形特性分析[A];北京力学会第19届学术年会论文集[C];2013年
10 肖立志;朱国钦;高守双;金振武;;核磁共振新技术在岩芯分析中的应用[A];1994年中国地球物理学会第十届学术年会论文集[C];1994年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 李想;铝用碳阴极孔隙结构及钠渗透—膨胀—蠕变过程研究[D];北京科技大学;2015年
2 李景岩;杏南开发区储层微观孔隙结构研究及应用[D];中国海洋大学;2012年
3 殷艳玲;低渗透砂岩油藏孔隙结构及水驱油效率研究[D];中国地质大学(北京);2010年
4 任晓娟;低渗砂岩储层孔隙结构与流体微观渗流特征研究[D];西北大学;2006年
5 李伟;PIP工艺制备C_f/SiC复合材料孔隙结构及其传热传质特性研究[D];国防科学技术大学;2008年
6 杨保华;堆浸体系中散体孔隙演化机理与渗流规律研究[D];中南大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王合明;多孔介质孔隙结构的分形特征和网络模型研究[D];大连理工大学;2013年
2 张淑婷;D油田P油层孔隙结构类型及特征研究[D];燕山大学;2014年
3 于华伟;单颗粒煤孔隙结构的数值模拟研究[D];内蒙古科技大学;2014年
4 张晓辉;韩城矿区构造煤孔隙结构多尺度下的精细表征[D];太原理工大学;2014年
5 贾良晨;煤焦孔隙结构对焦炭氮释放特性影响试验研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
6 李庚;燃烧过程中煤粒孔隙结构变化及对颗粒物的影响[D];华中科技大学;2005年
7 郭红光;复杂断块油层中高含水期岩心孔隙结构的网络模型研究[D];东北石油大学;2011年
8 聂晶;应用测井资料分析微孔隙结构的方法研究[D];大庆石油学院;2009年
9 郑飞;不同压实度黏性土微细观孔隙结构研究及分形表征[D];湖北工业大学;2014年
10 肖炼;铜/低密度聚乙烯多孔复合材料的孔隙结构调控[D];华中科技大学;2013年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026