Каково влияние микроструктуры нефтяного кокса (игольчатой, губчатой и снарядообразной) на усадку при прокаливании и истинную плотность? 

1. Игольчатый кокс: Типичный пример низкой усадки и высокой истинной плотности
Структурные характеристики: Игольчатый кокс имеет волокнистую или удлиненную структуру с удлиненными эллиптическими порами, расположенными упорядоченным образом. Такая структура демонстрирует отличную способность к уплотнению при прокаливании.
Усадка при прокаливании:
Игольчатый кокс имеет относительно низкую степень усадки, обычно составляющую от 10% до 20%. Его волокнистая структура обеспечивает усадку за счет молекулярной перестройки и закрытия пор при высоких температурах, в то время как упорядоченное расположение пор уменьшает пространство для неупорядоченной усадки, тем самым снижая общую скорость усадки.
Например, при прокаливании при температуре 1300°C объемная усадка игольчатого кокса может быть вдвое меньше, чем у губчатого кокса, благодаря его способности равномерно распределять тепловое напряжение.
Истинная плотность:
Игольчатый кокс обладает высокой истинной плотностью, обычно достигающей 2,10–2,15 г/см3. Это отражает его высокую степень графитизации и плотную кристаллическую структуру, тесно связанную с упорядоченным расположением углеродных слоев в его волокнистой структуре.
Исследования показывают, что истинная плотность игольчатого кокса примерно на 5-10% выше, чем у бисквитного кокса, благодаря меньшему количеству структурных дефектов и более плотному укладыванию углеродного слоя.
2. Бисквитный кокс: Типичный пример высокой усадки и низкой истинной плотности
Структурные характеристики: Бисквитный кокс имеет пористую, похожую на губку структуру с неравномерно распределенными порами, тонкими стенками (обуглившимися) и хрупкостью.
Усадка при прокаливании:
Бисквитный кокс имеет высокую степень усадки, обычно составляющую от 30% до 50%. Его неупорядоченная пористая структура склонна к разрушению пор во время прокаливания из-за выделения летучих веществ и концентрации термических напряжений, что приводит к значительной усадке.
Например, при прокаливании при температуре 1200°C объемная усадка губчатого кокса может превышать 40%, что намного выше, чем у игольчатого кокса.
Истинная плотность:
Бисквитный кокс имеет относительно низкую истинную плотность, обычно от 1,90 до 2,05 г/см3. Это объясняется большим количеством остаточных пор и неупорядоченным расположением углеродных слоев в его структуре, что приводит к многочисленным кристаллическим дефектам.
По сравнению с игольчатым коксом, истинная плотность губчатого кокса может быть на 10-15% ниже из-за недостаточного уплотнения.
3. Дробленый кокс: Промежуточное состояние с умеренной усадкой и истинной плотностью
Структурные характеристики: Дробленый кокс имеет сферическую форму или форму гранул, твердую поверхность и небольшое количество пор, что представляет собой структурное промежуточное звено между игольчатым коксом и губчатым коксом.
Усадка при прокаливании:
Степень усадки дробленого кокса обычно составляет от 20% до 30%. Его сферическая структура подвергается усадке из-за поверхностного натяжения во время обжига, но ограниченная внутренняя пористость ограничивает амплитуду усадки.
Например, при прокаливании при температуре 1250°C объемная усадка дробленого кокса может составлять 25%, что находится между показателями игольчатого кокса и губчатого кокса.
Истинная плотность:
Плотность дробленого кокса обычно составляет от 2,00 до 2,10 г/см3. Его структурное уплотнение выше, чем у бисквитного кокса, но ниже, чем у игольчатого кокса, что приводит к средней плотности.
Исследования показывают, что истинная плотность дробленого кокса примерно на 5% выше, чем у губчатого кокса, но на 3-5% ниже, чем у игольчатого кокса.
Всесторонний анализ взаимосвязи структуры и свойств
Механизм усадки:
Упорядоченная волокнистая структура игольчатого кокса уменьшает неупорядоченные пути усадки, снижая скорость усадки; неупорядоченная пористая структура губчатого кокса приводит к высокой усадке за счет сужения пор; сферическая структура дробленого кокса обеспечивает умеренную усадку за счет поверхностного натяжения.
Механизм истинной плотности:
Истинная плотность напрямую связана с уплотнением кристаллической структуры. Упорядоченное расположение углеродистых слоев и низкая плотность дефектов игольчатого кокса обеспечивают высокую истинную плотность; неупорядоченная структура и остаточные поры губчатого кокса снижают истинную плотность; дробленый кокс обладает промежуточными свойствами.
Рекомендации по оптимизации процесса:
Для применений, требующих низкой усадки и высокой истинной плотности (например, для мощных графитовых электродов), предпочтителен игольчатый кокс;
Для экономичных применений с более низкими требованиями к производительности (например, к топливу) более подходящим может быть губчатый кокс или дробленый кокс.;
Регулируя температуру обжига (например, выше 1300°C) и скорость нагрева (например, ниже 50°C/мин), можно дополнительно оптимизировать истинную плотность и усадку игольчатого кокса.