摘要
近年来，随着氟气广泛应用于电子、激光技术、医药、塑料、石油化工、航空航天等领域，其需求量也逐级增加，仅2020年全球用于生产UF6的氟气的需求量就高达6000-7000t/a，相比2014年增加了400%，而电解法作为工业制氟唯一的方法，使得碳阳极需求量也相应的增涨300%。然而，在电解制氟过程中因碳阳极出现粉化、断裂导致使用寿命缩短和频繁更换以及电阻率高等问题造成电解制氟成本的大幅增加，以及因碳阳极的更换而需要对电解质的进行拆槽清理的操作难度也较大，增加了操作风险。碳阳极作为电解制氟生产过程中不可缺的一部分，其性能的好坏决定了电解槽的运行条件和技术经济指标。因此，如何延长碳阳极使用寿命，降低电阻率、减少粉化断裂，降低电耗及生产成本已成为迫在眉睫重大研究的课题。 为了提高碳阳极使用寿命和降低电阻率，从现有振动成型制备碳阳极技术存在的问题（体积密度低、孔隙率高、机械强度较差、使用寿命短）入手，提出了以石油焦和沥青为原料通过热模压一步成型法制备碳阳极。本文采用在1250℃焙烧再进行循环浸渍碳化工艺，提高碳阳极的体积密度、降低电阻率。对模压制备碳阳极的粒度分布进行了优化，沥青热解以及浸润行为的研究，模压成型与焙烧工艺理化性能研究，通过对比实验分析不同厂家碳阳极电解制氟碳阳极使用寿命与能耗。具体实验过程如下： 首先，通过改变不同粒度分布的石油焦，考察粒度分布对体积密度、抗压强度的影响。结果表明：在以四粒级石油焦（0.400mm-1.100mm，0.200mm-0.400mm，0.038mm-0.200mm，≤0.038mm）按粗粒21%，中粒17%，细料27%，球磨粉36%进行配料时，最大生坯体积密度1.799g/cm3，抗压强度80.2MPa。结果表明沥青动力学符合Ln{[1-(1-a)1-n]/(1-n)T2}=ln[AR(1-2RT/E)/E]-E/RT，反应级数为2级，活化能为29.675kJ/mol。沥青对不同骨料的浸渍实验发现粒径小于1.5mm的骨料孔隙率低难浸渍，大于2.7mm的骨料内部孔隙率大，属于易浸渍区，且随着骨料粒径的逐渐增大，沥青对骨料的浸渍率也随之增加。最后，探究了沥青含量对碳阳极物相组成、抗压性能、电学性能、微观形貌的影响。结果表明随着沥青含量的增加，碳阳极的层间距逐渐增大，沥青含量为18wt%时，碳阳极抗压强度为68.5MPa，电阻率为46.5μΩ.m。 其次，通过实验确定热模压制备碳阳极生坯的实验条件，实验结果表明：在热模压成型温度180℃，成型压力为40.0MPa，制备的碳阳极密度比振动成型碳阳极密度提高了0.04g/cm3。通过热重分析仪测试在不同升温速率条件下碳阳极的残碳率。实验表明：随着升温速率的加快，生坯最大失重速率向低温区推移的趋势，增加了碳阳极的失重，并确定出最佳升温速率是2℃/min。在最佳条件下制备的碳阳极密度为1.816g/cm3，电阻率为25.8μΩ.m，抗压强度95.0MPa,相比于行业标准密度提高了0.116g/cm3，电阻率降低14.2μΩ.m，抗压强度提高15.0MPa。 最后，通过XRD、SEM、Raman、TGA等表征手段对模压成型碳阳极与振动成型碳阳极进行理化性能分析。结果表明模压成型碳阳极其微观结构更为紧凑，不仅减少了碳阳极中的气孔和缺陷，而且促进焦碳非晶型碳结构中离子基团的缔合，增加导电离子数量，降低了电阻率。研究结果表明模压成型碳阳极在电解槽中运行不仅具有较低的运行电压，而且运行时间较振动成型延长了67.7%，电耗下降了14.1%，由此表明模压法制备高密度碳阳极有助于改善碳阳极的理化性能，能保证电解槽长期稳定的运行。通过对不同厂家碳阳极进行基本理化性能和石墨化度分析，表明影响碳阳极性能的因素不仅有体积密度，还有碳阳极中的灰分和石墨化度，将为碳阳极改进提供了研究方向。
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