碳热还原法制备碳化硼的热力学研究

采用FactSage软件分别对B-O体系和B-C-O体系进行热力学研究,并绘制出B-O体系和B-C-O体系状态图.通过分析碳热还原过程中可能发生的化学反应以及反应随温度和分压的变化趋势,获得了B-C-O体系的优势区域图,探究了温度和分压对体系物相共存区域的作用规律.在热力学研究的基础上,提出了碳热还原制备碳化硼(B_(4)C)的反应机理,并在不同温度下(1 550~1 800℃)通过还原实验进行验证.结果表明:B_(2)O_(2)是B-C-O体系中重要的气相组成之一,可直接参与B_(4)C的形成;还原反应所制备的B_(4)C存在不规则多面体和二维薄片状两种晶体形貌,且分别对应两种不同的B_(4)C生成机理.

碳热还原法制备碳化硼原料缓释脱水研究

为改善传统碳热还原法制备碳化硼因直接高温(1 800~2 000℃)剧烈脱水导致硼酸原料挥发严重进而产品纯度低和结晶差等弊端,本文以硼酸和石油焦为原料,研究了原料存在形式(球团、粉末)、脱水温度、加热时间及升温速率对缓释脱水过程的影响,确定了适宜的缓释脱水参数,同时研究了缓释脱水过程的动力学。研究表明,较优的缓释脱水参数为:原料压制球团、脱水温度300℃、脱水时间40 min、升温速率5℃/min。此外,通过XRD和化学成分分析,原料经过缓释脱水过程可提高B4C纯度约9.01%,降低游离碳含量7.95%。由此可知,原料缓释脱水有利于维持原料配比平衡,从而提高碳热还原法的反应程度。

铝电解阳极气泡动力学及分布特性的低温电解实验研究

以河南某厂300 k A铝电解槽为原型,基于相似原理,按与原型1:4的几何比例设计和搭建大尺度低温电解实验平台,探讨和分析阳极底掌气泡的成核、长大、聚并、破碎及分离等动力学行为及分布特性规律。结果表明:阳极底掌成核点处首先主要产生尺寸极小且分布比较均匀的气泡,然后这些气泡在扩散和传质引起的生长及碰撞和"吞噬"引起的聚并过程中不断长大,最后在阳极底掌边缘发生一定的分离与破碎过程,同时还伴随着较强烈的液体局部循环扰动。阳极底掌气泡层内气泡的尺寸分布范围比较宽且形状差异较大,数量比较少的大尺寸及中等尺寸气泡的周围存在着数量比较多的小尺寸气泡。改变电流密度和阳极倾斜角均对上述气泡的相关动力学行为和尺寸分布特性有着重要的影响。

开槽阳极对铝电解气液两相流及气泡分布特性影响的数值模拟

基于计算流体动力学原理,建立了全尺度三阳极铝电解槽内气液两相流三维CFD-PBM耦合计算模型,采用Grace曳力系数模型和Simonin湍流扩散力模型分别计算气液相间曳力和湍流扩散力,研究和讨论了开槽阳极对阳极底掌区域内气液两相流体流动及气泡分布特性的影响。结果表明,电解质流场预测结果与文献测试结果吻合良好;对阳极进行开槽可明显加快气泡的逸出方式,从而改变电解质流场和气体体积分数分布;长度方向开槽可明显降低气体体积分数和减小气泡索特平均直径。

欠量与过量下料对铝电解氧化铝浓度分布影响的数值模拟

基于前期对铝电解气液两相流及氧化铝溶解与输运行为的研究成果,建立了300kA铝电解槽内耦合考虑氧化铝溶解行为的气液两相流欧拉双流体多组分计算模型,研究和讨论了欠量与过量下料对槽内氧化铝浓度分布特性的影响及规律。结果表明,铝电解槽内存在高氧化铝浓度和低氧化铝浓度区域;在欠量下料状态下,氧化铝浓度会持续降低,而在过量下料状态下,氧化铝浓度会持续升高;不同欠量与过量下料状态交替切换方式下的全槽区域及高浓度与低浓度区域的平均氧化铝体积浓度均在工业可控范围内。

电热法制备碳化硼的原料预成型工艺探究

为改善传统电热法制备碳化硼因采用粉体原料而导致的原料配比失调、产品纯度低和粉尘污染重等弊端,文章以硼酸和石油焦粉为原料,研究并优化了碳化硼制备过程中的原料预成型工艺(压制球团)。探究了制团压力、保压时间、配水量和黏结剂含量对球团物理性能的作用规律,以确定较优的预成型条件参数,同时对比分析了原料预成型工艺对硼酸原料挥发性的影响。研究表明,以羟丙基甲基纤维素为黏结剂,较优的预成型条件参数为:制团压力30 MPa、保压时间45 s、配水量6%,黏结剂含量3%。原料预成型可有效降低硼酸的挥发量,有利于维持原料配比平衡,进而促进碳热还原反应的进行。