Kuidas mõjutab naftakoksi mikrostruktuur (nõeljas, käsnjas ja graanulitaoline) kaltsineerimise kahanemise kiirust ja tegelikku tihedust?

1. Nõelkoks: tüüpiline näide madalast kokkutõmbumisest ja suurest tegelikust tihedusest

• Struktuurilised omadused: Nõelkoksil on kiuline või piklik struktuur, mille piklikud elliptilised poorid on korrapäraselt paigutatud. See struktuur näitab suurepärast tihenemisvõimet kaltsineerimise ajal.
• Kaltsineerimise kahanemine:
  • Nõelkoksi kahanemiskiirus on suhteliselt madal, tavaliselt 10–20%. Selle kiuline struktuur saavutab kahanemise molekulaarse ümberpaigutuse ja pooride sulgumise kaudu kõrgetel temperatuuridel, samas kui pooride korrastatud paigutus vähendab ruumi korrapäratuks kahanemiseks, alandades seeläbi üldist kahanemiskiirust.
  • Näiteks 1300 °C kaltsineerimisel võib nõelkoksi mahuline kahanemine olla vaid pool käsnkoksi omast, kuna see suudab termilist pinget ühtlaselt hajutada.
• Tegelik tihedus:
  • Nõelkoksi tegelik tihedus on kõrge, ulatudes üldiselt 2,10–2,15 g/cm³-ni. See peegeldab selle kõrget grafitiseerumisastet ja tihedat kristallilist struktuuri, mis on tihedalt seotud süsinikukihtide korrastatud paigutusega kiudstruktuuris.
  • Uuringud näitavad, et nõelkoksi tegelik tihedus on umbes 5–10% suurem kui käsnkoksil, kuna selles on vähem struktuurilisi defekte ja süsinikukiht on tihedamalt paiknenud.

2. Käsnkoks: tüüpiline näide suurest kokkutõmbumisest ja madalast tegelikust tihedusest

• Struktuurilised omadused: Käsnkoksil on poorne, käsnataoline struktuur, millel on ebakorrapärase suurusega ja jaotunud poorid, õhukesed seinad ja rabedus.
• Kaltsineerimise kahanemine:
  • Käsnkoksi kahanemiskiirus on tavaliselt 30–50%. Selle korrastamata poorne struktuur on kaltsineerimise ajal lenduvate ainete eraldumise ja termilise pinge kontsentratsiooni tõttu altid pooride kokkuvarisemisele, mis viib märkimisväärse kahanemiseni.
  • Näiteks 1200 °C kaltsineerimisel võib käsnkoksi mahuline kahanemine ületada 40%, mis on palju suurem kui nõelkoksi oma.
• Tegelik tihedus:
  • Käsnkoksi tegelik tihedus on suhteliselt madal, üldiselt 1,90–2,05 g/cm³. See on tingitud suurest hulgast jääkpooridest ja süsinikukihtide korrapäratust paigutusest selle struktuuris, mille tulemuseks on arvukalt kristallilisi defekte.
  • Võrreldes nõelkoksiga võib käsnkoksi tegelik tihedus olla ebapiisava tihendamise tõttu 10–15% madalam.

3. Haavelkoks: vahepealne olek mõõduka kokkutõmbumise ja tegeliku tihedusega

• Struktuurilised omadused: Haavelkoksi välimus on sfääriline või graanulitaoline, kõva pinna ja väheste pooridega, mis kujutab endast struktuurilist vaheühendit nõelkoksi ja käsnkoksi vahel.
• Kaltsineerimise kahanemine:
  • Haavelkoksi kahanemiskiirus on tavaliselt 20–30%. Selle sfääriline struktuur kahaneb kaltsineerimise ajal pindpinevuse tõttu, kuid piiratud sisemine poorsus piirab kahanemise amplituudi.
  • Näiteks 1250 °C kaltsineerimisel võib haavlikoksi mahuline kahanemine olla 25%, jäädes nõelkoksi ja käsnkoksi mahulise kahanemise vahele.
• Tegelik tihedus:
  • Haavelkoksi tegelik tihedus on üldiselt 2,00–2,10 g/cm³. Selle struktuuriline tihedus on parem kui käsnkoksil, kuid halvem kui nõelkoksil, mille tulemuseks on vahepealne tegelik tihedus.
  • Uuringud näitavad, et haavlikoksi tegelik tihedus on umbes 5% suurem kui käsnkoksi oma, kuid 3–5% väiksem kui nõelkoksi oma.

Struktuuri ja omaduste vaheliste seoste põhjalik analüüs

• Kahanemismehhanism:
  • Nõelkoksi korrastatud kiuline struktuur vähendab korrastamata kokkutõmbumisteid, alandades seeläbi kahanemiskiirust; käsnkoksi korrastamata poorne struktuur põhjustab pooride kokkuvarisemise tõttu suurt kahanemist; haavlikoksi sfääriline struktuur saavutab pindpinevuse tõttu mõõduka kahanemise.
• Tõelise tiheduse mehhanism:
  • Tegelik tihedus on otseselt seotud kristallstruktuuri tihenemisega. Nõelkoksi korrastatud süsinikukihi paigutus ja madal defektide tihedus annavad tulemuseks suure tegeliku tiheduse; käsnkoksi korrastamata struktuur ja jääkpoorid vähendavad tegelikku tihedust; haavlkoksil on vahepealsed omadused.
• Protsessi optimeerimise soovitused:
  • Rakenduste puhul, mis nõuavad väikest kokkutõmbumist ja suurt tegelikku tihedust (nt suure võimsusega grafiitelektroodid), on eelistatud nõelkoks;
  • Kulutundlike rakenduste puhul, millel on madalamad jõudlusnõuded (nt kütus), võivad sobivamad olla käsnkoks või haavlikoks;
  • Kaltsineerimistemperatuuri (nt üle 1300 °C) ja kuumutamiskiiruse (nt alla 50 °C/min) reguleerimine aitab nõelkoksi tegelikku tihedust ja kahanemist veelgi optimeerida.