《Separation and Purification Technology》：Coupled CT-based structural characterization and finite element Modeling for revealing the thermo–mechanical response of prebaked anodes during high-temperature service
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预焙阳极孔隙结构调控热力学行为研究：通过X射线CT和COMSOL Multiphysics?有限元模拟发现振动成型阳极因各向同性多级孔隙网络形成，较压缩成型降低40%热应力，温差减少20℃，揭示孔隙连通性及尺寸分布对热传导和结构稳定性的关键作用。
马军|邱小龙|尚金良|江金龙|寇双|刘艳丽|涂传军
湖南大学材料科学与工程学院，长沙410082，中国
摘要
本研究系统地探讨了孔隙结构在调节960°C下预焙阳极热机械耦合行为中的作用。采用高分辨率X射线计算机断层扫描技术重建了通过压缩成型和振动成型制备的阳极的三维孔隙形态。提取了包括孔径分布、连通性和各向异性在内的定量参数，以构建代表性的孔隙簇模型。基于这些实验得到的结构，使用COMSOL Multiphysics?进行有限元模拟，分析了不同预热条件下的温度演变和热应力发展。结果表明，振动成型的阳极具有更加各向同性和连通性良好的孔隙网络，其峰值热应力降低了35–40%，内部温度波动降低了约20°C。这种改善归因于形成了均匀的孔隙网络，有助于均匀散热并减少高温运行时的结构不匹配。这些发现为非电化学消耗的微观机制提供了新的见解，并建立了成型过程、孔隙结构与碳阳极热机械稳定性之间的定量联系。
引言
铝是一种关键的工业金属，全球年消耗量超过7000万吨，其大规模生产严重依赖于预焙碳阳极（PA）的效率和稳定性[1]。在铝电解过程中，阳极同时充当电导体和活性反应组分，其消耗量几乎占总铝产量的的一半。其中约85–90%来自电化学氧化，而剩余的10–15%则由非电化学消耗造成，这受到阳极内部孔隙结构的显著影响[2],[3]。PA的微观结构通常是通过煤焦油沥青粘合的粗粒、中粒和细粒石油焦颗粒堆积形成的，形成了由开放孔、封闭孔和连通孔组成的多尺度孔隙网络[4],[5]。这种孔隙异质性在约960°C的工作条件下对控制热传递和应力分布起着关键作用。尽管碳基体具有均匀的固有导热性，但在不同大小的孔隙附近仍存在明显的局部变化：大而长的孔隙有助于方向性热传递，但会引起应力集中；而小孔或封闭孔则会阻碍热扩散，导致温度梯度和局部热不匹配。这些效应共同决定了阳极在电解过程中的热机械响应。因此，理解多尺度孔隙结构如何影响热传递和应力演变对于阐明非电化学消耗的根源和提高预焙碳阳极的热可靠性至关重要[6]。
成型过程对PA的微观结构起着决定性作用，从而影响其热和机械各向异性。两种常用的成型技术——压缩成型和振动成型——会产生具有不同方向特性的孔隙结构[4],[7]。压缩成型在单轴压力下倾向于促进颗粒的有序排列，导致明显的结构各向异性和方向依赖的导热性[5],[8]；相比之下，振动成型生成更加随机分布的孔隙网络，从而降低各向异性并促进各向同性的热传递行为[4],[9]。这些微观结构差异对服役过程中的温度分布和热应力演变有显著影响[10],[11]。因此，了解不同成型方法对预焙阳极热响应的影响对于优化其结构设计并在高温工业条件下实现稳定性能至关重要[12],[13]。
预焙阳极的微观结构特征，特别是孔径分布和孔隙类型，对控制热传递行为起着关键作用[14],[15]。孔隙的大小、空间排列和连通性直接影响材料的导热性和温度梯度的形成[16]。较小的孔隙会阻碍热流并增加热路径的曲折度，导致局部热量积聚和热扩散缓慢[17],[18]；而较大的孔隙则通过连续通道促进更直接的热传递，从而加快热平衡[15],[19],[20]。宏观孔、介观孔和微孔的多尺度共存形成了多模态热传导网络，热能根据局部结构异质性通过固体桥和孔壁传播[21]。理解这些微观因素之间的相互作用及其对温度分布的影响，对于准确预测预焙阳极在高温工作条件下的热性能和稳定性至关重要。
本研究旨在阐明预焙阳极的微观结构特征如何调节其在高温条件下的热响应和应力演变。具体来说，我们研究了孔隙结构（包括孔径分布、连通性和空间排列）如何影响温度场和热诱导应力的演变。为此，将实验表征与计算建模相结合。使用CT技术表征了通过压缩成型和振动成型制备的阳极样品的三维孔隙形态，从而能够对其内部结构特征进行定量比较。同时，使用COMSOL Multiphysics?进行有限元模拟，模拟了不同初始温度下的热传递和热应力演变。这种综合方法提供了关于成型诱导的微观结构各向异性如何影响热性能的全面理解，为高温碳阳极材料的结构设计和优化提供了宝贵见解。
部分摘录
原材料和样品制备
PA使用煅烧石油焦和煤焦油沥青作为主要原材料[12],[22]。按照预定的质量比混合原材料，以确保样品之间的成分均匀性，并尽量减少由于配方差异引起的变化[23]。采用两种成型技术制备具有不同孔隙结构的阳极。压缩成型阳极（CMA）是在110 kN的负载下通过单轴压制制备的，而振动成型阳极（VMA）则是通过...
不同成型方法制备的PA的孔结构分析
如图2(a)-(c)和(d)-(f)所示，通过压缩成型和振动成型制备的预焙阳极表现出明显的微观密度分布差异。在压缩成型样品（图2(a)-(c)）中，X-Y、X-Z和Y-Z截面上观察到相对较大的亮区和暗区，表明存在局部高密度区域[39],[40]。这一观察结果表明，单轴高压压实引起了一定程度的宏观致密化...
结论
本研究通过微观结构表征和数值模拟相结合的方法，研究了成型方法对PA热响应的影响。分别采用压缩成型和振动成型技术制备了CMA和VMA，两者具有不同的孔隙结构。X射线CT分析显示，CMA具有更加各向异性和方向排列的孔隙结构，而VMA则具有高度各向同性和良好的连通性...
CRediT作者贡献声明
马军：概念构思、方法论、研究、撰写初稿。邱小龙：数据管理、监督。尚金良：数据管理、监督。江金龙：数据管理、正式分析。寇双：数据管理、正式分析。刘艳丽：撰写-审稿与编辑、研究、监督。涂传军：概念构思、撰写-审稿与编辑、研究、资金获取、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2024YFB3410100）、国家自然科学基金（52572044）、涪陵区创新团队项目（编号FLKJ2024DECB004）和湖南省研究生科学研究创新项目（编号CX20240402）、四川省材料腐蚀与防护重点实验室开放项目（编号2023CL03）、湖南省自然科学基金（编号2024JJ7089）等的支持。
