振动成型原理是糊料在模具内受高频小振幅交变振动下强迫振动,在强烈振动状态下,糊料颗粒间的内摩擦力及糊料与模具壁间的外摩擦力急剧下降,迅速填充到模具的各个角落,较小的颗粒填充大颗粒间的空隙,最终得到具有规定形状的高密实度的生阳极。
2、成型裂纹机理
在生阳极生产过程中造成裂纹,其根本原因为糊料间的粘结力与生阳极内部张应力的不平衡造成。
第一种情况:当粘结力>生阳极内部张应力
该情况虽然并未造成明显的裂纹现象,但粘结力与张应力的差值较小,会造成生阳极的“不稳定状态“。在后续的焙烧工序升温过程中,随着温度的逐渐升高至沥青软化点温度以上而未达到炭化温度以前,糊料间的粘结力将逐渐下降,张应力大于糊料粘结力造成裂纹。
第二种情况:当粘结力<生阳极内部张应力
该情况将直接造成裂纹,宏观上分为内部裂纹与外部裂纹。
造成裂纹的主要原因有以下2个方面:
(1)由于机械应力造成的裂纹
a.由激振力引起
在振动成型过程中,糊料受到垂直方向上的激振力作用,具有一定的塑性。糊料在激振力的作用下发生形变,孔隙度减少,靠细粉与沥青形成的胶料粘结在一起。
孔隙度与激振力、振动时间和糊料粘度的关系:
其中:∑a—生坯孔隙度;
∑a0—振动成型开始时的孔隙度;
t—振动时间;
F—激振力;
η—糊料粘度;
G—常数,根据压模形式确定。
生阳极达到一定的体积密度后,糊料间的粘结力大于生阳极内部的张应力。但过长的振动时间会造成生阳极弹性后效增大,最终产生超过粘结力的张应力,导致生阳极裂纹现象。
b.由摩擦力引起
由于模具内表面不光滑,或润滑、温度不均,会造成生阳极与模具间的摩擦力增大,该摩擦力大于粘结力时,将出现提模裂纹。
(2)由于温度不合理造成的裂纹
a.糊料温度
一般认为,糊料温度的升高将利于成型。但糊料温度过高,一方面会造成沥青老化,糊料变硬,可塑性差,生阳极体积密度低;另一方面沥青烟气将明显增加,有大量气体从生阳极内部逸出,糊料颗粒间产生较大的张应力,当张应力大于粘结力时,炭阳极将形成裂纹。
b.模具温度
模具温度过高,生制品表面易出现局部沥青的加速老化,失去粘结力。脱模后生阳极表面容易出现较多的细小裂纹。
模具温度过低,与糊料温差较大,直接接触模具的糊料与模具之间的摩擦力大,容易造成提模裂纹。
c.冷却水温度
冷却水温度过低时,生阳极脱模进入冷却池后,外表急剧收缩硬化;而其内部温度仍然较高,收缩硬化慢,内外存在较大的温度差造成低温区形成张应力,当张应力大于粘结力时,生阳极出现裂纹现象。
(3)弹性后效过大引起的裂纹
生阳极失去压力脱模时,材料总是力图恢复原来的形状,这一扩张力叫弹性后效。
生阳极在受压小,体积密度小时不产生弹性后效,其随着受压产生变形,体积密度增加。当阳极体积密度达到一定值后,随着压缩的继续,体积密度越大,弹性后效也越大【1】。
压力大到一定程度,弹性后效应力足以使材料内部薄弱处断开,材料失去弹性。不同的石油焦颗粒,不同的混捏、成型条件会产生不同的弹性后效。垂直裂纹、水平裂纹、角部裂纹及各种无规则裂纹都主要与弹性后效过大有关。
因此,保证生制品体积密度在合理范围内,可以减小弹性后效。
(4)体积密度不均造成的裂纹
引起阳极裂纹的应力源,与体积密度不均有关。由于体积密度不均,振动成型时产生应力。
体积密度不均二个微小体积单位振动力差△F:
△F= ω2 (d2-d1)△V
d1为正常平均体积密度,d2为局部不一致的体积度,△V为微小体积,ω为振动加速度。
当振动突然停止时,惯性使这一力差加大,引起材料体积密度变化的分界裂纹。
同理,材料内部温度、热膨胀应力、冷收缩应力、相变及蒸气引起的应力、摩擦力等的差异使各部分的粘结力不一,在成型时都会产生应力差。因此炭阳极内部的均质均一,可获得较好的对抗裂纹冲击能力。