滲透率,國家標準沒有要求,而國際標準要求很嚴格,本文以美國炭陽極為例,通過 改變炭陽極中瀝青的含量,探討瀝青含量對炭陽極理化指標的影響。 關鍵詞:炭陽極;理化指標;空氣滲透率;瀝青含量;配方。
1 前言
鋁電解生產中,炭陽極質量的好壞,直接影響到 電解槽的正常生產和鋁電解生產中的各項技術經濟 指標。炭陽極是由石油焦和殘極、與煤瀝青按一定比例混合成型后,經高溫焙燒而成的。炭陽極的各項理 化指標是衡量陽極質量好壞的主要依據,我國鋁電 解預焙陽極生產起步比較晚,炭陽極國家標準與國 際上先進的炭陽極質量要求存在著差距。國際上炭 陽極的理化指標的測定項目共有 15項,而國家標準 中只對耐壓強度、電阻率、體積密度、真密度、灰分 5 項進行要求。隨著出口炭陽極的生產,炭陽極的理化指標必須與國際接軌,尤其是炭陽極的空氣滲透率,國家標準沒有要求,而國際標準要求很嚴格。以美國 炭 陽 極 為 例,炭 陽 極 中 要 求 空 氣 滲 透 率 為 2～4npm。 按傳統的炭陽極配方生產、焙燒陽極的外觀 合格率,強度、電阻率、密度、空氣反應性、CO2 反應 性等理化指標都比較穩定,但空氣滲透率指標波動 較大。影響炭陽極空氣滲透率的主要因素是配方中 料粉的比表面積及瀝青的用量。當然,炭陽極配方中 料粉的細度與用量也直接影響炭陽極的其他理化指 標。一般配方中細粉(小于 0.1mm)含量約占干料總 量的 30% 以上,但是這些細粉的比表面積卻占干料 總比表面積的 95% 以上。瀝青用量的多少主要決定 于配方中料粉的比表面積總和。從所周知,炭陽極中瀝青含量過高,在焙燒過程中容易使制品變形和裂紋,嚴重時使炭陽極表面填充料粘結。同時炭陽極瀝 青含量過低,糊料塑性差,生坯不易成型,炭陽極生 坯體積密度也較低。在焙燒過程中會產生炭陽極的 滲透性大、焙燒程度不夠的現象。 另外,瀝青含量的大小,對炭陽極的理化指標也有很大的影響,尤其是 對炭陽極的空氣滲透率影響較大。因此,確定瀝青的最佳含量是很重要的。 本文通過改變炭陽極中瀝青 的含量,探討瀝青含量對炭陽極理化指標的影響。
2 試驗的理論依據
瑞士專家 Wernerk.Fischer,針對不同的瀝青, 進行實驗室小型試驗[1],試驗結果見圖 1(表示炭陽 極的 抗 熱 震 性 能)、圖 2(表 示 炭 陽 極 的 抗 氧 化 性 能)。 圖中陰影部分為瀝青的分布。
A:瀝青含量 14%
B:瀝青含量 16%
C:瀝青含量 18%
D:瀝青含量 20%
從圖中可以看出,瀝青含量高低對炭陽極的各 項理化指標都有一定影響,影響最明顯的是炭陽極 的 體 積 密 度、空 氣滲 透 率、電 阻 率、強 度、彈 性 模 量 等。為進一步研究瀝青含量對炭陽極性能的影響,我 們將試驗擴大到工業試驗。
3 試驗過程
根 據 瑞 士 專 家 Wernerk.Fischer的 小 型 試 驗 和瑞士 R&D 專家布勒先生在我廠提供的多種小型配 方 試 驗,我 們 將 炭 陽 極 瀝 青 用 量 選 定 為 15% 、15.5% 、16% 、16.5% 、四種配方進行工業試驗。
圖1 炭陽極抗熱震性能
圖2 炭陽極抗氧化性能
3.1 生產試驗技術條件要求
3.1.1 生產配方 我廠一直沿用傳統的小顆粒配方生產,最大粒度為 4mm,此次試驗采用 4種配方,干料粒度組成見表 1,原料比見表 2。
表 1 粒度組成
|
粒度 |
4～ 2mm |
2～ 1mm |
1～ 0mm |
粉料 |
收塵粉 |
|
% |
28 |
19 |
16 |
32 |
5 |
表2 原料配比
|
原料用量 |
配方 1 |
配方 2 |
配方 3 |
配方 4 |
|
石油焦/% |
83.5 |
84 |
84.5 |
85 |
|
瀝青/% |
16.5 |
16 |
15.5 |
15 |
表 3 煤瀝青指標
|
項目 |
軟化點
℃ |
甲苯不溶物 % |
灰份
% |
水份
% |
揮發份
% |
喹啉不溶物 % |
|
混合瀝青 |
90-115 |
15-25 |
<0.3 |
<0.3 |
<55-63 |
<10 |
3.1.3 混捏 混捏采用單體混捏鍋進行混捏,混捏過程工藝
條件見表 4。
表4混捏工藝條件
|
瀝青溫度
℃ |
干混時間
min |
濕混時間
min |
總混時間
min |
糊料溫度
℃ |
|
175～ 185 |
30 |
40 |
70 |
162～ 168 |
3.1.4 振動成型
表5 振動成型工藝條件
|
激振力/kN |
成型溫度/℃ |
振動時間/min |
|
170～ 250 |
143～ 148 |
60～ 80 |
3.1.5 焙燒
在敞開爐,采用六室運行168h曲線。 塊溫達1080℃ 。
4 試驗結果
4 種不同配比瀝青的炭陽極理化指標見表6
|
名 稱 |
配方 1 |
配方 2 |
配方 3 |
配方 4 |
|
平均 |
平均 |
平均 |
平均 |
|
體積密度/g· cm- 3 |
1.56 |
1.57 |
1.54 |
1.572 |
|
電阻率/µΩ· m |
59 |
55 |
59 |
56 |
|
抗彎強度/MPa |
8.7 |
10 |
8.49 |
9.8 |
|
耐壓強度/MPa |
41 |
41 |
32.16 |
39.7 |
|
揚氏模量/GPa |
4 |
5.1 |
4.29 |
5.0 |
|
熱導率/W· (m· K)- 1 |
3.85 |
3.96 |
3.39 |
3.58 |
|
真密度/g· cm- 3 |
2.09 |
2.06 |
2.06 |
2.07 |
|
空氣滲透率/npm |
4.93 |
3.32 |
2.11 |
1.52 |
|
CO2反應 |
殘留/% |
90.1 |
89.2 |
88.8 |
86.4 |
|
粉塵 |
1.8 |
2.5 |
2.7 |
4.1 |
|
損失 |
8.1 |
8.3 |
8.4 |
9.5 |
|
空氣反應 |
殘留/% |
97.3 |
97.9 |
97.6 |
91.6 |
|
粉塵 |
0.1 |
0.1 |
0.2 |
1.7 |
|
損失 |
2.6 |
2.0 |
2.2 |
6.7 |
5 分析
從 試 驗 結 果 看,瀝 青 含 量在 15% ～ 16.5% 時, 炭陽極的空氣滲透率變化最大。 空氣滲透率隨著瀝 青用量的減少而降低。 空氣滲透率是反映炭陽極消 耗的重要質量指標,空氣滲透率高,炭陽極中氣孔大于 50nm 的開孔較多,在氣體滲透炭陽極的情況下, 炭陽極內部反應引起炭陽極表面反應的增加,這樣 就增加了炭陽極消耗。 影響空氣滲透率的主要因素 是配方中的料粉的比表面積和瀝青用量。因此,當干料 配 方 不 變 時,增 加 瀝 青 用 量,雖 然 糊 料 的 流 動 性 好,生坯體積密度提高,但在焙燒過程中,瀝青的析 焦量只有 50% 左右,粘結劑揮發后,開孔逐漸形成。造成炭陽極的空氣滲透率增大。
6 結論
(1)從試驗塊結果看,采用小顆粒配方,瀝青用 量在 15% ～ 16.5% ,可滿足國內炭陽極質量指標。
(2)國家標準中沒有對炭陽極的空氣滲透率、微量元素進行要求,而國際標準中,對炭陽極的空氣滲透率及微量元素都有嚴格要求。我廠出口美國炭陽 極 要 求 空 氣 滲 透 率 2～ 4npm,試 驗 表 明:采 用 小 顆 粒 配 方,瀝 青 含 量 在 15% ～ 15.5% ,炭陽 極 的 空 氣 滲透率較低,符合國際標準要求。
(3)生產過程中,料粉的布郎值對炭陽極的空氣 滲透率也有影響。
(4)混捏溫度、成型溫度對生坯的體積密度影響 較大,炭陽極配方、焙燒溫度等工藝條件對炭陽極理化指標也有影響。
通過本試驗進一步證明,炭陽極生產工藝條件的穩定,是保證炭陽極質量的前提,采用小顆粒配方 時,瀝 青 含 量 在 15% ～ 15.5% 時,炭 陽 極 的 各 項 理 化指標可達國際炭陽極質量要求。瀝青含量的變化,對炭陽極理化指標的影響符合瑞士專家 Wernerk. Fischer的小型試驗。
參考文獻:
[1] AnodesfortheAluminum Industry[J].R&D CarbonLtd.147- 148.
