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                          瀝青含量對炭陽極理化指標的影響


                          更新時間:2011-1-10
                          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.
                           
                           
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