渗透率,国家标准没有要求,而国际标准要求很严格,本文以美国炭阳极为例,通过 改变炭阳极中沥青的含量,探讨沥青含量对炭阳极理化指标的影响。 关键词:炭阳极;理化指标;空气渗透率;沥青含量;配方。
1 前言
铝电解生产中,炭阳极质量的好坏,直接影响到 电解槽的正常生产和铝电解生产中的各项技术经济 指标。炭阳极是由石油焦和残极、与煤沥青按一定比例混合成型后,经高温焙烧而成的。炭阳极的各项理 化指标是衡量阳极质量好坏的主要依据,我国铝电 解预焙阳极生产起步比较晚,炭阳极国家标准与国 际上先进的炭阳极质量要求存在着差距。国际上炭 阳极的理化指标的测定项目共有 15项,而国家标准 中只对耐压强度、电阻率、体积密度、真密度、灰分 5 项进行要求。随着出口炭阳极的生产,炭阳极的理化指标必须与国际接轨,尤其是炭阳极的空气渗透率,国家标准没有要求,而国际标准要求很严格。以美国 炭 阳 极 为 例,炭 阳 极 中 要 求 空 气 渗 透 率 为 2～4npm。 按传统的炭阳极配方生产、焙烧阳极的外观 合格率,强度、电阻率、密度、空气反应性、CO2 反应 性等理化指标都比较稳定,但空气渗透率指标波动 较大。影响炭阳极空气渗透率的主要因素是配方中 料粉的比表面积及沥青的用量。当然,炭阳极配方中 料粉的细度与用量也直接影响炭阳极的其他理化指 标。一般配方中细粉(小于 0.1mm)含量约占干料总 量的 30% 以上,但是这些细粉的比表面积却占干料 总比表面积的 95% 以上。沥青用量的多少主要决定 于配方中料粉的比表面积总和。从所周知,炭阳极中沥青含量过高,在焙烧过程中容易使制品变形和裂纹,严重时使炭阳极表面填充料粘结。同时炭阳极沥 青含量过低,糊料塑性差,生坯不易成型,炭阳极生 坯体积密度也较低。在焙烧过程中会产生炭阳极的 渗透性大、焙烧程度不够的现象。 另外,沥青含量的大小,对炭阳极的理化指标也有很大的影响,尤其是 对炭阳极的空气渗透率影响较大。因此,确定沥青的最佳含量是很重要的。 本文通过改变炭阳极中沥青 的含量,探讨沥青含量对炭阳极理化指标的影响。
2 试验的理论依据
瑞士专家 Wernerk.Fischer,针对不同的沥青, 进行实验室小型试验[1],试验结果见图 1(表示炭阳 极的 抗 热 震 性 能)、图 2(表 示 炭 阳 极 的 抗 氧 化 性 能)。 图中阴影部分为沥青的分布。
A:沥青含量 14%
B:沥青含量 16%
C:沥青含量 18%
D:沥青含量 20%
从图中可以看出,沥青含量高低对炭阳极的各 项理化指标都有一定影响,影响最明显的是炭阳极 的 体 积 密 度、空 气渗 透 率、电 阻 率、强 度、弹 性 模 量 等。为进一步研究沥青含量对炭阳极性能的影响,我 们将试验扩大到工业试验。
3 试验过程
根 据 瑞 士 专 家 Wernerk.Fischer的 小 型 试 验 和瑞士 R&D 专家布勒先生在我厂提供的多种小型配 方 试 验,我 们 将 炭 阳 极 沥 青 用 量 选 定 为 15% 、15.5% 、16% 、16.5% 、四种配方进行工业试验。
图1 炭阳极抗热震性能
图2 炭阳极抗氧化性能
3.1 生产试验技术条件要求
3.1.1 生产配方 我厂一直沿用传统的小颗粒配方生产,最大粒度为 4mm,此次试验采用 4种配方,干料粒度组成见表 1,原料比见表 2。
表 1 粒度组成
|
粒度 |
4～ 2mm |
2～ 1mm |
1～ 0mm |
粉料 |
收尘粉 |
|
% |
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 |
|
沥青/% |
16.5 |
16 |
15.5 |
15 |
表 3 煤沥青指标
|
项目 |
软化点
℃ |
甲苯不溶物 % |
灰份
% |
水份
% |
挥发份
% |
喹啉不溶物 % |
|
混合沥青 |
90-115 |
15-25 |
<0.3 |
<0.3 |
<55-63 |
<10 |
3.1.3 混捏 混捏采用单体混捏锅进行混捏,混捏过程工艺
条件见表 4。
表4混捏工艺条件
|
沥青温度
℃ |
干混时间
min |
湿混时间
min |
总混时间
min |
糊料温度
℃ |
|
175～ 185 |
30 |
40 |
70 |
162～ 168 |
3.1.4 振动成型
表5 振动成型工艺条件
|
激振力/kN |
成型温度/℃ |
振动时间/min |
|
170～ 250 |
143～ 148 |
60～ 80 |
3.1.5 焙烧
在敞开炉,采用六室运行168h曲线。 块温达1080℃ 。
4 试验结果
4 种不同配比沥青的炭阳极理化指标见表6
|
名 称 |
配方 1 |
配方 2 |
配方 3 |
配方 4 |
|
平均 |
平均 |
平均 |
平均 |
|
体积密度/g· cm- 3 |
1.56 |
1.57 |
1.54 |
1.572 |
|
电阻率/µΩ· m |
59 |
55 |
59 |
56 |
|
抗弯强度/MPa |
8.7 |
10 |
8.49 |
9.8 |
|
耐压强度/MPa |
41 |
41 |
32.16 |
39.7 |
|
扬氏模量/GPa |
4 |
5.1 |
4.29 |
5.0 |
|
热导率/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 |
|
空气渗透率/npm |
4.93 |
3.32 |
2.11 |
1.52 |
|
CO2反应 |
残留/% |
90.1 |
89.2 |
88.8 |
86.4 |
|
粉尘 |
1.8 |
2.5 |
2.7 |
4.1 |
|
损失 |
8.1 |
8.3 |
8.4 |
9.5 |
|
空气反应 |
残留/% |
97.3 |
97.9 |
97.6 |
91.6 |
|
粉尘 |
0.1 |
0.1 |
0.2 |
1.7 |
|
损失 |
2.6 |
2.0 |
2.2 |
6.7 |
5 分析
从 试 验 结 果 看,沥 青 含 量在 15% ～ 16.5% 时, 炭阳极的空气渗透率变化最大。 空气渗透率随着沥 青用量的减少而降低。 空气渗透率是反映炭阳极消 耗的重要质量指标,空气渗透率高,炭阳极中气孔大于 50nm 的开孔较多,在气体渗透炭阳极的情况下, 炭阳极内部反应引起炭阳极表面反应的增加,这样 就增加了炭阳极消耗。 影响空气渗透率的主要因素 是配方中的料粉的比表面积和沥青用量。因此,当干料 配 方 不 变 时,增 加 沥 青 用 量,虽 然 糊 料 的 流 动 性 好,生坯体积密度提高,但在焙烧过程中,沥青的析 焦量只有 50% 左右,粘结剂挥发后,开孔逐渐形成。造成炭阳极的空气渗透率增大。
6 结论
(1)从试验块结果看,采用小颗粒配方,沥青用 量在 15% ～ 16.5% ,可满足国内炭阳极质量指标。
(2)国家标准中没有对炭阳极的空气渗透率、微量元素进行要求,而国际标准中,对炭阳极的空气渗透率及微量元素都有严格要求。我厂出口美国炭阳 极 要 求 空 气 渗 透 率 2～ 4npm,试 验 表 明:采 用 小 颗 粒 配 方,沥 青 含 量 在 15% ～ 15.5% ,炭阳 极 的 空 气 渗透率较低,符合国际标准要求。
(3)生产过程中,料粉的布郎值对炭阳极的空气 渗透率也有影响。
(4)混捏温度、成型温度对生坯的体积密度影响 较大,炭阳极配方、焙烧温度等工艺条件对炭阳极理化指标也有影响。
通过本试验进一步证明,炭阳极生产工艺条件的稳定,是保证炭阳极质量的前提,采用小颗粒配方 时,沥 青 含 量 在 15% ～ 15.5% 时,炭 阳 极 的 各 项 理 化指标可达国际炭阳极质量要求。沥青含量的变化,对炭阳极理化指标的影响符合瑞士专家 Wernerk. Fischer的小型试验。
参考文献:
[1] AnodesfortheAluminum Industry[J].R&D CarbonLtd.147- 148.
