煤瀝青對炭陽極質(zhì)量的影響和建議

楊　波（貴州師范大學(xué)　材料與建筑工程學(xué)院,貴陽　550000）

煤瀝青對炭陽極質(zhì)量的影響和建議

楊波
（貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院,貴陽550000）

摘要：煤瀝青是炭陽極生產(chǎn)的重要原料之一，煤瀝青的處理和配比將于粉料相互作用共同貢獻(xiàn)于炭陽極的品質(zhì)，煤瀝青的組成和各方面的理化性質(zhì)將直接影響炭陽極的質(zhì)量，本文將簡單介紹我國煤瀝青的生產(chǎn)現(xiàn)狀，然后對煤瀝青的品質(zhì)對炭陽極的影響展開各個(gè)方面的闡述，最后，將結(jié)合其中的部分問題提出建議。

關(guān)鍵詞：煤瀝青；炭陽極；成型；焙燒

1　煤瀝青的生產(chǎn)現(xiàn)狀

煤瀝青是煤焦油經(jīng)過蒸餾加工等操作后去除液體餾分所得到的殘留物，由于原煤來源及性質(zhì)的不穩(wěn)定和焦化廠的煉焦方式不同，煤瀝青中具有復(fù)雜多樣的多環(huán)、稠環(huán)芳香烴及其衍生物。此外，除了原煤中自帶的雜質(zhì)，由于煤瀝青屬于大部分工業(yè)生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，煤瀝青的品質(zhì)在各項(xiàng)煤焦油的深加工中并不受重視，煤瀝青的質(zhì)量和生產(chǎn)過程缺乏監(jiān)測和調(diào)控，導(dǎo)致在其生產(chǎn)過程中由于污染又增加了許多雜質(zhì)。

改質(zhì)瀝青可由普通瀝青經(jīng)高溫?zé)峋酆戏?、氧化熱聚法、真空閃蒸法等方法提高品質(zhì)后獲得，是炭陽極生產(chǎn)原料的最佳選擇，并在國外的炭陽極的生產(chǎn)中得到推廣使用，然而國內(nèi)由于發(fā)展水平落后和瀝青質(zhì)量不穩(wěn)定等客觀原因，改質(zhì)瀝青的生產(chǎn)量低，在炭陽極的生產(chǎn)中通常以軟化點(diǎn)與之相近的高溫瀝青代替。

2　煤瀝青對碳陽極的質(zhì)量的影響

煤瀝青在炭陽極的生產(chǎn)中主要有以下兩個(gè)作用：

（1）當(dāng)煤瀝青的溫度達(dá)到軟化點(diǎn)左右的時(shí)候，將由固態(tài)變?yōu)榘肓黧w狀態(tài)，具有一定的流動(dòng)性和浸潤性，加之煤瀝青具有粘性，在流動(dòng)相的煤瀝青與固相的焦粒表面相互作用時(shí)，能夠?qū)⒔沽Ｕ尺B在一起，同時(shí)煤瀝青可以填補(bǔ)焦粒間的孔隙，糊料在瀝青的作用下具有可塑性，經(jīng)混捏成型和冷卻后得到密實(shí)的生陽極；

（2）在生陽極的焙燒過程中，受高溫的影響凝固的煤瀝青會再次融化，產(chǎn)生一定的遷移，但隨后便會和石油焦一起碳化，煤瀝青因含有大量的芳香烴而具有較高的結(jié)焦率結(jié)，瀝青焦將起著粘結(jié)橋的作用將不同粒度的焦粒粘結(jié)在一起，使生陽極在固化的同時(shí)擁有一定的物理硬度和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，成為鋁電解用碳陽極。煤瀝青對炭陽極的影響貫穿于整個(gè)生產(chǎn)過程中，煤瀝青中固含的雜質(zhì)、水分以及生產(chǎn)生產(chǎn)工藝，都會通過改變煤瀝青的各項(xiàng)理化性質(zhì)來影響炭陽極的質(zhì)量。

同樣值得關(guān)注的是，在由于煤瀝青幾乎是煤焦油加工的最后一道工序的產(chǎn)物，煤瀝青中必將累積大量的雜質(zhì)如硫、鐵、鈉、鈣等，他們中絕大部分以化合物的形式存在，經(jīng)過高溫加熱后便轉(zhuǎn)化為灰分，金屬離子將對炭陽極與二氧化碳、氧氣的反應(yīng)起催化作用。首先，鈉離子會使炭陽極疏松和膨脹，不僅能夠提高炭陽極與氧氣和二氧化碳的反應(yīng)活性，降低炭陽極的使用壽命，而且在電解槽內(nèi)會形成更多的炭渣，嚴(yán)重降低鋁產(chǎn)品的質(zhì)量；鈣離子主要催化炭陽極與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，鐵對原鋁質(zhì)量和炭耗有較大影響，硅會以降低炭陽極的導(dǎo)電性能的方式增大炭耗，釩和鎳會急劇增大炭陽極與空氣的反應(yīng)活性，硫元素不僅能與金屬雜質(zhì)結(jié)合，降低金屬離子的催化作用，抑制金屬離子的自由移動(dòng)，降低炭陽極的空氣、二氧化碳反應(yīng)活性及炭陽極的煅燒溫度，還能提高煤瀝青的結(jié)焦率并減少結(jié)焦形成的孔隙，所以高硫煤瀝青能優(yōu)化炭陽極的質(zhì)量，有利于石油焦中硫含量低時(shí)進(jìn)行調(diào)配。

從煤瀝青用量的角度來看，結(jié)合石油焦焦粒配比的具體情況，合理的瀝青添加量，能夠在混捏、成型和焙燒等環(huán)節(jié)減少能耗，在一定程度上增大炭陽極密度和和導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。倘若煤瀝青用量不足，將不能完全浸潤石油焦粒，糊料的密度低、塑性差，壓制出來的生陽極的假比重低，焙燒后的成品空氣滲透性高、內(nèi)部焦粒分布不均，物理硬度和導(dǎo)電性能差。倘若瀝青用量過多，瀝青在覆蓋浸潤焦粒表面孔隙和填充焦粒間孔隙的情況下，還會有大量富余，煤瀝青中的揮發(fā)分在高溫加熱下全部去炭化，產(chǎn)生的氣體會在碳陽極內(nèi)部產(chǎn)生氣孔，降低炭陽極的密度、電阻率，增大空氣滲透率和炭耗，甚至是導(dǎo)致炭陽極的裂化。

煤瀝青的品質(zhì)除了與自身性能有關(guān)還受溫度的影響，在混捏過程中，溫度將影響瀝青的流動(dòng)性和粘度；焙燒過程中，在900℃-1400℃間,隨著鍛燒溫度的增大,瀝青焦的空氣反應(yīng)活性持續(xù)降低?？梢苑譃?個(gè)階段:900℃-1000℃降幅最大,1000℃-1300℃空氣反應(yīng)性降低較為平穩(wěn),1300℃以后也存在較大降幅。但其C02反應(yīng)活性的變化則是沒有明顯的規(guī)律,這表明瀝青焦的C02反應(yīng)活性受溫度的影響小[1]。

3　對于煤瀝青使用的建議

（1）適當(dāng)增大焦粒粒度，通過減少比表面積的方式減少瀝青的用量，在保證炭陽極密度的同時(shí)降低生產(chǎn)成本，在調(diào)節(jié)粉料配比后需要對瀝青用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到新的數(shù)據(jù)。炭陽極焦粒配比與煤瀝青的使用是相互作用的，曾有人研究得出結(jié)論粘結(jié)劑瀝青用量在15.5～18.5%之間,生陽極假比重較高,大致都在1.58g/cm3以上[2]，在實(shí)際的生產(chǎn)中，所有的研究結(jié)論都只能確定一個(gè)大致的使用范圍，不可生搬硬套。

（2）石油焦預(yù)熱溫度應(yīng)當(dāng)高于煤瀝青溫度20℃左右，在整個(gè)過程中應(yīng)使混捏裝置處于較高溫度，在混捏結(jié)束進(jìn)行成型工序前應(yīng)對糊料做降溫處理。煤瀝青的流動(dòng)性和粘度受溫度影響極大，若是石油焦的溫度低于液態(tài)煤瀝青的溫度，在兩者混合時(shí)，煤瀝青便會在焦粒表面形成瀝青膜，阻礙瀝青浸潤到焦粒表面的孔隙中，會導(dǎo)致炭陽極的空氣滲透性增大。混捏結(jié)束之后對糊料進(jìn)行降溫處理，是為了避免成型過程中由于熱量郁積導(dǎo)致煤瀝青揮發(fā)，在碳塊內(nèi)形成氣泡，還能有效避免成型過程中，溫差造成的塑性分布不均帶來的炭陽極出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。

（3）生陽極焙燒過程應(yīng)該緩慢升溫，保持焙燒溫度在在1000℃以上的高溫，同時(shí)延長焙燒之后的保溫時(shí)間。升溫過快會導(dǎo)致炭陽極內(nèi)部溫度分布不均，降低結(jié)焦率，大大提高電阻率，增大鋁電解的能耗，所以應(yīng)當(dāng)緩慢升溫。焙燒溫度越高瀝青焦的空氣氧化活性就會越低，雖然1300℃以上瀝青焦與空氣的反應(yīng)活性還會有較大幅度的下降，但出于碳陽極生產(chǎn)成本和焙燒設(shè)備使用壽命的考慮，升溫結(jié)束后應(yīng)將焙燒溫度保持在1000℃以上，略高于1000℃。較長的保溫時(shí)間能夠保證煤瀝青的充分焦化，增大炭陽極密度，降低炭陽極的氧化活性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勁斌.石油焦煅燒工藝及瀝青抗氧化性改善研究[D].中南大學(xué),2013.

[2]韓偉波,劉泵.影響生陽極塊假比重因素的研究[J].甘肅冶金,2004(03):23-25.