煤瀝青對炭陽極質量的影響和建議

楊　波（貴州師范大學　材料與建筑工程學院,貴陽　550000）

煤瀝青對炭陽極質量的影響和建議

楊波
（貴州師范大學材料與建筑工程學院,貴陽550000）

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

關鍵詞：煤瀝青；炭陽極；成型；焙燒

1　煤瀝青的生產現狀

煤瀝青是煤焦油經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的不穩定和焦化廠的煉焦方式不同，煤瀝青中具有復雜多樣的多環、稠環芳香烴及其衍生物。此外，除了原煤中自帶的雜質，由于煤瀝青屬于大部分工業生產中的副產品，煤瀝青的品質在各項煤焦油的深加工中并不受重視，煤瀝青的質量和生產過程缺乏監測和調控，導致在其生產過程中由于污染又增加了許多雜質。

改質瀝青可由普通瀝青經高溫熱聚合法、氧化熱聚法、真空閃蒸法等方法提高品質后獲得，是炭陽極生產原料的最佳選擇，并在國外的炭陽極的生產中得到推廣使用，然而國內由于發展水平落后和瀝青質量不穩定等客觀原因，改質瀝青的生產量低，在炭陽極的生產中通常以軟化點與之相近的高溫瀝青代替。

2　煤瀝青對碳陽極的質量的影響

煤瀝青在炭陽極的生產中主要有以下兩個作用：

（1）當煤瀝青的溫度達到軟化點左右的時候，將由固態變為半流體狀態，具有一定的流動性和浸潤性，加之煤瀝青具有粘性，在流動相的煤瀝青與固相的焦粒表面相互作用時，能夠將焦粒粘連在一起，同時煤瀝青可以填補焦粒間的孔隙，糊料在瀝青的作用下具有可塑性，經混捏成型和冷卻后得到密實的生陽極；

（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焦率結，瀝青焦將起著粘結橋的作用將不同粒度的焦粒粘結在一起，使生陽極在固化的同時擁有一定的物理硬度和導電導熱性能，成為鋁電解用碳陽極。煤瀝青對炭陽極的影響貫穿于整個生產過程中，煤瀝青中固含的雜質、水分以及生產生產工藝，都會通過改變煤瀝青的各項理化性質來影響炭陽極的質量。

同樣值得關注的是，在由于煤瀝青幾乎是煤焦油加工的最后一道工序的產物，煤瀝青中必將累積大量的雜質如硫、鐵、鈉、鈣等，他們中絕大部分以化合物的形式存在，經過高溫加熱后便轉化為灰分，金屬離子將對炭陽極與二氧化碳、氧氣的反應起催化作用。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活性，降低炭陽極的使用壽命，而且在電解槽內會形成更多的炭渣，嚴重降低鋁產品的質量；鈣離子主要催化炭陽極與二氧化碳發生反應，鐵對原鋁質量和炭耗有較大影響，硅會以降低炭陽極的導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活性，硫元素不僅能與金屬雜質結合，降低金屬離子的催化作用，抑制金屬離子的自由移動，降低炭陽極的空氣、二氧化碳反應活性及炭陽極的煅燒溫度，還能提高煤瀝青的結焦率并減少結焦形成的孔隙，所以高硫煤瀝青能優化炭陽極的質量，有利于石油焦中硫含量低時進行調配。

從煤瀝青用量的角度來看，結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、成型和焙燒等環節減少能耗，在一定程度上增大炭陽極密度和和導熱導電性能。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、內部焦粒分布不均，物理硬度和導電性能差。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，煤瀝青中的揮發分在高溫加熱下全部去炭化，產生的氣體會在碳陽極內部產生氣孔，降低炭陽極的密度、電阻率，增大空氣滲透率和炭耗，甚至是導致炭陽極的裂化。

煤瀝青的品質除了與自身性能有關還受溫度的影響，在混捏過程中，溫度將影響瀝青的流動性和粘度；焙燒過程中，在900℃-1400℃間,隨著鍛燒溫度的增大,瀝青焦的空氣反應活性持續降低。可以分為3個階段:900℃-1000℃降幅最大,1000℃-1300℃空氣反應性降低較為平穩,1300℃以后也存在較大降幅。但其C02反應活性的變化則是沒有明顯的規律,這表明瀝青焦的C02反應活性受溫度的影響小[1]。

3　對于煤瀝青使用的建議

（1）適當增大焦粒粒度，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降低生產成本，在調節粉料配比后需要對瀝青用量進行實驗得到新的數據。炭陽極焦粒配比與煤瀝青的使用是相互作用的，曾有人研究得出結論粘結劑瀝青用量在15.5～18.5%之間,生陽極假比重較高,大致都在1.58g/cm3以上[2]，在實際的生產中，所有的研究結論都只能確定一個大致的使用范圍，不可生搬硬套。

（2）石油焦預熱溫度應當高于煤瀝青溫度20℃左右，在整個過程中應使混捏裝置處于較高溫度，在混捏結束進行成型工序前應對糊料做降溫處理。煤瀝青的流動性和粘度受溫度影響極大，若是石油焦的溫度低于液態煤瀝青的溫度，在兩者混合時，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，會導致炭陽極的空氣滲透性增大。混捏結束之后對糊料進行降溫處理，是為了避免成型過程中由于熱量郁積導致煤瀝青揮發，在碳塊內形成氣泡，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裂紋的現象。

（3）生陽極焙燒過程應該緩慢升溫，保持焙燒溫度在在1000℃以上的高溫，同時延長焙燒之后的保溫時間。升溫過快會導致炭陽極內部溫度分布不均，降低結焦率，大大提高電阻率，增大鋁電解的能耗，所以應當緩慢升溫。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活性還會有較大幅度的下降，但出于碳陽極生產成本和焙燒設備使用壽命的考慮，升溫結束后應將焙燒溫度保持在1000℃以上，略高于1000℃。較長的保溫時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：

[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,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.