煤沥青对炭阳极质量的影响和建议

杨　波（贵州师范大学　材料与建筑工程学院,贵阳　550000）

煤沥青对炭阳极质量的影响和建议

杨波
（贵州师范大学材料与建筑工程学院,贵阳550000）

摘要：煤沥青是炭阳极生产的重要原料之一，煤沥青的处理和配比将于粉料相互作用共同贡献于炭阳极的品质，煤沥青的组成和各方面的理化性质将直接影响炭阳极的质量，本文将简单介绍我国煤沥青的生产现状，然后对煤沥青的品质对炭阳极的影响展开各个方面的阐述，最后，将结合其中的部分问题提出建议。

关键词：煤沥青；炭阳极；成型；焙烧

1　煤沥青的生产现状

煤沥青是煤焦油经过蒸馏加工等操作后去除液体馏分所得到的残留物，由于原煤来源及性质的不稳定和焦化厂的炼焦方式不同，煤沥青中具有复杂多样的多环、稠环芳香烃及其衍生物。此外，除了原煤中自带的杂质，由于煤沥青属于大部分工业生产中的副产品，煤沥青的品质在各项煤焦油的深加工中并不受重视，煤沥青的质量和生产过程缺乏监测和调控，导致在其生产过程中由于污染又增加了许多杂质。

改质沥青可由普通沥青经高温热聚合法、氧化热聚法、真空闪蒸法等方法提高品质后获得，是炭阳极生产原料的最佳选择，并在国外的炭阳极的生产中得到推广使用，然而国内由于发展水平落后和沥青质量不稳定等客观原因，改质沥青的生产量低，在炭阳极的生产中通常以软化点与之相近的高温沥青代替。

2　煤沥青对碳阳极的质量的影响

煤沥青在炭阳极的生产中主要有以下两个作用：

（1）当煤沥青的温度达到软化点左右的时候，将由固态变为半流体状态，具有一定的流动性和浸润性，加之煤沥青具有粘性，在流动相的煤沥青与固相的焦粒表面相互作用时，能够将焦粒粘连在一起，同时煤沥青可以填补焦粒间的孔隙，糊料在沥青的作用下具有可塑性，经混捏成型和冷却后得到密实的生阳极；

（2）在生阳极的焙烧过程中，受高温的影响凝固的煤沥青会再次融化，产生一定的迁移，但随后便会和石油焦一起碳化，煤沥青因含有大量的芳香烃而具有较高的结焦率结，沥青焦将起着粘结桥的作用将不同粒度的焦粒粘结在一起，使生阳极在固化的同时拥有一定的物理硬度和导电导热性能，成为铝电解用碳阳极。煤沥青对炭阳极的影响贯穿于整个生产过程中，煤沥青中固含的杂质、水分以及生产生产工艺，都会通过改变煤沥青的各项理化性质来影响炭阳极的质量。

同样值得关注的是，在由于煤沥青几乎是煤焦油加工的最后一道工序的产物，煤沥青中必将累积大量的杂质如硫、铁、钠、钙等，他们中绝大部分以化合物的形式存在，经过高温加热后便转化为灰分，金属离子将对炭阳极与二氧化碳、氧气的反应起催化作用。首先，钠离子会使炭阳极疏松和膨胀，不仅能够提高炭阳极与氧气和二氧化碳的反应活性，降低炭阳极的使用寿命，而且在电解槽内会形成更多的炭渣，严重降低铝产品的质量；钙离子主要催化炭阳极与二氧化碳发生反应，铁对原铝质量和炭耗有较大影响，硅会以降低炭阳极的导电性能的方式增大炭耗，钒和镍会急剧增大炭阳极与空气的反应活性，硫元素不仅能与金属杂质结合，降低金属离子的催化作用，抑制金属离子的自由移动，降低炭阳极的空气、二氧化碳反应活性及炭阳极的煅烧温度，还能提高煤沥青的结焦率并减少结焦形成的孔隙，所以高硫煤沥青能优化炭阳极的质量，有利于石油焦中硫含量低时进行调配。

从煤沥青用量的角度来看，结合石油焦焦粒配比的具体情况，合理的沥青添加量，能够在混捏、成型和焙烧等环节减少能耗，在一定程度上增大炭阳极密度和和导热导电性能。倘若煤沥青用量不足，将不能完全浸润石油焦粒，糊料的密度低、塑性差，压制出来的生阳极的假比重低，焙烧后的成品空气渗透性高、内部焦粒分布不均，物理硬度和导电性能差。倘若沥青用量过多，沥青在覆盖浸润焦粒表面孔隙和填充焦粒间孔隙的情况下，还会有大量富余，煤沥青中的挥发分在高温加热下全部去炭化，产生的气体会在碳阳极内部产生气孔，降低炭阳极的密度、电阻率，增大空气渗透率和炭耗，甚至是导致炭阳极的裂化。

煤沥青的品质除了与自身性能有关还受温度的影响，在混捏过程中，温度将影响沥青的流动性和粘度；焙烧过程中，在900℃-1400℃间,随着锻烧温度的增大,沥青焦的空气反应活性持续降低。可以分为3个阶段:900℃-1000℃降幅最大,1000℃-1300℃空气反应性降低较为平稳,1300℃以后也存在较大降幅。但其C02反应活性的变化则是没有明显的规律,这表明沥青焦的C02反应活性受温度的影响小[1]。

3　对于煤沥青使用的建议

（1）适当增大焦粒粒度，通过减少比表面积的方式减少沥青的用量，在保证炭阳极密度的同时降低生产成本，在调节粉料配比后需要对沥青用量进行实验得到新的数据。炭阳极焦粒配比与煤沥青的使用是相互作用的，曾有人研究得出结论粘结剂沥青用量在15.5～18.5%之间,生阳极假比重较高,大致都在1.58g/cm3以上[2]，在实际的生产中，所有的研究结论都只能确定一个大致的使用范围，不可生搬硬套。

（2）石油焦预热温度应当高于煤沥青温度20℃左右，在整个过程中应使混捏装置处于较高温度，在混捏结束进行成型工序前应对糊料做降温处理。煤沥青的流动性和粘度受温度影响极大，若是石油焦的温度低于液态煤沥青的温度，在两者混合时，煤沥青便会在焦粒表面形成沥青膜，阻碍沥青浸润到焦粒表面的孔隙中，会导致炭阳极的空气渗透性增大。混捏结束之后对糊料进行降温处理，是为了避免成型过程中由于热量郁积导致煤沥青挥发，在碳块内形成气泡，还能有效避免成型过程中，温差造成的塑性分布不均带来的炭阳极出现裂纹的现象。

（3）生阳极焙烧过程应该缓慢升温，保持焙烧温度在在1000℃以上的高温，同时延长焙烧之后的保温时间。升温过快会导致炭阳极内部温度分布不均，降低结焦率，大大提高电阻率，增大铝电解的能耗，所以应当缓慢升温。焙烧温度越高沥青焦的空气氧化活性就会越低，虽然1300℃以上沥青焦与空气的反应活性还会有较大幅度的下降，但出于碳阳极生产成本和焙烧设备使用寿命的考虑，升温结束后应将焙烧温度保持在1000℃以上，略高于1000℃。较长的保温时间能够保证煤沥青的充分焦化，增大炭阳极密度，降低炭阳极的氧化活性。

参考文献：

[1]张劲斌.石油焦煅烧工艺及沥青抗氧化性改善研究[D].中南大学,2013.

[2]韩伟波,刘泵.影响生阳极块假比重因素的研究[J].甘肃冶金,2004(03):23-25.