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百科丨铝用炭素材料原料


来源:中国粉体网   江岸

[导读]  铝用炭素材料主要包括铝用阳极材料和铝用阴极材料两大类别,两类炭素材料都有相应的上游原料,相关的产品生产对应相关的流程,并产生对应的下游产物。

铝用炭素材料主要包括铝用阳极材料和铝用阴极材料两大类别,两类炭素材料都有相应的上游原料,相关的产品生产对应相关的流程,并产生对应的下游产物。


铝用阳极材料


预焙阳极是铝用炭素阳极材料的典型代表。生产预焙阳极原料包括煤沥青、石油焦等。石油焦来源于石油化工行业焦化渣,经过煅烧得到煅后焦,煅后焦与回收残极、细粉等物料混合加入煤沥青黏结剂,经过混捏、成型、焙烧等工序得到预焙阳极产品。


石油焦

石油焦是石化行业原油裂解的重油渣经过加热焦化后的产物,碳元素质量分数达90%左右,氢元素8%以下,硫元素5%以下,挥发分在8%~20%,剩余部分为钒、铁、镍、钠、硅、钙等元素;由于钒、钠、铁、钙、镍等元素对阳极的空气和二氧化碳反应催化作用影响很大。


煅后焦

煅后焦是石油焦高温煅烧后的产物,煅烧温度通常在1200~1400℃。这一过程主要是排除石油焦中的水分、挥发分。煅后焦由于挥发分、水分等损失,整体质量下降,钒、硅、钙、镍、铁等无机元素含量整体呈现上升趋势。在石油焦煅烧后,有机硫燃烧逃逸或者无机硫分解挥发使得硫总量损失较多,和石油焦相比煅后焦中硫元素呈现明显下降趋势,同时硫含量降低对空气反应性和二氧化碳反应性抑制作用减弱。


煤沥青

煤沥青是煤焦油蒸馏残余物,无固定熔点,化学组分极其复杂,碳元素质量分数达到92%,氢元素4%左右,还含有少量氧、氮、硫及微量钒、铁、镍、钠等杂质元素。煤沥青中的杂质元素含量较低,但该指标对阳极二氧化碳和空气反应性相当重要,因为阳极产品被二氧化碳和空气优先反应的部分是黏结剂基体——煤沥青部分。


国内一般要求煤沥青灰分小于0.3%,而石油焦灰分通常要求小于0.5%,因此煤沥青杂质元素含量整体上要比石油焦更低,硫元素通常也在0.5%以下,钒、镍、钙等元素普遍在0.005%~0.01%水平。由于煤沥青生产中会加入钠盐,使得钠元素比石油焦高;另外煤沥青钛、铅、铬等元素含量通常高于石油焦含量水平,最高能达到0.02%以上。


残极

残极是电解槽中预焙阳极反应后剩余的阳极残余物,清理除去覆盖料的残极,可在阳极材料生产过程中重新利用。残极中的杂质元素会随残极的回收进入预焙阳极中,劣质残极带来的高含量杂质元素,严重影响阳极的导电性和空气、二氧化碳反应性,造成预焙阳极的碳颗粒脱落。


铝用阴极材料

铝用阴极炭块、阴极糊是铝用阴极材料的典型代表,在电解铝行业中主要作为电解槽的底部阴极炭块和侧部阴极炭块使用。生产铝用阴极材料使用原料包括无烟煤(电煅)、优质石油焦、沥青焦、石墨碎等。以上述原料为骨料,煤沥青为黏结剂,通过混捏、成型、焙烧等工序制成块状或者糊状炭素材料,其最终产品包括普通阴极、石墨质阴极、石墨化阴极、阴极糊等。


无烟煤

优质无烟煤是生产各类阴极产品原料,灰分质量分数通常低于8%,无烟煤需要经过煅烧处理,目前主要是经过1800~2000℃电煅烧过程,除去水分、挥发分以提高无烟煤的物理、抗氧化性能。无烟煤中杂质元素含量较高,主要杂质元素包含硅、铝、铁、钙、镁、钾等,与阳极原料石油焦不同,无烟煤中硫含量较低。 


石墨

在阴极生产中石墨可作为阴极填充原料使用,在无烟煤基阴极炭块中添加质量分数为15%~80%石墨可生产半石墨质、高石墨质阴极炭块,或100%用石墨生产石墨质阴极炭块。石墨灰分一般在0.2%以下,杂质元素含量极低,常规产品硅、铝、铁、钙、镁、钾等元素含量一般在0.005%~0.02%,硫含量通常在0.1%以下。


石墨质阴极和阴极糊

目前,铝用阴极材料分类没有统一划分标准,根据形貌和用途分为阴极炭块和阴极糊,块状阴极构架电解槽整体骨架,阴极糊起到填充缝隙、黏结炭块的作用。铝用阴极炭块名称分类混乱,相关行业产品标准分别是石墨化阴极炭块、石墨质阴极炭块两个标准,石墨化阴极经过2700℃石墨化过程,而石墨质阴极一般只需经过1200℃焙烧即可。常规石墨质阴极都是以电煅无烟煤为骨料,加入不同质量分数(15%~50%)人造石墨,在煤沥青黏结作用下经1200℃焙烧而成,全石墨质阴极则是以100%人造石墨为骨料烧制而成。


阴极糊是填充阴极缝隙和阴极钢棒糊状炭素材料,选用骨料包括电煅煤、煅后焦、残极、冶金焦、收尘粉等。目前以煅后无烟煤和石墨为骨料制备捣固糊在国内占据主导地位,以煤沥青和煤焦油混合作为黏结剂,其生产过程中不需要焙烧。


沥青焦、石油焦及石墨化阴极

沥青焦是煤化工行业主要副产物,石油焦属于石化行业的副产物,两者都是易石墨化含碳材料,但沥青焦整体杂质元素含量水平低于石油焦,两者都能作为高品质石墨化阴极生产原料,但石油焦必须选取硫含量低于0.6%以下优质焦。


石墨化阴极生产中选用易石墨化的沥青焦或石油焦,加入煤沥青混捏、成型后在1200℃左右焙烧,后在2700℃条件下石墨化,该温度超过原料中大多数杂质物质熔点或沸点,多数杂质挥发、逃逸,因此石墨化阴极产品非常纯净。


参考资料:

白万里. 铝用炭素材料中杂质元素的分布及分析方法

张正杰. 原料性能对阳极质量的影响

王广稳. 石油焦对预焙阳极质量的影响分析

陈开斌. 浅论铝用预焙炭阳极质量的影响因素

罗英涛. 煤沥青对我国铝用炭阳极质量的影响

张国林. 预焙阳极粉料生产的分析及优化改进

陈喜平. 煅烧石油焦反应性的试验研究

张玉珠. 沥青焦基本性能研究

(中国粉体网编辑整理/江岸)

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