大型预焙阳极配方中粉料技术的研究

大型预焙阳极配方中粉料技术的研究浏览次数：90日期：2010-09-13大型预焙阳极配方中粉料技术的研究(郑州轻金属研究院，河南郑州450041)摘要：论述了大型铝电解槽用炭阳极配方中粉料的作用、影响、质量趋势，分析了代表其特性指标的纯度、细度、比表面积以及Blaine值的关系，提出了粉料的级配应用概念，同时从理论及实用角度解析了粉料的级配关系。关t词：炭阳极；配方；粉料；特性指标；级配炭素材料制品是一种分散结构体系，其组成的炭素颗粒和粉末是以化学键、分子间力及机械粘附力互相结合在一起的nJ。炭素制品的结构性能及其质量指标的好坏首先取决于这种分散相的配比、表面积的大小和它们之间的相互配置情况。各级颗粒配比的合适与否、颗粒间空隙是否得以有效充填是炭阳极配方技术的核心，是生产优质炭素材料制品的关键，其中粉料的影响则是最突出的技术。随着铝电解槽容量的大型化，炭阳极的尺寸规格和质量指标都得以提升。一般大型槽阳极炭块的径向尺寸都相当于4)700一mm圆电极的尺寸，理化指标项目也多于其它炭制品的标准，提高大型槽炭阳极的综合质量已成为业内人士的共识。炭阳极的生产过程是一个物理化学过程，对于热处理过程及抗氧化性方面的化学问题已引起人们的关注，直观的物理过程则往往因其单纯而被大家所忽视，例如配方过程中的粉料问题。在配方技术中，粉料的作用主要是充填颗粒料间的缝隙，进而使混合容重达到最大值。而粉料的充填作用主要由两个途径来实现：一是使用大量的超细颗粒粉料，用“以细填小”的机理来充填包括颗粒微孔在内的所有空隙——粉料越细充填的机会越多——高纯度粉料观点；二是使用具有合理级配的粉料，让各级颗粒的空隙都被逐级充填——有级配的粉料可以有效充填——低纯度粉料观点。前者无疑应使用较多的粘结剂，过多粘结剂的使用肯定会使焙烧品相对增加了二作者篱介：李庆宏男教授级高级工程师，主要从事铝用炭素和铝电解工艺研究。第1期李庆宏大型预焙阳极配方中粉科技术的研究·47·次焦成焦的空隙；后者综合考虑了粘结剂的使用量及最终效果，这种粉料的合理级配观念对稳定大型阳极炭块的质量无疑是有益的。本文拟以生产用粉料的实测结果和应用情况为分析依据，浅论粉料的合理级配概念，用以丰富阳极配方的粉料技术。1阳极配方技术中粉料的作用粉料是炭素材料组成中分散度最高的粉体材料，它的粒度范围一般从十分之几毫米到几微米，它分散到制品包括颗粒微孔的各个角落。制品宏观、微观性能都将通过粉料的使用而被充分表现。1．1分散体系的重要组成部分在生产过程中，粉料不仅是充填颗粒孔隙的主要成分，而且是粘结剂使用量的衡量指标，粉料与粘结剂沥青形成的“胶料射，是将炭素颗粒紧密粘合在一起的强胶合剂。在炭素制品的结构中，粉料及其形成的胶料是制品的主体部分，组成整个体系的连续基相。在炭素材料的组成中，粉料一般占干料质量的40％左右，而以其为主组成的胶料占生制品质量的一半以上。从某种意义上说，粉料及胶料充当着炭素制品肌体的筋键和肌肉作用，离开粉料，就形不成炭素材料制品；忽视粉料的作用，就生产不出高质量的产品。粉料是炭素制品体系的重要的组成部分。对于炭素材料制品，粉料的作用主要表现在：(1)充填大、中颗粒料的孔(缝)隙，其纯度或细度是衡量充填效果的重要考查标准；(2)直接影响沥青的使用量，粉料用量越多，比表面积越大，沥青用量亦越多；(3)与沥青共同形成胶料，使制品粘结成型。1．2合理使用粘结剂的理论依据粉料的比表面积是表征粉料对粘结剂吸附特性的最基本参数，包括粉料在内的所有颗粒表面都均匀分布一层粘结剂，且没有缺陷和多余的量是粘结剂使用的最理想状态。最佳的粘结剂用量是与颗粒料的比表面积直接相关的。颗粒料表面粘结剂层的合理厚度仅为微米级。经测定，粉料的比表面积为颗粒料的数十倍，在干料组成中，粉料部分的表面积约为体系总表面积的9o％一91％，而颗粒料的表面积不足10％。可见对粘结剂的吸附作用主要来源于粉体材料，粘结剂沥青的使用量是由粉料的用量和其比表面积的大小来决定的。生产中的粘结剂大部分被粉料所吸附，并共同组成胶料，胶料部分煤沥青的用量约为粘结剂总量的65％70％。炭素材料粘结剂的使用量主要与粉料比表面积的大小和其配入量、颗粒的表面性质，主要为粗糙度和开口气孔情况、粘结剂的真密度、混捏的温度或粘结剂的工作粘度有关。除煤沥青本身的特性外，粘结剂使用量的其他影响主要来源于粉料的特性指标。经计算，当粉料比表面积为5．0m／g，粉料的配入量分别为38％和42％时，粘结剂的最佳用量将分别为15．18％和15．91％；若使用较高纯度的粉料，则煤沥青使用量将达16．5％一17．0％，相应制品的孔度将会增加0．5％一0．8％。可见，使用高纯度粉料是影响炭制品致密性、空气渗透性和气体氧化性的一个不利信号。1．3影响制品理化指标的关键因素粉料的表观作用主要是充填颗粒料间的空隙，合理比例粉料的使用，有利于提高制品的体积密度，减小其气孔率，炭素制品孔隙率的减少就意味着颗粒间接触点或接触面积的增多，这对提高制品的机械强度、导电性及导热性等都有利⋯。特别是铝电解槽大型化后，电解工艺及新技术对炭阳极提出了新的质量指标，在热特性、化学特性方面增加了多项具体指标要求。要提高炭阳极的综合质量指标，配方技术的完善则是重要因素。因为粉料对制品质量指标有直接影响：(1)体积密度：粉料的粒度指标及使用比例直接关系到制品的体积密度；(2)机械强度：制品的密度越大，颗粒间的结合力就越强，其机械性能就越好；(3)导电性：体系颗粒的粒度搭配越好，其接触点和接触面就会增大，制品的电阻率就会降低；(4)热导率：导热与导电对相同的材料具有相同的机理；(5)空气渗透率：制品具备均匀的、较少的气孔，是改善其透气性必要条件，这与粉料的合理使用密不可分。要保证炭阳极达到国际通用的空气渗透率0．50—1．50npm的标准，合理使用粉料尤为重要；(6)抗氧化性：较大的气孔率和透气性无疑会增加制品内部发生氧化反应的时间和机会，使抗氧化性能变差。粉料对炭阳极质量指标的影响是显而易见的。研究粉料的应用技术、优化粉料的特性指标，有利于提高炭阳极的质量，稳定其性能指标。2粉料的合理级配概念和应用分析粉料的物理特性，特别是纯度指标是衡量粉料充：嗅效果的重要参数，尽管人们曾经将关注的目光一度投向比表面积或Blaine值的指标，但粉料的充填性主要还是表现在它的形貌、细度和级配方面；比表面积或Blaine值直接影响的主要是煤沥青的使用量，尽管细度与比表面积具有一定的对应关系，但其概念和使用的区别是明显的。为深入探讨粉料的使用效果，不妨采用理想化的思考方法，来客观地分析粉料的高使用纯度和低使用纯度两种观点在大型预焙炭阳极配方技术中的适用性。1l曩粒料的悬浮特性分散颗粒在混合过程中，细颗粒料总会在重力作用下产生偏析、在相互的摩擦力作用下受到滞留，其相互作用的综合结果就是呈现具有相对均匀的分散度，即较大的颗粒基本均匀的分散在较小的颗粒中间，就像一种固体颗粒悬浮在同密度的液体中间一样。混合颗粒的这一特性，称之为颗粒料的“悬浮特性”。在炭素制品的生产中，各种不同粒级的分散颗粒正是以悬浮的形式存在的。颗粒料的悬浮特性可以作以下简单的描述：经充分混合的多粒级颗粒料，在一定范围内，一般量大的、细小的颗粒料为基相，较大颗粒料则以非连续相形式存在；非连续相颗粒多以相对均匀、零散的形式分散(悬浮)在比它粒度小的混合体系中，被其他颗粒所包裹着。颗粒料“悬浮特性”的基本情况如图1所示。2粉料级配关系的合理性解析为方便论述粉料的级配概念，先作如下假设：单个颗粒料都被下一个粒级的料所包围，且单层包裹是最理想、合理的；所考查的一个粒级的料是一种混合料，其平均粒径为其上下范围内的一个中间值；粉料颗粒可视为基本规则的圆球体；粉料的粒级分配，参考传统和使用习惯分为两个或三个粒级：两粒级级划0．15—0．075—0算术平均粒径／mm0．1130．0375或三：j|邕纷0．5—0．15—0．062—0算术平均粒径／mm0．300．100．031从以上数据可粗略看出：传统的粉料级划前、后粒级的平均粒径基本都为3倍的关系，可以用3或1／3作为以下计算的基础。按照以上的假设，用如下方式来计算前、后粒级颗粒料之间的近似量值，进而探讨粉料的可能级配关系。设相邻两个粒级料分别为A和B，则A颗粒被B颗粒或其以下的混合料所单层包围，其颗粒直径分别为风和风，A的半径为r，颗粒料被包裹的典型状态如图2所示。由上述假设可知，A粒径是B粒SoftButtsHardButts50mmlopenandclosed}图1炭阳极中各种颗粒及粉料自然。悬浮分布示意圈n昏1Schematicd~grmofsuspendofandpowderincarbonanode径的3倍，即：R=÷R。或：见=3风(1)另外，还应该考虑以下的事实：包裹一个颗粒的并非一种粒级的料，而是比平均粒径更细颗粒料的混合体；包裹料的单层平均厚度实际远小于风；而且，粉料颗粒是非球性的，包裹层亦有较大的缺陷性和随机性。所以有必要对以上假设进行修正，向偏细方向进行倾斜，修正值若取黄金分割系数0．618，则包裹A颗粒的混合料B的实际平均粒径R应为：Rs=0．618Rb=o．618×上风=0．206R。一0．2见=0．4r(2)则大颗粒A料的体积为：=÷1T，3(3)包裹A颗粒的混合料B的理想体积为：一。=V大聋一V小聋=÷叮r(r+0．4r)一÷叮r，3=(1．43—1)×÷叮r，3=1．744×÷叮r，3一、／3×÷叮r，3=、／3(4)对于同一种物质的粉体，可视其体积密度近似相等。那么由(4)式可以看出，A、B料的理想搭配近似存在一个、／3倍的关系，即粉料中，所选择的下一个粒级的合理搭配量应近似等于上一个粒级量的、／3倍。可以把按以上假设推导出的粉料这种近似级配关系称之为“LF一、／3公式”。用以上“LF一、／公式”亦可以对两粒级粉料的传统纯度概念进行推断，其有效充填的炭阳极配方使用粉料的合理纯度应为：圈2小颗粒料包裹大颗粒料示意圈F培2Sdlemati~diagramofgrfi~a啊l1edeachother维普资讯期李庆宏大型预焙阳极配方中粉料技术的研究、／3÷(1+、／3)一63．40％o即63．4o％的粉料“实际纯度”可以满足预焙阳极配方的要求。炭素粉料的形状、混合后的随机情况都是复杂的、难以预测的，以上结论仅是对近似理想化假设的一个推导结果，这种推导结果的合理性、实用性，应通过实践验证才有应用意义。为此，笔者先后对甲、乙、丙三个粉料控制方法不同的炭阳极生产厂家实际生产用粉料进行了大量筛分结果的分析与对比。3个炭阳极生产厂的粉煤控制及基本情况见表1。3个炭阳极厂家生产用粉料的考查分析数据分别如表2、表3、表4。对比表2、3、4可知，按照传统概念控制阳极生产的丙厂的粉料，其颗粒偏细，纯度最高达85．48％，全年平均83．0％；以Blaine值为控制指标组织生产的甲、乙两厂，粉料纯度值基本一致，平均值分别为55．47％和57．16％，纯度指标非常稳定，基本稳定在56％～58％的范围内。整理甲厂表2所列数据可得以下结果：j|毫级分配，衄0．5～o．15～0．075～0．062～0分析结论X了1X3X计算结果16．4928．565．4849．47预测范围15～1728～305～649～50实测结果16．4328．104．9050．57这里的0．075～0．062—1TI1TI粒级，因级差较小，且不是3倍的径差关系，为过度粒级，暂做另类考查，但它与“3”仍有不解之缘，该粒级范围的料基本为寺若进一步分析一0．062ram(即一230目)占一0．075mm(一200目)料的比例(可称“230目纯度”)，可得到3÷(专+3)：90％，仔细对照表3乙厂20天统计周期内的数据，不难看出，其“一230目纯度”稳定浮动在(90±1)％的范围内，平均值为89．48％，具有惊人的相似度。而其他结果与推导结论亦吻合较好，可见以上讨论的结论正确、合理，具有一定的实用意义。裹13个炭阳极生产厂