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炭素材料生产用原料

时间:2016-06-21来源:网络 浏览次数:122

  铝电解工业使用的炭阳极和阴极炭块、炼钢工业使用的高炉炭块及石墨电极等所用的原料为两部分:一部分是固体炭素原料;另一部分是粘结剂——煤沥青。  固体炭素原料包括石油焦、沥青焦、冶金焦和无烟煤等。制造炭阳极通常使用的固体原料是石油焦,粘结剂是煤沥青。

石油焦
 
  石油焦是石油炼制过程中的副产物。石油经过常压或减压蒸馏,分别得到汽油、煤油、柴油和蜡油,还剩下一部分残余物称为渣油。将渣油进行焦化便得到石油焦。  因渣油焦化生产石油焦的工艺不同,石油焦分为釜式石油焦和延迟石油焦。  渣油在流经加热炉时获得反应所需的温度,但由于在炉管内的流速快,热裂化反应和缩聚反应来不及进行,而把反应推进到焦化塔内进行,所以称延迟焦化。

石油焦的性质
 
  石油焦是生产各种石墨电极、石墨阳极、石墨块等石墨制品的主要原料,也是生产碳阳极、阳极糊和一些高强、高密、高纯等石墨制品的主要原料。石油焦是用石油提炼后的重质渣油(如先常压后减压蒸馏的渣油、常压直馏渣油、热裂化渣油等),经过加热分解和聚合而形成的固体碳质材料,其具有碳素材料所具有的共同性质。
1.热稳定性  以目前技术上所用的耐高温材料来说,还没有几种在熔点、高温强度方面超过碳素材料的,其在非氧化介质中具有很高的热稳定性。其在常压下3350±25℃开始升华,在120个大气压下3750±50℃熔化,室温下平均抗压强度约200kg/cm2,在2500℃时却提高到400kg/cm2以上,在2600℃以上它才在负荷下开始蠕变而失去强度。
2.热、电传导性  碳素材料具有良好的热、电传导性,有半金属之称,有比某些金属还高的热传导性,同时具有远较金属为低的热膨胀系数,很高的熔点和化学稳定性。
3.抗摩性 
碳素材料层面上碳原子排列紧密,机械强度高,它一旦附着在摩擦面上,就会形成一润滑层,使抗摩性能提高。
4.化学稳定性  碳素材料在非氧化性介质中是化学惰性的,在常温和一般大气条件下不会发生任何化学变化。
石油焦的分类
根据石油焦结构和外观,石油焦产品可分为针状焦、海绵焦、弹丸焦和粉焦4种:  
1.针状焦,具有明显的针状结构和纤维纹理,主要用作炼钢中的高功率和超高功率石墨电极。  
2.海绵焦,化学反应性高,杂质含量低,主要用于炼铝工业及炭素行业。
3.弹丸焦或球状焦:形状呈圆球形,直径0.6~30mm,一般是由高硫、高沥青质渣油生产,只能用作发电、水泥等工业燃料。  
4.粉焦:经流态化焦化工艺生产,其颗粒细(直径0.1~0.4mm),挥发分高,热胀系数高,不能直接用于电极制备和炭素行业。

延迟石油焦质量标准
 炭素材料生产用原料
 
   石油焦的主要质量指标为灰分含量、硫含量、挥发分含量及1300℃煅烧后的真密度。
   灰分是石油焦中所含有的无机盐,即杂质。对石油焦中的灰分含量有要求,一般要求灰分含量不大于0.5%。 
   硫在电极中是一种有害元素。要求硫含量应在1%以下。 
   石油焦中的挥发分含量虽然对制品的最终质量没有明显的影响,但对煅烧操作关系较大。挥发分含量的多少实际上是代表石油焦的焦化程度。 
   延迟焦化的成焦温度较低,只有500℃,得到的石油焦中挥发分含量较高,一般为10%~14%。 
   石油焦在1300℃煅烧后的真密度大小也是石油焦质量好坏的一个衡量指标。用真密度大的石油焦制造的阳极比电阻小,真密度一般不小于2.08g/cm3 。

煤沥青
 
  煤沥青是生产铝用阳极材料和阴极材料的粘结剂。它能很好的浸润和渗透到各种焦炭及无烟煤的表面和孔隙,并使各种配入的颗粒互相粘结形成具有良好的塑性状态的糊料。糊料成型或压型后的阳极炭块或阴极炭块,经冷却后即硬化,并保持成型时的形状。生阳极炭块或阴极炭块在焙烧时煤沥青逐渐分解并炭化,把四周的骨料牢固的连接在一起,获得数量多的、高强度的,在骨料颗粒间起连结作用的由沥青生成的焦炭。
  煤沥青是炼焦工业的副产品。烟煤在炼焦炉中受高温作用发生分解,生成三种产物:焦炭、煤气和煤焦油。其中煤焦油是生产煤沥青的原料,煤焦油再经过蒸馏得到的残渣便是煤沥青。
  
煤沥青的物理、化学性质
 
  表征煤沥青的主要物理、化学性质的指标有软化点、粘度、密度、结焦残炭量及挥发分等。
1.煤沥青的粘度与软化点  煤沥青的粘度与软化点都与沥青的可塑性有关。沥青的粘度随温度而变化,对温度反应的敏感性极强,温度上升粘度迅速下降。
2.煤沥青的密度  若煤沥青的密度较大,则与焦碳混捏后,在焦炭颗粒之间充填的粘结剂重量较多,在制品焙烧时收缩率小,焙烧后制品的体积密度和机械强度较高。
3.煤沥青的结焦残炭值  结焦残炭值是评价煤沥青质量的重要依据。沥青的结焦残炭值越高,制品的假比重越大,机械强度及导电性能等越好。


 
改质沥青质量标准
炭素材料生产用原料

煤沥青的组分及作用
  预焙阳极用沥青炭青质——喹啉不溶物(QI)(又称高分子树脂)一定量的原生QI粒子,可提高制品的强度,提高阳极的导电性,次生QI降低焙烧过程中的收缩率。增加QI,可使沥青焦炭结构增强,但含量过高时,沥青和糊料塑性会降低。过低的QI含量会使糊料偏析、分层。阳极中QI含量为6~12%。
  α组分是溶于喹啉,但不溶于甲苯的混合物组分——苯不溶物(BI)(又称游离碳),BI含量越高,沥青的结焦值越高。它的最重要功能是提高糊料强度,提高碳块强度。阳极用含量为26~34%。
  β组分含有许多线性多环芳香族化合物——沥青树脂,它是沥青溶于甲苯而不溶于汽油的一组混合物,该组分具有良好的黏附性能和较高的黏结惰性物体能力,是煤沥青最主要的黏结剂组分。β树脂在含量上等于BI与QI的差值,即BI-QI=β。β树脂生成的焦,焦化值大,结焦性能好,孔壁结实,结构呈纤维状,焦制品的强度高,电阻小。铝用煤沥青的β组分多在20%以上。
  软化温度(SP):由于沥青化学组成的复杂性,它没有固定的熔化温度,用软化温度代替。软化温度介于失去原有脆性和转变为液态的温度之间。改质沥青高软化温度,挥发份少,黏结性好,结焦率高,所以产品烧结强度、导电性也得到提高。当SP超过120℃后,沥青β组分、γ组分减少,使阳极性能恶化,一般为100~115℃。
   
 
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