石油焦煅烧程度对预焙阳极显微结构及电解消耗的影响

现行预焙阳极制造工艺中骨料石油焦煅烧温度高于阳极焙烧温度，由此造成骨料石油焦的反应活性远低于粘结剂煤沥青，电解过程中粘结剂优先与O2和CO2发生氧化反应，大块骨料颗粒从反应界面脱落形成碳渣，造成过量碳消耗，适当降低煅烧温度可提高煅后焦反应活性。

当石油焦煅烧温度低于阳极焙烧温度后，可使焙烧过程中煅后焦与粘结剂发生同等程度碳结构转变，缩小骨料与粘结相活性差异。低煅焦炭阳极反应性较低且均匀，碳渣量减少，碳耗降低。

本文针对铝用预焙阳极石油焦煅烧温度高于阳极生坯焙烧温度造成铝电解过程中阳极选择性氧化和消耗较严重的问题，分上、下两部分，在煅后焦微晶尺寸1.7-2.7nm范围内，对比普通煅后焦阳极，研究石油焦煅烧程度对炭阳极微观孔隙结构、理化性能及电解消耗的影响。

一、试验原料及研究方法

（一）试验原料

试验所用石油焦采购自某供应商，煤沥青为粘结剂。

石油焦采用四种煅烧制度，煅烧终点温度分别为800℃、900℃、1000℃和1100℃，保温时间均为20h。

（二）阳极试样制备

将配制好的煅后焦干料在200℃加热炉中预热12h，放入温度为160℃、容量为10L的混捏锅内，并加入15%煤沥青，混捏温度175℃，混捏时间10min。混捏均匀的糊料放入60℃预热的模具内，挤压成规格为Φ50mm×110mm的阳极生坯。

生坯用粒度为1-2mm煅后焦填充料填充后在试验试小焙烧炉内焙烧，不同煅烧程度石油焦阳极试样生坯均采用同一焙烧程序，焙烧终点温度为1100℃，保温20h。800℃煅后焦阳极生坯焙烧后炭阳极试样表示为CA-800,其他试样以此类推。

（三）阳极试样显微结构及理化性能分析

采用激光共聚焦扫描显微镜获取抛光后阳极试样截面显微照片，借助图像分析系统对显微图像及阳极试样进行结构测试与理化性能分析。

（四）炭阳极消耗测试

试验电解温度950℃，阳极电流密度为0.8Acm-2,电解质质量150g，分子数比为2.34，极距35mm，电解时间2h。电解完成后，将炭阳极移至电解质上部后关闭电源，以减少阳极表面电解质残留。待电阻炉冷却后，取出阳极，整个过程保持氩气气氛，气流量30mL·min-1。

二、试验结果与讨论

（一）石油焦煅烧程度对阳极显微结构影响

通过石油焦煅烧程度对炭阳极显微结构影响的激光共聚焦扫面显微照片可知，炭阳极孔隙主要有3种类型构成：骨料内部细长孔隙，粘结剂内部较圆整气孔和微孔，以及骨料与粘结剂之间不规则的界面孔。其中后两者仅产生于焙烧程序，构成炭阳极孔隙的主要部分。

此外，炭阳极界面孔隙受石油焦煅烧程度影响较明显，CA-800界面孔最明显，并以粘结剂挥发气孔为核心扩展成为相连通的大裂纹，CA-1100次之，CA-900界面孔最少。

上述试样对应的真密度，石油焦煅烧程度越低其真密度值与炭阳极的差值越大，焙烧过程中其致密化程度越大。C-1100真密度与CA-1100真密度基本相同，焙烧过程中基本无二次收缩变形，石油焦煅烧程度对其与粘结剂的润湿性基本无影响。

综上可知，石油焦炭阳极界面孔隙特征差异主要是焙烧过程煅后焦二次收缩和致密化程度不同造成的。

对不同煅烧程度炭阳极试样孔隙结构参数进一步统计分析，如下表3所示，随石油焦煅烧程度降低炭阳极孔隙率、形状因子及连通率均先减小后增大，视孔隙比表面积呈减小趋势，较小的孔隙连通率和视孔隙比表面积降低空气和CO2向阳极内部渗透，有利于减少阳极过量消耗。

在煅后焦微晶尺寸1.7-2.7范围内，降低石油焦煅烧程度，炭阳极孔隙率、形状因子、孔隙连通率及视孔隙比表面积均降低，即石油焦煅烧程度对炭阳极显微结构构成影响。