镍元素对炭阳极反应活性的影响

1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2013.05.007镍元素对炭阳极反应活性的影响张念炳1,2，郑环1,2，黎志英2,3，李士勇2,3，何鹏2,3，刘卫1,2（1.贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵阳 550014；2.贵州省铝电解炭素材料工程技术研究中心，贵阳 550001；3.贵州大学 材料与冶金学院，贵阳 550003）摘要：考察了煅后焦中微量元素镍对炭阳极反应活性的影响，并对炭阳极的二氧化碳反应性、空气反应性进行了测试。结果表明，适量的镍元素可以改善炭阳极在CO2中的残极率、粉化率和质量损失率；也能提高炭阳极在空气中的残极率、粉化率和质量损失率。镍元素的添加

2、对炭阳极的CO2反应性和空气反应性均有抑制作用，可改善炭阳极质量，降低炭阳极的额外消耗。关键词：碳阳极；镍元素；CO2反应性；空气反应性中图分类号：TF821文献标志码：A文章编号：1007-7545（2013）05-0000-00Effect of Trace Nickel Element on Carbon Anode ReactivityZHANG Nian-bing1,2, ZHENG Huan1,2, LI Zhi-ying2,3, LI Shi-yong2,3, HE Peng2,3, LIU Wei1,2(1. College of Material and Civil Engi

3、neering, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China;2. Guizhou Engineering Research Center for Carbon Materials of Aluminum Electrolytic, Guiyang 550001, China;3. The Materials and Metallurgical College, Guizhou University, Guiyang 550003, China)Abstract: The effect of trace nickel element in

4、calcined coke on carbon anode reactivity was investigated. The reactivity of carbon anode was measured in CO2 and air atmosphere respectively. The results show that the right amount of Ni can improve residual anode rate, pulverization rate and mass loss rate of carbon anode in CO2 or air, inhibit it

5、s reactivity, improve quality of carbon anode, and reduce additional carbon anode consumption.Key words: carbon anode; nickel element; CO2 reactivity; air reactivity炭阳极作为电解槽的核心部分，其质量影响电解过程的技术经济指标，如阳极消耗、电流效率和电耗等1-2。目前电解实际炭耗高于理论炭耗3，额外消耗与阳极的空气反应性和CO2反应性有直接关系，而阳极的活性与其微量元素密切相关4。预焙阳极中常见的微量元素有硫、钒、镍、硅、铁、铝、钠

6、、钙、钾、镁、氯等5，镍元素是常见的微量元素之一。有学者认为，镍对炭阳极在空气中有催化作用，也有学者认为镍对炭阳极在CO2中也有催化作用，但由于含镍高的石油焦其含钒量也高，使得究竟是镍还是钒具有明显的催化作用仍不清楚。同时，石油焦中的微量元素和硫含量呈现增加趋势，且含量变化较大6。为了弄清镍元素的催化作用，本文采用相同煅后焦配比，保证石油焦中微量元素在同一水平下，通过改变镍元素添加量，考查炭阳极在空气和CO2中的反应性。1 试验部分1.1 试验原料试验所用石油焦来源于贵州某厂，试验配方如表1所示。表1 试验配方表Table 1 Ratio of calcined coke原料种类粒度/mm配比

7、/%粗粒焦碳8310.20粗粒焦碳3611.05中粒焦碳338.25球磨粉0.1525.50沥青15.00收稿日期：2012-11-29基金项目：贵州省科技计划项目(黔科合GY字20113028)；贵州省科学技术基金项目(黔科合J字LKS201015)；贵州省国际科技合作计划项目(黔科合外G字20117029号)；贵阳市科技计划项目(筑科合同20111011-41)作者简介：张念炳（1980-），男，贵州绥阳人，副教授，博士.使用改质沥青，沥青的软化点112 ，成分（%）：水分 4.05、-树脂 19.6、灰分 0.09、甲苯不溶物 28.4、结焦值 57.8、奎啉不溶物 8.8。采用YS/T

8、587.5-2006标准测定煅后石油焦中微量元素的含量，按试验配方配制的煅后焦含S 2.98%，其他微量元素含量(10-6)：Na 370、Ni 210、Ca 570、Si 500、V 480、Al 730、Mg 100、Fe 1 010。为避免残极中微量元素对试验的干扰，本试验未添加残极。为了考查镍元素对炭阳极的影响，采用单因素试验，镍元素添加量分别为：10010-6、20010-6、35010-6、50010-6和1 00010-6。1.2 试验方法试验流程如图1所示。按试验配方称取原料并加入镍元素混匀后，进行预热到170 ，加入煤沥青进行混捏成型（混捏温度165 ，混捏时间10 min，

9、成型压力50 MPa），制备出生块，在焙烧炉中进行焙烧（升温速率15 /h，最高样品温度 1 050 ，气体温度1 150 ，保温时间8 h，样品缓慢冷却。），获得炭阳极块，送样检测。图1 试验流程图Fig.1 Flow chart of test processing1.3 试样检测方法炭阳极在CO2中的反应性利用RDC-146进行测量，将500.4 mm，L=600.1 mm的阳极样品置于温度为960 的CO2气体中，反应7 h，冷却，样品与钢球在颠转仪中滚动20 min，收集并称量脱落的粉尘质量，可分别得出残余率、粉化率和质量损失率。同理，炭阳极在空气中的反应性利用RDC-145进行测量

10、，将500.4 mm，L=600.1 mm的阳极样品放置于惰性气体中，并预热至550 ，然后注入空气，其流量为200 L/h，并以15 /h的速度将样品冷却至400 ，收集在冷却过程中所产生的粉尘，样品与钢球在颠转仪中滚动20 min，收集并称量脱落的粉尘质量，可分别得出残余率、粉化率和质量损失率。2 试验结果与分析2.1 镍元素对炭阳极二氧化碳反应性的影响镍元素对炭阳极二氧化碳反应性结果如图2所示。图2 镍元素含量对CO2反应性的影响Fig.2 Effect of nickel element on carbon anode reactivity in CO2由图2可知，微量元素镍可改善炭阳

11、极在CO2中的反应性，镍含量在(210710)10-6时，二氧化碳反应性残极率随镍含量的增加而急剧增加，增幅为11.34个百分点；当镍元素含量继续增加时，其二氧化碳反应性残极率逐渐降低，在1 21010-6时，在CO2中的残极率仍可达83.07%，与未添加镍元素的炭阳极仍有6.59个百分点的增幅。镍元素对炭阳极CO2粉化率和质量损失率的影响结果如图3所示。图3 镍元素对CO2粉化率和质量损失率的影响Fig.3 Effect of nickel element on pulverization rate and weight loss rate in CO2由图3可知，镍含量在(210710)1

12、0-6时，CO2粉化率和CO2质量损失率均呈下降趋势；当镍大于71010-6后，CO2粉化率和CO2质量损失率均呈上升趋势。可见，适量的镍元素可改善炭阳极在CO2中的粉化率和质量损失率。2.2 镍元素对炭阳极空气反应性的影响镍元素对炭阳极空气反应性结果如图4所示。图4 镍元素含量对空气反应性的影响Fig.4 Effect of nickel element on carbon anode reactivity in air由图4可知，微量元素镍对可改善炭阳极在空气中的反应性，镍含量在(210410)10-6时，空气中反应性残极率随镍含量的增加而急剧增加，增幅9.76个百分点；当镍元素含量继续增

13、加时，其空气中反应性残极率增加趋势放缓，当镍含量为1 21010-6时，残极率可达66.73%，比未添加镍元素的炭阳极有14.86个百分点的增幅。镍元素对炭阳极空气粉化率和质量损失率的影响结果如图5所示。图5 镍元素含量对空气粉化率和质量损失率的影响Fig.5 Effect of nickel element on pulverization rate and weight loss rate in air由图5可知，微量元素镍含量在(210410)10-6时，空气粉化率和空气质量损失率均呈下降趋势；在镍含量大于41010-6后，空气粉化率在7.45%左右波动，而空气质量损失率继续呈下降趋势，

14、只是其下降趋势放缓了一些。可见，镍元素的添加使炭阳极在空气中的粉化率降低，同时也使其在空气中的质量损失也降低。综上所述，微量元素镍元素的添加可显著改善炭阳极在CO2和空气中的反应性，但其作用机理仍未清楚，仍需进一步深入研究。3 结论针对本试验的煅后焦，镍元素含量在(210710)10-6范围内时，炭阳极在CO2中的残极率、粉化率和质量损失率改善趋势较大，随着镍元素添加量继续增加，其改善趋势放缓，但仍比未添加镍元素的炭阳极好；添加镍元素对炭阳极的CO2反应性和空气反应性均有抑制作用，可降低炭阳极的额外消耗。参考文献1 马艳. 预焙阳极对于铝电解生产的影响J. 有色冶金节能，2008(3)：40-42.2 佘海波. 60 kA自焙阳极电解槽预焙化改造实