鋁用炭素材料水分檢測儀、真密度檢測儀、表觀密度測試儀——廈門易仕特儀器有限公司專業制造

1  前言

伴隨著電解鋁工業的快速發展，鋁用炭素材料行業也得到了長足的進步，從2002年開始，我國已成為世界*鋁用炭素材料生產國，也是鋁用炭素材料的 主要出口國之一，形成了不少以出口為主的獨立的鋁用炭素材料生產企業。隨著大型預焙槽的不斷普及、電解技術的日益進步、國內市場的激烈競爭、與市場的 *融通、以及對節能降耗的苛求，作為電解鋁工業的主要原材料鋁用炭素，不論是陽極材料還是陰極材料，其質量都受到了越來越多的重視，許多過去不關注的指 標，現在已顯得非常重要。

經過50多年的發展，我國鋁用炭素材料的生產技術達到了相當的水平，反映到產品質量上，我國鋁用炭素材料產品質量總體已經達到了水平，主要體現 在能夠生產滿足各種要求的陽極和陰極產品，在滿足國內需求的同時大量出口，從出口國外返回的意見看，國內陽極在高電流密度下的使用性能還是比較穩定，電解 各項指標有不同程度的優化，陰極產品的加工精度和理化性能，都有很好的提高，并處于較穩定范圍。當然在總體質量達到水平的同時還應該看到：由于國內鋁 用炭素材料生產企業眾多，生產設備的*程度、人員技術水平的不同、管理水平參差不齊，使得不同企業間的質量差別較大；質量意識和市場因素的影響，使得出 口產品和國內使用的產品質量有一定的差距；原材料變化以及沒有固化的生產工藝參數，使得同一企業不同批次的產品質量變化較大，部分企業同一批次產品也不在 一個穩定的范圍內。

經過幾代人的共同努力，我國建立了與產品質量相適應的質量指標標準體系，包括陽極糊、預焙陽極、陰極炭塊、陰極糊等在內的七個標準，而國外一般是企 業標準或合同規定，或推薦一些基本的指標要求，對鋁用炭素材料這種產品質量受資源影響較大的原材料，制定一個全行業同時采用的標準，在上很少見，是國 內所*的。同時也建立了與質量指標標準體系相配套的檢測方法標準體系，包括石油焦、煅后石油焦、煤瀝青、鋁用炭素制品等的檢測，其中煅后石油焦、鋁用炭 素制品的檢測方法，基本采用了ISO的標準，在這些標準起草的同時，研制了配套的檢測設備和標準樣品，可以說是一套較為完善又易于推廣應用的標準體系。雖 然我國鋁用炭素材料標準體系比較完善，但標準起草的基礎數據不足，一些檢測技術只是照搬過來，并沒有對其進行認真的研究，而且由于標準化管理的條塊性，會 造成原料和下游產品標準的分割。另外由于炭素材料與其他金屬及非金屬材料不同，它是一種均質性較差的材料，客觀公正地評價和判定其質量，有時需要大量數據 統計后才能得出，這與我國起草產品質量標準主要突出其“仲裁性”的出發點不符。

本文分析了預焙陽極、底部炭塊、陰極糊的質量標準及國內產品質量的現狀，對相關檢測方法進行了介紹，提出了在質量和檢測方面存在的主要問題及對采用標準的一些建議，希望能對行業有所幫助。

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2  產品質量現狀

鋁用炭素材料一般包括鋁用炭素制品和其原材料，鋁用炭素制品包括陽極、陰極和側部炭塊等，其主要原材料包括石油焦或煅后石油焦、煤瀝青、電煅或普煅無煙煤、石墨碎等，本文主要分析了鋁用炭素制品的質量。

陽極有陽極糊和預焙陽極兩種，隨著電解槽的大型化和對環保的日益嚴格要求，我國的自焙槽已經全部淘汰，國內只用預焙陽極，生產的陽極糊全部出口到國 外。陰極有普通陰極炭塊、石墨質陰極炭塊、部分石墨化陰極炭塊、石墨化陰極炭塊以及各種陰極糊，現階段普通陰極炭塊、部分石墨化陰極炭塊已經不用，石墨化 陰極炭塊只有少量的試用，主要采用的是石墨質陰極炭塊，其按照石墨含量的不同又可分為多個牌號，現在國內外用的zui多的是石墨含量30%的陰極炭塊；陰極糊 包括冷搗糊、鋼棒糊、周圍糊、碳間糊等。側部炭塊目前也有兩種，即炭素側塊與碳化硅側塊，現階段主要采用碳化硅結合氮化硅塊。

    限于篇幅，本文只對幾種主要產品：預焙陽極、底部炭塊，主要是石墨含量30%的底部炭塊、陰極糊中的質量狀況進行了分析，雖然外觀和尺寸也是炭塊質量的重要部分，但為了方便起見，只分析它們的理化性能。

2.1 預焙陽極

    預焙陽極被認為是電解槽的心臟，其質量好壞對電解的各項技術指標、重熔用鋁錠的產品質量和電解槽的穩定運行有著非常重要的作用。

2.1.1質量標準情況

1978年，冶金工業部發布實施了YB2809-78《炭陽極》標準，1988年，國家標準局發布實施了GB8742-88《鋁電解用炭陽極》標 準，1994年標準清理整頓時變更為有色金屬行業標準YS/T285-1994《鋁電解用預焙陽極》（同時冶金工業方面在清理整頓后也出了一個行業標準 YB/T5203-1993，其要求與YS/T285-1994相同，后來采用YB/T5203標準的較少），1998年、2007年兩次修訂，YS /T285-2007規定的理化性能指標見表1。

表1、YS/T285-2007《鋁電解用預焙陽極》的理化性能

注1：需方對表中規定以外的性能如抗折強度、熱導率、空氣滲透率、空氣反應性和微量元素含量（釩、

鎳、硅、鐵、鈉、鈣）等有要求時應向供方提出，由供需雙方協商確定并在合同中注明。

注2：對于有殘極返回生產的產品指標要求，由供需雙方協商確定并在合同中注明。

1978年，冶金工業部發布實施了YB120-78《陽極糊》標準，1988年，國家標準局發布實施了GB8741-88《鋁電解用陽極糊》標準，1994年標準清理整頓時變更為有色金屬行業標準YS/T284-1994《鋁電解用陽極糊》，1998年修訂后一直沒動。

上，沒有找到以行業或國家或組織正式發布的預焙陽極產品質量標準，表2為國外一些公司的規定、出口合同的要求和瑞士炭素技術研究所 （R&D）研究的認為較好的陽極質量結果，雖然有些公司對表2外的微量元素還有要求，但由于含量較低，且不是普遍要求，沒有在表2中列出。

從表1可以看出，YS/T285-2007按照7項指標的不同設立了2個牌號：TY-1和TY-2，由于所有指標都是保證指標，考慮到炭素材料的特 點，要*達到TY-1的要求，按照2σ偏差來推算，這7項指標的特征值應分別在：1.55、2.06、53、35、4.5、85、0.46左右，其中室 溫電阻率53的要求還是不低的；要達到TY-2的要求，按照2σ偏差來推算，這7項指標的特征值應分別在：1.52、2.03、58、33、5.5、 74、0.75左右，除室溫電阻率外，其他指標顯得有點太松了，尤其是熱膨脹系數、CO2反應性、灰分3項指標，如果按照保證指標來控制質量，其意義不大。

從表2可以看出，雖然各公司所要求的指標不盡相同，這可能與各公司的注意點不同有關，但除微量元素的含量外，其他指標基本在R&D認為的較好的陽極質量范圍內，對微量元素含量不同的要求，應該說是簽定合同時考慮了原料不同的因素。

從表1和表2對照來看，國內TY-1設定的7項指標要求基本在R&D認為的較好的陽極質量范圍內，其中電阻率要求較嚴，但CO2反應性、熱膨脹系數相對偏松。與出口的合同要求相比，保證指標設立偏少，起草標準時充分考慮了原料不同導致的影響和實際工作中減少檢驗工作的壓力，并留給合同雙方更多的選擇。

表2、預焙陽極出口合同要求和R&D的研究結果

*：可能為動態楊氏模量。

#：按照反應速率換算過來的。

2.1.2質量現狀

為了分析預焙陽極的產品質量現狀，我們對一些樣品的檢驗結果進行了統計，樣本來自三部分，各占三分之一，一部分為2008年5月到2009年2月份 的日常委托檢驗樣品，一部分為中心2008年下半年的抽查樣品，一部分為出口驗貨的樣品，統計的結果如表3所示，從表3及測定的結果可以得出：

從指標上看，國內預焙陽極有一半左右可以屬于質量較好的產品，從平均值來看，除了微量元素中的Ni和Ca含量、耐壓強度和空氣反應性外，其它指標都 在R&D認為的范圍內，Ni和Ca含量偏高主要國內原料問題，耐壓強度偏低與采用的檢測方法有一定關系，空氣反應性國內產品質量普遍偏好；

出口產品的指標相對穩定，平均來看，比日常委托和抽查的樣品結果好；

日常委托樣品的結果不穩定，差別比較大，不同企業間不但微量元素有較大不同，其他指標如電阻率、耐壓強度也相差較大。

從表3也可以看出，S的含量較適中，但個別微量元素的含量較高，這些元素不但影響預焙陽極的各項反應性能，還對產品質量有著較大的影響，值得關注。 一般當預焙陽極中Si、Fe的含量達到400ppm、600ppm時，其對鋁錠中Si、Fe雜質含量的貢獻就超過了氧化鋁；Ca會改變電解質的成分，已成 為電解質中CaF2累積的主要因素；我國鋁錠中的V主要來自預焙陽極，現階段普遍偏高，已影響了電工用鋁，應重點注意。

同時根據中心連續4年8次抽查的結果，分析了幾個企業的預焙陽極產品質量，有些企業產品質量波動也較為明顯，不論是微量元素的含量還是反應性指標等。

對3個企業生產的同一批炭塊（批量1000噸左右）進行取樣，取11個樣后進行電阻率和耐壓強度的測定，一批樣品測定結果差別zui大的企業，其電阻率在54.7～62.8μΩ·m之間，耐壓強度在35.4～43.2 MPa之間。

為了分析同一預焙陽極性能的均勻性，對4個企業的9塊炭塊進行取樣，在同一炭塊不同的取樣方向和不同的取樣位置取11個樣品，進行電阻率和耐壓強度測定，測定結果差別zui大的一塊，其電阻率在56.4～61.5μΩ·m之間，耐壓強度在29.3～41.2 MPa之間。

基于預焙陽極均質性相對較差的特性，采用單個樣對批進行判定，風險較大，驗收時能采用統計方法來驗收批，也即對一批（批量可以大些）產品設定合格質量水平，允許多個測定結果中有少量的偏離，YS/T62.3-2005（ISO8007.2∶1999）給出了使用示例。

表3、預焙陽極產品質量統計情況

    以表3室溫電阻率的數據為橫坐標，試樣的個數所占比例為縱坐標，做出其分布如圖1所示。

圖1、電阻率分布曲線

2.2 底部炭塊

    作為電解槽筑爐的主要材料，底部炭塊的質量與電解工藝技術指標、電解槽的正常運行和槽壽命有著極大的關系，這些年進展較快，尤其是大型電解槽的發展，需要有能夠滿足電解槽熱場平衡的陰極材料做支持。

2.2.1質量標準情況

1978年，冶金工業部發布實施了YB125-78《鋁電解用炭塊》標準，1988年，國家標準局發布實施了GB8743-88《鋁電解用普通陰極 炭塊》、GB8744-88《鋁電解用半石墨陰極炭塊》（應該稱為“鋁電解用部分石墨化陰極炭塊”）2個標準，1994年標準清理整頓時變更為有色金屬行 業標準YS/T286-1994《鋁電解用普通陰極炭塊》和YS/T287-1994《鋁電解用半石墨陰極炭塊》，1999年修訂YS/T287時將名稱 改為《鋁電解用半石墨質陰極炭塊》，2005年再次對YS/T287進行修訂后發布；同時根據陰極炭塊產品變化的情況，又于2007年發布了一個新標準 YS/T623-2007《鋁電解用高石墨質陰極炭塊》，并于2008年審定了《鋁電解用石墨化陰極底部炭塊》標準，已報批待發布。由于普通陰極炭塊現在 基本不用，因此YS/T287-2005、YS/T623-2007和《鋁電解用石墨化陰極炭塊》3個標準包括了現行我國所采用的鋁電解用陰極炭塊的各種 牌號，其規定的理化性能指標分別見表4、表5、表6。

上沒有找到一個統一的陰極炭塊標準，也沒有找到相關的國家標準，幾個主要生產企業：德國的SGL、法國的SAVOIE、挪威的ELKEM、 ERAFT、日本電極公司等都有企業標準，這些企業基本也是按不同的石墨含量將陰極炭塊劃分為不同的牌號，然后把石墨化陰極炭塊單列，可能主要考慮到石墨 化陰極炭塊的特殊性，如明顯的各向異性、指標的顯著差別、部分檢測評價方法的不同等?，F在30%左右石墨含量的底部炭塊相對用的較多，為了比較方便，表7 只列出了該牌號一些生產企業指標和出口合同的要求。

表4、YS/T287-2005《鋁電解用半石墨質陰極炭塊》底部炭塊理化性能要求

注1：灰分、真密度、表觀密度、耐壓強度、電阻率、開氣孔率為常規分析指標。

注2：電解膨脹率、熱膨脹率、楊氏模量、抗折強度為底部炭塊的參考指標，不做常規分析。需要時供方

可以提供，但需在合同中注明根據用戶需要提供。

表5、YS/T623-2007《鋁電解用高石墨質陰極炭塊》底部炭塊理化性能要求

注1：真密度、表觀密度、耐壓強度、電阻率、灰分為常規分析指標。

注2：抗折強度、楊氏模量、熱膨脹系數、鈉膨脹率為參考指標，不做常規分析。需方需要時供方可以提

供，但需在合同中注明。

表6、審定的《鋁電解用石墨化陰極底部炭塊》理化性能要求

注1：真密度、表觀密度、耐壓強度、電阻率、灰分為常規分析指標。

注2：抗折強度、楊氏模量、熱膨脹系數、鈉膨脹率為參考指標，不做常規分析。需方需要時供方可以提

供，但需在合同中注明。

注3：以上指標均按成型時平行于所受壓力方向進行取樣和分析。

表7、30%左右石墨含量鋁電解底部炭塊的理化性能要求

從表4、表5、表6可以看出，3個標準所設立的指標相近，只要求了真密度、表觀密度、耐壓強度、電阻率、灰分等幾項常規指標，但從實際看，幾乎所有 的合同都將參考指標作為了要求。另外YS/T287和YS/T623的范圍要明確，是否小于30%石墨含量的就采用YS/T287？大于后一律采用YS /T623？將YS/T287并入YS/T623標準，在GS-3前加一個牌號，將BSL-1的要求放進來。3個標準都沒有提及熱導率，這其實是設計 中非常需要的一個參數，同時對石墨化陰極炭塊的檢測，要考慮鋁用炭素檢測方法的適應性：如電阻率、熱導率、熱膨脹系數、抗折強度等的測定。

從國內外要求的對照來看，指標設立基本一致，要求略有差異，國內GS-3對開氣孔率、楊氏摸量沒有要求，對電阻率、抗折強度、鈉膨脹等指標要求稍低些。

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2.2.2質量現狀

對2008年1月至2009年2月委托我中心檢驗的底部炭塊檢測結果進行了分析，19個石墨化陰極炭塊都能滿足《鋁電解用石墨化陰極炭塊》規定的要 求，23個50%石墨質、全石墨陰極炭塊有3個（1個是電阻率高、2個是耐壓強度不夠）達不到YS/T623-2007《鋁電解用高石墨質陰極炭塊》中 GS-5、GS-10規定的要求，45個石墨含量為30%的底部炭塊，有7個達不到GS-3的要求，其檢測結果統計見表8，部分試樣與BSL-1混淆，需 要明確。

表8、30%石墨含量底部炭塊送樣檢測結果統計表

從表8可以看出，主要不合格項為電阻率，zui大zui小值相差較大。

同樣對一個企業生產的不同批樣品進行取樣檢測，以及同一炭塊不同的取樣位置（取樣方向一致）取樣檢測，結果表明，有些企業不同批的差距明顯，在同一炭塊不同位置取樣，其耐壓強度相差zui大的為19MPa，zui大檢測值與zui小檢測值幾乎差一倍。

基于陰極炭塊產品的特點和質量的現狀，考慮其對筑爐的重要性，建議對電阻率、耐壓強度指標，實行塊驗收，YS/T62.1-2005（ISO8007.1∶1999）給出了取樣和實施的方法。

2.3 陰極糊                                                          

    陰極糊作為筑爐的主要輔料，其質量對電解槽的壽命有著很大的影響，一直以來對其質量就非常關注。

2.3.1質量標準情況

在1978年，冶金工業部發布了粗縫糊、細縫糊兩個標準，到1993年，中國有色金屬工業總公司發布了YS/T65-1993《鋁電解用陰極糊》標 準，直到2007年修訂后，才發布了新的版本，增加了焙燒過程中的膨脹和收縮測定，YS/T65-2007《鋁電解用陰極糊》的理化性能要求見表9。從表 9可以看出，國內陰極糊產品牌號細分較多，除碳膠泥外，其他10個牌號設立的指標與炭塊的常規5項一樣，只是規定的值各有不同，對鋼棒糊、周圍糊、碳間糊 還增加了膨脹收縮率的要求。

國外沒有見到一個統一的陰極糊產品質量標準，SGL、ELKEM等一些企業雖提出過一些要求，但沒有見正式的標準，而且涉及的指標較少，注重現場使用性能，關注可搗實性、焙燒過程中的失重和膨脹收縮率，對其它指標基本不要求。

從使用的情況看，YS/T65-2007《鋁電解用陰極糊》標準受到的指責zui多，其一牌號偏多，使用不方便，具體按哪一個牌號不易確定，其二很多用 戶反饋回來的意見是：不少陰極糊產品符合標準且指標很好，實際中并不好用。既然國內的情況是：有一個統一的標準更好操作，就應該認真去研究，設定一個科學 的指標要求，引導行業的健康發展。

表9、YS/T65-2007《鋁電解用陰極糊》的理化性能要求