浸渍剂沥青研究进展及经济性分析

摘要：浸渍剂沥青是碳素材料的填充、增强剂，其性质决定了浸渍工艺及效果。本文简述了 浸渍剂沥青的软化点、甲苯不溶物、喹啉不溶物和结焦值对沥青浸渍效果的影响，综述了国 内外浸渍剂沥青的研究现状、性能指标和加工工艺。通过分析浸渍剂沥青加工技术，提出合 理化建议，并对该技术进行初步经济性分析。结果表明：浸渍剂沥青一体化利用技术具有较 高经济性、较好的发展前景。

关键字：浸渍剂、沥青、炭材料

1  前言

炭材料的制备，一般是由骨料和粘结剂在压力作用下进行成型，再经高温焙烧工艺而得。 由于骨料的立体结构和高温焙烧过程中粘结剂裂解产生气体，不可避免导致炭材料中有16~  25%气孔率，从而影响碳素制品的导电和力学性能等。

浸渍剂沥青是指在一定的温度和压力下，使液态沥青浸入到炭材料气孔中，以降低材料 孔隙率、提高其强度等，主要用于高功率石墨电极、C/C复合材料的浸渍工艺和针状焦的生 产原料等。

当前，随着工业技术高速发展，炼钢行业朝着高功率、集成化前进。采用超高功率石墨 电极炼钢比传统普通电极炼钢可节约50～60%时间、降低20～40%功耗、提高1.3倍以上产量， 能大大降低炼钢成本，提高行业收益率。

但由于上述原因，碳素材料在制备过程中都有不同程度地孔隙率。用浸渍剂沥青改善浸 渍后的炭制品不仅增加了体密度，而且增强了其导电、导热性，同时机械强度也有所提高。 因此，本文以浸渍剂沥青研究现状、行业标准进行概述，以期为浸渍剂沥青的开发及应用提 供新的思路。

2  浸渍剂沥青的性能指标

浸渍剂沥青一般有煤沥青或石油沥青经精制、蒸馏等环节而来。对于碳素制品来说， 软化点、渗透率、残碳率等指标对浸渍效果起关键作用。因此，其评价性能包括：软化点（SP）、 甲苯不溶物（TI）、喹啉不溶物（QI）和结焦值（CV）等。

2.1  软化点

煤沥青或石油沥青都是有多种脂肪烃、芳香烃或杂环化合物构成，其分质量分布较大， 分布范围由几十到几千不等，因此没有固定熔点，一般用软化点表示。软化点是沥青在加热 过程中，由固态逐步变为可塑性（流动态）时的温度。软化点是浸渍剂沥青的关键指标之一， 对浸渍工艺的能耗、可操作性起决定作用。

软化点的测定方法包括环球法、梅特勒杯球法和冷压环球法等。国内使用较多的是环球 法，按照GB/T 4507-2014中规定的步骤测试。

2.2  甲苯不溶物和喹啉不溶物

一般来说，如果用甲苯、喹啉萃取沥青，将会得到三种组分，甲苯可溶物（TS）、甲苯 不溶喹啉可溶物（TI-QS）和喹啉不溶物（QI），也可称为γ树脂、β树脂和α树脂。其中γ树脂 分子量最小，β树脂居中，α树脂最大。

甲苯不溶物主要由缩合度居中的稠环化合物组成，其软化点较高，稳定性好。TI 在加 热成焦的过程中，首先裂解形成活性组分，再发生缩聚、芳构化等反应，逐步形成粘结焦成 分，对沥青焦的强度起关键作用。同时，TI 含量越大，沥青的软化点、流动性、结焦值也 越高，呈线性关系。

喹啉不溶物一般分为原生喹啉不溶物和次生喹啉不溶物。原生不溶物主要有无定形碳、

铁锈等组成。次生喹啉不溶物主要是沥青在加热过程中沥青分子受热缩聚形成的，其分子缩 合度大于甲苯不溶物。由于分子量较大，流动性差，在浸渍过程中容易堵塞孔道，造成浸渍 率低。因此，浸渍剂沥青中QI 应尽可能低。

2.3  结焦值或残炭率

碳素制品经浸渍、焙烧后，其增重率越大，表明浸渍剂沥青性能越好。因此，结焦值或 残炭率是衡量浸渍剂沥青优劣的重要指标之一。其测量方法都是取定量沥青，在隔绝空气的 条件下加热成焦，剩余焦渣的质量与原始沥青的质量比为结焦值或残炭率。虽然两者测量要 求有所差异，但都是反应沥青成焦的特性，都是评价浸渍剂沥青的重要依据。

对于普通功率石墨电极的未浸渍坯,一次浸渍增重率应大于等于 13%,二次浸渍增重率应 大于等于 8%;而对于高功率或超高功率石墨电极的未浸渍坯,一次浸渍增重率应大于等于 15%,二次浸渍增重率应大于等于 10%。

2.4  浸渍剂沥青指标

由 山 东晨 阳新 型碳材料股份有 限 公 司等起草 的我 国焦化浸渍剂沥青标准 GB/T  35074-2018，对不同等级浸渍剂沥青的相关指标给出明确规定。结合国内、外几种相关产品， 具体数据见表 1 ，可以发现浸渍剂沥青产品的 QI 含量普遍较低,软化点在 70～100℃之间,结 焦值不低于 47%。

表 1  国内外浸渍剂沥青质量指标

3  浸渍剂沥青制备工艺

3.1  溶剂分离法

溶剂离心法的原理是利用沥青中各族组分在溶剂中的溶解度不同而实现的。一般认为， 混合体系的粘度越低，喹啉不溶物的分离效果越好。球形颗粒在重力场中的沉降速度主要取 决于密度梯度，即颗粒密度与介质密度的差值。体系粘度较高时，会导致密度梯度降低，从 而影响沉降速度。虽然溶剂离心分离可以有效地降低煤焦油沥青中的 QI 含量，但是离心过 程需要在较短的时间内完成，对设备、工艺指标要求高。

溶剂沉淀法是向沥青中添加溶剂，使 QI 在溶剂的萃取下形成絮状聚集体从而有利于聚 集、沉淀和分离。溶剂沉降法虽然操作简单，但沉降时间长，产能低。为了提高设备利用率， 可以往沥青中添加絮凝剂或降粘剂来加速沉降。

3.2  电泳分离法

电泳分离的基本原理是溶液中的微粒在高压电场作用下感应出等量异号的电荷，由于非 电场中存在电场强度梯度，微粒所受的库仑力不能完全抵消，于是微粒向电场强度大的方向， 最终在阴极附近沉积。影响分离效果的因素主要包括：流体流速、静电场电压和电场长度等。

与溶剂离心法对比，电泳分离法工艺简单，易于操作，且能耗低、能同时脱除 QI 和无 机灰分颗粒，为工业化设计提供新的方向。

国内浸渍剂沥青厂家多采用溶剂萃取沉降或离心工艺，如济宁辰星碳素、上海宝钢化工 和中钢-鞍钢热能公司等均采用此工艺路。

4  经济性分析

4.1  设备投资

以上述加工量 1 万吨/年浸渍剂沥青装置为例，设备主要包括 1 台离心机、1 台蒸馏塔、 1 台天然气管式加热炉和若干换热器、离心泵、储罐等。其中离心机占总投资比例 3~5% ， 蒸馏塔占总投资 38~40%，管式炉占比 20~22%，换热设备占比 15~ 17%，离心泵占比 4~6%， 其它设备占比 8~ 10% 。粗估加工装置总投资约为 0.5 亿。

整个装置的设计可以从以下几个方面入手，即可较少投资，又能降低能源消耗：

（1）合理规划原料与产品换热管网，提高热源回收利用，减少天然气消耗；

（2）塔盘采用浮阀式或泡罩式，提高传质效率，减少设备投资；

（3）对原料离心泵等大功率泵或风机增加变频控制器，根据工况随时调节，减低能耗；

（4）尾气及真空系统不凝气引入管式炉焚烧，即降低燃气消耗又减少环境污染。

4.2 运行费用

装置运行中主要的公用工程为水、 电、蒸汽和天然气，其单位消耗量如下表所示。从 表中可以看出天然气消耗占比最大，达到 81.88% ，其次为电、脱盐水。

表 2  公用工程消耗对比表

4.3  生产成本

原料价格、产品价格及年费用、公用工程费用如表 3 和表 4 所示。

表 3  原料及产品价格费用

从表 4 可以看出，天然气消耗费用最高，约占公用工程总费用的 75% 。天然气主要用 于加热物料和提供塔底蒸发器热源。其次为脱盐水， 占比约 14% 。脱盐水损耗主要是凉水 塔蒸发所致。最少的为电耗，约占 11% ，主要为泵、设备提供能源，用于物料输送和控制设 备。设备折旧按 10 年计算，约合 500 万元/年，在不考虑财务费用、人员薪资等成本费用的 前提下，减去运行成本，本装置可实现盈利约 1400 万元/年，具有较好的盈利能力。

表 4  公用工程消耗费用

5  结束语

浸渍剂沥青是生产高功率和超高功率石墨电极必须原材料。2023 年国内浸 渍剂需求量已超过 20 万吨，预计至 2030 年需求量将超过 30 万吨，且年增率不 低于 10% ，未来浸渍剂沥青行业将迎来空前发展。同时，随着 C/C 复合材料、 航空航天等行业的发展，对浸渍剂沥青的品质要求也越来越高。研发适合我国不 同行业专用浸渍剂将是浸渍剂沥青的新契机。

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