試談預焙陽極空氣反應性的測定

1、ICS 71.100.10Q 52YS中華人民共和國工業(yè)和信息化部 發(fā)布20××-××-××實施20××-××-××發(fā)布鋁用炭素材料檢測方法第23部分預焙陽極空氣反應性的測定 熱重法Carbonaceous materials used in the production of aluminiumPart 23：Baked anodes Determination of the reactivity to airThermogravimetric method（ISO 129

2、89-22004，Carbonaceous materials for the production of aluminium Baked anodes and sidewall blocks Determination of the reactivity to air Part 2:Thermogravimetric method，IDT）（預審稿）YS/T 63.23201X/ISO 12989-22004中華人民共和國有色金屬行業(yè)標準前 言YS/T 63鋁用炭素材料檢測方法共有26部分：第1部分 陰極糊試樣焙燒方法、焙燒失重的測定及生坯試樣表觀密度的測定；第2部分 陰極炭塊和預焙陽極 室

3、溫電阻率的測定；第3部分 熱導率的測定 比較法；第4部分 熱膨脹系數(shù)的測定；第5部分 有壓下底部炭塊鈉膨脹率的測定；第6部分 開氣孔率的測定 液體靜力學法；第7部分 表觀密度的測定 尺寸法；第8部分 二甲苯中密度的測定 比重瓶法；第9部分 真密度的測定 氦比重計法；第10部分 空氣滲透率的測定；第11部分 空氣反應性的測定 質(zhì)量損失法；第12部分 預焙陽極CO2反應性的測定 質(zhì)量損失法；第13部分 楊氏模量的測定 靜測法；第14部分 抗折強度的測定 三點法；第15部分 耐壓強度的測定；第16部分 微量元素的測定 X射線熒光光譜分析方法；第17部分 揮發(fā)分的測定；第18部分 水分含量的測定；第1

4、9部分 灰分含量的測定；第20部分 硫分的測定；第21部分 陰極糊 焙燒膨脹/收縮性的測定；第22部分 焙燒程度的測定 等效溫度法；第23部分 預焙陽極空氣反應性的測定 熱重法；第24部分 預焙陽極CO2反應性的測定 熱重法；第25部分 無壓下底部炭塊鈉膨脹率的測定；第26部分 耐火材料抗冰晶石滲透能力的測定。本部分為第23部分。本部分按照GB/T 1.1-2009給出的規(guī)則起草。本部分為非仲裁方法。本部分等同采用ISO 12989-2:2004鋁生產(chǎn)用炭素材料 預焙陽極和側(cè)部炭塊 空氣反應性的測定 第二部分 熱重法。本部分對ISO 12989-2:2004進行了以下編輯性修改：刪除了1298

5、9-2:2004的目錄、前言、引言和參考文獻；標準名稱按照本系列標準的要求進行了修改；本部分由全國有色金屬標準化技術(shù)委員會（SAC/TC 243）歸口。本部分負責起草單位：中國鋁業(yè)股份有限公司鄭州研究院、中國有色金屬工業(yè)標準計量質(zhì)量研究所。本部分參加起草單位：本部分主要起草人：鋁用炭素材料檢測方法第23部分預焙陽極空氣反應性的測定 熱重法1 范圍本部分規(guī)定了熱重法（TGA）測定預焙陽極空氣反應性的方法。本部分適用于熱重法（TGA）測定預焙陽極空氣反應性。由于加熱條件、樣品尺寸、原料、測定質(zhì)量損失和后續(xù)反應速率的多樣性，可用的裝置也很多。本部分規(guī)定了樣品尺寸、反應溫度、暴露表面氣流速度、以及反應

6、時間，使得不同設備測定的結(jié)果具有可比性。2 術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本部分2.1 灰塵量 air dusting rate d:測試過程中，收集于反應室底部的從炭塊上掉落的灰塵量。2.2 空氣結(jié)束時反應性 final air reactivity f:炭塊在反應室中暴露于空氣氣氛下最后30min內(nèi)，質(zhì)量損失除以樣品原始面積。注： 空氣結(jié)束時反應性的表述單位為毫克每平方厘米每小時。2.3 空氣初始反應性 initial air reactivity i:炭塊在反應室中暴露于空氣氣氛下最初30min內(nèi)，質(zhì)量損失除以樣品原始面積。注： 空氣初始反應性的表述單位為毫克每平方厘米每小時。2.4 空

7、氣總反應性 total air reactivity T：炭塊在反應室中暴露于空氣氣氛下總時間180min內(nèi)，質(zhì)量損失（包括揚灰量）除以樣品原始面積。注：空氣總反應性的表述單位為毫克每平方厘米每小時。3 方法原理在圓柱形炭塊表面通過標準流速的空氣氣流、在等溫條件和指定時間內(nèi)反應，來測定灰塵速率，空氣初始、結(jié)束和總的反應性。由連續(xù)監(jiān)測樣品質(zhì)量損失來測定連續(xù)反應性?？諝饣覊m率由收集和測量反應過程中炭塊上掉落的炭顆粒來確定。4 試驗裝置4.1空氣反應性設備：在達到試驗目的的前提下裝置應盡可能簡單。反應速率測定要求在等溫條件進行，反應過程應不受儀器設備固有的物理和化學性質(zhì)的影響（比如氣流擴散方式，氣體

8、溫度，暴露面積等等）。一種典型的適用裝置見圖1。4.2 爐子和控制器：在樣品放置的100mm中心反應區(qū)域內(nèi)，溫差需控制在±2以內(nèi)。典型裝置如圖1，該裝置采用了一個3區(qū)加熱器和與之配套的控制部件來實現(xiàn)此要求，加熱器也可采用其它類型，如長螺形加熱器或長線形加熱器也適合。控制熱電偶是接地型的，應置于反應室內(nèi)并接近測試樣品表面，以用于爐子控制器補償在空氣反應性測試中放熱反應帶來的影響?？刂茻犭娕紤糜诰嚯x樣品側(cè)表面4mm±1mm和與反應室中心垂直距離5mm以內(nèi)的地方。爐子應具有足夠大的反應室。4.3 反應室：包含一個內(nèi)徑足夠容納樣品和樣品懸掛裝置且不影響氣流通過樣品的豎管，其材質(zhì)具

9、備反應溫度。推薦內(nèi)徑為100mm±25mm。反應室底部應具有一個可拆分的灰塵收集杯，能收集反應過程中所有樣品上掉落下的灰塵顆粒。最普通的反應室材料為石英和鎳鉻鐵耐熱合金。4.4 樣品懸掛裝置：測試時，該裝置應能持續(xù)夾持樣品，且可重復使用，在測試過程中樣品夾應保持質(zhì)量不變，并不阻礙氣流、不影響氣流通過樣品的模式以及不干擾樣品灰塵的產(chǎn)生。典型樣品夾持裝置如圖2所示。4.5 氣體預熱管：氣體預熱管應延伸至反應室第一個加熱區(qū)，在氣體進入反應室前對氣體進行預熱，管子長度和直徑可以不同，只要氣體出管時溫度達到反應室的溫度即可。出氣口應朝下以防氣體在反應室竄流以及防止預熱管被測定反應炭塵堵住。4.

10、6 天平：最大量程約200g，能連續(xù)稱量樣品和樣品懸掛裝置的質(zhì)量，精確至10mg。4.7 氣體流量表：測量氣體流至反應室的流速，氣流應保持由該測試設備所確定的恒定速度。4.8 針型閥：用于微調(diào)氣流。4.9減壓閥：壓縮氣體經(jīng)減壓閥減壓至接近大氣壓后，通過針型閥進入流量計。1天平；2出氣口（口徑10mm）；33區(qū)加熱爐；4連接線 ；5反應室；6樣品；7控制熱電偶；8預熱管；9灰塵收集杯；10進氣口；11空氣或二氧化碳；12氮氣； 13減壓閥；14針型閥；15流量計。圖1 典型空氣反應裝置4.10 熱電偶：熱電偶應伸入反應室以校準加熱區(qū)控制設備，可另選一個熱電偶用于檢測反應溫度。試驗中發(fā)現(xiàn)連續(xù)測量反

11、應室中心部分溫度很有用。4.11卡尺：精確至0.01mm。4.12可選裝置：自動控制裝置、多通道線路選擇器以及個人電腦以記錄日期、處理、報告和存儲過程自動化等。懸掛線；2樣品支持線；3柱體樣品；4不銹鋼球。圖2 典型樣品懸掛裝置5 試劑使用分析純試劑，除非另有說明。5.1 氮氣，99.95%。5.2 空氣，含水率小于0.1%。6 樣品制備6.1 按YS/T 62.3-2005進行取樣，加工成一個正圓柱體，長50mm±1.0mm，直徑50mm±1.0mm。大多數(shù)懸掛裝置要求碳塊樣品上有一個垂直于圓柱體沿其中心線的直徑約3mm的洞。制好的樣品表面應光滑、無明顯裂紋和斷層。6.2

12、 制備的樣品應置于烘箱中在110±5烘至恒重。6.3 在樣品成型過程中，用熱空氣吹凈樣品上的浮塵和附著的雜質(zhì)。7 校準7.1 確立3區(qū)加熱爐控制設備的設置溫度與反應室內(nèi)樣品區(qū)域?qū)嶋H溫度的關(guān)系，校準區(qū)長度應為100mm。7.2 插入多頭熱電偶至樣品位置，將中間那個測溫頭放在樣品中心位置。7.3 將中間熱電偶連接到主控器上，設定空氣反應溫度為525。7.4 將其他兩個熱電偶連接到其他類型的溫度指示設備上。要求有一個溫度記錄儀來測定實際溫度曲線。7.5 讓爐子在氮氣流通過的情況下保持4h以達到平衡（氮氣流速由7.7計算出來）7.6 調(diào)節(jié)區(qū)域溫度控制器，使3個溫度指示器指示溫度精確度在

13、77;2內(nèi)。7.7 本氣流速度的計算是基于樣品直徑50mm，氣流速度(250±5)L/h（在設定溫度下），反應管內(nèi)徑100mm。這種測試方法確定的反應性結(jié)果受測試過程中氣流通過反應表面的速度影響。這就要求氣流通過樣品和各種尺寸的反應管壁之間環(huán)形區(qū)域的速度必須恒定。其他環(huán)形區(qū)域合適的流速由流速(250 ±5)L/h乘以測試系統(tǒng)環(huán)形面積與參考環(huán)形面積比來確定。例如，測試系統(tǒng)內(nèi)徑75mm，樣品直徑50.8mm。按公式1和方程2計算流速 ············&

14、#183;··················（1)式（1）中: AR 測試系統(tǒng)環(huán)形面積與參考系統(tǒng)環(huán)形面積比；Di,t 測試系統(tǒng)反應室的內(nèi)徑；Di,rt 參考系統(tǒng)反應室的內(nèi)徑；Ds 測試樣外徑；Drs 參考樣外徑。 ·················

15、··············（2)式（2）中:qv,G由測試系統(tǒng)環(huán)形面積校準得到的體積流量，單位為升每小時；qv,rG參考系統(tǒng)環(huán)形區(qū)域的體積流量，單位為升每小時；AR 測試系統(tǒng)環(huán)形面積與參考系統(tǒng)環(huán)形面積的比。例如: 式中:Di,t 為75mm；Di,rt 為100mm； Ds 50.8 mm； Drs 為50mm。 式中:qv,G 為體積流速，由測試系統(tǒng)計算，相當于102L/h；qv,rG 為250L/h；AR 為0.406。8 測定步驟8.1 將反應管預

16、熱到525±2。8.2 以7.7中確定的氣流速度通氮氣清洗反應室8.3 稱量并記錄樣品質(zhì)量mi，精確至10mg。8.4 測量樣品直徑(Ds)，高度(hs)，中心孔徑(DH)，精確至0.01mm，并用9.1中的方程計算反應表面積。8.5 將樣品裝入懸掛裝置中，懸掛在天平上插入反應室。8.6 將樣品在氮氣流中預熱30min。8.7 根據(jù)天平說明書使天平重量清零。8.8 預熱30min后將氣體切換成空氣，并保持7.7中計算的流速不變。8.9 測試過程中每隔1min記錄一次樣品質(zhì)量?？諝鉁y試時間為3h（180min），結(jié)束后將氣流切換回氮氣。8.10 將樣品從反應室中取出。注意要小心以防取出

17、過程中樣品撞到反應室內(nèi)壁，若樣品碰撞室壁可能會導致樣品脫落顆粒，導致灰塵質(zhì)量增加。8.11 從反應室底部取出灰塵收集杯，放入干燥箱中直至冷卻。8.12 稱量灰塵收集杯中的灰塵質(zhì)量，并記錄為md。9 測定結(jié)果計算9.1 樣品表面積計算按公式（3）計算樣品的表面積：100 ···························

18、83;···（3)式（3）中:AE 表面積，單位為平方厘米（cm2）；Ds 樣品直徑，單位為毫米（mm）；DH 中心孔（如果有孔）直徑，單位為毫米（mm）；hs 樣品長度，單位為毫米（mm）；9.2 空氣總反應性按公式（4）計算空氣總反應性： ···························&

19、#183;···（4) 式（4）中:T 空氣總反應性，單位為毫克每平方厘米每小時（mg/cm2h）；mi 初始樣品質(zhì)量，單位為克(g)；mf 終了樣品質(zhì)量，單位(g)；AE 樣品表面積，單位為平方厘米（cm2）。 9.3 空氣初始反應性按公式（5）計算空氣的初始反應性： ·························

20、;······（5)式（5）中:i 空氣初始反應性，單位為毫克每平方厘米每小時（mg/cm2h）；mi 初始樣品質(zhì)量，單位為克(g)；m30 開始后30min時的樣品質(zhì)量，單位為克(g)。9.4 空氣結(jié)束時反應性按公式（6）計算空氣結(jié)束時反應性： ························&#

21、183;······（6)式（6）中:f 空氣結(jié)束時反應性，單位為毫克每平方厘米每小時（mg/cm2h）；m390 開始150min時的樣品質(zhì)量，單位為克(g)；mf 反應結(jié)束時樣品質(zhì)量，單位為克(g)。9.5 空氣灰塵量按公式（7）計算空氣灰塵量： ························

22、·······（7)式（7）中d 3h測試結(jié)束后的灰塵量，單位為毫克每平方厘米每小時（mg/cm2h）；md 測試后收集的灰塵質(zhì)量，單位為克（g）。10 精密度10.1 精確度精密度由實驗室間根據(jù)ASTM Practice E 691實施的試驗來確定。6個實驗室測試9種材料（7個陽極和2個陰極）。通過線性回歸法已發(fā)現(xiàn)試驗重復性和再現(xiàn)性與反應性測試結(jié)果的平均值有關(guān)，因此，回歸方程被用于精密度描述上?；谶@個研究結(jié)果，10.2和10.3用于評價結(jié)果的可靠程度（95%的置信度）10.2 重復性10.2.1 重復性限同一個操作者用同

23、一臺裝置設備獲得的測試結(jié)果（單位為毫克每平方厘米每小時）均應該被認可，除非測試結(jié)果超出了方程給出的r值范圍。 10.2.2 空氣總反應性: ·······························（8) 式（8）中： 空氣總反應性重復性； 重復試驗得到的空氣總反應性結(jié)果的平均值（適用

24、于空氣總反應性范圍為13mg/cm2h62 mg/cm2h）。10.2.3 空氣初始反應性： ·······························（9)式（9）中 空氣初始反應性重復性； 初始空氣反應性重復試驗的平均值（適用于空氣初始反應性范圍為 4mg/cm2h 16mg/cm

25、2h）。10.2.4 空氣結(jié)束時反應性： ·······························（10) 式（10）中： 空氣終了反應性的重復性； 重復測試得到的空氣結(jié)束時反應性的平均值（適用于空氣結(jié)束時反應性范圍為21mg/cm2h 89mg/cm2h）。10.2.5 空氣灰塵量

26、： ·······························（11)式（11）中：空氣灰塵量的重復性； 重復試驗空氣灰塵量的平均值（適用于空氣灰塵量范圍為0mg/cm2h 2.5mg/cm2h）。10.3 再現(xiàn)性10.3.1 再現(xiàn)性限每兩個實驗室報告的相同樣品的測試結(jié)果（單位為毫克每

27、平方厘米每小時）不應被懷疑，除非其報告的數(shù)據(jù)超出了下列方程計算的R值范圍。10.3.2 空氣總反應性： ·······························（12)式（12）中： 空氣總反應性的再現(xiàn)性； 重復試驗的空氣總反應性的平均值（適用于空氣總反應性范圍為13mg/cm2 h62mg/cm2h）。10.3.3 空氣初始反應性： ·······························（13)式（13）中： 空氣初始反應性的再現(xiàn)性； 初始空氣反性的平均值（適用于空氣初始反應性范圍為4mg/cm2h 16mg