煤瀝青軟化點分析準確性的影響因素研究

張 姣，張 昆

（1.青銅峽鋁業股份有限公司，寧夏青銅峽 751603；2.寧夏科技咨詢中心，寧夏銀川 750001）

煤瀝青是一種粘結性能良好的有機物質，其主要用途不僅作為成型碳材料的粘結劑，也可用于耐火材料工業，制備針狀焦、防腐材料、中間相碳微球、超高功率石墨電極用浸漬瀝青、燃料等。煤瀝青無固定的熔點，受熱即軟化、繼而熔化。表征煤瀝青的特性有瀝青軟化點、甲苯不溶物、喹啉不溶物和煤結焦值等。瀝青軟化點直接決定著瀝青的品質，因此瀝青軟化點的分析是重要。按照煤瀝青軟化溫度范圍不同，一般劃分（見表1）（環球法）；鋁電解用碳素陽極材料生產中通常采用低溫煤瀝青、中溫煤瀝青和高溫煤瀝青（又名改質煤瀝青），其中改質煤瀝青是煤瀝青深度加工的產物。

由于瀝青是無嚴格熔點的粘性非晶物質，其軟化過程并非是在固定溫度下進行，并且GB/T2294《焦化固體類產品軟化點測定方法》中對熔樣溫度、時間、升溫速度以及周圍環境溫度無具體要求，導致不同測試條件下存在測試結果不穩定、重復性差等問題；本文對實驗結果進行分析和討論，研究了影響煤瀝青軟化點測試準確性的因素，并總結了優化的測定方法。

表1 煤瀝青分類（環球法）

1 試驗內容與方法

1.1 試驗樣品

煤瀝青的軟化點是煤瀝青試樣處于軟化狀態在鋼球施與恒定荷載下被穿透時的溫度，其數值與煤瀝青的生產工藝和物化性能有很大關系。本實驗采用同一產地同一批次固體改質瀝青（預計軟化點溫度為110℃左右），以保證實驗結果的可對比性。

1.2 實驗儀器

煤瀝青軟化點測定儀；50 mL熔樣勺；測定范圍50～150℃的溫度計（分刻度0.2℃）；可緩慢調整溫度的電爐（0～220℃)；小刀；表層涂有黃油的光滑金屬板。

1.3 實驗方法

取干燥改質煤瀝青10 g置于熔樣勺，在55℃的溫度下加熱，并不斷攪拌釋放試樣中氣泡，直至試樣呈無氣泡粘黏態；將熔融的煤瀝青快速倒入預熱的黃銅肩環上邊緣處，保持試樣在室溫下冷卻30 min后，用刮刀刮平試樣；再將鑄好的銅環放入裝有甘油的瀝青軟化點測定儀上，并加熱甘油，準備測試試樣軟化點溫度。在實驗中，根據不同的升溫速度不斷調整電爐溫度；當試樣軟化下垂，剛接觸金屬架底板時，立即讀取溫度計溫度；并且取兩環試樣軟化溫度的平均值，作為試樣的軟化點，本試驗方法國標要求允許誤差1.5℃。

2 試驗結果與分析

2.1 熔樣溫度的影響

按照GB4507-1999《瀝青軟化點測定法（環球法）》的要求，本試驗對同一批改質瀝青在可調溫度電爐上分別在溫度范圍為130～145℃、145～160℃、160～180℃條件下融融試樣，其實驗結果（見表2，圖1）。

實驗結果表明,當其他條件一定時，使用130～145℃的爐溫熔融熔樣，由于溫度過低，導致熔樣時間過長超過30 min、并且不易精確掌控，致使該加熱溫度范圍下實驗過程不符合國標要求、其實驗結果瀝青軟化點偏高、偏差較大；使用160～180℃的爐溫熔融熔樣時，試樣揮發不穩定黃煙，說明試樣中其低沸點組分分解揮發，導致實驗結果可靠性降低，并且實驗重復性差；而使用145～160℃的爐溫熔融熔樣，不僅加熱時間能精確控制在30 min以內，并且在加熱過程中試樣組分無化學變化，導致實驗結果穩定，而且實驗重復性好。

2.2 熔樣時間的影響

由于GB/T2294-1997《焦化固體類產品軟化點測定方法》及GB4507-1999《瀝青軟化點測定法（環球法）》對瀝青熔融時間無精確限制要求，因此通過實驗規范制定熔樣時間對準確測定瀝青軟化點溫度具有重要意義。在145～160℃的爐溫熔融熔樣下，當其他實驗條件一定時，改變熔樣時間，其結果（見表3，圖2）。

試驗結果表明：其他實驗條件一定，當熔樣時間為12 min時，由于熔樣時間過短導致試樣中氣泡未完全釋放，致使實驗結果不可靠、存在嚴重偏差；當熔樣時間為30 min時，由于熔樣時間過長導致試樣中低沸點組分分解揮發，致使實驗結果可靠性降低、并且實驗重復性差。鑒于本集團外購瀝青質量不同并結合實際生產過程，通過對比試驗表明：熔樣時間18 min為最優化高效的熔樣加熱時間范圍，其實驗結果穩定，而且實驗重復性好。

2.3 升溫速度的影響

GB/T2294-1997《焦化固體類產品軟化點測定方法》要求：將裝盛好瀝青試樣的銅環放在甘油浴中用電爐加熱升溫，從70℃開始控制升溫速度，升溫速度必須保持（5±0.2）℃/min，否則測定結果作廢。由于溫度計置于甘油中，鋼球墜落時對甘油溫度的記錄能否真實反映瀝青軟化點溫度，是基于實驗過程中對甘油浴升溫速度的高低控制；因此不同化驗員對升溫速度的不同控制，導致測定結果的可對比性降低。本實驗在145～160℃的爐溫和熔樣18 min下，通過改變甘油浴升溫速度來研究不同升溫速度對瀝青軟化點溫度測定結果的影響，其實驗結果（見表4，圖3）。

實驗結果表明：當爐溫一定，甘油升溫速度高于5℃/min時，升溫速度越快、甘油浴與瀝青試樣的實際溫差越大，導致甘油由于升溫吸收的能量不能及時傳遞給試樣，致使實驗測定溫度高于瀝青實際軟化點溫度；甘油升溫速度低于5℃/min時，升溫速度越慢、甘油浴與瀝青試樣的實際溫差越小，致使試樣內能在某固定溫度下逐漸積累，導致瀝青試樣時間軟化點降低。從平均結果來比較，升溫速度對軟化點的影響很大，所以分析時應不斷調整爐溫，以確保升溫速度保持（5±0.2）℃/min。

表2 不同加熱溫度熔樣的實驗結果

表3 爐溫一定時熔樣時間長短實驗結果

表4 甘油浴的升溫速度不同時，軟化點實驗結果

2.4 甘油的影響

瀝青用純甘油的實際使用壽命約為一個月（無雜質，透明度高），在其它條件相同的情況下，甘油使用時間不同的情況下，用瀝青試樣做軟化點，結果（見表5，圖4）。

由表5和圖4可見，隨甘油使用時間的延長，該實驗測定結果逐漸降低。這是由于甘油易吸收空氣中的水分，多次使用過的甘油吸收空氣中的水分（中溫瀝青先于改質瀝青測試軟化點時，軟化點測定儀會帶入水分），致使甘油密度變小、甘油中的氣泡也減少、其對試樣阻力減小，導致使用過甘油比未使用過甘油所測出的式樣軟化點低；同時從傳熱角度分析，甘油的比熱為2.32 kJ/kg·K，水的比熱為4.23 kJ/kg·K，由公式E=CpΔT，比熱小的溶劑加熱時其溫度升高快，使用過的甘油含有水分，其比熱較未使用過的甘油大、導致其升溫速度低于未使用過甘油，所以使用過的甘油較未使用過的甘油所測出的瀝青軟化點偏低。為解決這一問題，實驗員在利用未使用過的甘油進行實驗前應多次加熱甘油排除其中氣泡，在瀝青軟化點試驗時確保軟化點測定儀干燥，且試驗完畢后將甘油蓋密封；與此同時，實驗員應抽樣檢測甘油密度確保甘油物性符合國標要求。

表5 甘油使用時限對瀝青軟化點測試結果

3 結論

在瀝青軟化點測試時，實驗員應當嚴格按照規程操作：在試驗之前必須檢測甘油，確保其物性符合GB/T2294-1997的要求；在熔樣過程中，應準確調整電爐溫度，確保溫度在145～160℃；并且熔樣時間控制在18 min左右；在甘油浴升溫過程中，隨著溫度升高化驗員應隨時監測升溫速度，不斷調整爐溫大小，確保將升溫速度控制在（5±0.2）℃/min。

［1］GB/T2294-1997《焦化固體類產品軟化點測定方法》.

［2］GB4507-1999《瀝青軟化點測定法（環球法）》.

［3］ASTM D36-1995《瀝青軟化點測定法》.

［4］GB/T 12007.6-1989《環氧樹脂軟化點測定方法（環球法）》.

［5］SY/7 5644-1999《石油瀝青軟化點試驗器技術條件》.

［6］GB/T 9284—1988《色漆和清漆用漆基軟化點的測定（環球法）》.