CN105112941B - 一种快速导电梯度炭素阳极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速导电梯度炭素阳极及其制备方法；属于铝电解槽阳极制备技术领域。本发明所设计的炭素阳极包括普通炭块3、半石墨质炭块4，全石墨化炭块5；所述半石墨质炭块4位于普通炭块3与全石墨化炭块5之间，所述半石墨质炭块4的石墨化程度为40‑50％。其生产方法是，将全石墨化料、半石墨质料与普通炭块料依次倒入振动机组中，铺成一定的厚度，然后利用高频振动加工成型。本发明所设计的炭素阳极在铝电解槽中使用时，可大幅缩短由于阳极换极带来的电解槽内较长时间的不导电周期。本发明制备工艺简单、实用便于产业化应用。

Description

一种快速导电梯度炭素阳极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种快速导电梯度炭素阳极及其制备方法；属于铝电解槽阳极制备技术领域。

背景技术

在预焙阳极铝电解槽中，阳极的使用周期为28～31d，当阳极达到使用周期时，残极厚度约为15～17cm，如果继续使用，就会发生阳极钢爪熔化现象，因此，需要根据预焙阳极结构设计和组装情况，在保持一定残极高度情况下及时更换阳极，从而保证铝电解槽的正常稳定运行。铝电解槽中有温度场，物料场和电磁场。阳极的更换对“三场”都具有一定影响，但其影响最大的是温度场。正常稳定运行的铝电解槽是处于热平衡状态的。换极前，正常运行的铝电解槽保持着相对的能量平衡，浸入电解质中的阳极部分温度和电解质温度是相同的，阳极上部分的温度也高达600～700℃当高温残极由电解槽中拔出时，一方面残极会从电解质中带走一部分热量；另一方面，拔出阳极的位置会出现一定的空间，也会散失一部分热量，因为从拔出阳极到新阳极上槽需要一定的时间；此外，当室温新阳极安装到电解槽上并浸入电解质中时，由于二者之间巨大的温差，新阳极也会从电解质中吸收大量的热量，直至在二者界面达到新的热平衡为止。因此，换极过程实际上就是热平衡——破坏热平衡——建立新的热平衡的过程。

通常，换极对电解槽的影响约持续24h。在这期间，新换的阳极浸入电解质部分由室温逐步被电解质加热，在换极后约24h，阳极温度基本与电解质温度相当。刚刚换入电解槽的新阳极几乎是不导电的，这是因为这时阳极与电解质之间存在巨大温差，在阳极浸入电解质的一刹那，与阳极底掌接触的电解质骤然遇到激冷，在阳极底掌表面形成一层电解质凝壳，这一层凝壳将液态电解质与阳极完全隔离，从而使得以导电性碳材料制造的阳极炭块失去导电作用。加之，在阳极底掌表面形成电解质凝壳的同时，由于热传导的作用，邻近阳极底掌部分的电解质失去的热量相对远离阳极处要快的多，从而使得阳极附近电解质的粘度增加。而电解质粘度的增加，也使得阳极气体不易排出，炭渣分离不清，增加了电解质的电阻率，导致该部分电解质导电性下降。

因此，对于如何缩短由于阳极换极带来的电解槽内较长时间的不导电周期，不仅对于铝电解行业实现节能降耗的良好发展具有重要意义，同时也是实现电解槽“三场”稳定，槽况运行良好的基础。关于改善换极温度对槽况的影响，目前采取的办法有实施阳极预热，如利用电解槽烟气余热对预焙阳极进行预热，但在国内尚无成功应用的报道，而利用换下的高温残极对阳极进行预热，与该技术相关的仅有一个实用新型专利，名为《阳极块预热交换装置》，授权公告为CN201347457Y，该技术实施过程中，需要建设一系列中高温烟气管线，并要对管线进行防腐处理，而且要单独建设阳极预热间，不但投资大，并且运行成本高。因此，在不增加过多投资的的前提下，换极后阳极快速导电，缩短不导电周期对铝电解槽节能降耗的实现起到关键作用。

发明内容

本发明针对现有铝电解槽阳极存在的不足之处，提供一种快速导电梯度炭素阳极及其制备方法。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极包括：普通炭块(3)、半石墨质炭块(4)，全石墨化炭块(5)；所述半石墨质炭块(4)位于普通炭块(3)与全石墨化炭块(5)之间，所述半石墨质炭块(4)的石墨化程度为40-50％。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极包括：铝导杆(1)、阳极钢爪(2)、普通炭块(3)、半石墨质炭块(4)，全石墨化炭块(5)；所述阳极钢爪(2)的顶部与铝导杆(1)相连，阳极钢爪(2)的底部与铝导杆普通炭块(3)的顶部相连，普通炭块(3)的底部与半石墨质炭块(4)的顶部相连；所述半石墨质炭块(4)的底部与全石墨化炭块(5)相连。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极所述全石墨化炭块(5)、半石墨质炭块(4)、普通炭块(3)的厚度之比为，全石墨化炭块(5)：半石墨质炭块(4)：普通炭块(3)＝1-2:1-2:2-6；优选为1:1:2-1:1:3。即全石墨化炭块(5)、半石墨质炭块(4)与普通炭块(3)的质量比为1-2:1-2:2-6、优选为1:1:2-1:1:3。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极，所述全石墨化炭块(5)的厚度根据实际应用时电解槽的尺寸进行调整。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，以全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒为原料，先将全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒按设计的量依次加入振动机中，振动后的，得到所述炭素阳极；依次加入全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒时，等比例加入粘接剂，所述所述粘接剂与原料的质量比为3-4:16-17。。在本发明中所述等比例加入粘接剂是指，假设所述粘接剂与原料的质量比选自A：B，且全石墨化炭颗粒占原料总质量的C％时，那么再加入全石墨化炭颗粒时，加入粘接剂的质量为(A×原料质量/B)×C％；依次类推，可以计算在加入半石墨质炭颗粒时，等比例所加入的粘接剂的用量；同理也可已计算出加入普通炭颗粒时，等比例所加入的粘接剂的用量。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒的质量比为1-2:1-2:2-6、优选为1:1:2-1:1:3。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，所述粘接剂选自改质沥青、中温沥青、高温沥青中的一种，优选为改质沥青。

其中全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒越细碎越好，粒径小于12mm。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，振动的频率为50-55Hz。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，所述全石墨化炭颗粒是通过下述步骤制备的：

步骤一

按质量比，煅后石油焦：改质沥青＝7-8:2-3，配取煅后石油焦和改质沥青混合均匀后，于1100-1200℃进行焙烧20-40小时；得到首次焙烧产物；

步骤二

将步骤以所得焙烧产物浸渍于改质沥青中，浸渍3-4小时后，取出并进行第二次焙烧，第二次焙烧的温度为700-800℃、时间为3-4小时、气氛为保护气氛；浸渍时控制压力为1.4-1.6MPa；得到第二次焙烧产物；

步骤三

将步骤二所得第二次焙烧产物置于石墨化炉内、于2600-3000℃进行石墨化处理直至第二次焙烧产物完全石墨化后，进行破碎，得到全石墨化炭颗粒。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，所述半石墨质炭颗粒是通过下述步骤制备的：

按质量比，固体碳源：改质沥青＝8-9:1-2，配取固体和改质沥青混合均匀后，于1000-1200℃进行焙烧20-40小时；得到半石墨质炭颗粒；所述固体碳源选自石油焦、沥青焦、残极、生碎及焙烧碎中的至少一种；优选为煅后石油焦、半石墨质石油焦，人造石墨碎中的至少一中；进一步优选为煅后石油焦。

本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，所述普通炭颗粒可采用现有碳素阳极制备方法进行制备；也可采用下述方法制备：

按质量比阳极主体:粘结剂＝82-86:14-18，配取阳极主体和粘结剂后混合均匀，干燥，破碎，得到所述普通炭颗粒；所述阳极主体选自煅后石油焦、沥青焦、残极、生碎及焙烧碎中的至少一种；所述阳极主体按质量百分数计包括：

粗颗粒料14-20％、

中颗粒料8-10％、

细颗粒料45-54％、

粉料22-25％；

所述粗颗粒料的粒径为6-12mm，中颗粒料的粒径为3-6mm，细颗粒料的粒径小于3mm，粉料的粒径小于等于0.074mm。

本发明的功能梯度炭素阳极在外观、钢爪配置、换极操作等方面与普通碳素阳极一致。

原理和优势

本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，采用梯度结构设置，炭块最下层到最上层依次由石墨化炭块、半石墨质炭块及普通炭块构成等构成，形成了阳极炭块由下至上，导电性、导热性依次递减，确保阳极换极后，炭块与电解质接触的面可快速导电，缩短不导电周期。

这种梯度阳极与普通炭素阳极相比，由于石墨的导电、导热性能的增加，因此在阳极换极后能大幅度的缩短不导电周期，因而尽可能的减少了电解槽电流效率的损失以及能量消耗，并改善电解槽运行工况，从而实现节能降耗。本发明加工对当前阳极工艺不需做较大的改变，易于实现。

附图说明：

图1为实施例1生产炭素阳极生产的工艺图。

图2为本发明的炭素阳极结构示意图。

从图1中可以看出实施例制备炭素阳极的工艺流程；

图2中，1为铝导杆，2为阳极钢爪，3为普通炭块，4为半石墨质炭块，5为全石墨化炭块。

具体实施方式

实施例1

按图2所设计的结构，按图1所设计的流程进行操作：

其具体操作包括阳极底部全石墨化炭块料5的单独加工，中间层半石墨质炭块料4的单独加工，最终将全石墨化炭块料、半石墨质炭块料与最上层的普通炭块料3依次加入到振动机组中，经过高频振动加工成完整的阳极(振动频率为50Hz)，然后与阳极钢爪2、阳极导杆1组合装配。其中全石墨化炭颗粒的制备方法，包含步骤：原料破碎、配料、混捏、凉料、振动成型、焙烧、浸渍、二次焙烧、石墨化、破碎等步骤。半石墨质炭颗粒的制备方法包括粉碎、筛分、配料、混捏、振动成型、焙烧、破碎。

本实施例中，制备全石墨化炭颗粒所用原料为煅后石油焦，粘接剂为改质沥青；以煅后石油焦与改质沥青之和为百分之百，则煅后石油焦的质量占煅后石油焦与改质沥青质量之和的75％改质沥青的质量占煅后石油焦与改质沥青质量之和的25％；

其制备方法为：

1)取石油焦，然后对煅后石油焦经过破碎设备进行破碎；

2)破碎后的煅后石油焦进行筛分“按粒度组成筛分”；

3)配料：按其原料配比，将粘结剂、煅后石油焦充分搅匀放入混捏锅；

4)混捏：利用混捏锅混捏；

5)凉料：混捏后的粘结剂、煅后石油焦混合物使用凉料机进行凉料，其中出糊温度约150-160℃；

6)振动成型：将所述粘结剂、煅后石油焦混合糊放入抽真空振动成型机振动成型，振动时间50-70秒、其振动频率为50Hz；

7)焙烧：在保温阶段，温度达到1150℃，保温时间为30小时；

8)浸渍：在高压浸渍罐中，加粘结剂：压力为1.5MPa，保持3.5小时，充氮；

9)二次焙烧：在保温阶段，温度达到750℃，保温时间为15小时；

10)石墨化：在石墨化炉内完成,热处理温度2800℃、送电时间32小时。

11)将石墨化的炭块再次破碎成粒径合适的细碎炭块，得到粒度为10-12mm的颗粒，即为所需全石墨化的炭颗粒。

本实施例中，制备半石墨质炭颗粒所用固体碳源可选为煅后石油焦、半石墨质石油焦、人造石墨碎；粘接剂为改质沥青；以固体碳源与改质沥青之和为百分之百，则固体碳源的质量占固体碳源与改质沥青质量之和的85％、改质沥青的质量占固体碳源与改质沥青质量之和的15％；

配取固体和改质沥青混合均匀后，于150-180℃进行混捏；然后在130-150℃成型后，在1200℃进行焙烧20-40小时；冷却后破碎筛分得到半石墨质炭颗粒，半石墨质炭颗粒的粒度小于12mm。

普通阳极炭颗粒的生产工艺包括原料的准备、煅烧、破碎筛分、配料、混捏成型、焙烧等。其中阳极原料包括阳极主体组分(又称骨料)和粘结剂两大部分。主体组分包括煅后石油焦、残极、生碎，粘结剂为改质沥青。将主体部分和粘接剂的总质量计为百分之百，则煅后石油焦50％、残极30％、生碎6％、粘结剂沥青14％。

阳极主体按质量百分数计包括：

粗颗粒料20％、

中颗粒料10％、

细颗粒料45％、

粉料25％；

所述粗颗粒料的粒径为6-12mm，中颗粒料的粒径为3-6mm，细颗粒料的粒径小于3mm，粉料的粒径小于等于0.074mm。

将上述制得的全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒按设计的量依次加入振动机中，振动后(其频率为50Hz)，得到所述炭素阳极；依次加入全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒时，等比例加入粘接剂，所述所述粘接剂与原料的质量比为4:16。在本发明中所述等比例加入粘接剂是指，假设所述粘接剂与原料的质量比选自A：B，且全石墨化炭颗粒占原料总质量的C％时，那么再加入全石墨化炭颗粒时，加入粘接剂的质量为(A×原料质量/B)×C％；依次类推，可以计算在加入半石墨质炭颗粒时，等比例所加入的粘接剂的用量；同理也可已计算出加入普通炭颗粒时，等比例所加入的粘接剂的用量。

本实施例中，全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒所占的体积比为1:1:2。

本实施所制备炭素阳极的具体尺寸为：普通炭块的厚度为310mm、长为1600mm、宽为700mm，半石墨质炭块的厚度为155mm、长为1600mm、宽为700mm、全石墨化炭块厚度为厚度为155mm、长为1600mm、宽为700mm；将其用于500KA(电解槽的型号)制备电解铝时，换极对电解槽的影响约持续10-15小时。与现有的24小时相比较，其大大缩短了影响的持续时间。

加工出来的阳极炭块性能对比见表2，可见半石墨质阳极炭块与石墨化炭块的导电性、导热性与普通阳极炭块相比有明显的提高。

表1我国最新预焙阳极质量标准(YST 285-2007)

表2阳极炭块性能对比

Claims (10)

1.一种快速导电梯度炭素阳极，其特征在于：包括普通炭块(3)、半石墨质炭块(4)，全石墨化炭块(5)；所述半石墨质炭块(4)位于普通炭块(3)与全石墨化炭块(5)之间，所述半石墨质炭块(4)的石墨化程度为40-50％。

2.根据权利要求1所述的一种快速导电梯度炭素阳极，还包括铝导杆(1)、阳极钢爪(2)，其特征在于：所述阳极钢爪(2)的顶部与铝导杆(1)相连，阳极钢爪(2)的底部与铝导杆普通炭块(3)的顶部相连，普通炭块(3)的底部与半石墨质炭块(4)的顶部相连；所述半石墨质炭块(4)的底部与全石墨化炭块(5)相连。

3.根据权利要求1所述的一种快速导电梯度炭素阳极，其特征在于：所述全石墨化炭块(5)、半石墨质炭块(4)、普通炭块(3)的厚度之比为，全石墨化炭块(5)：半石墨质炭块(4)：普通炭块(3)＝1-2:1-2:2-6。

4.根据权利要求1所述的一种快速导电梯度炭素阳极，其特征在于：所述全石墨化炭块(5)、半石墨质炭块(4)、普通炭块(3)的厚度之比为，全石墨化炭块(5)：半石墨质炭块(4)：普通炭块(3)＝1:1:2-1:1:3。

5.一种制备如权利要求1-4任意一项所述快速导电梯度炭素阳极的方法，其特征在于：以全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒为原料，先将全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒按设计的量依次加入振动机中，振动后的，得到所述炭素阳极；依次加入全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒时，等比例加入粘接剂，所述所述粘接剂与原料的质量比为3-4:16-17。

6.根据权利要求5所述的一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，其特征在于：全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒的质量比为1-2:1-2:2-6。

7.根据权利要求6所述的一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，其特征在于：所述粘接剂选自改质沥青、中温沥青、高温沥青中的一种。

8.根据权利要求5所述的一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，其特征在于：

其中全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒的粒径小于12mm。

9.根据权利要求5所述的一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，其特征在于：

振动的频率为50-55Hz。

10.根据权利要求5所述的一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，其特征在于：

所述全石墨化炭颗粒是通过下述步骤制备的：

步骤一

按质量比，煅后石油焦：改质沥青＝7-8:2-3，配取煅后石油焦和改质沥青混合均匀后，于1100-1200℃进行焙烧20-40小时；得到首次焙烧产物；

步骤二

将步骤以所得焙烧产物浸渍于改质沥青中，浸渍3-4小时后，取出并进行第二次焙烧，第二次焙烧的温度为700-800℃、时间为3-4小时、气氛为保护气氛；浸渍时控制压力为1.4-1.6MPa；得到第二次焙烧产物；

步骤三

将步骤二所得第二次焙烧产物置于石墨化炉内、于2600-3000℃进行石墨化处理直至第二次焙烧产物完全石墨化后，进行破碎，得到全石墨化炭颗粒；

所述半石墨质炭颗粒是通过下述步骤制备的：

按质量比，固体碳源：改质沥青＝8-9:1-2，配取固体和改质沥青混合均匀后，于1000-1200℃进行焙烧20-40小时；得到半石墨质炭颗粒；所述固体碳源选自石油焦、沥青焦、残极、生碎及焙烧碎中的至少一种；

所述普通炭颗粒采用下述方法制备：

按质量比阳极主体:粘结剂＝82-86:14-18，配取阳极主体和粘结剂后混合均匀，干燥，破碎，得到所述普通炭颗粒；所述阳极主体选自煅后石油焦、沥青焦、残极、生碎及焙烧碎中的至少一种；所述阳极主体按质量百分数计包括：

粗颗粒料 14-20％、

中颗粒料 8-10％、

细颗粒料 45-54％、

粉料 22-25％；

所述粗颗粒料的粒径为6-12mm，中颗粒料的粒径为3-6mm，细颗粒料的粒径小于3mm，粉料的粒径小于等于0.074mm。