CN101158048A - 一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块及其生产方法。其特征在于其石墨化可湿润阴极炭块由石墨化的炭块基体和一体化成型于基体上的TiB2复合层组成。其生产方法特征为：在振动成型生产阴极炭块时，在其工作面上一体化成型一层含有TiB2的复合层；将压制成型的生块，经焙烧、浸渍、石墨化、机加工制得石墨化可湿润阴极炭块。本发明的铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块的炭块基体具有了良好的导电导热性，且基体上一体化成型的TiB2复合层，一同进行焙烧和高温热处理，有效提高了复合强度，使铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块具有很好的导电导热性的同时，具有了很好抗电解质侵蚀和抗铝液冲刷能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块及其生产方法。
背景技术
在铝电解生产过程中，阴极炭块的性能和质量直接影响着铝电解槽的使用寿命和电解生产技术经济指标。阴极炭块是电解槽的内衬材料的重要组成部分，其用量约为阴极重量的70％～75％，占约整个槽底面积的四分之三。由于铝电解生产过程中，是将阴极炭块砌筑在铝电解槽的最内层，形成铝电解生产的反应熔池的一部分，与熔体接触直接。由于铝电解的熔体温度为930～1050℃，对阴极材料的性能和质量的改进，具有十分重要的意义。
铝电解阴极炭块从无定型炭块到可湿润阴极炭块，经历了多次改进。目前，使用的阴极炭块多为半石墨质炭块、石墨化炭块、可湿润阴极炭块。由于组成和生产工艺的不同，导致其在电解槽中的表现和使用性能有很大差异；无定型、半石墨质炭块导电能力和抗热震性较差，石墨化炭块具有优良的导热导电性能，但熔融电解质和铝液冲刷能力差，容易被磨蚀，影响电解槽寿命。
随着大型预焙铝电解槽技术的发展，为了降低电解槽阴极电阻，节省电耗，要求阴极炭块有很好的导电导热性，石墨化阴极炭块开始逐步采用。同时，为了克服熔融电解质和铝液冲刷能力差，容易被磨蚀，影响电解槽寿命的缺点，研究开发耐磨型石墨化阴极炭块，成为大型电解槽阴极炭块的发展方向。
TiB2是一种导电性能良好的高温难熔材料，其熔点为2980℃。含TiB2的阴极材料，对铝液具有较好的湿润性，可以对电解质具有较好的耐腐蚀性能，被称为可湿润阴极。但由于TiB2非常昂贵，一般只用在阴极炭块的表层。TiB2层与阴极炭块的结合方法一般涂抹法、一体化成型法。涂抹法与炭块基体接合并不很牢固，在电解槽启动初期很容易被电解质冲刷掉。一体化成型法是在普通阴极炭块成型时，在其表面压制一层含TiB2的糊料，得到一体化成型的复合层可湿润阴极炭块。但目前复合层可湿润阴极炭块的基体都是普通阴极炭块或半石墨质的阴极炭块，难以满足大型铝电解槽对阴极炭导电导热的要求。
发明内容
本发明的目的是针对上述已有技术的不足，提供一种能够有效改善石墨化阴极炭块与铝液湿润性能的、增强石墨化阴极炭块抗电解质侵蚀和抗铝液冲刷能力的、特别是提高阴极炭块导电导热性能、延长铝电解槽使用寿命的铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块及其生产方法。
本发明的方法是通过以下技术方案实现的。
一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块，其特征在于其石墨化可湿润阴极炭块由石墨化的炭块基体和一体化成型于基体上的TiB2复合层组成。
本发明的一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块，其特征在于其石墨化可湿润阴极炭块是在炭块基体成型时一体化成型了TiB2复合层，经高温热处理而成的。
本发明的一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块，其特征在于其炭块基体是选自煅烧石油焦、沥青焦、石墨化焦、石墨碎的一种或一种以上的混合物为骨料，加入的粘结剂为选自煤沥青、煤焦油一种或一种以上的混合料。
本发明的一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块，其特征在于TiB2复合层为由TiB2、炭质材料组成的可湿润复合层，其中炭质材料为选自人造石墨、煅后石油焦和无烟煤的一种或其中一种以上的混合料。
一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块的制备方法，其特征在于其制备过程包括：
1)将TiB2粉、炭质材料骨料混合配料，配料中，TiB2重量含量为20％～60％，余量为炭质材料；其中，炭质材料为人造石墨、煅后石油焦和无烟煤的一种或其中几种的；再加入选用煤沥青、煤焦油的一种或其混合为粘结剂制成复合层糊料，粘结剂的用量为制成的糊料重量的15％～30％；
2)将选自煅烧石油焦、沥青焦、石墨化焦、石墨碎的一种或一种以上的混合物为骨料，加入为选自煤沥青、煤焦油一种或一种以上的混合物为粘结剂，制成炭块基体糊料；
3)将基体糊料装入模具内，落下重锤预压，预压；接着提起重锤，将糊料表面扒毛后，均匀铺上一层复合层炭糊料，落下重锤振动成型，脱模，冷却后得到可湿润阴极炭块的生块；
4)将制得的阴极炭块的生块，在700～1100℃进行焙烧，焙烧周期7～30天，最高温度保持4～72小时，焙烧时在复合层面进行多点测温保证温差在50℃以内；
5)将焙烧后的炭块在石墨化炉内，进行高温热处理，热处理温度为1800～2850℃，最高温度保持2～72小时；
6)机加工制得铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块。
本发明的一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块的制备方法，其特征在于其制得的可湿润阴极炭块的生块在700～1100℃进行焙烧后，是经过在煤沥青中浸渍后，再在700～1100℃进行二次焙烧；再在石墨化炉内，进行高温热处理的。
本发明的铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块，一体化的炭块基体和复合层，在石墨炉中经高温热处理，提高了可湿润阴极炭块的石墨化程度，使炭块基体具有了良好的导电导热性，且基体上一体化成型的TiB2复合层，一同进行焙烧和高温热处理，有效提高了复合强度，使铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块具有很好的导电导热性的同时，具有了很好抗电解质侵蚀和抗铝液冲刷能力。
具体实施方式
一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块，其石墨化可湿润阴极炭块由石墨化的炭块基体和一体化成型于基体上的TiB2复合层组成。其制备过程包括：1)将TiB2粉、炭质材料骨料混合配料，配料中，TiB2重量含量为20％～60％，余量为炭质材料；其中，炭质材料为人造石墨、煅后石油焦和无烟煤的一种或其中几种的；再加入选用煤沥青、煤焦油的一种或其混合为粘结剂制成复合层糊料，粘结剂的用量为制成的糊料重量的15％～30％；2)将选自煅烧石油焦、沥青焦、石墨化焦、石墨碎的一种或一种以上的混合物为骨料，加入为选自煤沥青、煤焦油一种或一种以上的混合物为粘结剂，制成炭块基体糊料；3)将基体糊料装入模具内，落下重锤预压，预压；接着提起重锤，将糊料表面扒毛后，均匀铺上一层复合层炭糊料，落下重锤振动成型，脱模，冷却后得到可湿润阴极炭块的生块；4)将制得的阴极炭块的生块，在700～1100℃进行焙烧，焙烧周期7～30天，最高温度保持4～72小时，焙烧时在复合层面进行多点测温保证温差在50℃以内，最高温度保持2～24小时；5)将焙烧后的炭块在石墨化炉内，进行高温热处理，热处理温度为1800～2850℃；6)机加工制得铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块。
实施例1
可湿润复合层糊料配比为：TiB220％，炭质材料60％，粘结剂20％。
TiB2粉纯度98％；炭质材料为煅烧石油焦，粒度2mm以下；粘结剂为煤沥青。
首先将TiB2和炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；晾料3～5分钟，保温备用。
炭块基体以煅烧石油焦为骨料，以煤沥青为粘结剂。基体糊料按常规工艺配料、混捏。基体糊料加入模具中，落下重锤预压，然后提起重锤，用靶子将糊料表面把毛；均匀铺上一层足够厚度的可湿润阴极层的炭糊料(其厚度保证成型后15～20mm)，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧10天，最高焙烧温度1050℃，高温保持24小时；将焙烧块装入沥青浸渍罐中浸渍；经过浸渍的可湿润阴极再次焙烧；二次焙烧的可湿润阴极炭块在石墨化炉中进行石墨化，热处理温度2800℃，高温保持4小时得到全石墨化的可湿润阴极炭块；按照产品规格进行成品加工。
实施例2
可湿润复合层糊料配比为：TiB223％，炭质材料53％，粘结剂24％。
TiB2粉纯度98％；炭质材料为石油焦，粒度2mm以下；粘结剂是煤沥青和煤焦油按9∶1的比例配成。
首先将TiB2和炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质，配入煤焦油，搅拌。液体粘结剂加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；晾料3～5分钟，保温备用。
炭块基体骨料中，煅烧石油焦∶石墨碎＝9∶1；以煤沥青为粘结剂。基体糊料按常规工艺配料、混捏。基体糊料加入模具中，落下重锤预压，然后提起重锤，用靶子将糊料表面把毛；均匀铺上一层足够厚度的可湿润阴极层的炭糊料(其厚度保证成型后15～20mm)，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧焙烧15天，最高焙烧温度1000℃，高温保持36小时；将焙烧块装入石墨化炉中进行石墨化，热处理温度2500℃，高温保持8小时，得到全石墨化的可湿润阴极炭块；按照产品规格进行成品加工。
实施例3
可湿润复合层糊料配比为：TiB230％，炭质材料48％，粘结剂22％。
TiB2粉纯度98％；炭质材料为石油焦，粒度2mm以下，粘结剂是煤沥青和煤焦油按8∶2的比例配成。
首先将TiB2和炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质，配入煤焦油，搅拌。液体粘结剂加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；晾料3～5分钟，保温备用。
炭块基体骨料中，煅烧石油焦∶沥青焦＝9∶1；以煤沥青为粘结剂。基体糊料按常规工艺配料、混捏。基体糊料加入模具中，落下重锤预压，然后提起重锤，用靶子将糊料表面把毛；均匀铺上一层足够厚度的可湿润阴极层的炭糊料(其厚度保证成型后15～20mm)，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧20天，最高焙烧温度1100℃，高温保持8小时；将焙烧块装入沥青浸渍罐中浸渍；经过浸渍的可湿润阴极再次焙烧；二次焙烧的可湿润阴极在石墨化炉中进行石墨化，热处理温度2300℃，高温保持12小时，得到半石墨化的可湿润阴极炭块；按照产品规格进行成品加工。
实施例4
可湿润复合层糊料配比为：TiB235％，炭质材料44％，粘结剂21％。
TiB2粉纯度98％；炭质材料为石油焦，粒度2mm以下；粘结剂为煤沥青。
首先将TiB2和炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；晾料后，保温备用。
炭块基体以煅烧石油焦为骨料；以煤沥青∶煤焦油＝9∶1的混合为粘结剂。基体糊料按常规工艺配料、混捏。基体糊料加入模具中，落下重锤预压，然后提起重锤，用靶子将糊料表面把毛；均匀铺上一层足够厚度的可湿润阴极层的炭糊料(其厚度保证成型后8～15mm)，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧25天，最高焙烧温度1000℃，高温保持48小时；将焙烧块装入石墨化炉中进行石墨化，热处理温度2800℃，高温保持2小时，得到全石墨化的可湿润阴极炭块；按照产品规格进行成品加工。
实施例5
可湿润复合层糊料配比为：TiB240％，炭质材料41％，粘结剂19％。
TiB2粉纯度98％；炭质材料为无烟煤和石油焦各一半，粒度2mm以下；粘结剂为煤沥青。
首先将TiB2和炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；晾料后，保温备用。
炭块基体骨料中，煅烧石油焦∶石墨化冶金焦＝9∶1；以煤沥青为粘结剂。基体糊料按常规工艺配料、混捏。基体糊料加入模具中，落下重锤预压，然后提起重锤，用靶子将糊料表面把毛；均匀铺上一层足够厚度的可湿润阴极层的炭糊料(其厚度保证成型后8～15mm)，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧28天，最高焙烧温度750℃，高温保持56小时；将焙烧块装入沥青浸渍罐中浸渍；经过浸渍的可湿润阴极再次焙烧；二次焙烧的可湿润阴极在石墨化炉中进行石墨化，将焙烧块装入石墨化炉中进行石墨化，热处理温度2500℃，高温保持16小时，得到全石墨化的可湿润阴极炭块；按照产品规格进行成品加工。
实施例6
可湿润复合层糊料配比为：TiB245％，炭质材料25％，粘结剂30％。
TiB2粉纯度98％；炭质材料为石墨和石油焦各一半，粒度3mm以下；粘结剂为煤沥青。
首先将TiB2和炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；晾料后，保温备用。
炭块基体以煅烧石油焦为骨料，以煤沥青为粘结剂。基体糊料按常规工艺配料、混捏。基体糊料加入模具中，落下重锤预压，然后提起重锤，用靶子将糊料表面把毛；均匀铺上一层足够厚度的可湿润阴极层的炭糊料(其厚度保证成型后8～15mm)，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧7天，最高焙烧温度800℃，高温保持24小时；将焙烧块装入沥青浸渍罐中浸渍；经过浸渍的可湿润阴极再次焙烧；二次焙烧的可湿润阴极在石墨化炉中进行石墨化，将焙烧块装入石墨化炉中进行石墨化，热处理温度2100℃，高温保持24小时，得到半石墨化的可湿润阴极炭块；按照产品规格进行成品加工。
实施例7
可湿润复合层糊料配比为：TiB250％，炭质材料22％，沥青28％。
TiB2粉纯度98％；炭质材料为石墨，粒度3mm以下；粘结剂为煤沥青。
首先将TiB2和炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；晾料后，保温备用。
炭块基体以煅烧石油焦为骨料，以煤沥青为粘结剂。基体糊料按常规工艺配料、混捏。基体糊料加入模具中，落下重锤预压，然后提起重锤，用靶子将糊料表面把毛；均匀铺上一层足够厚度的可湿润阴极层的炭糊料(其厚度保证成型后8～15mm)，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧15天，最高焙烧温度950℃，高温保持72小时；将焙烧块装入沥青浸渍罐中浸渍；经过浸渍的可湿润阴极再次焙烧；二次焙烧的可湿润阴极在石墨化炉中进行石墨化，热处理温度2500℃，高温保持20小时，得到全石墨化的可湿润阴极炭块；按照产品规格进行成品加工。
实施例8
可湿润复合层糊料配比为：TiB255％，炭质材料30％，沥青15％。
TiB2粉纯度98％；炭质材料为石墨，粒度3mm以下；粘结剂为煤沥青。
首先将TiB2和炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；晾料后，保温备用。
炭块基体骨料中，煅烧石油焦∶沥青焦∶石墨碎＝8∶1∶1；以煤沥青为粘结剂。基体糊料按常规工艺配料、混捏。基体糊料加入模具中，落下重锤预压，然后提起重锤，用靶子将糊料表面把毛；均匀铺上一层足够厚度的可湿润阴极层的炭糊料(其厚度保证成型后8～15mm)，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧12天，最高焙烧温度850℃，高温保持60小时；将焙烧块装入沥青浸渍罐中浸渍；经过浸渍的可湿润阴极再次焙烧；二次焙烧的可湿润阴极在石墨化炉中进行石墨化，热处理温度1900℃，高温保持22小时，得到半石墨化的可湿润阴极炭块；按照产品规格进行成品加工。
实施例9
可湿润复合层糊料配比为：TiB260％，炭质材料15％，粘结剂25％。
TiB2粉纯度98％；炭质材料为石墨，粒度3mm以下；粘结剂为煤沥青。
首先将TiB2和炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；晾料后，保温备用。
炭块基体骨料中，煅烧石油焦∶沥青焦∶石墨化冶金焦＝7∶1∶2；以煤沥青为粘结剂。基体糊料按常规工艺配料、混捏。基体糊料加入模具中，落下重锤预压，然后提起重锤，用靶子将糊料表面把毛；均匀铺上一层足够厚度的可湿润阴极层的炭糊料(其厚度保证成型后20～30mm)，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧15天，最高焙烧温度1000℃，高温保持18小时；将焙烧块装入沥青浸渍罐中浸渍；经过浸渍的可湿润阴极再次焙烧；二次焙烧的可湿润阴极在石墨化炉中进行石墨化，热处理温度1800℃，高温保持18小时，得到半石墨化的可湿润阴极炭块；按照产品规格进行成品加工。
Claims (6)
1.一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块，其特征在于其石墨化可湿润阴极炭块由石墨化的炭块基体和一体化成型于基体上的TiB2复合层组成。
2.根据权利要求1所述的一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块，其特征在于其石墨化可湿润阴极炭块是在炭块基体成型时一体化成型了TiB2复合层，经高温热处理而成的。
3.根据权利要求1所述的一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块，其特征在于其炭块基体是选自煅烧石油焦、沥青焦、石墨化焦、石墨碎的一种或一种以上的混合物为骨料，加入的粘结剂为选自煤沥青、煤焦油一种或一种以上的混合料。
4.根据权利要求1所述的一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块，其特征在于TiB2复合层为由TiB2、炭质材料组成的可湿润复合层，其中炭质材料为选自人造石墨、煅后石油焦和无烟煤的一种或其中一种以上的混合料。
5.一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块的制备方法，其特征在于其制备过程包括：
1)将TiB2粉、炭质材料骨料混合配料，配料中，TiB2重量含量为20％～60％，余量为炭质材料；其中，炭质材料为人造石墨、煅后石油焦和无烟煤的一种或其中几种的；再加入选用煤沥青、煤焦油的一种或其混合为粘结剂制成复合层糊料，粘结剂的用量为制成的糊料重量的15％～30％；
2)将选自煅烧石油焦、沥青焦、石墨化焦、石墨碎的一种或一种以上的混合物为骨料，加入为选自煤沥青、煤焦油一种或一种以上的混合物为粘结剂，制成炭块基体糊料；
3)将基体糊料装入模具内，落下重锤预压，预压；接着提起重锤，将糊料表面扒毛后，均匀铺上一层复合层炭糊料，落下重锤振动成型，脱模，冷却后得到可湿润阴极炭块的生块；
4)将制得的阴极炭块的生块，在700～1100℃进行焙烧，焙烧周期7～30天，最高温度保持4～72小时，焙烧时在复合层面进行多点测温保证温差在50℃以内；
5)将焙烧后的炭块在石墨化炉内，进行高温热处理，热处理温度为1800～2850℃，最高温度保持2～24小时；
6)机加工制得铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块。
6.根据权利要求5所述的一种铝电解槽用石墨化可湿润阴极炭块的制备方法，其特征在于其制得的可湿润阴极炭块的生块在700～1100℃进行焙烧后，是经过在煤沥青中浸渍后，再在700～1100℃进行二次焙烧；再在石墨化炉内，进行高温热处理的。
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