CN1015449B - 碳块多向紧压成型法及其设备 - Google Patents

碳块多向紧压成型法及其设备

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Abstract

本发明涉及由主要包括碳质填料如焦炭，无烟煤或石墨，可焦化的有机粘结剂如集油以及必要时的其它添加剂的碳糊构成的碳块的多向紧压成型方法，其特征是将碳糊引入模具中，该模具的某些壁板可相对其初始位可逆地移动并依次分别沿轴An向碳糊施加至少一个应力δn，然后沿轴An的非重合轴An+1施加至少一个应力δn+1，之后再沿轴An+1的非重合轴An+2施加至少一个应力δn+2等等，且每一应力δ(i)均在实力δ(i-1)至少部分消除后施加。应用本发明可大大提高碳块的紧实度。

Description

本发明涉及碳块多向紧压成型法及其设备，更具体但并不限定性地说来，是Hall-Héroult法电解制铝所需阳极的成型法及其设备。
目前用于制铝的碳块如阳极是采用锤压、挤压、振动捣实或振动挤压由碎焦炭（和/或无烟煤）填料和沥青或焦油混成的碳糊而制成的。
上述四种方法均基于同一原理：于120～140℃下将碳糊引入不变形模具（称为“oedometric”）并在其上施加压力或一系列基本上垂直的应力。施加应力即“加载”可为一次操作（挤压法一般如此）或多次操作即在某些情况下依次进行两次或三次挤压操作直至振动捣实法的几百次操作。
不同情况下力的大小各不相同如挤压机一次操作为28MPa，二次操作为2×18MPa，而用振动捣实机为0.5～2.5MPa。但各种情况下的紧压程度由焦油成分确定即焦炭粒中颗粒间的焦油达到饱和状态或在焦油成分不足情况下的紧压程度为焦炭粒相互接触而不能进一步靠紧为止。因此单向紧压即单一方向上加力要受到具体条件的限制，致使紧压材料的表观密度不会超过某一值。
本发明涉及多向紧压法及其设备，其中包括依次于不同方向向材料施加压力以使填料颗粒按顺序渐次排列，从而保证构成填料的颗粒形状和粘结成分允许的最大空间填充。
更具体地讲，本发明的第一方面涉及的是由主要包括碳质填料如焦炭，无烟煤或石墨，可焦化的有机粘结剂如焦油以及必要时的其它添加剂的碳糊构成的碳块的多向紧压成型方法，其特征是将碳糊引入模具中，该模具的某些壁板可相对其初始位置可逆地移动并依次分别沿轴An向碳糊施加至少一个应力δn，然后沿轴An的非重合轴An+1施加至少一个应力δn+1， 之后再沿轴An+1的非重合轴An+2施加至少一个应力δn+2等等，且每一应力δ（i）均在应力δ（i-1）至少部分消除后施加。
根据本发明的第一具体实施方案，沿两根相互垂直的轴An和An+1施加应力。
根据本发明的第二具体实施方案，轴An，An+1和An+2构成三直角三面体。
本发明另一方面涉及的是实施多向等压的设备，其中包括模具，其某些壁板可相对其初始位置移动，这种移动最好是在垂直于应力施加方向上平行于包含壁的平面进行。
图1-3表明实施本发明的示意图。
图1说明在第一应力δ1（如垂直应力）及其后的第二应力δ2（如垂直于δ1的水平应力）作用下粘结剂中分散的填料颗粒相互靠紧的移动示意图。
图2为本发明双向等压示意图。
为便于理解而将焦颗粒尺寸放大了。
图3为本发明不同的双向紧压程度示意图。侧壁板移动幅度也放大了以使图示更清楚。
将本发明需紧压碳块放入挤压机的模具如平行六面体模具1中，其中包括固定底板2，两块相对安置的固定刚性侧壁板（图2的剖视图中未示出）以及其它两块于夹具如水力夹具或弹簧4作用下可相对于需紧压碳块移动的侧壁板3。加载期间这些弹性装置4调节和限制活动壁板相互分开的移动，而在第一应力δ1消除后，这些装置又施加一反作用力使壁板回到原来的位置。因此减低或消除应力δ1时，这同一装置4也要施加应力δ2。
埋入粘结剂6中的焦炭颗粒5的重新排列示于图2A、2B和2C。
第一具体实施方案为双向等压，其中包括施加一系列第一应力δ1及其后于模具1的两块相对安置壁板3上施加的第2应力δ2。第一应力δ1可为垂直应力但并不阻止挤压机的活塞水平布置。
第二具体实施方案为三向紧压，其中包括施加一下列例如垂直应力及其后于两块相对安置壁板上的水平应力，然后于另外两块壁板上施加水平应力，之后再施加垂直应力，或者依据另一操作方案，先施加垂直应力并在两块相对安置壁板上施加水平应力，然后施加垂直应力并在另外两块壁板上施加水平应力，之后再施加垂直应力等等。当然挤压机的活塞设置在非垂直方向也不会偏离本发明范围的，特别是设置在水平方向上。
实际上所压材料的性质以及进行上述操作步骤的工业设备的复杂性才是选择这些具体实施方案的关键。
此外最好是在连续的操作过程中调整侧壁板的移动幅度。刚开始时模具中碳糊的紧压程度低：因此可控制活塞向下的移动和侧壁板的移动，由于移动幅度（a）相当大，所以可有效地将碳糊坯块8加工成型（见图3A和3B）。然后将此移动幅度渐次降低至（b）（见图3C和3D）。但至少是在最后一次操作中，正如图3E和3F中的元件7所表示的，侧壁板必须由可拆装置完全卡紧以使碳块达到如9所示规定的精确尺寸。
所用模具可成各种形式，这并不会偏离本发明的保护范围。如模具可为平行六面体但在使柱状电极成型时也可由底板和两块或多块壁板构成。在采用两块半柱面壁板的特定情况下，由挤压机活塞加力或应力δ1，而两块半柱面壁板则构成两块活动壁板，在加力δ1期间相互分开，而在δ1部分或全部消除之后又在弹簧或夹具作用下相互靠紧以施加应力或力δ2。
同样，模具底板可固定也可活动：在后一种情况下由挤压机的第二活塞底端构成，而活塞的移动线既可垂直又可水平。
最后，如想达到更高的紧实度，可在低于大气压的压力下操作以在每一初始加工或成型操作中使包藏气体易于迅速排出。
至于碳糊挤压操作中的常用温度（120～140℃）和焦油挥发组分的蒸气压，则应这样选择降压值即以不引起挥发组分的大量蒸馏为准：如为100乇（约13300Pa）（这一值当然只是举例）。
实施例中本发明以双向模式在可扩展的oedometric模具中进行，所用模具由底板，两块相对安置的固定侧壁板连同另外两块由预定刚度已知的弹性装置（如弹簧）控制的侧壁板构成。
模具于150℃接受常用碳糊填料（焦炭+焦油）之后向填料循环施加一系列n个高达δ1的垂直应力（加载），之后将负载减至零。加载操作中，两块壁板在与δ1成正比的水平应力作用下相互分开（在弹簧施加应力的相反方向上）。而在消除载荷时于水平弹簧作用下两块侧壁板趋于相互靠紧而施加横向应力δ2。
实际上本发明中用δ1＝12MPa进行了100次操作，其中应力δ2约为8MPa。
与此相似，用相同的碳糊于相同的温度下同在oedometric模具中按现有技术进行紧压：
以45MPa的力进行一次挤压;
以12MPa的力进行100次挤压。
本发明生产的碳块具有以下干密度：
高于45MPa一次操作所得碳块为0.08g/cm;
高于12MPa100次操作所得碳块为0.86g/cm。
干密度（DD）定义如下：
DD＝AD（100-%焦油）/100，
AD为测定状态下原状碳糊的表观密度，%焦油为原状碳糊中焦油的重量百分含量。
结果很明显，说明大大提高了阳极的质量。
本发明多向紧压法的优点是可以比采用常见方法时更低的应力或力进行操作（以得到相同质量的阳极为准），从而采用同一挤压机仅通过改变模具就可生产出更大尺寸的阳极，而且还可尽量减少挤压法制阳极的各向异性现象。还特别发现所制阳极的耐热性在挤压方向和垂直于挤压方向上达 到了很好的平衡，而常见产品中耐热性在挤压方向上比在垂直于挤压方向的方向上要大得多。
最后，多向紧压法提高了阳极的紧实度并因此也延长了电解槽的操作周期，从而减少了常会使电解槽失去热平衡的阳极替换操作的次数。

Claims (13)

1、由主要包括碳质填料如焦炭，无烟煤或石墨，可焦化的有机粘结剂焦油以及其它添加剂的碳糊构成的碳块的多向紧压成型方法，其特征是将碳糊引入模具中，该模具的某些壁板可相对其初始位置可逆地移动并依次分别沿轴An向碳糊施加至少一个应力δn，然后沿轴An的非重合轴An+1施加至少一个应力δn+1，之后再沿轴An+1的非重合轴An+2施加至少一个应力δn+2，且每一应力δ(i)均在应力δ(i-1)至少部分消除后施加。
2、权利要求1的方法，其特征是应力沿相互垂直的两根轴An和An+1施加。
3、权利要求1的方法，其特征是轴An，An+1和An+2构成三直角三面体。
4、权利要求1，2或3的方法，其特征是壁板移动方向垂直于应力轴。
5、权利要求1的方法，其特征是应力δ（n）的至少一部分是由挤压机的活塞施加的。
6、权利要求1的方法，其特征是应力δ（n）的至少一部分是由模具中壁板的弹性反作用施加的。
7、权利要求6的方法，其特征是将模具保持在部分真空环境中。
8、实施权利要求1～8中任一项所述碳块紧压法的设备，其中包括模具，该模具由不变形的底板（2）和至少两块可相对其初始位置可逆地移动的壁板（3）构成，其特征是这些壁板的每一相对移动幅度逐渐降低时，可移动壁板（3）上装有预定位置上将壁板卡紧的可拆装置（7）。
9、权利要求8的设备，其特征是模具底板是固定的。
10、权利要求8的设备，其特征是模具底板由挤压机活塞底端构成。
11、权利要求8的设备，其特征是可移动壁板上装有弹性装置（4）。
12、权利要求11的设备，其特征是弹性装置（4）由预定刚度的弹簧构成。
13、权利要求11的设备，其特征是弹性装置为水力夹具。
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