CN101774566A - 一种炭素电极工艺配方及炭素电极生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种炭素电极工艺配方，包括固体材料和液体材料，其中所述固体材料包括石墨质原料、电煅无烟煤以及煅后焦，所述液体材料包括煤沥青。所述石墨质原料有利于减小物料间的接触电阻，降低炭素电极产品的电阻率，并且可提高产品的热导率，有利于增加炭素电极产品的抗热震性。
Description
技术领域
本发明涉及一种炭素电极工艺配方及一种炭素电极生产方法。
背景技术
炭素电极是矿热炉碳热还原法冶炼工业硅、铁合金、黄磷、电石所需的重要原料，还可以用在普通电弧炉冶炼刚玉、稀土金属的工艺中。炭素电极作为高温导电材料，是替代石墨电极、电极糊的节能环保型产品。
目前，在炭素电极生产所采用的工艺配方中，固体材料仅仅包括电煅无烟煤和煅后焦这两种材料，并且材料的粒级较小，小于4mm的料通常在60％左右。从而制造出来的电极存在下述问题：电阻率高(在40～50μΩ·m之间)、体积密度低，抗折强度小，在使用过程中易开裂、掉块，并且电极消耗高，电耗高。
发明内容
本发明的目的是减轻现有技术炭素电极工艺配方导致的上述问题。
本发明的发明人经研究与反复实验发现：如果在配方中加入石墨质材料，有利于减小物料间的接触电阻，降低炭素电极产品的电阻率，并且可提高产品的热导率，有利于增加炭素电极产品的抗热震性。
因此，本发明提供一种炭素电极工艺配方，所述配方包括固体材料和液体材料，其中所述固体材料包括石墨质原料、电煅无烟煤以及煅后焦，所述液体材料包括煤沥青。
所述石墨质材料有利于减小物料间的接触电阻，降低炭素电极产品的电阻率，并且可提高产品的热导率，有利于增加炭素电极产品的抗热震性。
优选地，在所述固体材料中，粒度小于0.15毫米的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于等于16毫米的料的重量占所述三种固体材料总重量的20％～40％。需要指出的是，在文中，除非特别指明，否则用语“a％～b％”的含义是指“大于等于a％且小于等于b％”。例如“20％～40％”的含义是指“大于等于20％且小于等于40％”。
这样，在本发明中通过采用较多的更大颗粒形态的固体材料(20％以上的料的粒度大于等于16mm)，有利于减小物料间的接触电阻，有利于增加炭素电极产品的抗热震性，降低炭素电极产品的电阻率。
优选地，在所述固体材料中，粒度小于0.15毫米的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于等于0.15毫米且小于4mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的0％～10％；粒度大于等于4毫米且小于8mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的10％～20％；粒度大于等于8毫米且小于16mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的10％～30％；粒度大于等于16毫米且小于等于32mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于32毫米的料的重量小于所述三种固体材料总重量的2％。通过上述粒度配比，可以更好地减小物料间的接触电阻，降低产品的电阻率；此外，对产品开裂有阻断作用，可以提高产品的抗热震性能；并且有利于电极的成型。
优选地，石墨质原料以碎屑粉料形态加入，且在所述石墨质原料中，粒度小于等于0.15毫米的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于等于0.15毫米且小于4毫米的料的重量小于所述三种固体材料总重量的10％。石墨质原料以碎屑粉料形态加入可以起到以下作用：1)润滑作用，利于原料相互插入，提高产品强度；2)阻断粘结剂的流动，产品品质均匀；3)提高产品的导热性能，减少热开裂；以及4)降低产品热膨胀系数，减少热开裂。
优选地，所述石墨质原料的重量为所述三种固体材料总重量的20～50％；电煅无烟煤的重量为所述三种固体材料总重量的25～40％；以及煅后焦的重量为所述三种固体材料总重量的25～40％。以此比例配比，能较好地实现三种材料的混合。
优选地，所述煤沥青的重量为所述石墨质原料、电煅无烟煤、煅后焦和煤沥青这四种材料的总重量的17％～19％。从而减少了煤沥青的使用量，有利于减少电极产品中的孔隙。
本发明还提供一种制造炭素电极的方法，该方法包括配料工序，在所述配料工序中，将石墨质原料、电煅无烟煤以及煅后焦这三种固体材料与液态的煤沥青混合在一起，述配料工序将固体材料和液体材料混合在一起，其中，在所述固体材料中，粒度小于0.15毫米的料的重量小于所述三种固体材料总重量的40％；粒度大于等于16毫米的料的重量大于所述三种固体材料总重量的20％。
附图说明
图1为示出根据本发明一实施例的炭素电极生产工艺的示例性流程图。
具体实施方式
下面，通过与现有技术的炭素电极配方对比来说明本发明的炭素电极配方的实施例。
首先，参见表1和表2，了解现有技术炭素电极工艺配方中的固体材料组成及粒度分布比例。需要指出的是，如果没有特别地指明，那么文中的比例均是指重量百分比。表1是现有技术炭素电极工艺某配方中固体材料的原料比例。如表1所列出的，在现有技术的配方中，固体材料由电煅无烟煤和煅后焦组成，并且两者分别占固体材料的10～30％和70～90％。表2为现有技术炭素电极工艺某配方中固体材料粒度分布。如表2所列出的，固体材料的粒级主要分布在0mm至16mm的范围内。表1现有技术炭素电极工艺某配方中固体材料组成
表2现有技术炭素电极工艺某配方中固体材料粒度分布比例
| 原料名称 | 电煅无烟煤 | 煅后焦 |
| 重量比例％ | 10～30 | 70～90 |
| 粒级(毫米) | ＞16 | 8～16 | 4～8 | 2～4 | 0.15～2 | 0～0.15 |
| 重量比例(％) | ＜2 | 18±3 | 16±3 | 12±3 | 16±3 | 36±3 |
接下来，参考表3和表4来说明本发明一实施例中炭素电极工艺配方中的固体材料组成及粒度分布比例。表3是本发明一实施例的炭素电极工艺配方中固体材料的原料比例。如表3所列出的，在本发明该实施例的配方中，固体材料由石墨质原料、电煅无烟煤和煅后焦组成，并且三者占固体材料的重量百分比依次为20～50％、25～40％以及25～40％。
需要指出的是，文中的术语“石墨质原料”包括人造石墨和天然石墨，以及这两者的混合物。
与上述由一定比例的石墨质原料、电煅无烟煤和煅后焦所组成的固体材料相配合，可以添加液体材料用于将所述固体材料粘接在一起。例如，可以添加的煤沥青作为液体粘接材料。煤沥青的重量百分比可以为固体材料和液体材料这两者的总重量的17～19％。表3本发明一实施例的炭素电极示例工艺配方中原料比例
表4本发明一实施例的配方中固体材料的粒度分布
| 原料名称 | 石墨质原料 | 电煅无烟煤 | 煅后焦 |
| 重量比例％ | 20～50 | 25～40 | 25～40 |
| 粒级(毫米) | ＞32 | 16～32 | 8～16 | 4～8 | 0.15～4 | 0～0.15 |
| 重量比例(％) | ＜2 | 20～40 | 10～30 | 10～20 | 0～10 | 20～40 |
表4为本发明一实施例的炭素电极工艺配方中固体材料的粒度分布。如表4所列出的，固体材料的粒级主要分布在0mm至32mm的范围内。且大颗粒的固体材料(粒级在16～32mm)的比例最少为20％，优选地在20％～40％之间。从而可以减小物料间的接触电阻，降低产品的电阻率；此外，对产品开裂有阻断作用，可以提高产品的抗热震性能。
更具体地，在表4列出的配方中，固体材料粒度小于0.15毫米的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于等于0.15毫米且小于4mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的0％～10％；粒度大于等于4毫米且小于8mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的10％～20％；粒度大于等于8毫米且小于16mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的10％～30％；粒度大于等于16毫米且小于等于32mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于32毫米的料的重量小于所述三种固体材料总重量的2％。通过上述粒度配比，可以更好地减小物料间的接触电阻，降低产品的电阻率；此外，对产品开裂有阻断作用，可以提高产品的抗热震性能；并且有利于电极的成型。
根据一优选实施例，石墨质原料以碎屑粉料形态加入。石墨质原料以碎屑粉料形态加入可以起到以下作用：1)润滑作用，利于原料相互插入，提高产品强度；2)阻断粘结剂的流动，产品品质均匀；3)提高产品的导热性能，减少热开裂；以及4)降低产品热膨胀系数，减少热开裂。
在所述石墨质原料中，粒度小于0.15毫米的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于等于0.15毫米且小于4毫米的料的重量小于所述三种固体材料总重量的10％。表5本发明一实施例的炭素电极配方中石墨质原料粒度分布
*以所有固体材料为100％。
| 粒级(毫米) | 0.15～4 | ＜0.15 |
| 重量比例(％) | 0～10 | 20～40 |
下面以表格示出新旧配方的对比性能表6炭素电极新旧工艺配方指标对比
表7对比试验数据(用于工业硅生产)
| 指标名称 | 单位 | 本发明工艺配方产品 | 现有技术配方产品 |
| 灰分 | ％ | 1～2 | 1～2 |
| 电阻率 | μΩ·m | 30～40 | 40～50 |
| 抗折强度 | MPa | 6～11 | 6～10 |
| 体密 | g/cm3 | 1.58～1.62 | 1.56～1.60 |
| 热膨胀系数 | 1/℃×10-6 | 3.5～4.3 | 4.3～4.8 |
| 热导率 | W/m.k | 15～25 | 10～16 |
| 气孔率 | ％ | 17 | 17 |
| 试验使用情况 | 本发明工艺配方产品 | 现有技术配方产品 |
| 断损率 | 1％ | 6％ |
| 吨产品电极消耗(公斤) | 85 | 120 |
| 吨产品电能消耗(千瓦时) | 11000 | 13000 |
图1是生产炭素电极的一种示例生产工艺的流程流程图。下面结合图1对相关生产过程作简要说明。下面的描述仅仅是示例性的，而非对本发明保护范围的限制。按配方配料
如图1中所示，生产炭素电极需要配料。配料就是根据一定配方(成分及比例)，将各种原料混合在一起。根据本发明的一个实施例，所述配方包括：固体材料：石墨质原料的重量百分比为40％；电煅无烟煤的重量百分比为30％、煅后焦(煅烧石油焦)的重量百分比为30％。还包括液体材料，液体材料(煤沥青)的重量百分比为四种材料总重量的18％。在石墨质原料中，大于等于0.15毫米且小于4毫米的料的重量百分比为三种固体材料总重量的10±2％；并且小于0.15毫米的料的重量百分比为三种固体材料总重量的30±2％。生电极制造
生电极制造包括中碎筛分、磨粉、配料、混捏和成型等生产工序。按配方配料工序可以包含在该工序中。a.中碎筛分
根据本发明的一个实施例，可以设二个中碎、筛分系统，用于分别处理石墨块和无烟煤。经斗式提升机送入二台双层水平振动筛筛分处理，粒度大于32mm的料返回双辊破碎机中碎后再重新筛分。32～16mm、16～8mm、8～4mm的粒度料直接进入相应配料仓，也可返回双辊破碎机重新中细碎至4mm以下，便于生产灵活调节。
粒度料有5种：为32～16mm、16～8mm、8～4mm、4～0.15mm、0-0.15mm的料分别直接进入配料仓，也可进入磨粉机给料仓。
生碎料经破碎到50mm以下粒度后，经斗式提升机直接运入生碎配料仓使用。b.磨粉
磨粉采用二台5R摆式磨粉机。磨粉料主要来源为石墨碎屑。由电磁振动给料机定量喂入摆式磨粉机内，从磨粉机出来的含尘气体经风选器分选后，粗粒子料被分离后返回磨粉机再磨，合格细粉经旋风收料器收集后送入配料仓，循环风经通风机进入磨粉机用于循环生产。磨粉过程中产生的多余风经净化处理后排入大气。c.配料、混捏、均温、成型
生碎、粒子料、粉料分别由各自配料仓底部的给料机及漏斗秤按配方要求称量，再汇入集合料斗。由配料小车将配好的料运往混捏机。进行干混，液体粘结剂沥青随后加入混捏机中，液体沥青用电子秤计量，采用减量法。配料全过程采用微机自动控制。
混捏选用5000升混捏锅。每次可装糊料4.2～4.8吨，混捏周期为80分钟，其中干混25分钟，加沥青后湿混55分钟。混好的糊料卸入活底糊料箱，经电动平板小车、桥式起重机送入糊料均温箱均温处理。
成型采用固定台式振动成型机。用料时，将均温箱内糊料直接送入成型机振动台振动成型。成型电极出模冷却后，经检测合格后叉车运输到焙烧车间。不合格的生电极返回配料系统处理。焙烧
炭素电极焙烧是成型后的生制品在专用加热炉内保温介质的保护中，在隔绝空气的条件下，按一定的升温速度进行加热的热处理过程。
电极焙烧的目的在于：(1)排除挥发分，使用沥青作粘结剂的制品，经焙烧后一般排出约10％的挥发分。(2)粘结剂焦化，生制品按一定的工艺条件进行焙烧，使粘结剂焦化，在骨料颗粒间形成焦炭网络，把所有不同粒度的骨料牢固地连结在一起，使制品具有一定的理化性能。在相同条件下，焦化率越高，其质量越好。一般中温沥青的结焦残炭率为50％左右。(3)固定几何形式，生制品在焙烧过程中，发生软化，粘结剂迁移现象。随着温度的升高，形成焦化网，使制品焦化。因此，温度再升高，其形状也不改变。(4)降低电阻率 在焙烧过程中，由于挥发分的排除，沥青焦化形成焦炭网格，沥青发生分解和聚合反应，生成大的六角炭环平面网等原因，电阻率大幅度下降。(5)体积进一步收缩，焙烧后制品直径收缩1％左右，长度收缩2％左右，体积收缩为2-3％。电极机械加工(1)炭素电极整形的需要
具有一定的尺寸和形状的压型后的炭素生制品，在焙烧过程中发生不同程度的变形、碰损，同时其表面还粘结着一些填充料，如果不经过机械加工就不能使用，因此必须对产品整形，加工成规定的几何形状。(2)炭素电极使用的需要
按照用户的使用要求进行加工。炭素电极在使用时要求连接起来，形成一个串接柱伸入冶炼炉内，所以一头必须车制成带螺纹的公头，另一端必须车制成带螺纹的母孔，然后将两根电极连接起来使用。
Claims (10)
1.一种炭素电极工艺配方，其特征在于，包括固体材料和液体材料，其中所述固体材料包括电煅无烟煤以及煅后焦，所述液体材料包括煤沥青，其特征在于，所述固体材料进一步包括石墨质原料。
2.如权利要求1所述的炭素电极工艺配方，其特征在于，在所述固体材料中，粒度小于0.15毫米的料的重量占所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于等于16毫米且小于32mm的料的重量占所述三种固体材料总重量的20％～40％。
3.如权利要求1所述的炭素电极工艺配方，其特征在于，在所述固体材料中，粒度小于0.15毫米的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于等于0.15毫米且小于4mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的0％～10％；粒度大于等于4毫米且小于8mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的10％～20％；粒度大于等于8毫米且小于16mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的10％～30％；粒度大于等于16毫米且小于等于32mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于32毫米的料的重量小于所述三种固体材料总重量的2％。
4.如权利要求1所述的炭素电极工艺配方，其特征在于，石墨质原料以碎屑粉料形态加入，且在所述石墨质原料中，粒度小于等于0.15毫米的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于等于0.15毫米且小于4毫米的料的重量为所述三种固体材料总重量的0％～10％。
5.如权利要求1所述的炭素电极工艺配方，其特征在于，所述石墨质原料的重量为所述三种固体材料总重量的20～50％；电煅无烟煤的重量为所述三种固体材料总重量的25～40％；以及煅后焦的重量为所述三种固体材料总重量的25～40％。
6.如权利要求1所述的炭素电极工艺配方，其特征在于，所述煤沥青的重量为所述石墨质原料、电煅无烟煤、煅后焦和煤沥青这四种材料的总重量的17％～19％。
7.一种制造炭素电极的方法，包括配料工序，其特征在于，所述配料工序将固体材料和液体材料混合在一起，其中所述固体材料包括石墨质原料、电煅无烟煤以及煅后焦，所述液体材料包括煤沥青，在所述固体材料中，粒度小于0.15毫米的料的重量不大于所述三种固体材料总重量的40％；粒度大于等于16毫米的料的重量大于所述三种固体材料总重量的20％。
8.如权利要求7所述的制造炭素电极的方法，其特征在于，在所述固体材料中，粒度小于0.15毫米的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于等于0.15毫米且小于4mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的0％～10％；粒度大于等于4毫米且小于8mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的10％～20％；粒度大于等于8毫米且小于16mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的10％～30％；粒度大于等于16毫米且小于等于32mm的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于32毫米的料的重量小于所述三种固体材料总重量的2％。
9.如权利要求7所述的制造炭素电极的方法，其特征在于：石墨质原料以碎屑粉料形态加入，且在所述石墨质原料中，粒度小于等于0.15毫米的料的重量为所述三种固体材料总重量的20％～40％；粒度大于等于0.15毫米且小于4毫米的料的重量小于所述三种固体材料总重量的10％。
10.如权利要求7所述的制造炭素电极的方法，其特征在于，所述石墨质原料的重量为所述三种固体材料总重量的20～50％；电煅无烟煤的重量为所述三种固体材料总重量的25～40％；以及煅后焦的重量为所述三种固体材料总重量的25～40％。
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