CN101949034B - 铝电解用阴极石墨化阻流块 - Google Patents

铝电解用阴极石墨化阻流块 Download PDF

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一种铝电解用石墨化阴极阻流块及其制造方法，制成该铝电解用石墨化阴极的阻流块的原料及其质量配比包括40～85份的煅后石油焦、1～40份的电煅无烟煤、15～25份的煤沥青、1～8份的TiB2合金添加剂和1～15份的SiC添加剂；制备所述的铝电解用石墨化阴极阻流块的工艺步骤：破碎-筛分-配料-混捏-焙烧-高压浸渍-低温石墨化-机械加工。本发明采用细颗粒配方并引入电煅无烟煤、SiC添加剂提高制品体积密度、强度及抗磨损性能；添加了TiB2合金添加剂，在电学性能方面实现了更低的电阻率使阴极压降减小，达到更好的节能降耗的目的；采用了低温石墨化技术，实现各性能指标的优化并降低制品内部结构缺陷。

Description

铝电解用阴极石墨化阻流块
技术领域
本发明属于铝电解技术领域，特别涉及一种用熔盐电解法制取金属铝的铝电解异型阴极的阻流块。
背景技术
铝是以氧化铝熔盐电解法制造的，其基本原理：熔融的Al2O3在阳极/阴极间直流的作用下发生电化学反应使Al/O分离，Al3+不断地在阴极获得电子形成Al液滴并聚积成大量铝液，而O2-不断地在阳极失去电子并与C反应生成大量CO2，其化学反应方程式为2Al2O3+3C＝4Al+3CO2，该反应过程中需要消耗大量电能。铝电解直流电耗遵循如下公式：直流电耗＝2980×U/μ(U表示槽电压，因“极距”变化而变化、μ表示电流效应，为常数，一般取0.93-0.95)。实践表明，阳极与铝液面之间的距离(简称“极距”)对电解铝电耗的影响极大，在使用现有平面型普通阴极的情况下，熔盐电解法生产金属铝的直流电耗在13300～13800kWh/tAl之间。为降低铝电解的电耗，传统的做法是用与主体块同样材质的原料制作阻流块来降低极距，阻流块也通常与主体块制作成一体，因此这种铝电解阴极的寿命等性能都都有较大的局限性。正如我们检索到的国内外公开文献：
1.中国专利，名称：一种硬质石墨化阴极炭块的组分及其制造方法，申请(专利)号：200910210043.1，申请日：2009.11.04，申请(专利权)人：洛阳新安电力集团万基石墨制品有限公司，摘要：一种铝电解槽用硬质石墨化阴极炭块的组分及其制造方法：一种石墨化阴极炭块制造工艺，所述组分原料配比，其中粘结剂15-17％；电煅石油焦83-85％；制造方法包含如下工艺步骤：粉碎-筛分-配料-混捏-凉料-振动成型-焙烧-石墨化-机械加工；本发明由于炭块强度大，使炭块磨损率降低，有利于延长电解槽的寿命；并且具备了较好的变形能力降低了炭块断裂敏感性；在电学性能方面实现了更低的电阻率使阴极压降减小，达到了更好的节能降耗目的。
2.中国专利，名称：铝电解槽用耐磨蚀石墨化阴极炭块及其制造方法，申请(专利)号：200910167718.9申请日：2009.9.23，申请(专利权)人：四川广汉士达炭素股份有限公司，摘要：该发明公开了一种铝电解槽用耐磨蚀石墨化阴极炭块及其制造方法，涉及冶金工程材料非金属材料领域。该发明采用了硫含量达1～3％的高硫石油焦作为生产石墨化阴极炭块的原料之一，原料配比：硫含量1～3％高硫石油焦80～85％，改质煤沥青15～20％；工序中运用二次高温煅烧技术，有效的除去了高硫石油焦中的硫分；采用大型振动成型与内串石墨化技术，替代了现有技术中的浸渍、二次焙烧工序；制品的石墨化时间减少50％以上，降低了能耗与成本。有效利用了原本只能用作燃料或烧结助剂的劣质原料高硫石油焦。所制造的耐磨蚀石墨化阴极炭块强度高，气孔率低，耐铝液冲刷磨蚀性能好，提高了电解槽寿命，适合用做大型电解槽的阴极内衬，尤其适合在400kA以上电解槽上使用。
3.中国专利，名称：一种铝电解槽用石墨化阴极炭块，申请(专利)号：200810068782.7申请日：2008.6.19，申请(专利权)人：中国铝业股份有限公司，摘要：该发明公开了一种铝电解槽用石墨化阴极炭块，它由煅后焦和调制沥青组成，其中，煅后焦占石墨化阴极炭块总重量的81～83％，调制沥青占17～19％。调制沥青由改质沥青和焦油组成，改质沥青占调制沥青总重量的78～82％，焦油占18～22％。煅后焦的粒度小于4.5mm，其中，颗粒状的粒度4.5mm～3mm的占15.5±2％，3mm～1mm的占15±2％，小于1mm的占21±2％；粉料占48.5±2％。煅后焦粉料粒度为-200目占50±3％。该发明与现有技术相比，具有明显降低阴极炭块的电阻率、提高阴极糊料的导电率以及提高阴极炭块的抗钠侵蚀性，使石墨化阴极炭块产品的品质得到较大提高，改善了铝电解厂房周边环境、降低槽电压，并延长铝电解槽寿命，减少能耗及生产成本等优点。
4.中国专利，名称：石墨化阴极生产工艺，申请(专利)号：200410040135.7申请日：2004.7.2，申请(专利权)人：贵阳铝美设计研究院，摘要：该发明公开了一种石墨化阴极生产工艺，它是选用延迟石油焦、沥青焦混合，经煅烧后，破碎筛分，混合后加入硬质沥青粘结剂，经过混捏，加工成电解槽所需阴极的炭块毛坯形状，经熔烧将粘结剂沥青碳化，制得石墨化阴极炭块。该发明具有机械、电学、热学性能俱佳，且制造成本低等优点。特别适合大型电解槽使用。
上述发明综合起来存在如下缺陷：
a)配方中未采用增强、增密材料，故致密性较差、强度较低。
b)配方中粒度组成较粗(最大颗粒达4m)，故强度较低、均质性较差、抗磨损、抗冲刷能力较差。
c)没有引入合金类添加剂，在电学性能方面减小阴极压降有限，节能降耗也有限。
d)石墨化温度都在2100℃以上，未能实现各性能指标的优化和降低制品内部结构缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种操作简单、高密、高强、高寿命的石墨化阴极阻流块。
本发明是这样实现的：
一种铝电解用石墨化阴极阻流块，制成该铝电解用石墨化阴极的阻流块包括下述重量份数的原料：
TiB2添加剂    1～8份；
煅后石油焦    40～85份；
电煅无烟煤    1～40份；
煤沥青        15～25份；
SiC添加剂     1～15份。
以上所述的铝电解用石墨化阴极阻流块，所用煅后石油焦粒度为0～2mm，电煅无烟煤粒度为0～2mm。
以上所述的TiB2(硼化钛)添加剂和SiC(碳化硅)添加剂均选自粒度小于等于40u的工业纯，对本领域技术人员来说，这两种添加剂都能在市场上轻易购买到。
原料中的煅后石油焦是利用石油焦低灰分、易石墨化的性能，来降低产品的灰分、提高产品的导电性能。
原料中的电煅无烟煤是利用电煅无烟煤的低电阻率、高致密性以提高产品的抗冲刷、密度、强度。
原料中的煤沥青是用作作粘剂，对各种物料起粘作用，在产品内部形成牢固的炭粘结网格。
原料中的SiC(碳化硅)添加剂用作增强体，在产品内部孔隙起扎钉效应，提高产品密度、强度。
原料中的TiB2(硼化钛)添加剂是利用TiB2对熔融铝液的湿润性能可平稳铝水波动，同时在电学性能方面实现了更低的电阻率使阴极压降减小，降低极距，节约电耗。
制备所述的铝电解用石墨化阴极阻流块的方法包括如下步骤：
(1)对电煅无烟煤和电煅石油焦进行破碎；
(2)对粉碎后的电煅无烟煤和电煅石油焦按粒度要求进行筛分；
(3)配料：按其原料配比，将电煅无烟煤、煅后石油焦、Pt硼钛合金添加剂和SiC添加剂放入混捏锅；
(4)混捏：干混的时间为20～40分钟，温度为40℃～165℃；湿混的时间为35～50分钟，温度为150℃～170℃；
(5)成型：对混捏好的原料装入模具成型；
(6)焙烧：对成型好的半成品进行初次焙烧后，用融化的煤沥青进行高压浸渍，然后再进行低温二次焙烧，温度700℃～850℃；
(7)低温石墨化：温度1800℃～2000℃；
(8)机械加工：按照成品尺寸要求进行机械加工即可得到铝电解用石墨化阴极阻流块。
以上所述的高压浸渍的真空度不低于-0.092MPa、压力不低1.5MPa。
本发明具有如下优越性：
a)采用最大粒度为不大于2mm的细颗粒配方，提高制品的强度、密度、均质性以及耐腐蚀、耐冲刷性能；
b)通过引入增强、增密材料(电煅无烟煤、SiC添加剂)，进一步提高产品的机械性能；
c)添加了TiB2合金添加剂，利用TiB2对熔融铝液的湿润性能可平稳铝水波动，同时在电学性能方面实现了更低的电阻率使阴极压降减小，达到更好的节能降耗的目的；
d)采用高压浸渍二次焙烧密实化技术进一步提高产品的密度和强度；
e)采用低温石墨化技术以实现产品的电学、热学、力学性能优化，实现各性能指标的优化并降低制品内部结构缺陷。
f)实现节能1000kWh以上的效果可持续达2200天以上。
本发明与现有技术相比具有如下优越的理化性能指标：
附图说明：
图1为本发明的铝电解用石墨化阴极阻流块生产工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
按质量配比取1份的电煅无烟煤和40份的电煅石油焦进行破碎；对粉碎后的电煅无烟煤和电煅石油焦按粒度要求进行筛分，得到粒度为0mm的颗粒；将筛分好符合要求的电煅无烟煤、煅后石油焦与1份的40u的工业纯TiB2添加剂、1份的40u的工业纯SiC添加剂放入混捏锅进行配料；取15份融化好的的煤沥青与前述配好的原料进行干混混捏，混捏时间为20分钟，温度为40℃；对混捏好的原料装入模具成型；对成型好的半成品进行初次焙烧后，用融化的煤沥青进行高压浸渍，然后再进行低温二次焙烧，温度700℃，高压浸渍的真空度不低于-0.092MPa、压力不低1.5MPa；对经过二次焙烧的半成品进行低温石墨化，温度为1800℃；对经过石墨化的粗成品降温后按照成品尺寸要求进行机械加工即可得到铝电解用石墨化阴极阻流块。
实施例2
按质量配比取20份的电煅无烟煤和606份的电煅石油焦进行破碎；对粉碎后的电煅无烟煤和电煅石油焦按粒度要求进行筛分，得到粒度为1mm的颗粒；将筛分好符合要求的电煅无烟煤、煅后石油焦与4份的30u的工业纯TiB2添加剂、7份的30u的工业纯SiC添加剂放入混捏锅进行配料；取20份融化好的的煤沥青与前述配好的原料进行干混混捏，混捏时间为30分钟，温度为100℃；对混捏好的原料装入模具成型；对成型好的半成品进行初次焙烧后，用融化的煤沥青进行高压浸渍，然后再进行低温二次焙烧，温度800℃，高压浸渍的真空度不低于-0.092MPa、压力不低1.5MPa；对经过二次焙烧的半成品低温石墨化，温度为1900℃；对经过石墨化的粗成品降温后按照成品尺寸要求进行机械加工即可得到铝电解用石墨化阴极阻流块。
实施例3
按质量配比取40份的电煅无烟煤和85份的电煅石油焦进行破碎；对粉碎后的电煅无烟煤和电煅石油焦按粒度要求进行筛分，得到粒度为2mm的颗粒；将筛分好符合要求的电煅无烟煤、煅后石油焦与8份的20u的工业纯TiB2添加剂、15份的20u的工业纯SiC添加剂放入混捏锅进行配料；取25份融化好的的煤沥青与前述配好的原料进行干混混捏，混捏时间为40分钟，温度为165℃；对混捏好的原料装入模具成型；对成型好的半成品进行初次焙烧后，用融化的煤沥青进行高压浸渍，然后再进行低温二次焙烧，温度850℃，高压浸渍的真空度不低于-0.092MPa、压力不低1.5MPa；对经过二次焙烧的半成品低温石墨化，温度为2000℃；对经过石墨化的粗成品降温后按照成品尺寸要求进行机械加工即可得到铝电解用石墨化阴极阻流块。
实施例4
按质量配比取10份的电煅无烟煤和50份的电煅石油焦进行破碎；对粉碎后的电煅无烟煤和电煅石油焦按粒度要求进行筛分，得到粒度为0.5mm的颗粒；将筛分好符合要求的电煅无烟煤、煅后石油焦与3份的10u的工业纯TiB2添加剂、4份的10u的工业纯SiC添加剂放入混捏锅进行配料；取18份融化好的的煤沥青与前述配好的原料进行湿混混捏，混捏时间为35分钟，温度为150℃；对混捏好的原料装入模具成型；对成型好的半成品进行初次焙烧后，用融化的煤沥青进行高压浸渍，然后再进行低温二次焙烧，温度780℃，高压浸渍的真空度不低于-0.092MPa、压力不低1.5MPa；对经过二次焙烧的半成品低温石墨化，温度为1850℃；对经过石墨化的粗成品降温后按照成品尺寸要求进行机械加工即可得到铝电解用石墨化阴极阻流块。
实施例5
按质量配比取35份的电煅无烟煤和75份的电煅石油焦进行破碎；对粉碎后的电煅无烟煤和电煅石油焦按粒度要求进行筛分，得到粒度为1.8mm的颗粒；将筛分好符合要求的电煅无烟煤、煅后石油焦与6份的25u的工业纯TiB2添加剂、12份的25u的工业纯SiC添加剂放入混捏锅进行配料；取22份融化好的的煤沥青与前述配好的原料进行湿混混捏，混捏时间为40分钟，温度为160℃；对混捏好的原料装入模具成型；对成型好的半成品进行初次焙烧后，用融化的煤沥青进行高压浸渍，然后再进行低温二次焙烧，温度840℃，高压浸渍的真空度不低于-0.092MPa、压力不低1.5MPa；对经过二次焙烧的半成品低温石墨化，温度为1820℃；对经过石墨化的粗成品降温后按照成品尺寸要求进行机械加工即可得到铝电解用石墨化阴极阻流块。
实施例6
按质量配比取30份的电煅无烟煤和70份的电煅石油焦进行破碎；对粉碎后的电煅无烟煤和电煅石油焦按粒度要求进行筛分，得到粒度为1.5mm的颗粒；将筛分好符合要求的电煅无烟煤、煅后石油焦与5份的35u的工业纯TiB2添加剂、10份的35u的工业纯SiC添加剂放入混捏锅进行配料；取22份融化好的的煤沥青与前述配好的原料进行湿混混捏，混捏时间为50分钟，温度为170℃；对混捏好的原料装入模具成型；对成型好的半成品进行初次焙烧后，用融化的煤沥青进行高压浸渍，然后再进行低温二次焙烧，温度820℃，高压浸渍的真空度不低于-0.092MPa、压力不低1.5MPa；对经过二次焙烧的半成品低温石墨化，温度为1950℃；对经过石墨化的粗成品降温后按照成品尺寸要求进行机械加工即可得到铝电解用石墨化阴极阻流块。

Claims (1)

1.一种铝电解用石墨化阴极阻流块，其特征在于，制成该铝电解用石墨化阴极的阻流块包括下述重量份数的原料：
TiB2添加剂                     1 ~ 8 份；
煅后石油焦                     40～85份；
电煅无烟煤                     1～40份；
煤 沥 青                       15～25份；
SiC添加剂                      1～15 份；
所述的煅后石油焦和电煅无烟煤粒度均为0～2mm；
所述的TiB2添加剂和SiC添加剂均选自粒度小于或等于40u的工业纯；
制备所述的铝电解用石墨化阴极阻流块的方法，该方法包括如下步骤：
（1）对电煅无烟煤和电煅石油焦进行破碎；
（2）对粉碎后的电煅无烟煤和电煅石油焦按粒度要求进行筛分出粒度均为0～2mm的颗粒；
（3）配料：按其原料重量配比，将1～40份的电煅无烟煤、40～85份的煅后石油焦、1 ~ 8 份的TiB2添加剂和1～15 份的SiC添加剂放入混捏锅；
所述的煅后石油焦和电煅无烟煤粒度均为0～2mm；
所述的TiB2添加剂和SiC添加剂均选自粒度小于或等于40u的工业纯；
（4）混捏：干混的时间为20~40分钟，温度为40℃~165℃；湿混的时间为35~50分钟，温度为150℃~170℃；
（5）成型：对混捏好的原料装入模具成型；
（6）焙烧：对成型好的半成品进行初次焙烧后，用15～25份融化的煤沥青进行高压浸渍，然后再进行低温二次焙烧，温度700℃~850℃；所述的高压为真空度不低于-0.092MPa、压力不低于1.5MPa；
（7）低温石墨化：温度1800℃~2000℃；
（8）机械加工：按照成品尺寸要求进行机械加工即可得到铝电解用石墨化阴极阻流块。
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