CN105177628A - 一种改质炭素阳极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改质炭素阳极；属于铝电解槽阳极开发技术领域。本发明所设计的改质炭素阳极包括由普通炭颗粒与半石墨质炭颗粒的混合料构成的改质炭块3，所述改质炭块3的石墨化程度为30-40％。其生产方法是，将半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒与一定的比例粘接剂混合均匀，然后倒入振动机组中，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

一种改质炭素阳极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种改质炭素阳极及其制备方法；属于铝电解槽阳极开发技术领域。

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，提供一种改质炭素阳极及其制备方法。

本发明一种改质炭素阳极包括：由普通炭颗粒与半石墨质炭颗粒的混合料构成的改质炭块(3)，所述改质炭块(3)的石墨化程度为30-40％。

本发明一种改质炭素阳极包括：铝导杆(1)、阳极钢爪(2)、改质炭块(3)、；所述阳极钢爪(2)的顶部与铝导杆(1)相连，阳极钢爪(2)的底部与铝导杆改质炭块(3)的顶部相连。

本发明一种改质炭素阳极的制备方法，半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒为原料，将半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒与粘接剂混合均匀，然后加入振动机中，振动后的，得到所述炭素阳极；所述所述粘接剂与原料的质量比为1-1.5:4-4.5。

本发明一种改质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。

本发明一种改质炭素阳极的制备方法，振动的频率为50-55Hz。

本发明一种改质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。

本发明一种改质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

本发明一种改质炭素阳极的制备方法，将现有阳极进行改质化处理，改质阳极有半石墨质碳颗粒及普通碳颗粒等构成，改质阳极炭块由下至上，导电性、导热性提高，且性质均匀稳定，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：

附图1为实施例1快速生产改质炭素阳极生产的工艺图。

附图2为本发明的改质炭素阳极结构示意图。

从图1中可以看出本发明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为改质炭块。

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：

其具体操作包括改质阳极原料半石墨质炭块料的单独加工，然后将半石墨质炭块料与普通炭块料经过破碎筛分至合适粒度，按比例加入粘结剂，混合均匀后加入到振动机组中，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、筛分。

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。

将上述制得的半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒、粘接剂按设计的量(加入振动机中，振动后(其频率为50Hz)，得到所述炭素阳极；所述所述粘接剂与原料(由半石墨质炭颗粒和普通炭颗粒组成)的质量比为4:16。得到石墨化程度为30％-35％的改质炭块。

本实施例中，半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒所占的重量比为1-1.5:1-1.2。

改质炭块和铝导杆、阳极钢爪组装后得到改质炭素阳极，并将改质炭素阳极用于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15-17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，可见本例的改质碳素阳极炭块的导电性、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(YST285-2007)

表2阳极炭块性能对比

Claims (7)

1.一种改质炭素阳极，包括铝导杆(1)、阳极钢爪(2)；其特征在于：还包括改质炭块(3)；所述阳极钢爪(2)的顶部与铝导杆(1)相连，阳极钢爪(2)的底部与铝导杆改质炭块(3)的顶部相连；所述改质炭块(3)是石墨化程度为30-40％的炭块。

2.根据权利要求1所述的一种改质炭素阳极，其特征在于：所述改质炭块(3)是由普通炭颗粒和半石墨质炭颗粒按质量比；普通炭颗粒：半石墨质炭颗粒＝1-1.5:1-1.2。

3.一种制备如权利要求1-2任意一项所述改质炭素阳极的方法，其特征在于：以半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒为原料，将半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒与粘接剂混合均匀后加入振动机中，振动后的，得到所述炭素阳极；其中粘接剂加入量与原料的质量比＝1-1.5:4-4.5。

4.根据权利要求3所述的一种改质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。

5.根据权利要求4所述的一种改质炭素阳极的制备方法，其特征在于：其中半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒的粒径小于12mm。

6.根据权利要求5所述的一种改质炭素阳极的制备方法，其特征在于：振动的频率为50-55Hz。

7.根据权利要求6所述的一种改质炭素阳极的制备方法，其特征在于：

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。