CN106376121B - 一种高石墨质炭电极及其制备方法 - Google Patents

一种高石墨质炭电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高石墨质炭电极，其包括如下组分：固体混合料和液体煤沥青；所述液体煤沥青占固体混合料与液体煤沥青总质量的19%~21%；所述固体混合料包括如下质量百分比的组分：石墨化石油焦30~50%、石墨化无烟煤30~50%和石墨碎20~40%。本发明还涉及制备上述炭电极的方法。本发明的炭电极不但可以减少高石墨质炭电极中石墨碎的用量，降低生产成本的问题，且可以降低高石墨质电极电阻率、热膨胀系数、提高电极整体强度而又不增加杂质元素。

Description

一种高石墨质炭电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种炭电极的制备方法，具体涉及一种高石墨质炭电极及其制备方法。
背景技术
高石墨质炭电极是矿热炉冶炼金属硅、黄磷、铁合金、电石所需重要的导电消耗材料，是矿热炉能否正常生产的核心部件。
目前，在矿热炉用高石墨质电极生产中采用普通煅烧石油焦（最高煅烧温度1150℃）和石墨碎为主要原料，为降低电极电阻率、提高导电导热性和抗热震性，石墨碎的加入量不断增加。由于市场上优质石墨碎供应吃紧，销售价格居高不下，造成电极生产成本增加。
申请公布号CN102101664A的发明专利公开了一种高强高石墨质炭电极及其制备方法，主要原料为：30~40重量份石墨碎、30~40重量份石油焦、15~25重量份电煅煤、15~30份沥青内添加0.2~1.0重量份氧化钇。将煅后的固体原料电煅煤、石油焦、石墨碎经振动筛筛分、电子配料系统配料后进入混捏锅同时加入经处理的氧化钇搅拌、干混后，加入煤沥青。由于氧化钇具有聚合作用和增强作用，使各种物料更加紧密的结合在一起，可以提高炭电极的密度，使得炭电极达到了高强度、低电阻率和较高的导热性能，解决了低电阻率和高强度不能共存的问题，适应了冶炼行业大型矿热冶炼炉的要求。然而，该专利中的石油焦（行业中一般认为是煅烧石油焦，其煅烧温度为1200℃）、电煅煤热处理温度低，电阻率、热膨胀系数偏高，
申请公布号CN103864048A的发明专利公开了一种采用半石墨化无烟煤制备大规格高功率炭电极的方法，半石墨化无烟煤为以太西低灰无烟煤为原料，经2300℃高温处理制得。电极固体配方中只采用半石墨化无烟煤和石墨碎，石墨碎磨成200目以下粉料。混合干料温度达到120～140℃时加入改质沥青，沥青使用温度170±10℃，糊料温度150～170℃。
发明内容
本发明的目的是提供一种不但可以减少高石墨质炭电极中石墨碎的用量，降低生产成本的问题，且可以降低高石墨质电极电阻率、热膨胀系数、提高电极整体强度而又不增加杂质元素的炭电极生产方法。
本发明采用的技术方案为：
一种高石墨质炭电极，其包括如下组分：固体混合料和液体煤沥青；所述液体煤沥青占固体混合料与液体煤沥青总质量的19%~21%；所述固体混合料包括如下质量百分比的组分：石墨化石油焦30~50%、石墨化无烟煤30~50%和石墨碎20~40%。
所述石墨化石油焦为经高温石墨化处理过（煅烧温度为2300℃）的低硫石油焦，具体指标要求：灰分≤0.5%、粉末电阻率≤160μΩm。
所述石墨化无烟煤为经高温石墨化处理过的精选无烟煤，具体指标要求：挥发分≤1.00%、灰分≤4.5%、硫含量≤0.15%、粉末电阻率380.0～430.0μΩm、固定碳≥94%、铁含量≤2000ppm。
所述石墨碎具体指标要求：灰分≤1.5%、粉末电阻率≤180μΩm。
一种制备上述高石墨质炭电极的方法，其包括如下步骤：
（1）破碎、筛分、磨粉：分别将石墨碎和石墨化无烟煤破碎、筛分，得到颗粒料；将石墨化石油焦磨粉，得到粒径1mm以下粉料，其中0.075mm以下颗粒制粉纯度不低于50%；
（2）配料：固体混合料的各原料按粒度以及比例精确配料；
（3）干混：将配合好的固体混合料输送到干料电加热箱中进行加热混合，干混时间20～40min，干混最终温度160～180℃；
（4）湿混：将经步骤（3）混合加热好的固体混合料输送至混捏锅内，加入液体煤沥青，液体煤沥青使用温度160~170℃，湿混时间30～50min，出锅糊料温度160~170℃；
（5）成型：将糊料送入凉料机冷却至130~140℃后入模成型，脱模后，生制品入水池冷却2～3h；
（6）焙烧：将生制品送入环式焙烧炉进行热处理，最高热处理温度不低于1050℃，在最高温度下保温时间为48~72h，出炉温度不高于300℃。焙烧曲线为：室温～220℃，预热；220～500℃，排出挥发分并形成半焦；500～700℃，焦化；700～1050℃，焦化后期性能完善；
（7）机加工：按产品规格进行后续加工。
制备方法中，经步骤（1）处理后，石墨碎的粒度为10～16mm 和16mm～30mm。
制备方法中，经步骤（1）处理后，石墨化石油焦粉料粒度为1mm以下。
制备方法中，经步骤（1）处理后，石墨化无烟煤的粒度为1～4mm和4～10mm。
制备方法中，步骤（2）中，配料时，小于1mm粉料量占固体混合料总质量的40～50%，且0.075mm以下粉料量不低于固体混合料总质量的20%；作为优选，0.075mm以下粉料量占固体混合料总质量的20~40%；1～4mm、4～10mm、10～16mm三种粒度占固体混合料总质量的30～60%，16mm～30mm大颗粒料占固体混合料总质量的10～20%。
制备方法中，步骤（5）中，采用抽真空振动成型，模具上下加压，成型后模具内通水冷却50~80min。
制备方法中，步骤（6）中，排出挥发分形成半焦阶段升温速率为0.75~1℃/h。
本发明的有益效果在于：本发明采用全石墨化固体原料生产高石墨质炭电极，精密控制各原料组分及其各粒度的比例关系，有效降低电极热膨胀系数，提高导电导热性，使整体抗热震性能得到提高。采用石墨化石油焦粉替代石墨粉，石墨碎只使用10mm以上大颗粒，降低石墨碎用量。1mm以下颗粒料用量适当增加，并提高0.075mm以下粉料量和制粉纯度，保障胶料性能。采用混合料高温预热技术，混合料预热温度160～180℃，有效降低煤沥青与骨料的润湿角，提高渗透性，保障电极整体强度。
附图说明
图1为本发明的生产工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高石墨质炭电极的方法，其包括如下步骤：
（1）破碎、筛分、磨粉：分别将石墨碎和石墨化无烟煤破碎、筛分，得到颗粒料，其中，石墨化无烟煤粒径为1～4mm和4～10mm，石墨碎粒径为10～16mm和16mm～30mm；将石墨化石油焦磨粉，得到粒径1mm以下粉料，其中0.075mm以下颗粒制粉纯度不低于50%；
（2）配料：石墨化石油焦30重量份、石墨化无烟煤30重量份和石墨碎40重量份；小于1mm粉料量占固体混合料总质量的40%，且0.075mm以下粉料量占固体混合料总质量的20%；1～4mm、4～10mm、10～16mm三种粒度占固体混合料总质量的30%，16mm～30mm大颗粒料占固体混合料总质量的10%；
（3）干混：将配合好的固体混合料输送到干料电加热箱中进行加热混合，干混时间20min，干混最终温度160℃；
（4）湿混：将经步骤（3）混合加热好的固体混合料输送至混捏锅内，加入液体煤沥青23重量份，液体煤沥青使用温度165℃，湿混时间30min，出锅糊料温度160℃；
（5）成型：将糊料送入凉料机冷却至130℃后入模成型，模具内通水冷却50min，脱模后，生制品入水池冷却2h；
（6）焙烧：将生制品送入环式焙烧炉进行热处理，最高热处理温度不低于1050℃，在最高温度下保温时间48h，出炉温度不高于300℃。焙烧曲线为：室温～220℃，预热；220～500℃，排出挥发分并形成半焦；500～700℃，焦化；700～1050℃，焦化后期性能完善；各段升温时间及升温速度参照大规格炭电极焙烧曲线，其中，排出挥发分形成半焦阶段升温速率为0.75 ℃/h；
（7）机加工：按产品规格进行后续加工。
实施例2
（1）破碎、筛分、磨粉：分别将石墨碎和石墨化无烟煤破碎、筛分，得到颗粒料，其中，石墨化无烟煤粒径为1～4mm和4～10mm，石墨碎粒径为10～16mm和16mm～30mm；将石墨化石油焦磨粉，得到粒径1mm以下粉料，其中0.075mm以下颗粒制粉纯度不低于50%；
（2）配料：石墨化石油焦50重量份、石墨化无烟煤30重量份和石墨碎20重量份；小于1mm粉料量占固体混合料总质量的50%，且0.075mm以下粉料量占固体混合料总质量的40%；1～4mm、4～10mm、10～16mm三种粒度占固体混合料总质量的30%，16mm～30mm大颗粒料占固体混合料总质量的20%；
（3）干混：将配合好的固体混合料输送到干料电加热箱中进行加热混合，干混时间40min，干混最终温度180℃；
（4）湿混：将经步骤（3）混合加热好的固体混合料输送至混捏锅内，加入液体煤沥青24重量份，液体煤沥青使用温度170℃，湿混时间50min，出锅糊料温度170℃；
（5） 成型：将糊料送入凉料机冷却至140℃后入模成型，模具内通水冷却60min，脱模后，生制品入水池冷却3h；
（6）焙烧：将生制品送入环式焙烧炉进行热处理，最高热处理温度不低于1050℃，在最高温度下保温时间60h，出炉温度不高于300℃。焙烧曲线为：室温～220℃，预热；220～500℃，排出挥发分并形成半焦；500～700℃，焦化；700～1050℃，焦化后期性能完善；各段升温时间及升温速度参照大规格炭电极焙烧曲线，其中，排出挥发分形成半焦阶段升温速率为0.8 ℃/h；
（7）机加工：按产品规格进行后续加工。
实施例3
（1）破碎、筛分、磨粉：分别将石墨碎和石墨化无烟煤破碎、筛分，得到颗粒料，其中，石墨化无烟煤粒径为1～4mm和4～10mm，石墨碎粒径为10～16mm和16mm～30mm；将石墨化石油焦磨粉，得到粒径1mm以下粉料，其中0.075mm以下颗粒制粉纯度不低于50%；
（2）配料：石墨化石油焦30重量份、石墨化无烟煤50重量份和石墨碎20重量份；小于1mm粉料量占固体混合料总质量的40%，且0.075mm以下粉料量占固体混合料总质量的30%；1～4mm、4～10mm、10～16mm三种粒度占固体混合料总质量的55%，16mm～30mm大颗粒料占固体混合料总质量的15%；
（3）干混：将配合好的固体混合料输送到干料电加热箱中进行加热混合，干混时间30min，干混最终温度170℃；
（4）湿混：将经步骤（3）混合加热好的固体混合料输送至混捏锅内，加入液体煤沥青25重量份，液体煤沥青使用温度165℃，湿混时间40min，出锅糊料温度165℃；
（5）成型：将糊料送入凉料机冷却至135℃后入模成型，模具内通水冷却70min，脱模后，生制品入水池冷却2.5h；
（6）焙烧：将生制品送入环式焙烧炉进行热处理，最高热处理温度不低于1050℃，在最高温度下保温时间不低于72h，出炉温度不高于300℃。焙烧曲线为：室温～220℃，预热；220～500℃，排出挥发分并形成半焦；500～700℃，焦化；700～1050℃，焦化后期性能完善；各段升温时间及升温速度参照大规格炭电极焙烧曲线，其中，排出挥发分形成半焦阶段升温速率为0.9℃/h；
（7）机加工：按产品规格进行后续加工。
实施例4
（1）破碎、筛分、磨粉：分别将石墨碎和石墨化无烟煤破碎、筛分，得到颗粒料，其中，石墨化无烟煤粒径为1～4mm和4～10mm，石墨碎粒径为10～16mm和16mm～30mm；将石墨化石油焦磨粉，得到粒径1mm以下粉料，其中0.075mm以下颗粒制粉纯度不低于50%；
（2）配料：石墨化石油焦25重量份、石墨化无烟煤40重量份和石墨碎35重量份；小于1mm粉料量占固体混合料总质量的40%，且0.075mm以下粉料量占固体混合料总质量的30%；1～4mm、4～10mm、10～16mm三种粒度占固体混合料总质量的50%，16mm～30mm大颗粒料占固体混合料总质量的10%；
（3）干混：将配合好的固体混合料输送到干料电加热箱中进行加热混合，干混时间30min，干混最终温度170℃；
（4）湿混：将经步骤（3）混合加热好的固体混合料输送至混捏锅内，加入液体煤沥青26重量份，液体煤沥青使用温度170℃，湿混时间40min，出锅糊料温度170℃；
（5）成型：将糊料送入凉料机冷却至135℃后入模成型，模具内通水冷却80min，脱模后，生制品入水池冷却2.5h；
（6）焙烧：将生制品送入环式焙烧炉进行热处理，最高热处理温度不低于1050℃，在最高温度下保温时间不低于60h，出炉温度不高于300℃。焙烧曲线为：室温～220℃，预热；220～500℃，排出挥发分并形成半焦；500～700℃，焦化；700～1050℃，焦化后期性能完善；各段升温时间及升温速度参照大规格炭电极焙烧曲线，其中，排出挥发分形成半焦阶段升温速率为0.9℃/h；
（7）机加工：按产品规格进行后续加工。
对比例1
（1）破碎、筛分、磨粉：分别将石墨碎、半石墨化无烟煤以及煅烧石油焦进行破碎、筛分，得到颗粒料，其中，半石墨化无烟煤为1～4mm、4～10mm和10～16mm三级粒度料，石墨碎粒径为200目以下，煅烧石油焦为1～4mm和4～10mm二级粒度料；
（2）配料：煅烧石油焦25重量份、半石墨化无烟煤40重量份和石墨碎35重量份；
（3）干混：将配合好的固体混合料输送到干料电加热箱中进行加热混合，干混时间45~60min，干混最终温度120~140℃；
（4）湿混：将经步骤（3）混合加热好的固体混合料输送至混捏锅内，加入液体煤沥青20重量份，液体煤沥青使用温度160~180℃，湿混时间40min，出锅糊料温度150~170℃；
（5）成型：将糊料送入凉料机冷却至125~145℃后入模成型，脱模后，生制品入水池冷却至30℃以下；
（6）焙烧：将生制品送入环式焙烧炉进行热处理，最高热处理温度不低于1050℃，在最高温度下保温时间不低于48h，出炉温度不高于300℃。焙烧曲线为：室温～220℃，预热；220～500℃，排出挥发分并形成半焦；500～700℃，焦化；700～1050℃，焦化后期性能完善；排出挥发分形成半焦阶段升温速率为1~2℃/h；
（7）机加工：按产品规格进行后续加工。
效果例
实施例1~4以及对比例1所得产品指标见表1。
表1 大规格高功率炭电极检测指标。
项目 行业标准（2010）（＞Φ1000G级） 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例1
体积密度（g/cmm<sup>3</sup>） ≮1.58 1.632 1.650 1.644 1.648 1.623
电阻率（μΩm） ≯27.0 23.4 21.0 22.5 22.3 28.4
抗折强度（MPa） ≮3.5 7.6 9.1 8.2 8.6 6.4
抗压强度（MPa） —— 32.4 35.2 33.7 34.8 28.8
灰分（%） ≯3.5 1.10 1.15 1.11 1.18 1.64
弹性模量（Gpa） ≯11 8.9 9.0 8.9 9.0 8.8
显气孔率（%） —— —— —— —— —— ——
热膨胀系数（10<sup>-6</sup>/℃） ≯4.6 3.82 3.63 3.71 3.68 4.24
由表1中的数据可知，选择经石墨化处理的石油焦和无烟煤可降低高石墨质炭电极的电阻率和热膨胀系数。干料预热温度提高至160~180℃时，可改善煤沥青对固体原料的渗透性，提高电极强度。无烟煤经高温石墨化会发生碎解，因此在固体配料中不宜使用10mm以上的颗粒料，同时由于电极使用过程中冶炼功率不断提高，对电极导电导热性和电极抗热震性提出更高要求，石墨碎应以大颗粒加入，可提高电极整体性能。此外，本发明中未使用添加剂，有利于降低电极自身灰分，提高冶炼品质。
根据上述的实施例对本发明作了详细描述。需说明的是，以上的实施例仅为了举例说明发明而已。在不偏离本发明的精神和实质的前提下，本领域技术人员可以设计出本发明的多种替换方案和改进方案，其均应被理解为在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高石墨质炭电极，其特征在于，其包括如下组分：固体混合料和液体煤沥青；所述液体煤沥青占固体混合料与液体煤沥青总质量的19%~21%；所述固体混合料包括如下质量百分比的组分：石墨化石油焦30~50%、石墨化无烟煤30~50%和石墨碎20~40%；
所述石墨化石油焦为经煅烧温度为2300℃高温石墨化处理过的低硫石油焦，具体指标要求：灰分≤0.5%、粉末电阻率≤160μΩm；
所述石墨化无烟煤为经高温石墨化处理过的无烟煤，具体指标要求：挥发分≤1.00%、灰分≤4.5%、硫含量≤0.15%、粉末电阻率380.0～430.0μΩm、固定碳≥94%、铁含量≤2000ppm；
所述石墨碎具体指标要求：灰分≤1.5%、粉末电阻率≤180μΩm；
上述高石墨质炭电极的制备方法包括如下步骤：
（1）破碎、筛分、磨粉：分别将石墨碎和石墨化无烟煤破碎、筛分，得到颗粒料；将石墨化石油焦磨粉，得到粒径1mm以下粉料，其中0.075mm以下颗粒制粉纯度不低于50%；石墨碎的粒度为10～16mm 和16mm～30mm；
（2）配料：固体混合料的各原料按粒度以及比例精确配料；
（3）干混：将配合好的固体混合料输送到干料电加热箱中进行加热混合，干混时间20～40min，干混最终温度160～180℃；
（4）湿混：将经步骤（3）混合加热好的固体混合料输送至混捏锅内，加入液体煤沥青，液体煤沥青使用温度160~170℃，湿混时间30～50min，出锅糊料温度160~170℃；
（5）成型：将糊料送入凉料机冷却至130~140℃后入模成型，脱模后，生制品入水池冷却2～3h；
（6）焙烧：将生制品送入环式焙烧炉进行热处理，最高热处理温度不低于1050℃，在最高温度下保温时间为48~72h，出炉温度不高于300℃；焙烧曲线为：室温～220℃，预热；220～500℃，排出挥发分并形成半焦；500～700℃，焦化；700～1050℃，焦化后期性能完善；排出挥发分形成半焦阶段升温速率为0.75~0.9 ℃/h；
（7）机加工：按产品规格进行后续加工。
2.一种制备如权利要求1所述的高石墨质炭电极的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
（1）破碎、筛分、磨粉：分别将石墨碎和石墨化无烟煤破碎、筛分，得到颗粒料；将石墨化石油焦磨粉，得到粒径1mm以下粉料，其中0.075mm以下颗粒制粉纯度不低于50%；
（2）配料：固体混合料的各原料按粒度以及比例精确配料；
（3）干混：将配合好的固体混合料输送到干料电加热箱中进行加热混合，干混时间20～40min，干混最终温度160～180℃；
（4）湿混：将经步骤（3）混合加热好的固体混合料输送至混捏锅内，加入液体煤沥青，液体煤沥青使用温度160~170℃，湿混时间30～50min，出锅糊料温度160~170℃；
（5）成型：将糊料送入凉料机冷却至130~140℃后入模成型，脱模后，生制品入水池冷却2～3h；
（6）焙烧：将生制品送入环式焙烧炉进行热处理，最高热处理温度不低于1050℃，在最高温度下保温时间为48~72h，出炉温度不高于300℃；焙烧曲线为：室温～220℃，预热；220～500℃，排出挥发分并形成半焦；500～700℃，焦化；700～1050℃，焦化后期性能完善；
（7）机加工：按产品规格进行后续加工。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，经步骤（1）处理后，石墨碎的粒度为10～16mm 和16mm～30mm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，经步骤（1）处理后，石墨化无烟煤的粒度为1～4mm和4～10mm。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，配料时，小于1mm粉料量占固体混合料总质量的40～50%，且0.075mm以下粉料量不低于固体混合料总质量的20%；1～4mm、4～10mm、10～16mm三种粒度占固体混合料总质量的30～60%，16mm～30mm大颗粒料占固体混合料总质量的10～20%。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，采用抽真空振动成型，模具上下加压，成型后模具内通水冷却50~80min。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，排出挥发分形成半焦阶段升温速率为0.75~0.9 ℃/h。
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