CN115386916A - 一种电解铝用炭阳极焙烧工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解铝用炭阳极焙烧工艺，包括下述步骤：将煅后焦和煤沥青按合适比例配料后置于混捏机进行混捏制得糊料，利用振动成型机将糊料压块成型制得生坯，将生坯置于微波炉膛内，利用填充料填满炉膛空隙后进行两段微波变频焙烧，待焙烧制品冷却至50℃取出样品冷却至室温，清除制品表面填充料后得到电解铝用炭阳极。本发明利用微波加热代替传统加热方式，降低了焙烧温度并缩短了焙烧时间，节省了传统工艺中所需消耗的不可再生资源，降低了生产成本。本发所制备的铝用炭阳极各方面性质都优于市售铝用炭阳极。
Description
技术领域
本发明涉及炭素产品制备和铝电解生产技术领域，尤其涉及一种电解铝用炭阳极焙烧工艺，具体地说是一种利用微波焙烧，制备电解铝用炭阳极的工艺。
背景技术
炭阳极是铝电解槽的重要组成部分，炭阳极的质量直接影响铝行业的正常生产及各项生产技术指标。炭阳极是以炭素骨料(煅后焦及残极)和粘结剂(煤沥青)为原 料，经混捏、成型、与焙烧等工序制得。炭阳极的焙烧是指将压型后的炭块(生坯) 在隔离空气的条件下，按一定的升温速度进行热处理，使煤沥青转变为焦炭。焙烧是 影响炭阳极物理化学性能的一道关键热处理工序，焙烧过程中，煤沥青进行分解、环 化、芳构化和缩聚等反应，制品的体积密度、真密度、气孔率、机械强度和导电性等 物理性质也发生变化。目前炭阳极生产中，由于设备到生坯的传热过程和煤沥青的结 焦反应，焙烧工序需要设置复杂的升温过程，最高焙烧温度在1200℃左右，焙烧周 期在20h以上，而且普遍存在由于受热不均匀造成的产品裂纹、弯曲和变形等问题。 传统焙烧工艺需要消耗大量不可再生能源，加热方法为热辐射或热传导，其热量利用 效率仅在20％左右，而且受热不均会引起焙烧废品率的增加。在炭素生产中亟待开发 一种高效清洁的电解铝用炭阳极焙烧工艺。
微波是指频率在300MHz-300GHz之间的电磁波。微波有着波长短、频率高和穿 透性强等特点。微波加热的主要原理为利用极性分子在电磁场中的转动，将微波能量 转换并产生热量。当微波作用于介质时能深入介质内部，从而使得微波对物料的加热 在内部和外部同时进行，这正是微波加热相较于传统加热方式的重大优势。目前微波 加热技术在食品干燥、矿物冶金、能源化工及材料制备等方面都得到了不同程度的应 用。利用微波加热技术开辟炭阳极焙烧的新工艺，可以打破目前炭阳极焙烧工序耗能 大、成本高的困境。
为了解决本领域普遍存在的以上问题，作出了本发明。
背景技术的前述论述仅意图便于理解本发明。此论述并不认可或承认提及的材料中的任一种公共常识的一部分。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前所存在的不足，提出了一种电解铝用炭阳极焙烧工艺。
一种电解铝用炭阳极焙烧工艺，包括下述步骤：
S1、将煅后焦和煤沥青按合适比列配料后置于混捏机进行混捏制得糊料，利用振动成型机将糊料压块成型制得生坯，将生坯置于微波炉膛内，利用填充料填满炉膛空 隙后进行两段微波变频焙烧，待焙烧制品冷却至50℃取出样品冷却至室温，清除制 品表面填充料后得到电解铝用炭阳极。
优选的，所述S1中，煅后焦的质量占比为84-86wt.％。
优选的，所述S1中，煅后焦颗粒粒径分布为：粒径为6-12mm的颗粒占颗粒总质 量的14-19％，粒径为3-6mm的颗粒占8-10％，粒径为0.074-3mm的颗粒占45-55％， 粒径为-0.074mm的颗粒占22-24％。
优选的，所述S1中，煤沥青的质量占比为14-16wt.％。
优选的，所述S1中，混捏温度为170-180℃，时间为30-60min。
优选的，所述S1中，所述填充料为石英砂、冶金焦、活性炭、炭黑的其中一种。
进一步优选的，所述填充料为石英砂。
所用填料的作用一是隔绝空气，防止生坯在焙烧过程被氧化，二是吸附焙烧过程中生坯排出的挥发分气体及其他烟气。
优选的，所述S1中第一段焙烧的微波频率为2400-2500MHz。
进一步优选的，所述第一段焙烧的微波频率为2450MHz。
该频率的微波其半个波长大约为煤沥青中挥发分等小分子组分的直径，能使小分子组分产生更明显共振而极快地改变极性，从而更好地吸收能量，升温参与反应。
优选的，所述S1中第一段焙烧的温度为450-650℃。
进一步优选的，所述第一段焙烧的的温度为550℃。
微波加热的环境下，物质的各部分没有明显的温度梯度，该温度下生坯的各部分完成了挥水分和挥发分的脱除，煤沥青半焦的形成等反应。相较于传统工序，焙烧温 度大幅降低。
优选的，所述S1中第二段焙烧的微波加热时间为2-4h。
进一步优选的，所述第二段焙烧的微波加热时间为4h。
优选的，所述S1中第二段焙烧的微波频率为865-965MHz。
进一步优选的，所述第二段焙烧的微波频率为915MHz。
该频率的微波其半个波长大约为多环芳烃等大分子组分的直径，能使大分子组分产生更明显共振而极快地改变极性，从而更好地吸收能量，升温参与反应。
优选的，所述S1中第二段焙烧的温度为800-1000℃。
进一步优选的，所述第二段焙烧的的温度为900℃。
微波加热的环境下，物质的各部分没有明显的温度梯度，受热均匀。该温度下生坯的各部分完成了煤沥青结焦反应，体积收缩和物理性能的变化。相较于传统工序， 焙烧温度降低，而且大幅减少了因受热不均所产生的裂纹。
优选的，所述S1中第二段焙烧的微波加热时间为8-10h。
进一步优选的，所述第二段焙烧的微波加热时间为10h。
由于微波作用是在物质内外部同时进行，不需要缓慢的传热过程，所以不需要设计多段升温过程，大幅度缩短了焙烧的时间。
本发明所取得的有益效果是：
1、本发明利用微波加热代替传统加热方式，降低了焙烧温度并缩短了焙烧时间，节省了传统工艺中所需消耗的不可再生资源，降低了生产成本。
2、本发明微波焙烧过程中生坯各部分能同时升温且受热均匀，不需要设计多段升温步骤，且大幅减少了裂纹的产生。
3、本发明采用两段微波变频焙烧，先高频率加强小分子组分反应，再低频率加强大分子组分反应，使得焙烧过程中物化性质的优化充分进行。
4、本发明所得电解铝用炭阳极机械强度，电阻率和体积密度等物理化学性质优于市售的炭阳极。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。
图1为本发明所得产品的扫描电子显微镜微观形貌图。
图2为本发明所得产品的扫描电子显微镜微观形貌图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；要指出的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发 明，并不用于限制本案。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实 施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见。并且关于附图中描述位置关系的用 语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言， 可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一：
取国内某厂生产的煅后焦8.4kg，煅后焦颗粒粒径分布为：粒径为6-12mm的颗 粒占颗粒总质量的15％，粒径为3-6mm的颗粒占9％，粒径为0.074-3mm的颗粒占 52％，粒径为-0.074mm的颗粒占24％。再混入国内某厂生产的煤沥青1.6kg，放入混 捏机被在180℃下混捏60min得到糊料，然后利用利用振动成型机将糊料压块成型制 得生坯。将生坯置于微波炉膛内，利用石英砂填充料填满炉膛空隙后进行两段微波变 频焙烧。第一段微波频率为2450MHz，焙烧温度为550℃，处理时间为4h，第二段 微波频率为915MHz，焙烧温度为900℃，处理时间为10h。焙烧完成后待制品冷却 至50℃，取出制品冷却至室温，清除制品表面填充料后得到电解铝用炭阳极。
所得铝用炭阳极的体积密度为1.68g/cm3，电阻率为50.2μΩ·m，抗压强度为53.6MPa。
实施例二：本实施例为上述实施例的进一步描述应当理解本实施例包括前述全部技术特征并作进一步具体描述：
取国内某厂生产的煅后焦17kg，煅后焦颗粒粒径分布为：粒径为6-12mm的颗粒 占颗粒总质量的15％，粒径为3-6mm的颗粒占9％，粒径为0.074-3mm的颗粒占52％， 粒径为-0.074mm的颗粒占24％。再混入国内某厂生产的煤沥青3kg，放入混捏机被在 175℃下混捏45min得到糊料，然后利用利用振动成型机将糊料压块成型制得生坯。 将生坯置于微波炉膛内，利用石英砂填充料填满炉膛空隙后进行两段微波变频焙烧。 第一段微波频率为2400MHz，焙烧温度为500℃，处理时间为3h，第二段微波频率 为900MHz，焙烧温度为850℃，处理时间为9h。焙烧完成后待制品冷却至50℃， 取出制品冷却至室温，清除制品表面填充料后得到电解铝用炭阳极。
所得铝用炭阳极的体积密度为1.65g/cm3，电阻率为53.4μΩ·m，抗压强度为51.9MPa。
实施例三：本实施例为上述实施例的进一步描述应当理解本实施例包括前述全部技术特征并作进一步具体描述：
取国内某厂生产的煅后焦8.6kg，煅后焦颗粒粒径分布为：粒径为6-12mm的颗 粒占颗粒总质量的15％，粒径为3-6mm的颗粒占9％，粒径为0.074-3mm的颗粒占 52％，粒径为-0.074mm的颗粒占24％。再混入国内某厂生产的煤沥青1.4kg，放入混 捏机被在170℃下混捏30min得到糊料，然后利用利用振动成型机将糊料压块成型制 得生坯。将生坯置于微波炉膛内，利用石英砂填充料填满炉膛空隙后进行两段微波变 频焙烧。第一段微波频率为2500MHz，焙烧温度为600℃，处理时间为2h，第二段 微波频率为965MHz，焙烧温度为1000℃，处理时间为8h。焙烧完成后待制品冷却 至50℃，取出制品冷却至室温，清除制品表面填充料后得到电解铝用炭阳极。
所得铝用炭阳极的体积密度为1.61g/cm3，电阻率为54.7μΩ·m，抗压强度为50.4MPa。
将上述实施例所得到的炭阳极与某一炭素厂生产的炭阳极对比测试其性能，结果如表1所示。
表1各种炭阳极的物理化学性质
结果分析：从实施例的数据对比来看，实施例1、2、3所得到的炭阳极的体积密 度、电阻率和机械强度都优于市面上铝用炭阳极，可见微波变频焙烧可以降低焙烧温 度和缩短焙烧时间的同时提升炭阳极的物理化学性质。
综上所述，本发明的一种电解铝用炭阳极焙烧工艺，利用微波加热代替传统加热方式，降低了焙烧温度并缩短了焙烧时间，节省了传统工艺中所需消耗的不可再生资 源，降低了生产成本；微波焙烧过程中生坯各部分能同时升温且受热均匀，不需要设 计多段升温步骤，且大幅减少了裂纹的产生；采用两段微波变频焙烧，先高频率加强 小分子组分反应，再低频率加强大分子组分反应，使得焙烧过程中物化性质的优化充 分进行；所得电解铝用炭阳极机械强度，电阻率和体积密度等物理化学性质优于市售 的炭阳极。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是 示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中， 可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部 件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式 组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素 是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。并且应当理解，在阅读了本发明的记载 的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落 入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种电解铝用炭阳极焙烧工艺，其特征在于，包括下述步骤：
S1、将煅后焦和煤沥青按合适比例配料后置于混捏机进行混捏制得糊料，利用振动成型机将糊料压块成型制得生坯，将生坯置于微波炉膛内，利用填充料填满炉膛空隙后进行两段微波变频焙烧，待焙烧制品冷却至50℃取出样品冷却至室温，清除制品表面填充料后得到电解铝用炭阳极。
2.根据权利要求1所述的电解铝用炭阳极焙烧工艺，其特征在于，所述煅后焦的质量占比为84-86wt.％，颗粒粒径分布为：粒径为6-12mm的颗粒占颗粒总质量的14-19％，粒径为3-6mm的颗粒占8-10％，粒径为0.074-3mm的颗粒占45-55％，粒径为-0.074mm的颗粒占22-24％。
3.根据权利要求1所述的电解铝用炭阳极焙烧工艺，其特征在于，所述煤沥青的质量占比为14-16wt.％。
4.根据权利要求1所述的电解铝用炭阳极焙烧工艺，其特征在于，所述混捏温度为170-180℃，时间为30-60min。
5.根据权利要求1所述的电解铝用炭阳极焙烧工艺，其特征在于，所述填充料为石英砂、冶金焦、活性炭、炭黑的其中一种。
6.根据权利要求1所述的电解铝用炭阳极焙烧工艺，其特征在于，所述S1中第一段焙烧的微波频率为2400-2500MHz，焙烧温度为450-650℃，焙烧时间为2-4h。
7.根据权利要求1所述的电解铝用炭阳极焙烧工艺，其特征在于，所述S1中第二段焙烧的微波频率为865-965MHz，焙烧温度为800-1000℃，焙烧时间为8-10h。
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