CN1396310A - 具有有序组织结构的炭阳极和两段式焙烧工艺曲线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有有序组织结构的炭阳极和两段式焙烧工艺曲线，属于炭素制品的焙烧处理。主要是解决现有炭阳极组织结构无序，密度低，导致其理化性能普遍偏低的问题。其具体解决方式是在生阳极的侧表面均匀地涂上无机耐高温密封涂料，在焙烧炉内采取两段式焙烧工艺曲线即在粘结剂的临界析焦温度区内采取0.5－4℃/h的升温速度或采取一次以上“升温→降温→等温→再升温”或“采取一次以上等温→升温”的焙烧工艺曲线进行焙烧，使阳级显气孔的开口方向均朝着高度方向的上表面或下表面，其优点是正向电阻率低，侧向假密度高，各项理化性能明显提高，且节能、降耗、环保，适合预焙铝电解槽的炭阳极的生产。

Description

具有有序组织结构的炭阳极和两段式焙烧工艺曲线

一、技术领域

本发明涉及一种具有有序组织结构的炭阳极和两段式焙烧工艺曲线，属于炭素制品的焙烧处理。

二、背景技术

我国是世界第三产铝大国，预计到2005年，我国大型预焙电解铝年产量将突破400万吨。然而，作为大型预焙铝电解槽的心脏——预焙炭阳极，其质量一直困扰着铝行业的技术进步与发展。炭阳极质量的优劣直接影响到电流效率的高低、吨铝直流电耗的多少和单槽日产铝量的多少。

在现代炭素制造技术理论上，普遍公认的炭素制品只是在粘结剂焦化物结合下骨料、气孔(包括真气孔和显气孔)的机械结合体，其组织结构是杂乱无序的；炭阳极的组织结构也是杂乱无序的。

在上述理论的指导下，目前国内外的炭阳极产品均是以不定型碳粉粒为原料，加入粘结剂后制成生阳极，然后在焙烧炉内采用匀速升温的工艺曲线进行焙烧制成的铝炭阳极，其焙烧工艺中规定的最高止火保温温度一般为1200℃。在炭阳极的焙烧过程中，其组织内残留的空气、水蒸汽、粘结剂分解气体会随温度的升高从组织内排出，从而使炭阳极产生显气孔。按照传统的焙烧工艺，阳极体内产生的热气能可以从阳极体的任意表面排出，因此由气体排放而产生的显气孔开口方向无一致的方向性，热气对于粘结剂产生的作用力较小，粘结剂的分子排列不仅无一致的方向性，且密度较低，焦化物与骨料、气孔之间的粘结力呈多向性，构不成较大的合力，因此这种组织结构呈无序性，其理化性能普遍较低。

国际上先进水平的炭阳极，是通过拼命提高生阳极的假密度实现的；要提高生阳极的假密度就需要较细粒度的骨料配比以及真空成型压力设备，生产成本相对较高。然而，他们只能将假密度极高(平均1.66g/cm³)的生阳极焙烧出1.55-1.57g/cm³的阳极，比电阻率最低为48-52Ωmm²/m，抗压强度≤42MPa。

下面我们引用科学家们关于提高阳极质量，降低阳极净消耗对铝厂经济效益影响的理论研究：

1、降低阳极消耗可提高电流效率式(1) $\mathrm{Nc}=C+\frac{334}{\mathrm{CE}}+1.2(\mathrm{BT}-960)-1.7\mathrm{CRR}+9.3\mathrm{AP}+8\mathrm{TC}-15\mathrm{ARR}$

式中：Nc：阳极净消耗，Kg/T-Al；C-电解槽系数；CE-电流效率，％；BT-电解温度，℃；CRP-阳极CO₂反应率系数，％；AP-阳极空气渗透率，nPm；TC-阳极热导率，W/m，K；ARR-阳极空气反应率余数，％。

由上式可知：阳极净消耗(Nc)与电流效率(CE)呈反比关系，降低Nc可提高CE；从本式也可以看出阳极净消耗与电解工艺参数和阳极质量参数的关系。

2、降低阳极消耗会增加铝产量

式(2)P＝8.052× I×CE×∑(Nt)×10^-6

式中：P-电解槽系列的铝产量，T；8.052-铝电化学常数与每昼夜时数的乘积，g/A.d； I-平均电流强度，A；CE-电流效率，％；∑(Nt)-槽昼夜总数，其中N-槽数，t-槽运行的昼夜数。

由式(2)可知：电解槽的铝产量与电流效率成正比，CE越高P越大，已知Nc降低可提高CE，由此推知：降低Nc会提高P。

由式(2)还知：在CE和∑(Nt)不变的前提下，提高 I也会增加P，这是强化电流或提高阳极电流密度来提高铝产量。如果阳极质量差，就无法强化电流提高阳极电流密度。实现这一目标必须以提高阳极质量为前提。

3、降低阳极消耗会降低电耗式(3) $W=2980\frac{\stackrel{\‾}{U}}{\mathrm{CE}}$

式中：W-电耗，KWh/T-Al； U-槽平均电压，V；CE-电流效率，％；2980-常数。

式(3)反应了铝电解电耗与槽平均电压和电流效率的关系，当 U不变时，提高CE会降低W。根据式(1)，CE与Nc量反比关系，则可推知降低Nc可降低W。由式(3)还知：槽平均电压 U与W成正比关系，降低 U可降低W，而要降低 U很重要的是降低阳极电阻率。

从以上理论研究中我们可以明显看出降低阳极净消耗的重大经济效益，而要降低阳极净消耗就必须提高阳极质量。我国铝行业的管理者和科技人员在20多年中做了大量的外引内研工作，炭阳极的生产设备水平虽有明显提高，但阳极质量仍处在一个较低的水平。我国铝企业20余年来炭阳极的净消耗一直保持在450-470Kg/T-Al，只有少数企业阳极净消耗达到420Kg/T-Al，国际先进水平的阳极净消耗为400±20Kg/T-Al。

三、技术内容

本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种显气孔率低，理化性能好，质量高、寿命长的具有有序组织结构的炭阳极和两段式焙烧工艺曲线。

本发明的炭阳极，其特征是在阳极的侧表面上涂有无机耐高温密封涂料，阳极显气孔的开口方向均朝着高度方向的上表面或下表面，具有一致的方向性，粘结剂分子也按热气排放方向排列，粘结剂焦化物与骨料、气孔的结合力具有矢量性。

为了使阳极产生有序的组织结构，我们采取了两段式焙烧工艺曲线，其特征是将生阳极在焙烧炉内以6-8℃/h的速度匀速升温至粘结剂临界析焦温度区，选择一个温度点，采取一次以上的降温、等温、升温，或一次以上和等温、升温，也可以采取0.5-4℃/h的升温速度慢速升温，或是采取等温和慢速升温的组合后，再均速升温至1050-1100℃止火、保温。

上述降温时所降温度为50-80℃，等温时间为2-10小时。

我们知道生阳极的焙烧过程，主要是通过粘结剂在不同的温度区组织形态发生变化，与骨料和气孔产生不同结合形态变化的过程。粘结剂经历了从固态→液态→气态→焦化物四个不同形态的转变，生阳极的组织结构也同样发生着变化：粘结剂由固态向液态转变时，伴随着残留空气受热膨胀和水向水蒸汽向外排出便产生了低温区的显气孔，当温度升到180-350℃中温区时，粘结剂由液态发生部分分解，阳极组织中除了低温区产生的显气孔，还产生了由分解气体排放产生的显气孔；当粘结剂处于临界析焦温度区，粘结剂是液态、气态、焦化物共存期，这时阳极组织变化极大，也非常不稳定，伴随着焦化物的增长，阳极组织缓慢收缩。但是，按传统的工艺曲线，当粘结剂处于临界析焦温度区时，仍然匀速升温，热能造成了组织继续长大，阻碍了组织收缩和体积密度提高，等析焦过程完成后，组织基本定型，阳极的理化性能也基本定型，这就是现行焙烧工艺曲线造成阳极质量低劣的原因。而采用两段式焙烧工艺曲线，在粘结剂析焦温度区内，选择温度点进行降温等温、直接等温或慢速升温一定时间可使阳极的显气孔率明显降低，显气孔的直径由大变小，由连通变为阻断，另外给阳极组织收缩创造了降温或恒温条件，使其有比较充分的时间进行体积收缩，焦化物长大。根据我们用这种方法进行的试验显示，可以使假密度为1.54g/cm³的生阳极焙烧出1.52g/cm³假密度的阳极，比电阻率可降到42Ωmm²/m，抗压强度最高达到44MPa。如果我们用更高密度的生阳极，可以焙烧出更优质的阳极，在电解槽上试验，阳极的净消耗为400±10Kg/T-Al，阳极的平均寿命≥29天。

本发明的效果是：

1、正向电阻率低，有利于槽平均电压降低；侧向假密度高，有利于抵抗电解质侵入破坏组织强度，更有利于提高阳极电流密度，提高电流效率和增加槽日产铝量；

2、经济效益显著，到2005年预计我国大型预焙电解铝年产量为400万吨，现行焙烧工艺曲线生产的阳极平均净消耗460Kg/T·Al，本发明的阳极净消耗平均为400±10Kg/T-Al，净节约50Kg/T·Al，全国年净消耗阳极将节约20万吨；

3、目前我国大型预焙铝电解槽平均电流效率为91-91.5％，根据理论和实践，如果阳极净消耗达到400±10Kg/T·Al，电流效率平均可达93.5-94％，这就意味着我国每年可增加铝产量11-12万吨；

4、由于阳极质量的提高，阳极使用寿命从平均26天延长到29天，平均延长约10％左右，一方面使电解槽的电解工艺参数稳定性提高了，另外所有与阳极生产、运输、使用管理的各道工序的工作量及消耗也都降低了10％左右；

5、现行焙烧工艺的最高止火保温温度一般为1200℃，而两段式焙烧工艺的最高止火保温温度为1050-1100℃，不仅可以节约大量能源，也可明显地延长焙烧炉衬的使用寿命。

四、附图说明

图1为本发明的结构示意图，其中：1-阳极体，2-涂料，3-显气孔；

图2为现行预焙阳极的焙烧工艺曲线参考示意图，其中：a曲线是160小时焙烧工艺曲线，b曲线是180小时焙烧工艺曲线；

图3为160小时慢升温两段式焙烧工艺曲线示意图；

图4为180小时两次等温焙烧的两段式焙烧工艺曲线示意图；

图5为180小时一次等温加慢升温焙烧的两段式焙烧工艺曲线示意图；

图6为180小时降温→等温→升温的两段式焙烧工艺曲线示意图。

五、具体实施方式

将无机耐高温密封涂料搅拌均匀，用喷枪如图1所示，将制好的生阳极四周表面喷涂0.25-0.3mm厚涂料，其四周上下分别留出50mm和20mm的宽带不喷涂料，使其自然固化；在焙烧时，将生阳极侧放，以便体内气体从上、下表面排放，焙烧温度从升温至400℃，炉内应保持1200-400Pa的负压，以利阳极体内气体排放，减少热应力；升温达到粘结剂临界析焦温度区段，炉内负压不超过100Pa，等温时间4-10小时，继续匀速升温至1100℃止火保温，待阳极焙烧为成品，并组装阳极导杆、浇铸磷生铁固定后，再将上表面和50mm宽带喷上涂料，使阳极成为一个复合密封体。

Claims (4)

1、一种具有有序组织结构的炭阳极，其特征是在阳极的侧表面上涂有无机耐高温密封涂料，阳极显气孔的开口方向均朝着高度方向的上表面或下表面，具有一致的方向性，粘结剂分子也按热气排放方向排列，粘结剂焦化物与骨料、气孔的结合力具有矢量性。

2、根据权利要求1所述的炭阳极，其特征是涂料的厚度为0.25-0.3mm。

3、一种两段式焙烧工艺曲线，其特征是将生阳极在焙烧炉内以6-8℃/h的速度匀速升温至粘结剂临界析焦温度区，选择一个温度点，采取一次以上的降温、等温、升温，或一次以上的等温、升温，也可以采取0.5-4℃/h的升温速度慢速升温，或是采取等温和慢速升温的组合后，再均速升温至1050-1100℃止火、保温。

4、根据权利要求3所述的工艺曲线，其特征是降温时降温度为50-80℃，等温时间为2-10小时。

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