本發(fā)明涉及一種預(yù)焙陽極，具體涉及一種鋁電解用充氣多孔預(yù)焙陽極及使用其的電解方法。

背景技術(shù)：

自1886年起，霍爾-埃魯特法生產(chǎn)鋁是國內(nèi)外鋁工業(yè)普遍使用的工藝過程。鋁電解時，以炭素材料為陽極，如預(yù)焙陽極，電解槽底部砌筑的炭塊為陰極，熔融冰晶石為電解質(zhì)。電流通過預(yù)焙陽極進(jìn)入溶解al2o3的熔融冰晶石中進(jìn)行反應(yīng)，最后進(jìn)入陰極。al2o3電解發(fā)生在熔融的電解質(zhì)層內(nèi)(電解質(zhì)層在陽極和溶化的金屬之間)。al2o3中的鋁離子被還原成了金屬鋁，這些金屬鋁集中在電解槽底部的陰極上，氧離子與炭陽極中的炭反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w?？偡磻?yīng)式如式1所示。

al2o3+3/2c＝2al+3/2co2(1)

生產(chǎn)中使用的預(yù)焙陽極是以石油焦、瀝青焦為骨料，煤瀝青為黏結(jié)劑制造而成，用作預(yù)焙鋁電解槽作陽極材料。這種陽極材料的炭塊已經(jīng)過焙燒，具有穩(wěn)定的幾何形狀，所以也稱預(yù)焙陽極炭塊，習(xí)慣上又稱為鋁電解用炭陽極。用預(yù)焙陽極炭塊作陽極的鋁電解槽稱預(yù)焙陽極電解槽，簡稱預(yù)焙槽，這是一種現(xiàn)代化的大型鋁電解槽。陽極炭塊的生產(chǎn)是以石油焦為原料，以煤瀝青為粘結(jié)劑，經(jīng)過石油焦煅燒、中碎、篩分、細(xì)碎、瀝青的熔化、配料、混捏、成型、焙燒等工序加工制作而成。

鋁電解過程中生產(chǎn)每噸鋁會消耗近0.5噸的炭，這會產(chǎn)生近2噸的二氧化碳，并且電解過程中熔融冰晶石及氟化鹽等添加劑也會產(chǎn)生大量氟化氣體排放出來，對環(huán)境造成很大影響。因此，鋁電解過程產(chǎn)生的二氧化碳、氟化物體排放帶來相關(guān)的環(huán)境問題是鋁工業(yè)的主要問題之一。通過改變預(yù)焙陽極的結(jié)構(gòu)或組成是解決上述問題的方向之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為此，本發(fā)明的目的之一在于提供了一種充氣多孔預(yù)焙陽極。本發(fā)明的充氣多孔預(yù)焙陽極用于鋁電解時碳耗低，可消除pfc排放和陽極效應(yīng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種充氣多孔預(yù)焙陽極，使用的彈丸焦的粒度含量如下：8-5mm含量為10-30％，5-2mm含量為30-50％，2-0mm含量為15-35％，粉子含量為5-25％。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極，使用的彈丸焦的粒度含量如下：8-5mm含量為15-25％，5-2mm含量為35-45％，2-0mm含量為20-30％，粉子含量為10-20％。

在優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極，使用的彈丸焦的粒度含量如下：8-5mm含量為20±2％，5-2mm含量為40±2％，2-0mm含量為25±2％，粉子含量為15±2％。

上述的8-5mm、5-2mm、2-0mm粒度是通過8mm、5mm、2mm尺寸的篩分工具篩分得到的不同粒度范圍，均不包括下限值，例如8-5mm是指小于等于8mm大于5mm的顆粒。粉子則是將原料彈丸焦經(jīng)研磨得到的粉體。

作為優(yōu)選，所述粉子中粒徑0.075mm以下的含量為50％以上，優(yōu)選為70％。

優(yōu)選地，所述粉子中粒徑0.075-0.3mm的含量為50％以下，優(yōu)選為30％。

在優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極，所述粉子中粒徑0.075mm以下的含量為70％，所述粉子中粒徑0.075-0.3mm的含量為30％。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極中瀝青用量為陽極生坯總質(zhì)量的16-18％，瀝青用量過低不易成型，過高糊料太稀，難以成型。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極的中心單排設(shè)置2-4個炭碗，兩個相鄰炭碗之間及最外兩側(cè)炭碗等距位置設(shè)置有孔洞，炭碗為2個時的設(shè)置方式如圖1所示。

作為優(yōu)選，所述孔洞的直徑為40-60mm，優(yōu)選為50mm，高度為100-400mm，優(yōu)選為200-300mm。上述結(jié)構(gòu)配合預(yù)焙陽極的特定組成配方非常有利于將還原性氣體通過孔洞通入充氣多孔預(yù)焙陽極內(nèi)，參與反應(yīng)。

在優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極中心兩個炭碗之間及各自兩側(cè)等距位置，分別設(shè)置有直徑為50mm，高度為200-300mm的孔洞。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極的制備過程如下：將經(jīng)過1300-1400℃熱處理后的彈丸焦，經(jīng)破碎、篩分、配料篩分成陽極配料所需粒度，與瀝青混合制備所述預(yù)焙陽極，孔洞在生坯成型時加工而成，將焙燒后的陽極經(jīng)過鉆孔加工而成，例如在生坯成型時通過成型機模具上蓋板中心安裝的圓柱體加工而成。與瀝青混合可包括加入瀝青前進(jìn)行干混和加入瀝青后的濕混。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極的空滲率為1-10npm，優(yōu)選為3-5npm。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極的開口氣孔率為10-30％，優(yōu)選為18-20％。

在優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極空滲率為1-10npm，開口氣孔率10-30％。

在另一優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極空滲率為3-5npm，開口氣孔率18-20％。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種使用本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽極進(jìn)行電解的方法，所述方法為在電解槽換極后，將還原性氣體通過孔洞通入充氣多孔預(yù)焙陽極內(nèi)，在電解過程中還原性氣體可以部分替代預(yù)焙陽極中的炭，參與電解陽極過程，減少炭的消耗，起到降低二氧化碳排放，消除鋁電解強溫室氣體全氟化碳pfc的排放和陽極效應(yīng)。

作為優(yōu)選，通入氣體的壓力為0.1-0.5mpa，優(yōu)選為0.2-0.3mpa，流量為10-50ml/min，優(yōu)選為20-30ml/min。

作為優(yōu)選，所述還原性氣體為含有甲烷的氣體，優(yōu)選為甲烷氣體。涉及到的反應(yīng)如式2所示。

al2o3+3/4ch4＝2al+3/4co2+3/2h2o(2)

作為優(yōu)選，所述方法在陽極組裝時將耐高溫金屬軟管接入孔洞，兩者接口處使用粘結(jié)劑，優(yōu)選環(huán)保粘結(jié)劑混合一定比例和粒度的煅燒石油焦糊料密封，保證通氣電解過程中的不漏氣。同時，優(yōu)選地將該糊料均勻噴涂在除陽極底面以外的平面，然后靜置空氣中干燥等待上槽使用。

作為優(yōu)選，所述金屬軟管的直徑為40-55mm，優(yōu)選為48mm左右，深度為100-300mm，優(yōu)選為150-200mm。

本發(fā)明中彈丸焦形狀呈圓球形，直徑0.6-30mm，一般是由高硫、高瀝青質(zhì)渣油生產(chǎn)出來的。

本發(fā)明中空滲率是空氣滲透率的簡稱，是指在一定時間，一定壓力下氣體通過一定截面和厚度的數(shù)量，按照中國有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ys/t63.10-2012《鋁用碳素材料檢測方法第10部分：空氣滲透率的測定》測得。

本發(fā)明中開口氣孔率是開口氣孔體積與制品總體積之比。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1.充氣多孔陽極可為陽極/電解質(zhì)界面提供一種還原性氣體(如甲烷)，然后，氣體參與陽極反應(yīng)，降低電解過程一半的co2的排放；

2.鋁電解過程中會消除pfc的排放。鋁工業(yè)，尤其是電解鋁產(chǎn)業(yè)在鋁電解過程中源源不斷釋放co2氣體，與此同時當(dāng)電解槽處于非穩(wěn)定狀態(tài)時還會大量釋放全氟化碳(簡稱pfc，主要包含cf4和c2f6)，研究顯示，pfc的溫室效應(yīng)是co2的6500-9200倍。以甲烷替代炭參與反應(yīng)可以消除pfc的排放。

3.消除陽極效應(yīng)。由于顯著減少了二氧化碳的排放，因而消除了電解過程中的陽極效應(yīng)。

4.降低理論槽電壓；使用甲烷作為還原性氣體進(jìn)行電解可以降低理論槽電壓0.1v。

5.降低過電壓；

6.延長陽極的使用壽命。使用甲烷作為還原性氣體替代部分陽極中的炭參與電解過程，使陽極使用壽命延長5-10天左右。

附圖說明

圖1為本發(fā)明鋁電解用充氣多孔預(yù)焙陽極示意圖；

圖2為圖1的充氣多孔預(yù)焙陽極的左視圖；

圖3為陽極組裝上槽使用時的充氣多孔預(yù)焙陽極示意圖；

圖4為圖3的上槽使用時的充氣多孔預(yù)焙陽極的左視圖；

圖中：1炭碗；2孔洞；3預(yù)焙陽極；4陽極鋼爪；5陽極導(dǎo)桿；6耐高溫金屬軟管。

具體實施方式

在下文中，將參考附圖對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行詳細(xì)地描述，依照這些詳細(xì)的描述，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員能夠清楚地理解本發(fā)明，并能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。在不違背本發(fā)明原理的情況下，各個不同的實施例中的特征可以進(jìn)行組合以獲得新的實施方式，或者替代某些實施例中的某些特征，獲得其它優(yōu)選的實施方式。

圖1為本發(fā)明鋁電解用充氣多孔預(yù)焙陽極示意圖。充氣多孔預(yù)焙陽極3的中心設(shè)置兩個炭碗1，兩個炭碗1之間及各自兩側(cè)等距位置設(shè)置有孔洞2?？锥吹闹睆娇梢詾?0-60mm，優(yōu)選為50mm，高度可以為100-400mm，優(yōu)選為200-300mm。炭碗的尺寸可根據(jù)預(yù)期用途不同而設(shè)定。

圖2為圖1的充氣多孔預(yù)焙陽極的左視圖。

圖3為陽極組裝上槽使用時的充氣多孔預(yù)焙陽極示意圖，圖4為圖3的上槽使用時的充氣多孔預(yù)焙陽極的左視圖。如圖3所示，本發(fā)明利用多孔充氣預(yù)焙陽極電解時使用包括充氣多孔預(yù)焙陽極炭塊3、耐高溫金屬軟管6、甲烷氣體等材料。具體實施過程如下：

首先制備充氣多孔預(yù)焙陽極3。充氣多孔預(yù)焙陽極3原料為經(jīng)過1300-1400℃熱處理4h后的彈丸焦，經(jīng)過破碎、篩分、配料篩分成陽極配料所需粒度。制備充氣多孔預(yù)焙陽極1-5使用的原料配方如表1所示。

表1

瀝青用量為陽極生坯總質(zhì)量的16-18％。

生產(chǎn)的陽極性能空滲范圍為1-10npm，優(yōu)選為2-5npm，開口氣孔率為10-30％，優(yōu)選為18-20％。

然后，在成型生產(chǎn)充氣多孔預(yù)焙陽極生坯時制備出充氣孔。充氣多孔預(yù)焙陽極3中心兩個炭碗1之間及各自兩側(cè)等距位置，分別設(shè)置有充氣孔2。該充氣孔2由生坯成型時通過成型機模具上蓋板中心安裝的圓柱體加工而成。用于充氣多孔預(yù)焙陽極3上槽后通過這些充氣孔2通入還原性氣體，如甲烷氣體。

焙燒后的預(yù)焙陽極進(jìn)行澆注后，陽極組裝時，將陽極導(dǎo)桿5鋼爪4澆注到預(yù)焙陽極炭碗1中，將耐高溫金屬軟管6接入充氣孔，直徑40-55mm，優(yōu)選為48mm左右，深度為100-300mm，優(yōu)選為150-200mm，兩者接口處使用環(huán)保粘結(jié)劑混合一定比例和粒度的煅燒石油焦糊料密封，保證通氣電解過程中的漏氣。同時，將該糊料均勻噴涂在除預(yù)焙陽極3底部以外的平面，然后靜置空氣中干燥等待上槽使用。本發(fā)明中使用的耐高溫金屬軟管可以抵抗電解過程中500-600℃甚至更高溫度。

電解槽更換陽極時，天車將多孔充氣預(yù)焙陽極3吊運到電解上，將陽極導(dǎo)桿5安裝到電解槽上，然后連接耐高溫金屬軟管6，陽極上表面覆蓋好氧化鋁保護(hù)，再通入氣體，甲烷氣體壓力為0.1-0.5mpa，優(yōu)選為0.2-0.3mpa，流量為10-50ml/min，優(yōu)選為20-30ml/min。將甲烷氣體通入多孔預(yù)焙陽極內(nèi)，在電解過程中甲烷氣體可以部分替代預(yù)焙陽極中的炭，參與電解陽極過程，減少炭的消耗，起到降低二氧化碳排放，消除鋁電解強溫室氣體全氟化碳pfc的排放和陽極效應(yīng)。涉及到的反應(yīng)如式2所示。

al2o3+3/4ch4＝2al+3/4co2+3/2h2o(2)

本發(fā)明提供的充氣多孔預(yù)焙陽極在電解使用過程中還原性氣體如甲烷氣體為陽極/電解質(zhì)界面提供一種還原性氣體，參與陽極反應(yīng)，可以降低電解過程一半的co2的排放，消除了電解過程中的陽極效應(yīng)，并可以消除強溫室氣體全氟化碳(簡稱pfc)的排放，降低理論槽電壓0.1v和陽極過電壓，使陽極使用壽命延長5-10天左右。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。