一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極及其制備方法；屬于鋁電解槽陽(yáng)極制備技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽中，陽(yáng)極的使用周期為28~31d，當(dāng)陽(yáng)極達(dá)到使用周期時(shí)，殘 極厚度約為15~17cm，如果繼續(xù)使用，就會(huì)發(fā)生陽(yáng)極鋼爪熔化現(xiàn)象，因此，需要根據(jù)預(yù)焙陽(yáng) 極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組裝情況，在保持一定殘極高度情況下及時(shí)更換陽(yáng)極，從而保證鋁電解槽的 正常穩(wěn)定運(yùn)行。鋁電解槽中有溫度場(chǎng)，物料場(chǎng)和電磁場(chǎng)。陽(yáng)極的更換對(duì)"三場(chǎng)"都具有一定 影響，但其影響最大的是溫度場(chǎng)。正常穩(wěn)定運(yùn)行的鋁電解槽是處于熱平衡狀態(tài)的。換極前， 正常運(yùn)行的鋁電解槽保持著相對(duì)的能量平衡，浸入電解質(zhì)中的陽(yáng)極部分溫度和電解質(zhì)溫度 是相同的，陽(yáng)極上部分的溫度也高達(dá)600~700°C當(dāng)高溫殘極由電解槽中拔出時(shí)，一方面殘 極會(huì)從電解質(zhì)中帶走一部分熱量；另一方面，拔出陽(yáng)極的位置會(huì)出現(xiàn)一定的空間，也會(huì)散失 一部分熱量，因?yàn)閺陌纬鲫?yáng)極到新陽(yáng)極上槽需要一定的時(shí)間；此外，當(dāng)室溫新陽(yáng)極安裝到電 解槽上并浸入電解質(zhì)中時(shí)，由于二者之間巨大的溫差，新陽(yáng)極也會(huì)從電解質(zhì)中吸收大量的 熱量，直至在二者界面達(dá)到新的熱平衡為止。因此，換極過程實(shí)際上就是熱平衡一一破壞熱 平衡一一建立新的熱平衡的過程。
[0003] 通常，換極對(duì)電解槽的影響約持續(xù)24h。在這期間，新?lián)Q的陽(yáng)極浸入電解質(zhì)部分由 室溫逐步被電解質(zhì)加熱，在換極后約24h，陽(yáng)極溫度基本與電解質(zhì)溫度相當(dāng)。剛剛換入電解 槽的新陽(yáng)極幾乎是不導(dǎo)電的，這是因?yàn)檫@時(shí)陽(yáng)極與電解質(zhì)之間存在巨大溫差，在陽(yáng)極浸入 電解質(zhì)的一剎那，與陽(yáng)極底掌接觸的電解質(zhì)驟然遇到激冷，在陽(yáng)極底掌表面形成一層電解 質(zhì)凝殼，這一層凝殼將液態(tài)電解質(zhì)與陽(yáng)極完全隔離，從而使得以導(dǎo)電性碳材料制造的陽(yáng)極 炭塊失去導(dǎo)電作用。加之，在陽(yáng)極底掌表面形成電解質(zhì)凝殼的同時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，鄰 近陽(yáng)極底掌部分的電解質(zhì)失去的熱量相對(duì)遠(yuǎn)離陽(yáng)極處要快的多，從而使得陽(yáng)極附近電解質(zhì) 的粘度增加。而電解質(zhì)粘度的增加，也使得陽(yáng)極氣體不易排出，炭渣分離不清，增加了電解 質(zhì)的電阻率，導(dǎo)致該部分電解質(zhì)導(dǎo)電性下降。
[0004] 因此，對(duì)于如何縮短由于陽(yáng)極換極帶來(lái)的電解槽內(nèi)較長(zhǎng)時(shí)間的不導(dǎo)電周期，不僅 對(duì)于鋁電解行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的良好發(fā)展具有重要意義，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)電解槽"三場(chǎng)"穩(wěn) 定，槽況運(yùn)行良好的基礎(chǔ)。關(guān)于改善換極溫度對(duì)槽況的影響，目前采取的辦法有實(shí)施陽(yáng)極預(yù) 熱，如利用電解槽煙氣余熱對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極進(jìn)行預(yù)熱，但在國(guó)內(nèi)尚無(wú)成功應(yīng)用的報(bào)道，而利用換 下的高溫殘極對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行預(yù)熱，與該技術(shù)相關(guān)的僅有一個(gè)實(shí)用新型專利，名為《陽(yáng)極塊預(yù)熱 交換裝置》，授權(quán)公告為CN201347457Y，該技術(shù)實(shí)施過程中，需要建設(shè)一系列中高溫?zé)煔夤?線，并要對(duì)管線進(jìn)行防腐處理，而且要單獨(dú)建設(shè)陽(yáng)極預(yù)熱間，不但投資大，并且運(yùn)行成本高。 因此，在不增加過多投資的的前提下，換極后陽(yáng)極快速導(dǎo)電，縮短不導(dǎo)電周期對(duì)鋁電解槽節(jié) 能降耗的實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有鋁電解槽陽(yáng)極存在的不足之處，提供一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極 及其制備方法。
[0006] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極包括：普通炭塊（3)、半石墨質(zhì)炭塊（4)，全石 墨化炭塊（5);所述半石墨質(zhì)炭塊（4)位于普通炭塊（3)與全石墨化炭塊（5)之間，所述半 石墨質(zhì)炭塊（4)的石墨化程度為40-50%。
[0007] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極包括：鋁導(dǎo)桿（1)、陽(yáng)極鋼爪（2)、普通炭塊 (3)、半石墨質(zhì)炭塊（4)，全石墨化炭塊（5);所述陽(yáng)極鋼爪（2)的頂部與鋁導(dǎo)桿（1)相連，陽(yáng) 極鋼爪（2)的底部與鋁導(dǎo)桿普通炭塊（3)的頂部相連，普通炭塊（3)的底部與半石墨質(zhì)炭 塊（4)的頂部相連；所述半石墨質(zhì)炭塊（4)的底部與全石墨化炭塊（5)相連。
[0008] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極所述全石墨化炭塊（5)、半石墨質(zhì)炭塊（4)、 普通炭塊⑶的厚度之比為，全石墨化炭塊（5):半石墨質(zhì)炭塊（4):普通炭塊（3)= 1-2:1-2:2-6;優(yōu)選為1:1:2-1:1:3。即全石墨化炭塊（5)、半石墨質(zhì)炭塊（4)與普通炭塊 (3)的質(zhì)量比為 1-2:1-2:2-6、優(yōu)選為 1:1:2-1:1:3。
[0009] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極，所述全石墨化炭塊（5)的厚度根據(jù)實(shí)際應(yīng)用 時(shí)電解槽的尺寸進(jìn)行調(diào)整。
[0010] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極的制備方法，以全石墨化炭顆粒、半石墨質(zhì)炭 顆粒、普通炭顆粒為原料，先將全石墨化炭顆粒、半石墨質(zhì)炭顆粒、普通炭顆粒按設(shè)計(jì)的量 依次加入振動(dòng)機(jī)中，振動(dòng)后的，得到所述炭素陽(yáng)極；依次加入全石墨化炭顆粒、半石墨質(zhì)炭 顆粒、普通炭顆粒時(shí)，等比例加入粘接劑，所述所述粘接劑與原料的質(zhì)量比為3-4:16-17。。 在本發(fā)明中所述等比例加入粘接劑是指，假設(shè)所述粘接劑與原料的質(zhì)量比選自A :B，且全 石墨化炭顆粒占原料總質(zhì)量的C%時(shí)，那么再加入全石墨化炭顆粒時(shí)，加入粘接劑的質(zhì)量為 (AX原料質(zhì)量/B) XC%;依次類推，可以計(jì)算在加入半石墨質(zhì)炭顆粒時(shí)，等比例所加入的粘 接劑的用量；同理也可已計(jì)算出加入普通炭顆粒時(shí)，等比例所加入的粘接劑的用量。
[0011] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極的制備方法，全石墨化炭顆粒、半石墨質(zhì)炭顆 粒、普通炭顆粒的質(zhì)量比為1-2:1-2:2-6、優(yōu)選為1:1:2-1:1:3。
[0012] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極的制備方法，所述粘接劑選自改質(zhì)瀝青、中溫 瀝青、高溫瀝青中的一種，優(yōu)選為改質(zhì)瀝青。
[0013] 其中全石墨化炭顆粒、半石墨質(zhì)炭顆粒、普通炭顆粒越細(xì)碎越好，粒徑小于12_。
[0014] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極的制備方法，振動(dòng)的頻率為50-55HZ。
[0015] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極的制備方法，所述全石墨化炭顆粒是通過下述 步驟制備的：
[0016]步驟一
[0017] 按質(zhì)量比，煅后石油焦：改質(zhì)瀝青=7-8:2_3,配取煅后石油焦和改質(zhì)瀝青混合均 勻后，于1100-1200°C進(jìn)行焙燒20-40小時(shí)；得到首次焙燒產(chǎn)物；
[0018]步驟二
[0019]將步驟以所得焙燒產(chǎn)物浸漬于改質(zhì)瀝青中，浸漬3-4小時(shí)后，取出并進(jìn)行第二次 焙燒，第二次焙燒的溫度為700_800°C、時(shí)間為3-4小時(shí)、氣氛為保護(hù)氣氛；浸漬時(shí)控制壓力 為1. 4-1. 6MPa ;得到第二次焙燒產(chǎn)物；
[0020] 步驟三
[0021] 將步驟二所得第二次焙燒產(chǎn)物置于石墨化爐內(nèi)、于2600-300(TC進(jìn)行石墨化處理 直至第二次焙燒產(chǎn)物完全石墨化后，進(jìn)行破碎，得到全石墨化炭顆粒。
[0022] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極的制備方法，所述半石墨質(zhì)炭顆粒是通過下述 步驟制備的：
[0023] 按質(zhì)量比，固體碳源：改質(zhì)瀝青=8-9:1-2,配取固體和改質(zhì)瀝青混合均勻后，于 1000-1200°C進(jìn)行焙燒20-40小時(shí)；得到半石墨質(zhì)炭顆粒；所述固體碳源選自石油焦、瀝青 焦、殘極、生碎及焙燒碎中的至少一種；優(yōu)選為煅后石油焦、半石墨質(zhì)石油焦，人造石墨碎中 的至少一中；進(jìn)一步優(yōu)選為煅后石油焦。
[0024] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極的制備方法，所述普通炭顆粒可采用現(xiàn)有碳素 陽(yáng)極制備方法進(jìn)行制備；也可采用下述方法制備：
[0025] 按質(zhì)量比陽(yáng)極主體：粘結(jié)劑=82-86:14-18,配取陽(yáng)極主體和粘結(jié)劑后混合均勻， 干燥，破碎，得到所述普通炭顆粒；所述陽(yáng)極主體選自煅后石油焦、瀝青焦、殘極、生碎及焙 燒碎中的至少一種；所述陽(yáng)極主體按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)包括：
[0026]粗顆粒料 14-20 %、
[0027] 中顆粒料8-10%、
[0028]細(xì)顆粒料 45-54%、
[0029]粉料 22-25 %;
[0030] 所述粗顆粒料的粒徑為6-12mm，中顆粒料的粒徑為3-6mm，細(xì)顆粒料的粒徑小于 3mm，粉料的粒徑小于等于0. 074mm。
[0031] 本發(fā)明的功能梯度炭素陽(yáng)極在外觀、鋼爪配置、換極操作等方面與普通碳素陽(yáng)極 一致。
[0032] 原理和優(yōu)勢(shì)
[0033] 本發(fā)明一種快速導(dǎo)電梯度炭素陽(yáng)極的制備方法，采用梯度結(jié)構(gòu)設(shè)置，炭塊最下層 到最上層依次由石墨化炭塊、半石墨質(zhì)炭塊及普通炭塊構(gòu)成等構(gòu)成，形成了陽(yáng)極炭塊由下 至上，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性依次遞減，確保陽(yáng)極換極后，炭塊與電解質(zhì)接觸的面可快速導(dǎo)電，縮短 不導(dǎo)電周期。
[0034] 這種梯度陽(yáng)極與普通炭素陽(yáng)極相比，由于石墨的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的增加，因此在陽(yáng) 極換極后能大幅度的縮短不導(dǎo)電周期，因而盡可能的減少了電解槽電流效率的損失以及能 量消耗，并改善電解槽運(yùn)行工況，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。本發(fā)明加工對(duì)當(dāng)前陽(yáng)極工藝不需做較 大的改變，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】：
[0035] 附圖1為實(shí)施例1生產(chǎn)炭素陽(yáng)極生產(chǎn)的工藝圖。
[0036] 附圖2為本發(fā)明的炭素陽(yáng)極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037] 從圖1中可以看出實(shí)施例制備炭素陽(yáng)極的工藝流程；
[0038] 圖2中，1為鋁導(dǎo)桿，2為陽(yáng)極鋼爪，3為普通炭塊，4為半石墨質(zhì)炭塊，5為全石墨化 炭塊。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 實(shí)施例1
[0040] 按圖2所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，按圖1所設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行操作：
[0041] 其具體操作包括陽(yáng)極底部全石墨化炭塊料5的單獨(dú)加工，中間層半石墨質(zhì)炭塊料 4的單獨(dú)加工，最終將全石墨化炭塊料、半石墨質(zhì)炭塊料與最上層的普通炭塊料3依次加入 到振動(dòng)機(jī)組中，經(jīng)過高頻振動(dòng)加工成完整的陽(yáng)極（振動(dòng)頻率為50Hz)，然后與陽(yáng)極鋼爪2、陽(yáng) 極導(dǎo)桿1組合裝配。其中全石墨化炭顆粒的制備方法，包含步驟：原料破碎、配料、混捏、