一種改質炭素陽極及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種改質炭素陽極；屬于鋁電解槽陽極開發技術領域。本發明專利技術所設計的改質炭素陽極包括由普通炭顆粒與半石墨質炭顆粒的混合料構成的改質炭塊3，所述改質炭塊3的石墨化程度為30-40％。其生產方法是，將半石墨質炭顆粒、普通炭顆粒與一定的比例粘接劑混合均勻，然后倒入振動機組中，鋪成一定的厚度，然后利用高頻振動加工成型。本發明專利技術所設計的炭素陽極在鋁電解槽中使用時，可大幅縮短由于陽極換極帶來的電解槽內較長時間的不導電周期。本發明專利技術制備工藝簡單、實用便于產業化應用。

【技術實現步驟摘要】
一種改質炭素陽極及其制備方法
本專利技術涉及一種改質炭素陽極及其制備方法；屬于鋁電解槽陽極開發

技術介紹
在預焙陽極鋁電解槽中，陽極的使用周期為28～31d，當陽極達到使用周期時，殘極厚度約為15～17cm，如果繼續使用，就會發生陽極鋼爪熔化現象，因此，需要根據預焙陽極結構設計和組裝情況，在保持一定殘極高度情況下及時更換陽極，從而保證鋁電解槽的正常穩定運行。鋁電解槽中有溫度場，物料場和電磁場。陽極的更換對“三場”都具有一定影響，但其影響最大的是溫度場。正常穩定運行的鋁電解槽是處于熱平衡狀態的。換極前，正常運行的鋁電解槽保持著相對的能量平衡，浸入電解質中的陽極部分溫度和電解質溫度是相同的，陽極上部分的溫度也高達600～700℃當高溫殘極由電解槽中拔出時，一方面殘極會從電解質中帶走一部分熱量；另一方面，拔出陽極的位置會出現一定的空間，也會散失一部分熱量，因為從拔出陽極到新陽極上槽需要一定的時間；此外，當室溫新陽極安裝到電解槽上并浸入電解質中時，由于二者之間巨大的溫差，新陽極也會從電解質中吸收大量的熱量，直至在二者界面達到新的熱平衡為止。因此，換極過程實際上就是熱平衡——破壞熱平衡——建立新的熱平衡的過程。通常，換極對電解槽的影響約持續24h。在這期間，新換的陽極浸入電解質部分由室溫逐步被電解質加熱，在換極后約24h，陽極溫度基本與電解質溫度相當。剛剛換入電解槽的新陽極幾乎是不導電的，這是因為這時陽極與電解質之間存在巨大溫差，在陽極浸入電解質的一剎那，與陽極底掌接觸的電解質驟然遇到激冷，在陽極底掌表面形成一層電解質凝殼，這一層凝殼將液態電解質與陽極完全隔離，從而使得以導電性碳材料制造的陽極炭塊失去導電作用。加之，在陽極底掌表面形成電解質凝殼的同時，由于熱傳導的作用，鄰近陽極底掌部分的電解質失去的熱量相對遠離陽極處要快的多，從而使得陽極附近電解質的粘度增加。而電解質粘度的增加，也使得陽極氣體不易排出，炭渣分離不清，增加了電解質的電阻率，導致該部分電解質導電性下降。因此，對于如何縮短由于陽極換極帶來的電解槽內較長時間的不導電周期，不僅對于鋁電解行業實現節能降耗的良好發展具有重要意義，同時也是實現電解槽“三場”穩定，槽況運行良好的基礎。關于改善換極溫度對槽況的影響，目前采取的辦法有實施陽極預熱，如利用電解槽煙氣余熱對預焙陽極進行預熱，但在國內尚無成功應用的報道，而利用換下的高溫殘極對陽極進行預熱，與該技術相關的僅有一個技術專利，名為《陽極塊預熱交換裝置》，授權公告為CN201347457Y，該技術實施過程中，需要建設一系列中高溫煙氣管線，并要對管線進行防腐處理，而且要單獨建設陽極預熱間，不但投資大，并且運行成本高。因此，在不增加過多投資的的前提下，換極后陽極快速導電，縮短不導電周期對鋁電解槽節能降耗的實現起到關鍵作用。
技術實現思路
本專利技術針對現有鋁電解槽陽極存在的不足之處，提供一種改質炭素陽極及其制備方法。本專利技術一種改質炭素陽極包括：由普通炭顆粒與半石墨質炭顆粒的混合料構成的改質炭塊(3)，所述改質炭塊(3)的石墨化程度為30-40％。本專利技術一種改質炭素陽極包括：鋁導桿(1)、陽極鋼爪(2)、改質炭塊(3)、；所述陽極鋼爪(2)的頂部與鋁導桿(1)相連，陽極鋼爪(2)的底部與鋁導桿改質炭塊(3)的頂部相連。本專利技術一種改質炭素陽極的制備方法，半石墨質炭顆粒、普通炭顆粒為原料，將半石墨質炭顆粒、普通炭顆粒與粘接劑混合均勻，然后加入振動機中，振動后的，得到所述炭素陽極；所述所述粘接劑與原料的質量比為1-1.5:4-4.5。本專利技術一種改質炭素陽極的制備方法，所述粘接劑選自改質瀝青、中溫瀝青、高溫瀝青中的一種，優選為改質瀝青。其中全石墨化炭顆粒、半石墨質炭顆粒、普通炭顆粒越細碎越好，粒徑小于12mm。本專利技術一種改質炭素陽極的制備方法，振動的頻率為50-55Hz。本專利技術一種改質炭素陽極的制備方法，所述半石墨質炭顆粒是通過下述步驟制備的：按質量比，固體碳源：改質瀝青＝8-9:1-2，配取固體和改質瀝青混合均勻后，于1000-1200℃進行焙燒20-40小時；得到半石墨質炭顆粒；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；優選為煅后石油焦、半石墨質石油焦，人造石墨碎中的至少一中；進一步優選為煅后石油焦。本專利技術一種改質炭素陽極的制備方法，所述普通炭顆粒可采用現有碳素陽極制備方法進行制備；也可采用下述方法制備：按質量比陽極主體:粘結劑＝82-86:14-18，配取陽極主體和粘結劑后混合均勻，干燥，破碎，得到所述普通炭顆粒；所述陽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；所述陽極主體按質量百分數計包括：粗顆粒料14-20％、中顆粒料8-10％、細顆粒料45-54％、粉料22-25％；所述粗顆粒料的粒徑為6-12mm，中顆粒料的粒徑為3-6mm，細顆粒料的粒徑小于3mm，粉料的粒徑小于等于0.074mm。本專利技術的功能梯度炭素陽極在外觀、鋼爪配置、換極操作等方面與普通碳素陽極一致。原理和優勢本專利技術一種改質炭素陽極的制備方法，將現有陽極進行改質化處理，改質陽極有半石墨質碳顆粒及普通碳顆粒等構成，改質陽極炭塊由下至上，導電性、導熱性提高，且性質均勻穩定，確保陽極換極后，炭塊與電解質接觸的面可快速導電，縮短不導電周期。這種梯度陽極與普通炭素陽極相比，由于石墨的導電、導熱性能的增加，因此在陽極換極后能大幅度的縮短不導電周期，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，并改善電解槽運行工況，從而實現節能降耗。本專利技術加工對當前陽極工藝不需做較大的改變，易于實現。附圖說明：附圖1為實施例1快速生產改質炭素陽極生產的工藝圖。附圖2為本專利技術的改質炭素陽極結構示意圖。從圖1中可以看出本專利技術制備炭素陽極的工藝流程。圖2中，1為鋁導桿，2為陽極鋼爪，3為改質炭塊。具體實施方式實施例1按圖2所設計的結構，按圖1所設計的流程進行操作：其具體操作包括改質陽極原料半石墨質炭塊料的單獨加工，然后將半石墨質炭塊料與普通炭塊料經過破碎篩分至合適粒度，按比例加入粘結劑，混合均勻后加入到振動機組中，經過高頻振動加工成完整的陽極(振動頻率為50Hz)，然后與陽極鋼爪2、陽極導桿1組合裝配。其中半石墨質炭顆粒的制備方法包括粉碎、篩分、配料、混捏、振動成型、焙燒、破碎、篩分。本實施例中，制備半石墨質炭顆粒所用固體碳源可選為煅后石油焦、半石墨質石油焦、人造石墨碎；粘接劑為改質瀝青；以固體碳源與改質瀝青之和為百分之百，則固體碳源的質量占固體碳源與改質瀝青質量之和的85％、改質瀝青的質量占固體碳源與改質瀝青質量之和的15％；配取固體和改質瀝青混合均勻后，于150-180℃進行混捏；然后在130-150℃成型后，在1200℃進行焙燒20-40小時；冷卻后破碎篩分得到半石墨質炭顆粒，半石墨質炭顆粒的粒度小于12mm。普通陽極炭顆粒的生產工藝包括原料的準備、煅燒、破碎篩分、配料、混捏成型、焙燒等。其中陽極原料包括陽極主體組分(又稱骨料)和粘結劑兩大部分。主體組分包括煅后石油焦、殘極、生碎，粘結劑為改質瀝青。將主體部分和粘接劑的總質量計為百分之百，則煅后石油焦50％、殘極30％、生碎6％、粘結劑瀝青14％。陽極主體按質量百分數計包本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種改質炭素陽極，包括鋁導桿(1)、陽極鋼爪(2)；其特征在于：還包括改質炭塊(3)；所述陽極鋼爪(2)的頂部與鋁導桿(1)相連，陽極鋼爪(2)的底部與鋁導桿改質炭塊(3)的頂部相連；所述改質炭塊(3)是石墨化程度為30?40％的炭塊。

【技術特征摘要】
1.一種改質炭素陽極，包括鋁導桿（1）、陽極鋼爪（2）；其特征在于：還包括改質炭塊（3）；所述陽極鋼爪（2）的頂部與鋁導桿（1）相連，陽極鋼爪（2）的底部與鋁導桿改質炭塊（3）的頂部相連；所述改質炭塊（3）是石墨化程度為30-40%的炭塊；所述改質炭塊（3）是由普通炭顆粒和半石墨質炭顆粒按質量比；普通炭顆粒：半石墨質炭顆粒=1-1.5:1-1.2；所述改質炭塊（3）的制備方法為：以半石墨質炭顆粒、普通炭顆粒為原料，將半石墨質炭顆粒、普通炭顆粒與粘接劑混合均勻后加入振動機中，振動后的，得到所述改質炭塊（3）；其中粘接劑加入量與原料的質量比=1-1.5:4-4.5；振動的頻率為50-55Hz；所述粘接劑選自改質瀝青、中溫瀝青、高溫...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張紅亮，孫珂娜，李劼，梁金鼎，湯卓，肖勁，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發明
國別省市：湖南;43