一种快速导电梯度炭素阳极及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种快速导电梯度炭素阳极及其制备方法；属于铝电解槽阳极制备技 术领域。
【背景技术】
[0002] 在预焙阳极铝电解槽中，阳极的使用周期为28~31d，当阳极达到使用周期时，残 极厚度约为15~17cm，如果继续使用，就会发生阳极钢爪熔化现象，因此，需要根据预焙阳 极结构设计和组装情况，在保持一定残极高度情况下及时更换阳极，从而保证铝电解槽的 正常稳定运行。铝电解槽中有温度场，物料场和电磁场。阳极的更换对"三场"都具有一定 影响，但其影响最大的是温度场。正常稳定运行的铝电解槽是处于热平衡状态的。换极前， 正常运行的铝电解槽保持着相对的能量平衡，浸入电解质中的阳极部分温度和电解质温度 是相同的，阳极上部分的温度也高达600~700°C当高温残极由电解槽中拔出时，一方面残 极会从电解质中带走一部分热量；另一方面，拔出阳极的位置会出现一定的空间，也会散失 一部分热量，因为从拔出阳极到新阳极上槽需要一定的时间；此外，当室温新阳极安装到电 解槽上并浸入电解质中时，由于二者之间巨大的温差，新阳极也会从电解质中吸收大量的 热量，直至在二者界面达到新的热平衡为止。因此，换极过程实际上就是热平衡一一破坏热 平衡一一建立新的热平衡的过程。
[0003] 通常，换极对电解槽的影响约持续24h。在这期间，新换的阳极浸入电解质部分由 室温逐步被电解质加热，在换极后约24h，阳极温度基本与电解质温度相当。刚刚换入电解 槽的新阳极几乎是不导电的，这是因为这时阳极与电解质之间存在巨大温差，在阳极浸入 电解质的一刹那，与阳极底掌接触的电解质骤然遇到激冷，在阳极底掌表面形成一层电解 质凝壳，这一层凝壳将液态电解质与阳极完全隔离，从而使得以导电性碳材料制造的阳极 炭块失去导电作用。加之，在阳极底掌表面形成电解质凝壳的同时，由于热传导的作用，邻 近阳极底掌部分的电解质失去的热量相对远离阳极处要快的多，从而使得阳极附近电解质 的粘度增加。而电解质粘度的增加，也使得阳极气体不易排出，炭渣分离不清，增加了电解 质的电阻率，导致该部分电解质导电性下降。
[0004] 因此，对于如何缩短由于阳极换极带来的电解槽内较长时间的不导电周期，不仅 对于铝电解行业实现节能降耗的良好发展具有重要意义，同时也是实现电解槽"三场"稳 定，槽况运行良好的基础。关于改善换极温度对槽况的影响，目前采取的办法有实施阳极预 热，如利用电解槽烟气余热对预焙阳极进行预热，但在国内尚无成功应用的报道，而利用换 下的高温残极对阳极进行预热，与该技术相关的仅有一个实用新型专利，名为《阳极块预热 交换装置》，授权公告为CN201347457Y，该技术实施过程中，需要建设一系列中高温烟气管 线，并要对管线进行防腐处理，而且要单独建设阳极预热间，不但投资大，并且运行成本高。 因此，在不增加过多投资的的前提下，换极后阳极快速导电，缩短不导电周期对铝电解槽节 能降耗的实现起到关键作用。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有铝电解槽阳极存在的不足之处，提供一种快速导电梯度炭素阳极 及其制备方法。
[0006] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极包括：普通炭块（3)、半石墨质炭块（4)，全石 墨化炭块（5);所述半石墨质炭块（4)位于普通炭块（3)与全石墨化炭块（5)之间，所述半 石墨质炭块（4)的石墨化程度为40-50%。
[0007] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极包括：铝导杆（1)、阳极钢爪（2)、普通炭块 (3)、半石墨质炭块（4)，全石墨化炭块（5);所述阳极钢爪（2)的顶部与铝导杆（1)相连，阳 极钢爪（2)的底部与铝导杆普通炭块（3)的顶部相连，普通炭块（3)的底部与半石墨质炭 块（4)的顶部相连；所述半石墨质炭块（4)的底部与全石墨化炭块（5)相连。
[0008] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极所述全石墨化炭块（5)、半石墨质炭块（4)、 普通炭块⑶的厚度之比为，全石墨化炭块（5):半石墨质炭块（4):普通炭块（3)= 1-2:1-2:2-6;优选为1:1:2-1:1:3。即全石墨化炭块（5)、半石墨质炭块（4)与普通炭块 (3)的质量比为 1-2:1-2:2-6、优选为 1:1:2-1:1:3。
[0009] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极，所述全石墨化炭块（5)的厚度根据实际应用 时电解槽的尺寸进行调整。
[0010] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，以全石墨化炭颗粒、半石墨质炭 颗粒、普通炭颗粒为原料，先将全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒按设计的量 依次加入振动机中，振动后的，得到所述炭素阳极；依次加入全石墨化炭颗粒、半石墨质炭 颗粒、普通炭颗粒时，等比例加入粘接剂，所述所述粘接剂与原料的质量比为3-4:16-17。。 在本发明中所述等比例加入粘接剂是指，假设所述粘接剂与原料的质量比选自A :B，且全 石墨化炭颗粒占原料总质量的C%时，那么再加入全石墨化炭颗粒时，加入粘接剂的质量为 (AX原料质量/B) XC%;依次类推，可以计算在加入半石墨质炭颗粒时，等比例所加入的粘 接剂的用量；同理也可已计算出加入普通炭颗粒时，等比例所加入的粘接剂的用量。
[0011] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗 粒、普通炭颗粒的质量比为1-2:1-2:2-6、优选为1:1:2-1:1:3。
[0012] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，所述粘接剂选自改质沥青、中温 沥青、高温沥青中的一种，优选为改质沥青。
[0013] 其中全石墨化炭颗粒、半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒越细碎越好，粒径小于12_。
[0014] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，振动的频率为50-55HZ。
[0015] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，所述全石墨化炭颗粒是通过下述 步骤制备的：
[0016]步骤一
[0017] 按质量比，煅后石油焦：改质沥青=7-8:2_3,配取煅后石油焦和改质沥青混合均 匀后，于1100-1200°C进行焙烧20-40小时；得到首次焙烧产物；
[0018]步骤二
[0019]将步骤以所得焙烧产物浸渍于改质沥青中，浸渍3-4小时后，取出并进行第二次 焙烧，第二次焙烧的温度为700_800°C、时间为3-4小时、气氛为保护气氛；浸渍时控制压力 为1. 4-1. 6MPa ;得到第二次焙烧产物；
[0020] 步骤三
[0021] 将步骤二所得第二次焙烧产物置于石墨化炉内、于2600-300(TC进行石墨化处理 直至第二次焙烧产物完全石墨化后，进行破碎，得到全石墨化炭颗粒。
[0022] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，所述半石墨质炭颗粒是通过下述 步骤制备的：
[0023] 按质量比，固体碳源：改质沥青=8-9:1-2,配取固体和改质沥青混合均匀后，于 1000-1200°C进行焙烧20-40小时；得到半石墨质炭颗粒；所述固体碳源选自石油焦、沥青 焦、残极、生碎及焙烧碎中的至少一种；优选为煅后石油焦、半石墨质石油焦，人造石墨碎中 的至少一中；进一步优选为煅后石油焦。
[0024] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，所述普通炭颗粒可采用现有碳素 阳极制备方法进行制备；也可采用下述方法制备：
[0025] 按质量比阳极主体：粘结剂=82-86:14-18,配取阳极主体和粘结剂后混合均匀， 干燥，破碎，得到所述普通炭颗粒；所述阳极主体选自煅后石油焦、沥青焦、残极、生碎及焙 烧碎中的至少一种；所述阳极主体按质量百分数计包括：
[0026]粗颗粒料 14-20 %、
[0027] 中颗粒料8-10%、
[0028]细颗粒料 45-54%、
[0029]粉料 22-25 %;
[0030] 所述粗颗粒料的粒径为6-12mm，中颗粒料的粒径为3-6mm，细颗粒料的粒径小于 3mm，粉料的粒径小于等于0. 074mm。
[0031] 本发明的功能梯度炭素阳极在外观、钢爪配置、换极操作等方面与普通碳素阳极 一致。
[0032] 原理和优势
[0033] 本发明一种快速导电梯度炭素阳极的制备方法，采用梯度结构设置，炭块最下层 到最上层依次由石墨化炭块、半石墨质炭块及普通炭块构成等构成，形成了阳极炭块由下 至上，导电性、导热性依次递减，确保阳极换极后，炭块与电解质接触的面可快速导电，缩短 不导电周期。
[0034] 这种梯度阳极与普通炭素阳极相比，由于石墨的导电、导热性能的增加，因此在阳 极换极后能大幅度的缩短不导电周期，因而尽可能的减少了电解槽电流效率的损失以及能 量消耗，并改善电解槽运行工况，从而实现节能降耗。本发明加工对当前阳极工艺不需做较 大的改变，易于实现。
【附图说明】：
[0035] 附图1为实施例1生产炭素阳极生产的工艺图。
[0036] 附图2为本发明的炭素阳极结构示意图。
[0037] 从图1中可以看出实施例制备炭素阳极的工艺流程；
[0038] 图2中，1为铝导杆，2为阳极钢爪，3为普通炭块，4为半石墨质炭块，5为全石墨化 炭块。
【具体实施方式】
[0039] 实施例1
[0040] 按图2所设计的结构，按图1所设计的流程进行操作：
[0041] 其具体操作包括阳极底部全石墨化炭块料5的单独加工，中间层半石墨质炭块料 4的单独加工，最终将全石墨化炭块料、半石墨质炭块料与最上层的普通炭块料3依次加入 到振动机组中，经过高频振动加工成完整的阳极（振动频率为50Hz)，然后与阳极钢爪2、阳 极导杆1组合装配。其中全石墨化炭颗粒的制备方法，包含步骤：原料破碎、配料、混捏、