专利名称：一种碳金属化合物复合材料的制作方法
技术领域：
本发明属于无机非金属材料领域，具体地涉及一种炼铝电解槽用的耐火材料-碳金属化合物复合材料。本发明还涉及上述碳金属化合物复合材料的制备方法。
背景技术：
铝电解是目前铝冶金的主要手段，应用氧化铝的电解制取原铝。电解槽通常采用碳阳极和碳阴极，以氟化铝等氟盐做为电解质，使Al2O3发生电化学反应，O2分子与阳极反应逸出，制得的铝液经净化澄清后，浇铸成铝材。该过程在铝电解槽中重要的物理场有六个电位场、电流场、磁场、温度场(热场)、流速场和浓度场。其中电流场是电解槽运行的能量基础；电流产生磁场，电流的热效应产生热场，磁场分布的不平衡导致电解质和铝液的运动，电解质和铝液的运动导致Al2O3和金属的扩散与溶解；温度场的分布不仅是保证电解过程得以进行的基础，也是影响能量平衡的重要因素，而且对熔体的运动及物质扩散也产生影响。如何有效地控制熔体运动使电解得以实现，且降低其无效的用功，需要对目前电解槽内的结构及电解工艺参数进行调整，达到降低能耗的目的，使目前冶炼吨铝消耗14000 度直流电耗降低到13160度，节约能源6%左右，其意义非常深远。铝电解槽底部阴极采用碳素材料，一般采用半石墨质碳阴极和全石墨质碳阴极两种。改善铝液流动状态是减少电耗的方法。在无机非金属材料中，可供选择的材料就是碳质和碳化硅两大类材料。但碳质材料虽然目前已有应用，并取得一定效果，但该材料从长期安全使用中存在以下问题(1)碳质材料密度小，一般在1. 50-1. 80g/cm3之间，相对于2. 3g/cm3密度的铝液来说，存在难以在铝液中的安放问题。为了解决安放问题，只有将阴极做成异型的，或者将材料直接固定在阴极上，这给电解槽的启动、正常运行带来了一系列的操作问题。(2)碳质材料强度低，一般在10_30MPa，对于铝液熔体的运动，材料自身受到很大磨损，IOOmm高的凸台运行100-120天后，磨损达50%左右，无法满足一代槽令2000天的要求。(3)碳质材料只能在大修槽中实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于炼铝电解槽的碳金属化合物复合材料。本发明的又一目的在于提供一种制备上述碳金属化合物复合材料的方法。为实现上述目的，本发明提供的碳金属化合物复合材料，其主要组分为SiC、C、 Si3N4和Si，其中SiC占总重量的50-95%,C占总重量的1-33%,Si3N4占总重量的1-35%, Si占总重量的0. 1-30% ο
所述的碳金属化合物复合材料中，SiC粒径为3-0毫米，其粒径组成及重量比为 3-1 毫米:1-0. 5 毫米< 0. 1 毫米为 2-6 0.1-3.5 1-5，C 为 0. 088-0 毫米，Si3N4 为 < 0. 1毫米，Si为< 0. 1毫米。本发明提供的制备上述碳金属化合物复合材料的方法，其主要步骤为1)将SiC、C、Si3N4和Si按上述比例称量配料、混练后成型；2)将步骤1所得的复合材料进行氮化烧成(氮气纯度为99.99 %)，温度为 1380-1560°C，时间为 100-200 小时；3)步骤2所得的复合材料于浙青浸渍液中浸渍8-60小时；4)步骤3所得的浸渍复合材料在氮气(氮气纯度为99.99 %)或埋碳中 200-1500°C焙烧，时间为48-200小时。所述的方法中，步骤B和步骤D的氮气空速比为1.8-5.证一1。所述的方法中，步骤D埋碳时固定碳与碳金属化合物复合材料的重量比为 0. 3-1. 5 1。本发明的碳金属化合物复合材料在用于炼铝电解槽时，除了可以避免公知碳质材料的缺点外，还具有以下性能(1)在950°C左右温度下与铝液不发生反应；(2)在950°C左右温度下，有优异的抗电解质的侵蚀能力；(3)体积密度在3. Og/cm3以上；(4)950°C左右温度下具有优异的耐熔体冲刷性能；(5)具有弱的导电性，对铝液无污染。
具体实施例方式本发明是按照耐火材料的配料、混炼、成型、氮化烧成及浸渍、检测等工艺制作的碳金属化合物复合材料。具体操作是，将SiC、C、Si3N4 和 Si 分别按照 50-95%、1-33%、1-35%和 0. 1-30% 重量比进行称量配料，经混砂机或高速混练机混练5-40分钟，混练好的泥料在1000吨摩擦压力机或其他成型设备上压制成砖坯，经150-200°C温度干燥16-84小时(此为公知技术，具体可参阅《耐火材料工艺学》，王维邦主编，冶金工业出版社，1993年)，干燥后砖坯在1380-1560°C温度下经过100-200小时的氮化烧成(氮气的空速比为1.8-5. ^T1)，然后在浙青浸渍液中浸渍8-60小时，最后在氮气(氮气的空速比为1.8-5. 5^1)或埋碳中 200-1500°C焙烧，时间为48-200小时(埋碳时固定碳与碳金属化合物复合材料的重量比为 0.3-1.5 1)。即可制作成该发明的碳金属化合物复合材料，其性能如下SiC 占总重量的 50-95% ；Si3N4 占总重量的 1-33% ；C占总重量的1-35% ；气孔率<22.8%;体积密度彡2. 47g/cm3 ；耐压强度彡17 IMPa ；抗折强度彡18MPa ；
高温抗折强度(1400X0.5h°C )彡 23MPa。实施例1把220公斤粒径3-1毫米的SiC、44公斤粒径1-0. 5毫米的SiC、176公斤粒径
<0. 1毫米的SiC、224公斤粒径0. 088-0毫米的C、120公斤粒径< 0. 1毫米的Si3N4、16公斤粒径< 0. 1毫米的Si，加入混练机中，混练5分钟，加入16公斤的糊精，混练5分钟，然后加入6%的水，混练30分钟，混练好的泥料在1000吨摩擦压力机或其他成型设备上压制成砖坯，经150°C温度干燥84小时，干燥后砖坯在1380°C温度下经过200小时的氮化烧成 (氮气的空速比为Ι.^Γ1)，然后在浙青浸渍液中浸渍60小时，最后在氮气(氮气的空速比为1. Sh-1)或埋碳中200°C焙烧，时间为200小时(埋碳时固定碳与碳金属化合物复合材料的重量比为0.3 1)。其性能为SiC占总重量的53.3%、C占总重量的25. 1%、Si3N4占总重量的 12. 6%、气孔率18. 2%、体积密度2. 75g/cm3、耐压强度221MPa、抗折强度38MPa、高温抗折强度(1400X0. 5h°C ) 4IMPaο实施例2 把沈0公斤粒径3-1毫米的SiC、52公斤粒径1-0. 5毫米的SiC、208公斤粒径
<0. 1毫米的SiC、120公斤粒径0. 088-0毫米的C、80公斤粒径< 0. 1毫米的Si3N4、80公斤粒径< 0. 1毫米的Si，加入混练机中，混练5分钟，加入16公斤的糊精，混练5分钟，然后加入6%的水，混练20分钟，混练好的泥料在1000吨摩擦压力机或其他成型设备上压制成砖坯，经200°C温度干燥16小时，干燥后砖坯在1560°C温度下经过100小时的氮化烧成 (氮气的空速比为5.证―1)，然后在浙青浸渍液中浸渍8小时，最后在氮气(氮气的空速比为 5. 5^1)或埋碳中1500°C焙烧，时间为48小时(埋碳时固定碳与碳金属化合物复合材料的重量比为1.5 1)。其性能为=SiC占总重量的61.2%、C占总重量的12.5%, Si3N4占总重量的 19. 2%、气孔率21. 0%、体积密度2. 58g/cm3、耐压强度185MPa、抗折强度25MPa、高温抗折强度(1400X0. 5h°C )29MPa0实施例3 把观0公斤粒径3-1毫米的SiC、56公斤粒径1-0. 5毫米的SiC、2M公斤粒径
<0. 1毫米的SiC、120公斤粒径0. 088-0毫米的C、64公斤粒径< 0. 1毫米的Si3N4、56公斤粒径< 0. 1毫米的Si，加入混练机中，混练5分钟，加入16公斤的糊精，混练5分钟，然后加入6%的水，混练40分钟，混练好的泥料在1000吨摩擦压力机或其他成型设备上压制成砖坯，经160°C温度干燥84小时，干燥后砖坯在1450°C温度下经过150小时的氮化烧成 (氮气的空速比为2. 91Γ1)，然后在浙青浸渍液中浸渍48小时，最后在氮气(氮气的空速比为2. Qh-1)或埋碳中600°C焙烧，时间为48小时(埋碳时固定碳与碳金属化合物复合材料的重量比为0.6 1)。其性能为=SiC占总重量的65.3%、C占总重量的12. 1%, Si3N4占总重量的 14. 4%、气孔率4. 0%、体积密度2. 85g/cm3、耐压强度230MPa、抗折强度50MPa、高温抗折强度(1400X0. 5h°C )60MPa。实施例4 把312公斤粒径3-1毫米的SiC、63公斤粒径1-0. 5毫米的SiC、249公斤粒径< 0. 1毫米的SiC、80公斤粒径0. 088-0毫米的CJ4公斤粒径< 0. 1毫米的Si3N4、72公斤粒径< 0. 1毫米的Si，加入混练机中，混练5分钟，加入16公斤的糊精，混练5分钟，然后加入6%的水，混练25分钟，混练好的泥料在1000吨摩擦压力机或其他成型设备上压制成砖坯，经180°C温度干燥84小时，干燥后砖坯在1500°C温度下经过150小时的氮化烧成 (氮气的空速比为4. ItT1)，然后在浙青浸渍液中浸渍60小时，最后在氮气(氮气的空速比为4. Ih-1)或埋碳中1000°C焙烧，时间为100小时(埋碳时固定碳与碳金属化合物复合材料的重量比为1.0 1)。其性能为=SiC占总重量的72. 4%,C占总重量的8. HSi3N4占总重量的11. 2%, 气孔率1. 0 %、体积密度3. OOg/cm3、耐压强度350MPa、抗折强度58MPa、高温抗折强度 (1400X0. 5h°C )65MPa。将上述实施例的复合材料在160KA、180KA、240KA、300KA的600余台铝电解槽上使用，吨铝直流电耗按国内平均的消耗水平14000度降低200-1000度不等，平均降低水平为 600度。随着电解技术的进一步完善，节能效果仍有提高的空间。
权利要求
1.一种炼铝电解槽用的碳金属化合物复合材料，其主要组分为Sic、C、Si3N4和Si，其中SiC占总重量的50-95%, C占总重量的1-33%, Si3N4占总重量的1-35%, Si占总重量的 0. 1-30% ο
2.一种制备权利要求1所述碳金属化合物复合材料的方法，其主要步骤为A)将SiC、C、Si3N4和Si按比例称量配料、混练后成型；B)将步骤A所得的复合材料进行氮化烧成，温度为1380-1560°C，时间为100-200小时；C)步骤B所得的复合材料于浙青浸渍液中浸渍8-60小时；D)步骤C所得的浸渍复合材料在氮气或埋碳中200-1500°C焙烧，时间为48-200小时。
3.如权利要求2所述的方法，其中，步骤B和步骤D中的氮气纯度为99.99%，空速比为 1. 8-5. 5h-l。
4.如权利要求2所述的方法，其中，步骤D埋碳时固定碳与碳金属化合物复合材料的重量比为 0. 3-1. 5 1。
5.权利要求1所述的碳金属化合物复合材料在炼铝电解槽电解液中的应用。
全文摘要
一种碳金属化合物复合材料，其主要组分为SiC、C、Si3N4和Si。上述碳金属化合物复合材料的制备方法为1)将SiC、C、Si3N4和Si按比例称量配料、混练后成型；2)进行氮化烧成，烧成温度为1380-1560℃，时间为100-200小时；3)沥青浸渍液中浸渍8-60小时；4)氮气或埋碳中200-1500℃焙烧，时间为48-200小时。本发明的碳金属化合物复合材料可以有效改善铝液流动状态以及降低炼铝工业的电耗。
文档编号C04B35/66GK102212844SQ20101014307
公开日2011年10月12日 申请日期2010年4月7日 优先权日2010年4月7日
发明者张建芳, 张永谦, 张玉涛, 李勇, 薄钧 申请人:中钢集团耐火材料有限公司