一种改质炭素阳极及其制备方法与流程

本发明涉及一种改质炭素阳极及其制备方法；属于铝电解槽阳极开发技术领域。

背景技术：
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℃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——破坏热平衡——建立新的热平衡的过程。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。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。

技术实现要素：
本发明针对现有铝电解槽阳极存在的不足之处，提供一种改质炭素阳极及其制备方法。本发明一种改质炭素阳极包括：由普通炭颗粒与半石墨质炭颗粒的混合料构成的改质炭块(3)，所述改质炭块(3)的石墨化程度为30-40％。本发明一种改质炭素阳极包括：铝导杆(1)、阳极钢爪(2)、改质炭块(3)、；所述阳极钢爪(2)的顶部与铝导杆(1)相连，阳极钢爪(2)的底部与铝导杆改质炭块(3)的顶部相连。本发明一种改质炭素阳极的制备方法，半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒为原料，将半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒与粘接剂混合均匀，然后加入振动机中，振动后的，得到所述炭素阳极；所述所述粘接剂与原料的质量比为1-1.5:4-4.5。本发明一种改质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。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12mm。本发明一种改质炭素阳极的制备方法，振动的频率为50-55Hz。本发明一种改质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：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℃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。本发明一种改质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：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：粗颗粒料14-20％、中颗粒料8-10％、细颗粒料45-54％、粉料22-25％；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。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。原理和优势本发明一种改质炭素阳极的制备方法，将现有阳极进行改质化处理，改质阳极有半石墨质碳颗粒及普通碳颗粒等构成，改质阳极炭块由下至上，导电性、导热性提高，且性质均匀稳定，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。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：附图1为实施例1快速生产改质炭素阳极生产的工艺图。附图2为本发明的改质炭素阳极结构示意图。从图1中可以看出本发明制备炭素阳极的工艺流程。图2中，1为铝导杆，2为阳极钢爪，3为改质炭块。具体实施方式实施例1按图2所设计的结构，按图1所设计的流程进行操作：其具体操作包括改质阳极原料半石墨质炭块料的单独加工，然后将半石墨质炭块料与普通炭块料经过破碎筛分至合适粒度，按比例加入粘结剂，混合均匀后加入到振动机组中，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。其中半石墨质炭颗粒的制备方法包括粉碎、筛分、配料、混捏、振动成型、焙烧、破碎、筛分。本实施例中，制备半石墨质炭颗粒所用固体碳源可选为煅后石油焦、半石墨质石油焦、人造石墨碎；粘接剂为改质沥青；以固体碳源与改质沥青之和为百分之百，则固体碳源的质量占固体碳源与改质沥青质量之和的85％、改质沥青的质量占固体碳源与改质沥青质量之和的15％；配取固体和改质沥青混合均匀后，于150-180℃进行混捏；然后在130-150℃成型后，在1200℃进行焙烧20-40小时；冷却后破碎筛分得到半石墨质炭颗粒，半石墨质炭颗粒的粒度小于12mm。普通阳极炭颗粒的生产工艺包括原料的准备、煅烧、破碎筛分、配料、混捏成型、焙烧等。其中阳极原料包括阳极主体组分(又称骨料)和粘结剂两大部分。主体组分包括煅后石油焦、残极、生碎，粘结剂为改质沥青。将主体部分和粘接剂的总质量计为百分之百，则煅后石油焦50％、残极30％、生碎6％、粘结剂沥青14％。阳极主体按质量百分数计包括：粗颗粒料20％、中颗粒料10％、细颗粒料45％、粉料25％；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。将上述制得的半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒、粘接剂按设计的量(加入振动机中，振动后(其频率为50Hz)，得到所述炭素阳极；所述所述粘接剂与原料(由半石墨质炭颗粒和普通炭颗粒组成)的质量比为4:16。得到石墨化程度为30％-35％的改质炭块。本实施例中，半石墨质炭颗粒、普通炭颗粒所占的重量比为1-1.5:1-1.2。改质炭块和铝导杆、阳极钢爪组装后得到改质炭素阳极，并将改质炭素阳极用于500KA(电解槽的型号)制备电解铝时，换极对电解槽的影响约持续15-17小时。与现有的24小时相比较，其大大缩短了影响的持续时间。加工出来的阳极炭块性能对比见表2，可见本例的改质碳素阳极炭块的导电性、导热性与普通阳极炭块相比有明显的提高。表1我国最新预焙阳极质量标准(YST285-2007)表2阳极炭块性能对比