專利名稱：具有有序組織結(jié)構(gòu)的炭陽(yáng)極和兩段式焙燒工藝曲線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有有序組織結(jié)構(gòu)的炭陽(yáng)極和兩段式焙燒工藝曲線，屬于炭素制品的焙燒處理。
背景技術(shù)：
我國(guó)是世界第三產(chǎn)鋁大國(guó)，預(yù)計(jì)到2005年，我國(guó)大型預(yù)焙電解鋁年產(chǎn)量將突破400萬(wàn)噸。然而，作為大型預(yù)焙鋁電解槽的心臟——預(yù)焙炭陽(yáng)極，其質(zhì)量一直困擾著鋁行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展。炭陽(yáng)極質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到電流效率的高低、噸鋁直流電耗的多少和單槽日產(chǎn)鋁量的多少。
在現(xiàn)代炭素制造技術(shù)理論上，普遍公認(rèn)的炭素制品只是在粘結(jié)劑焦化物結(jié)合下骨料、氣孔(包括真氣孔和顯氣孔)的機(jī)械結(jié)合體，其組織結(jié)構(gòu)是雜亂無(wú)序的；炭陽(yáng)極的組織結(jié)構(gòu)也是雜亂無(wú)序的。
在上述理論的指導(dǎo)下，目前國(guó)內(nèi)外的炭陽(yáng)極產(chǎn)品均是以不定型碳粉粒為原料，加入粘結(jié)劑后制成生陽(yáng)極，然后在焙燒爐內(nèi)采用勻速升溫的工藝曲線進(jìn)行焙燒制成的鋁炭陽(yáng)極，其焙燒工藝中規(guī)定的最高止火保溫溫度一般為1200℃。在炭陽(yáng)極的焙燒過(guò)程中，其組織內(nèi)殘留的空氣、水蒸汽、粘結(jié)劑分解氣體會(huì)隨溫度的升高從組織內(nèi)排出，從而使炭陽(yáng)極產(chǎn)生顯氣孔。按照傳統(tǒng)的焙燒工藝，陽(yáng)極體內(nèi)產(chǎn)生的熱氣能可以從陽(yáng)極體的任意表面排出，因此由氣體排放而產(chǎn)生的顯氣孔開口方向無(wú)一致的方向性，熱氣對(duì)于粘結(jié)劑產(chǎn)生的作用力較小，粘結(jié)劑的分子排列不僅無(wú)一致的方向性，且密度較低，焦化物與骨料、氣孔之間的粘結(jié)力呈多向性，構(gòu)不成較大的合力，因此這種組織結(jié)構(gòu)呈無(wú)序性，其理化性能普遍較低。
國(guó)際上先進(jìn)水平的炭陽(yáng)極，是通過(guò)拼命提高生陽(yáng)極的假密度實(shí)現(xiàn)的；要提高生陽(yáng)極的假密度就需要較細(xì)粒度的骨料配比以及真空成型壓力設(shè)備，生產(chǎn)成本相對(duì)較高。然而，他們只能將假密度極高(平均1.66g/cm3)的生陽(yáng)極焙燒出1.55-1.57g/cm3的陽(yáng)極，比電阻率最低為48-52Ωmm2/m，抗壓強(qiáng)度≤42MPa。
下面我們引用科學(xué)家們關(guān)于提高陽(yáng)極質(zhì)量，降低陽(yáng)極凈消耗對(duì)鋁廠經(jīng)濟(jì)效益影響的理論研究1、降低陽(yáng)極消耗可提高電流效率式(1)Nc=C+334CE+1.2(BT-960)-1.7CRR+9.3AP+8TC-15ARR]]>
式中Nc陽(yáng)極凈消耗，Kg/T-Al；C-電解槽系數(shù)；CE-電流效率，％；BT-電解溫度，℃；CRP-陽(yáng)極CO2反應(yīng)率系數(shù)，％；AP-陽(yáng)極空氣滲透率，nPm；TC-陽(yáng)極熱導(dǎo)率，W/m，K；ARR-陽(yáng)極空氣反應(yīng)率余數(shù)，％。
由上式可知陽(yáng)極凈消耗(Nc)與電流效率(CE)呈反比關(guān)系，降低Nc可提高CE；從本式也可以看出陽(yáng)極凈消耗與電解工藝參數(shù)和陽(yáng)極質(zhì)量參數(shù)的關(guān)系。
2、降低陽(yáng)極消耗會(huì)增加鋁產(chǎn)量式(2)P＝8.052×I×CE×∑(Nt)×10-6式中P-電解槽系列的鋁產(chǎn)量，T；8.052-鋁電化學(xué)常數(shù)與每晝夜時(shí)數(shù)的乘積，g/A.d；I-平均電流強(qiáng)度，A；CE-電流效率，％；∑(Nt)-槽晝夜總數(shù)，其中N-槽數(shù)，t-槽運(yùn)行的晝夜數(shù)。
由式(2)可知電解槽的鋁產(chǎn)量與電流效率成正比，CE越高P越大，已知Nc降低可提高CE，由此推知降低Nc會(huì)提高P。
由式(2)還知在CE和∑(Nt)不變的前提下，提高I也會(huì)增加P，這是強(qiáng)化電流或提高陽(yáng)極電流密度來(lái)提高鋁產(chǎn)量。如果陽(yáng)極質(zhì)量差，就無(wú)法強(qiáng)化電流提高陽(yáng)極電流密度。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必須以提高陽(yáng)極質(zhì)量為前提。
3、降低陽(yáng)極消耗會(huì)降低電耗式(3)W=2980U‾CE]]>式中W-電耗，KWh/T-Al；U-槽平均電壓，V；CE-電流效率，％；2980-常數(shù)。
式(3)反應(yīng)了鋁電解電耗與槽平均電壓和電流效率的關(guān)系，當(dāng)U不變時(shí)，提高CE會(huì)降低W。根據(jù)式(1)，CE與Nc量反比關(guān)系，則可推知降低Nc可降低W。由式(3)還知槽平均電壓U與W成正比關(guān)系，降低U可降低W，而要降低U很重要的是降低陽(yáng)極電阻率。
從以上理論研究中我們可以明顯看出降低陽(yáng)極凈消耗的重大經(jīng)濟(jì)效益，而要降低陽(yáng)極凈消耗就必須提高陽(yáng)極質(zhì)量。我國(guó)鋁行業(yè)的管理者和科技人員在20多年中做了大量的外引內(nèi)研工作，炭陽(yáng)極的生產(chǎn)設(shè)備水平雖有明顯提高，但陽(yáng)極質(zhì)量仍處在一個(gè)較低的水平。我國(guó)鋁企業(yè)20余年來(lái)炭陽(yáng)極的凈消耗一直保持在450-470Kg/T-Al，只有少數(shù)企業(yè)陽(yáng)極凈消耗達(dá)到420Kg/T-Al，國(guó)際先進(jìn)水平的陽(yáng)極凈消耗為400±20Kg/T-Al。
三、技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種顯氣孔率低，理化性能好，質(zhì)量高、壽命長(zhǎng)的具有有序組織結(jié)構(gòu)的炭陽(yáng)極和兩段式焙燒工藝曲線。
本發(fā)明的炭陽(yáng)極，其特征是在陽(yáng)極的側(cè)表面上涂有無(wú)機(jī)耐高溫密封涂料，陽(yáng)極顯氣孔的開口方向均朝著高度方向的上表面或下表面，具有一致的方向性，粘結(jié)劑分子也按熱氣排放方向排列，粘結(jié)劑焦化物與骨料、氣孔的結(jié)合力具有矢量性。
為了使陽(yáng)極產(chǎn)生有序的組織結(jié)構(gòu)，我們采取了兩段式焙燒工藝曲線，其特征是將生陽(yáng)極在焙燒爐內(nèi)以6-8℃/h的速度勻速升溫至粘結(jié)劑臨界析焦溫度區(qū)，選擇一個(gè)溫度點(diǎn)，采取一次以上的降溫、等溫、升溫，或一次以上和等溫、升溫，也可以采取0.5-4℃/h的升溫速度慢速升溫，或是采取等溫和慢速升溫的組合后，再均速升溫至1050-1100℃止火、保溫。
上述降溫時(shí)所降溫度為50-80℃，等溫時(shí)間為2-10小時(shí)。
我們知道生陽(yáng)極的焙燒過(guò)程，主要是通過(guò)粘結(jié)劑在不同的溫度區(qū)組織形態(tài)發(fā)生變化，與骨料和氣孔產(chǎn)生不同結(jié)合形態(tài)變化的過(guò)程。粘結(jié)劑經(jīng)歷了從固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)→焦化物四個(gè)不同形態(tài)的轉(zhuǎn)變，生陽(yáng)極的組織結(jié)構(gòu)也同樣發(fā)生著變化粘結(jié)劑由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，伴隨著殘留空氣受熱膨脹和水向水蒸汽向外排出便產(chǎn)生了低溫區(qū)的顯氣孔，當(dāng)溫度升到180-350℃中溫區(qū)時(shí)，粘結(jié)劑由液態(tài)發(fā)生部分分解，陽(yáng)極組織中除了低溫區(qū)產(chǎn)生的顯氣孔，還產(chǎn)生了由分解氣體排放產(chǎn)生的顯氣孔；當(dāng)粘結(jié)劑處于臨界析焦溫度區(qū)，粘結(jié)劑是液態(tài)、氣態(tài)、焦化物共存期，這時(shí)陽(yáng)極組織變化極大，也非常不穩(wěn)定，伴隨著焦化物的增長(zhǎng)，陽(yáng)極組織緩慢收縮。但是，按傳統(tǒng)的工藝曲線，當(dāng)粘結(jié)劑處于臨界析焦溫度區(qū)時(shí)，仍然勻速升溫，熱能造成了組織繼續(xù)長(zhǎng)大，阻礙了組織收縮和體積密度提高，等析焦過(guò)程完成后，組織基本定型，陽(yáng)極的理化性能也基本定型，這就是現(xiàn)行焙燒工藝曲線造成陽(yáng)極質(zhì)量低劣的原因。而采用兩段式焙燒工藝曲線，在粘結(jié)劑析焦溫度區(qū)內(nèi)，選擇溫度點(diǎn)進(jìn)行降溫等溫、直接等溫或慢速升溫一定時(shí)間可使陽(yáng)極的顯氣孔率明顯降低，顯氣孔的直徑由大變小，由連通變?yōu)樽钄?，另外給陽(yáng)極組織收縮創(chuàng)造了降溫或恒溫條件，使其有比較充分的時(shí)間進(jìn)行體積收縮，焦化物長(zhǎng)大。根據(jù)我們用這種方法進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，可以使假密度為1.54g/cm3的生陽(yáng)極焙燒出1.52g/cm3假密度的陽(yáng)極，比電阻率可降到42Ωmm2/m，抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到44MPa。如果我們用更高密度的生陽(yáng)極，可以焙燒出更優(yōu)質(zhì)的陽(yáng)極，在電解槽上試驗(yàn)，陽(yáng)極的凈消耗為400±10Kg/T-Al，陽(yáng)極的平均壽命≥29天。
本發(fā)明的效果是1、正向電阻率低，有利于槽平均電壓降低；側(cè)向假密度高，有利于抵抗電解質(zhì)侵入破壞組織強(qiáng)度，更有利于提高陽(yáng)極電流密度，提高電流效率和增加槽日產(chǎn)鋁量；
2、經(jīng)濟(jì)效益顯著，到2005年預(yù)計(jì)我國(guó)大型預(yù)焙電解鋁年產(chǎn)量為400萬(wàn)噸，現(xiàn)行焙燒工藝曲線生產(chǎn)的陽(yáng)極平均凈消耗460Kg/T·Al，本發(fā)明的陽(yáng)極凈消耗平均為400±10Kg/T-Al，凈節(jié)約50Kg/T·Al，全國(guó)年凈消耗陽(yáng)極將節(jié)約20萬(wàn)噸；3、目前我國(guó)大型預(yù)焙鋁電解槽平均電流效率為91-91.5％，根據(jù)理論和實(shí)踐，如果陽(yáng)極凈消耗達(dá)到400±10Kg/T·Al，電流效率平均可達(dá)93.5-94％，這就意味著我國(guó)每年可增加鋁產(chǎn)量11-12萬(wàn)噸；4、由于陽(yáng)極質(zhì)量的提高，陽(yáng)極使用壽命從平均26天延長(zhǎng)到29天，平均延長(zhǎng)約10％左右，一方面使電解槽的電解工藝參數(shù)穩(wěn)定性提高了，另外所有與陽(yáng)極生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用管理的各道工序的工作量及消耗也都降低了10％左右；5、現(xiàn)行焙燒工藝的最高止火保溫溫度一般為1200℃，而兩段式焙燒工藝的最高止火保溫溫度為1050-1100℃，不僅可以節(jié)約大量能源，也可明顯地延長(zhǎng)焙燒爐襯的使用壽命。
四

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-陽(yáng)極體，2-涂料，3-顯氣孔；圖2為現(xiàn)行預(yù)焙陽(yáng)極的焙燒工藝曲線參考示意圖，其中a曲線是160小時(shí)焙燒工藝曲線，b曲線是180小時(shí)焙燒工藝曲線；圖3為160小時(shí)慢升溫兩段式焙燒工藝曲線示意圖；圖4為180小時(shí)兩次等溫焙燒的兩段式焙燒工藝曲線示意圖；圖5為180小時(shí)一次等溫加慢升溫焙燒的兩段式焙燒工藝曲線示意圖；圖6為180小時(shí)降溫→等溫→升溫的兩段式焙燒工藝曲線示意圖。
五具體實(shí)施例方式
將無(wú)機(jī)耐高溫密封涂料攪拌均勻，用噴槍如圖1所示，將制好的生陽(yáng)極四周表面噴涂0.25-0.3mm厚涂料，其四周上下分別留出50mm和20mm的寬帶不噴涂料，使其自然固化；在焙燒時(shí)，將生陽(yáng)極側(cè)放，以便體內(nèi)氣體從上、下表面排放，焙燒溫度從升溫至400℃，爐內(nèi)應(yīng)保持1200-400Pa的負(fù)壓，以利陽(yáng)極體內(nèi)氣體排放，減少熱應(yīng)力；升溫達(dá)到粘結(jié)劑臨界析焦溫度區(qū)段，爐內(nèi)負(fù)壓不超過(guò)100Pa，等溫時(shí)間4-10小時(shí)，繼續(xù)勻速升溫至1100℃止火保溫，待陽(yáng)極焙燒為成品，并組裝陽(yáng)極導(dǎo)桿、澆鑄磷生鐵固定后，再將上表面和50mm寬帶噴上涂料，使陽(yáng)極成為一個(gè)復(fù)合密封體。
權(quán)利要求
1.一種具有有序組織結(jié)構(gòu)的炭陽(yáng)極，其特征是在陽(yáng)極的側(cè)表面上涂有無(wú)機(jī)耐高溫密封涂料，陽(yáng)極顯氣孔的開口方向均朝著高度方向的上表面或下表面，具有一致的方向性，粘結(jié)劑分子也按熱氣排放方向排列，粘結(jié)劑焦化物與骨料、氣孔的結(jié)合力具有矢量性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的炭陽(yáng)極，其特征是涂料的厚度為0.25-0.3mm。
3.一種兩段式焙燒工藝曲線，其特征是將生陽(yáng)極在焙燒爐內(nèi)以6-8℃/h的速度勻速升溫至粘結(jié)劑臨界析焦溫度區(qū)，選擇一個(gè)溫度點(diǎn)，采取一次以上的降溫、等溫、升溫，或一次以上的等溫、升溫，也可以采取0.5-4℃/h的升溫速度慢速升溫，或是采取等溫和慢速升溫的組合后，再均速升溫至1050-1100℃止火、保溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝曲線，其特征是降溫時(shí)降溫度為50-80℃，等溫時(shí)間為2-10小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有有序組織結(jié)構(gòu)的炭陽(yáng)極和兩段式焙燒工藝曲線，屬于炭素制品的焙燒處理。主要是解決現(xiàn)有炭陽(yáng)極組織結(jié)構(gòu)無(wú)序，密度低，導(dǎo)致其理化性能普遍偏低的問(wèn)題。其具體解決方式是在生陽(yáng)極的側(cè)表面均勻地涂上無(wú)機(jī)耐高溫密封涂料，在焙燒爐內(nèi)采取兩段式焙燒工藝曲線即在粘結(jié)劑的臨界析焦溫度區(qū)內(nèi)采取0.5－4℃/h的升溫速度或采取一次以上“升溫→降溫→等溫→再升溫”或“采取一次以上等溫→升溫”的焙燒工藝曲線進(jìn)行焙燒，使陽(yáng)級(jí)顯氣孔的開口方向均朝著高度方向的上表面或下表面，其優(yōu)點(diǎn)是正向電阻率低，側(cè)向假密度高，各項(xiàng)理化性能明顯提高，且節(jié)能、降耗、環(huán)保，適合預(yù)焙鋁電解槽的炭陽(yáng)極的生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C25C3/00GK1396310SQ0212944
公開日2003年2月12日 申請(qǐng)日期2002年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月26日
發(fā)明者李世法, 李旭東, 熊偉, 郭志俊 申請(qǐng)人:李世法