一種快速導電梯度炭素陽極及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種快速導電梯度炭素陽極及其制備方法；屬于鋁電解槽陽極制備技 術領域。
【背景技術】
[0002] 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°C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一一破壞熱 平衡一一建立新的熱平衡的過程。
[0003] 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。
[0004] 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實用新型專利，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。

【發明內容】

[0005] 本發明針對現有鋁電解槽陽極存在的不足之處，提供一種快速導電梯度炭素陽極 及其制備方法。
[0006] 本發明一種快速導電梯度炭素陽極包括：普通炭塊（3)、半石墨質炭塊（4)，全石 墨化炭塊（5);所述半石墨質炭塊（4)位于普通炭塊（3)與全石墨化炭塊（5)之間，所述半 石墨質炭塊（4)的石墨化程度為40-50%。
[0007] 本發明一種快速導電梯度炭素陽極包括：鋁導桿（1)、陽極鋼爪（2)、普通炭塊 (3)、半石墨質炭塊（4)，全石墨化炭塊（5);所述陽極鋼爪（2)的頂部與鋁導桿（1)相連，陽 極鋼爪（2)的底部與鋁導桿普通炭塊（3)的頂部相連，普通炭塊（3)的底部與半石墨質炭 塊（4)的頂部相連；所述半石墨質炭塊（4)的底部與全石墨化炭塊（5)相連。
[0008] 本發明一種快速導電梯度炭素陽極所述全石墨化炭塊（5)、半石墨質炭塊（4)、 普通炭塊⑶的厚度之比為，全石墨化炭塊（5):半石墨質炭塊（4):普通炭塊（3)= 1-2:1-2:2-6;優選為1:1:2-1:1:3。即全石墨化炭塊（5)、半石墨質炭塊（4)與普通炭塊 (3)的質量比為 1-2:1-2:2-6、優選為 1:1:2-1:1:3。
[0009] 本發明一種快速導電梯度炭素陽極，所述全石墨化炭塊（5)的厚度根據實際應用 時電解槽的尺寸進行調整。
[0010] 本發明一種快速導電梯度炭素陽極的制備方法，以全石墨化炭顆粒、半石墨質炭 顆粒、普通炭顆粒為原料，先將全石墨化炭顆粒、半石墨質炭顆粒、普通炭顆粒按設計的量 依次加入振動機中，振動后的，得到所述炭素陽極；依次加入全石墨化炭顆粒、半石墨質炭 顆粒、普通炭顆粒時，等比例加入粘接劑，所述所述粘接劑與原料的質量比為3-4:16-17。。 在本發明中所述等比例加入粘接劑是指，假設所述粘接劑與原料的質量比選自A :B，且全 石墨化炭顆粒占原料總質量的C%時，那么再加入全石墨化炭顆粒時，加入粘接劑的質量為 (AX原料質量/B) XC%;依次類推，可以計算在加入半石墨質炭顆粒時，等比例所加入的粘 接劑的用量；同理也可已計算出加入普通炭顆粒時，等比例所加入的粘接劑的用量。
[0011] 本發明一種快速導電梯度炭素陽極的制備方法，全石墨化炭顆粒、半石墨質炭顆 粒、普通炭顆粒的質量比為1-2:1-2:2-6、優選為1:1:2-1:1:3。
[0012] 本發明一種快速導電梯度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。
[0013] 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12_。
[0014] 本發明一種快速導電梯度炭素陽極的制備方法，振動的頻率為50-55HZ。
[0015] 本發明一種快速導電梯度炭素陽極的制備方法，所述全石墨化炭顆粒是通過下述 步驟制備的：
[0016]步驟一
[0017] 按質量比，煅后石油焦：改質瀝青=7-8:2_3,配取煅后石油焦和改質瀝青混合均 勻后，于1100-1200°C進行焙燒20-40小時；得到首次焙燒產物；
[0018]步驟二
[0019]將步驟以所得焙燒產物浸漬于改質瀝青中，浸漬3-4小時后，取出并進行第二次 焙燒，第二次焙燒的溫度為700_800°C、時間為3-4小時、氣氛為保護氣氛；浸漬時控制壓力 為1. 4-1. 6MPa ;得到第二次焙燒產物；
[0020] 步驟三
[0021] 將步驟二所得第二次焙燒產物置于石墨化爐內、于2600-300(TC進行石墨化處理 直至第二次焙燒產物完全石墨化后，進行破碎，得到全石墨化炭顆粒。
[0022] 本發明一種快速導電梯度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：
[0023] 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°C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。
[0024] 本發明一種快速導電梯度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：
[0025] 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：
[0026]粗顆粒料 14-20 %、
[0027] 中顆粒料8-10%、
[0028]細顆粒料 45-54%、
[0029]粉料 22-25 %;
[0030] 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。
[0031] 本發明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。
[0032] 原理和優勢
[0033] 本發明一種快速導電梯度炭素陽極的制備方法，采用梯度結構設置，炭塊最下層 到最上層依次由石墨化炭塊、半石墨質炭塊及普通炭塊構成等構成，形成了陽極炭塊由下 至上，導電性、導熱性依次遞減，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。
[0034] 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。本發明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】：
[0035] 附圖1為實施例1生產炭素陽極生產的工藝圖。
[0036] 附圖2為本發明的炭素陽極結構示意圖。
[0037] 從圖1中可以看出實施例制備炭素陽極的工藝流程；
[0038] 圖2中，1為鋁導桿，2為陽極鋼爪，3為普通炭塊，4為半石墨質炭塊，5為全石墨化 炭塊。
【具體實施方式】
[0039] 實施例1
[0040] 按圖2所設計的結構，按圖1所設計的流程進行操作：
[0041] 其具體操作包括陽極底部全石墨化炭塊料5的單獨加工，中間層半石墨質炭塊料 4的單獨加工，最終將全石墨化炭塊料、半石墨質炭塊料與最上層的普通炭塊料3依次加入 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。其中全石墨化炭顆粒的制備方法，包含步驟：原料破碎、配料、混捏、