一種自潤複合層惰性陰極碳塊的製作方法

2023-05-03 12:58:16

專利名稱：一種自潤複合層惰性陰極碳塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁電解工業用陰極碳素材料。特別是涉及鋁電解用電 解槽的自潤複合層t性陰極碳塊。
背景技術：
中國專利說明書CN1620.08A披露了鋁電解槽陰極碳塊及其製作方法， 它主要是採用擠壓成型、環式焙燒爐焙燒的方法生產整體為電煅煤和煤新 青混合物的陰極碳塊。現在還有普遍使用的半石墨碳塊是由電煅煤和人造 石墨加煤瀝青混合焙燒而成。由於普通陰極碳塊和半石墨陰極碳塊具有電 阻率低、熱穩定性好，有一定的.耐電解質和溶渣鐵水侵蝕的能力，.被廣泛 用於鋁電解槽和冶金窯爐的內襯材料，特別是大量用作煉鋁業電解槽的陰 極材料。研究發現，在鋁電解槽開動初期，特別是在電解開始的短時間內 鈉及電解質對普通陰極碳塊和半石墨碳塊內部的滲透是快速的，它是引起 陰極碳塊膨脹和變形，導致陰極碳塊早期破損的關鍵原因，同時也是引起 槽底電阻增大、陰極電壓降升高的因素。再有普通陰極碳塊和半石墨質碳 塊其表面不易被鋁液溼潤，其不溼潤性會使電解槽中的大量鋁液呈匯聚狀 態，這種匯聚狀態的鋁液與電磁力和粘滯力相作用，導致鋁液的反覆無常 的波動與渦流旋轉。這就容易使鋁液層的鋁進入電解質而參與二次反應或 鋁液層瞬間與陽極底掌接觸造成短路，使電流效率降低，能耗增高。由此 可見，採用整體為普通陰極碳塊和半石墨碳塊作煉鋁電解槽的陰極材料具 有一定的缺陷，會造成電解消耗過高和電解槽使用期限短。硼化鈥合成材料出現後，由於硼化鈦具有很好的導電性、.熱穩定性、抗腐蝕性能，對鋁 液的溼潤性能好，與鋁液的接觸電阻小，且幾乎不吸收電解質成份， 一些 廠家對硼化鈦應用於鋁電解槽陰極材料進行了研究，具體辦法是在整體為 f通陰極碳塊或半石墨質陰極碳塊砌成的電解槽工作表面塗覆一層硼化鈦 糊，然後通過固化，隨電解槽一起進行烘烤焙燒。使用這種方法的重要缺
陷是塗層與碳塊基體在電解槽焙燒啟動過程中熱膨脹收宿不一致，易造 成深層剝離、脫落，使槽底不平整，不平整的槽底在鋁液的衝刷下，進一 步脫落，失去了硼化鈦的作用，反而造成鋁製品品質的下降。
中囯專利說明書CN1091471C公開了一種硼化鈦一碳複合層陰極碳塊 及其製備方法，它是在陰極碳塊基體表面制上一層硼化鈦複合碳糊層，通 過振動成型使硼化鈦複合層與陰極碳塊基體緊密結合在一起，然後裝入焙 燒爐內一同焙燒，使二者成為結合一致的複合體。這種複合碳塊雖然克服 了在普通陰極碳塊表面塗覆硼化鈦層的缺陷，但它也有其不可避免的問題 鈉及電解質同樣能滲透至碳塊內部，同時由於僅使用硼化鈦一種惰性材料， 它抗鋁液衝刷的能力有限。

發明內容
本發明的目的是研製一種在半石墨碳塊基體的鋁液接觸面一體化成型 上自潤複合層惰性陰極碳塊，使之具有抗衝刷能力強、電阻率低、熱穩定 性好、熱導率高、耐電解質浸蝕、對鋁液的溼潤性好等特性。
本發明的技術內容主要是解決自潤複合層惰性陰極碳塊的複合層的配 方及其生產工藝方法問題，充分利用硼化鈦材料具有惰性好、對鉬液自潤 性強、導電性高、熱穩定性和抗腐蝕性能良好等特性，利用碳化矽和氮化 矽材料的高硬度，耐衝刷性和高熱導性等特性。這樣，硼化鈦材料的使用使陰極碳塊易被鋁液溼潤而具有自潤性，使電解槽中的鋁液不會呈現匯聚
狀態，從而避免發生二次反應或短路而降低電流效率；碳化矽和氮化矽材
料的使用則提高陰極碳塊的硬度及抗衝刷性能，也同時提高了陰極碳塊的 熱導率，從而降低了能耗，提高了槽齡和電流效率。再有在複合層與碳塊 基體之間塗覆一層高溫改性瀝青，經過振動一體化成形，高溫焙燒使其炭 化形成純炭層，從而提高了整個碳塊的惰性來阻止電解質對碳塊內部的侵 蝕。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是在振動成型生產半石墨 陰極碳塊的過程中，在碳塊基體面向鋁液的表面上均布硼化鈦一碳化矽一 氮化矽一碳糊層，在該複合層與碳塊基體之間塗覆一層高溫改性瀝青，經 振動成型壓制使它們與碳塊基體緊密結合在一起，然後裝入焙燒爐內一同 焙燒及炭化，使三者成為結合一致的複合體，硼化鈦一碳化矽一氮化碌一 碳複合層作為電解槽陰極的工作面。
半石墨陰極碳塊基體配方重量百分組成是 電煅無煙煤50-80%,人造石墨10-35%,粘結劑5-25%。 硼化鈦一碳化矽一氮化矽一碳複合層配方重量百分組成是 電煅無煙煤10-70%;硼化鈦5-75%;碳化矽0-8%;氮化矽0-2%; 粘結劑10-40%。
本發明的製備工藝方法如下
1、 取半石墨碳塊基體和硼化鈥一碳化矽一氮化矽碳複合層骨料。
2、 將上述兩類骨料破碎、篩分、制粉，按重量百分比稱重配料。
3、 將粘結劑溶化後稱量加入上述兩種骨料中。
4、 分別進行混捏。5、 先將半石墨碳塊混料初步振動成型加工，再在其上層表面均覆一層
高溫改性瀝青粘結劑，然後在粘結劑層上均布一層已混捏好的硼化鈦一碳 化矽一氮化矽一碳複合層配料，然後再進行一體化整體振動成型。
6、 將成型好的自潤複合層惰性陰極,塊送入箱式焙燒爐中焙燒並使高 溫改性瀝青粘結劑層炭化。
7、 冷卻後進行機加工。
8、 檢驗、包裝、入庫。
其中關鍵是在半石墨碳塊基體表面引入了硼化鈦一碳化矽一氮化矽一 碳複合層，複合層厚度2-200mm,同時在半石墨碳塊基體和硼化鈥一碳化 矽一氮化矽一碳複合層之間加入一層高溫改性瀝青的粘結劑層，該粘結劑 層厚度為0-5腿,它經高溫炭化後，變為純炭層，有利於增強陰極碳塊的 惰性，提高抗電解質侵蝕的能力。混捏出糊料溫度15(TC,模具溫度150-160 °C,焙燒止火溫度130(TC,所有其他粘結劑是由煤瀝青、蒽油、煤焦油等 中的兩種或幾種混合調製而成。
與已有技術相比，本發明有下列特點
1、 使用硼化鈦、碳化矽、氮化矽的自潤複合層惰性陰極碳塊砌築的電 解槽槽堂規整、抗腐蝕、抗衝刷、熱導率高，電解槽的使用壽命延長。
2、 該自潤複合層惰性陰極碳塊砌築的電解槽運行更平穩、電流效率增 高，節能降耗。
具體實施例方式
實施例半石墨碳塊基體重量配方百分比組成為電煅無煙煤65%, 人造石墨20%，粘結劑15%。
硼化鈦一碳化矽一氮化矽一碳複合層重量配方百分比組成為電煅無煙煤50. 5%,硼化鈦粉24. 5%，碳化矽粉3. 85%,氮化矽粉1. 2%， 粘結劑20%。
製備工藝方法如下
1、 按上述配方的組成取半石墨碳塊和硼化鈦一碳化矽一氮化矽一碳復 合層的骨料。
2、 將上述兩類骨料破碎、篩分、制粉，並按上述配方的重量百分比稱 重配料。
3、 在上述兩種已配好的骨料中分別加入已配製好的粘結劑，粘結劑由 煤瀝青和蒽油按9: l的比例混合組成，再分別送入混捏鍋中充分混捏。
4、 先將半石墨碳塊基體混捏料送入振動成型機進行初步振動成型，再 在其上層表面均覆一層高溫改性瀝青粘結劑，然後在瀝青粘結劑層上均布 一層已混捏好的硼化鈦一碳化矽一氮化矽一碳複合層配料，然後再進行一 體化整體振動成型。
5、 把成型好的自潤複合層惰性陰極碳塊送入箱式焙燒爐中焙燒並使高 溫改性瀝青粘結劑層炭化形成純炭層。
6、 冷卻後進行機加工。
7、 檢驗、包裝、入庫。 工藝控制
半石墨碳塊基體骨料的顆粒及配方為
粒徑4-8mm, 4-2mm, 2-0mm， 200目以下粉料。
含量20 ±2%, 16 ±2%, 18 ±2%, 46 ± 2%
複合層內電煅無煙煤的粒徑為0-2mm，硼化鈦、碳化矽、氮化矽的粉 體粒徑均為200目以下。高溫改性瀝青粘結劑層的厚度為3mm. 混捏出糊料溫度為150°C，模具溫度150-16(TC。 成型後複合層厚度控制在30mm±5mm。 焙燒止火溫度1300°C。
權利要求
1、一種自潤複合層惰性陰極碳塊，其特徵在於在半石墨碳塊基體上結合一層硼化鈦-碳化矽-氮化矽-碳複合層，該複合層配方重量百分組成是電煅無煙煤10-70％、硼化鈦5-75％、碳化矽0-8％、氮化矽0-2％、粘結劑10-40％。
全文摘要
一種鋁電解槽用的自潤複合層惰性陰極碳塊，它是半石墨陰極碳塊基體的一表面上制一層硼化鈦—碳化矽—氮化矽—碳複合層，基體與複合層之間由一層高溫改性瀝青相連接，通過振動成型使複合層、高溫改性瀝青粘結劑層與半石墨碳塊基體緊密結合在一起，然後裝入焙燒爐內一同焙燒並使高溫改性瀝青粘結劑層炭化形成純炭層，使三者成為結合緊密的複合體，硼化鈦—碳化矽—氮化矽—碳複合層作為電解槽的工作表面，該複合層具有導電性能好、溼潤性好、熱導率高、抗衝刷、熱穩定性好等特點，高溫改性瀝青粘結劑層經高溫炭化後成純炭層，提高了陰極碳塊的惰性，該炭化層能有效阻止電解質對碳塊內部的侵蝕，能有效延長鋁電解槽的使用壽命，提高電流效率，節能降耗。該複合層碳塊可廣泛地應用於作鋁電解槽的陰極材料和冶煉高爐的內襯材料。
文檔編號C25C3/00GK101314857SQ200710035050
公開日2008年12月3日 申請日期2007年6月1日 優先權日2007年6月1日
發明者肖詠鴻 申請人:肖詠鴻