專利名稱：一種碳素纖維增強型陰極炭塊及其制備方法
技術領域：
—種碳素纖維增強型陰極炭塊及其制備方法，涉及一種電解鋁陰極炭塊及其制備方法。
背景技術：
鋁電解生產(chǎn)過程中所用的主體設備是電解槽，其陰極部分與鋁液和電解質(zhì)接觸部位是用炭質(zhì)材料構成的，特別是電解槽底部都是用炭塊砌筑而成的。電解槽在正常生產(chǎn)過程中，電流由陽極流過電解質(zhì)及鋁液，然后由陰極流入陰極母線，在電解槽中發(fā)生的電化學反應及高溫的作用下，鋁液對陰極炭塊表面有沖刷、磨蝕作用，陰極炭塊常常因受到熱應力和電解質(zhì)化學侵蝕的作用而發(fā)生變形，形成膨脹隆起、開裂、沖蝕坑穴等，電解質(zhì)則會對陰極炭塊產(chǎn)生侵蝕導致陰極炭塊過早損壞，陰極炭塊的壽命直接影響到鋁電解槽的壽命，因此陰極炭塊必須具備耐高溫、耐電解質(zhì)侵蝕和良好的導電、導熱性能，同時還需要有較高的機械強度、抗熱震性和抗鈉侵蝕性。 鋁電解槽通常所使用的陰極炭塊有無煙煤基陰極炭塊、石墨質(zhì)炭塊、石墨化炭塊，而無煙煤基陰極炭塊根據(jù)其石墨化程度又分為無定形和半石墨質(zhì)炭塊。由于組成和工藝制度的不同導致其在電解槽中的表現(xiàn)和使用性能有很大差異，無煙煤陰極炭塊和石墨質(zhì)炭塊導電性能和抗鈉侵蝕性能都較差，造成電解過程中電能消耗大，電解槽壽命短。石墨化炭塊抗電解質(zhì)、鋁液磨損性能較差?，F(xiàn)有的各種陰極材料存在著抗電解質(zhì)侵蝕和抗熱應力變形的問題，電解槽在停槽大修時都會或多或少地在底部陰極上出現(xiàn)縱向、橫向裂紋、底部向上隆起變形。因此，提高陰極炭塊抗折強度、抗鈉侵蝕膨脹、減少陰極底部的隆起變形成為改善底部材料性能的關鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述已有技術的不足，提供一種能夠有效增強陰極炭塊抗折強度的、抗電解質(zhì)侵蝕和抗鋁液沖刷能力，有效改善電解槽長期運行之后底部隆起變形，延長鋁電解槽使用壽命的碳素纖維增強型陰極炭塊及其制備方法。
本發(fā)明的方法是通過以下技術方案實現(xiàn)的。 —種碳素纖維增強型陰極炭塊，其特征在于其陰極炭塊含有碳纖維。 本發(fā)明的一種碳素纖維增強型陰極炭塊，其特征在于其陰極炭塊含有的碳纖維占
炭塊總重量的5% 35%。 本發(fā)明的一種碳素纖維增強型陰極炭塊的制備方法，其特征在于其制備過程是陰極炭塊在糊料混捏時加入碳纖維，通過混捏、成型使碳纖維材料與陰極基體材料均勻地混合在一起，再進行成型、焙燒過程。 本發(fā)明的一種碳素纖維增強型陰極炭塊的制備方法，其特征在于其制備過程糊料
中的碳纖維重量比為1% 15%，粘結(jié)劑15% 30% ;余量為炭質(zhì)材料。 本發(fā)明的一種碳素纖維增強型陰極炭塊的制備方法，其特征在于所述的碳纖維為碳纖維預氧絲、普通碳纖維材料或石墨纖維，將碳素纖維加工成長度為2 40mm。 本發(fā)明的一種碳素纖維增強型陰極炭塊的制備方法，其特征在于所述的炭質(zhì)材料
為石墨粉、石油焦粉和無煙煤粉的一種或其中幾種的配合；粘結(jié)劑可為煤瀝青。 本發(fā)明的一種碳素纖維增強型陰極炭塊，在陰極炭塊糊料混捏時加入適量的碳素
纖維材料，通過混捏、成型使碳素纖維材料與陰極基體材料均勻地混合在一起，從而起到增
強陰極炭塊機械強度的目的。有效增強了陰極炭塊抗折強度的、抗電解質(zhì)侵蝕和抗鋁液沖
刷能力，有效改善了電解槽長期運行之后底部隆起變形，延長鋁電解槽使用壽命。


圖1為本發(fā)明的制備方法的工藝流程示意圖。
具體實施例方式
—種碳素纖維增強型陰極炭塊，其陰極炭塊含有占炭塊總重量5% 35%的碳纖維。具體制備過程包括 (1)選用碳素纖維材料、炭質(zhì)材料、瀝青三種主要原料制作碳素纖維增強陰極炭塊，碳素纖維材料為1% 15%，炭質(zhì)材料50% 85%，瀝青15% 30%;碳素纖維材料可為碳纖維預氧絲、普通碳纖維、石墨纖維，將碳素纖維長度剪切為2 40mm ;炭質(zhì)材料可為石墨粉、石油焦粉和無煙煤粉的一種或其中幾種的配合。
(2)混捏和成型 首先將炭質(zhì)材料、瀝青按比例進行混合，加入能夠控溫加熱的容器內(nèi)，利用攪拌器使其充分混合均勻，隨后加入碳素纖維材料，利用攪拌器將原料充分混合均勻，得到碳素纖維增強陰極炭糊料。 (3)振動成型時，將碳素纖維增強陰極炭糊料均勻地裝入模具內(nèi)，落下重錘振動成型。脫模，冷卻后得到碳素纖維增強陰極的生塊。
(4)擠壓成型時，將碳素纖維增強陰極炭糊料裝入擠壓機的缸體內(nèi)，用液壓裝置將其通過壓咀擠出，冷卻后得到碳素纖維增強陰極的生塊。
(4)焙燒和浸漬 碳纖維增強陰極炭塊是在焙燒爐中焙燒的。裝爐要謹慎小心確保炭塊表面不受損傷，焙燒時按照嚴格的升溫制度，保溫時間要盡可能延長，在炭塊表面進行多點測溫保證溫差在5(TC以內(nèi)。
(5)浸漬和二次焙燒 如果要生產(chǎn)進過浸漬的陰極炭塊，可將焙燒后的炭塊用瀝青進行浸漬，浸漬按常規(guī)的工藝進行。 浸漬的炭塊要再次進行焙燒。
(6)石墨化 如生產(chǎn)石墨化的陰極炭塊，可將焙燒后的炭塊裝入石墨化爐內(nèi)，按陰極炭塊石墨化工藝送電，達到石墨化的溫度要求。
(7)機械加工 根據(jù)炭塊規(guī)格尺寸的設計要求，對碳素纖維增強陰極炭塊進行加工。
其工藝流程包括以下幾種類型 1)非浸漬非石墨化原料一破碎(剪切)一篩分一配料一混捏一成型一焙燒一加
工一成品。 2)非浸漬石墨化原料一破碎(剪切)一篩分一配料一混捏一成型一焙燒一石墨化一加工一成品。 3)浸漬非石墨化原料一破碎(剪切)一篩分一配料一混捏一成型一焙燒一浸漬—二次焙燒一加工一成品。
4)浸漬并石墨化原料一破碎(剪切)一篩分一配料一混捏一成型一焙燒一浸漬—二次焙燒一石墨化一加工一成品。
實施例1 碳纖維增強陰極炭塊糊料配比為炭質(zhì)材料55% ，碳纖維材料15% ，瀝青30% 。炭質(zhì)材料為煅燒無煙煤、石墨；碳素纖維材料為普通碳纖維，長度2mm ;首先將炭質(zhì)材料加入到能夠自動控溫加熱的容器內(nèi)，利用攪拌器混合均勻。瀝青在加熱罐內(nèi)融化，除去水分及沉淀雜質(zhì)。液體瀝青加入控溫加熱的容器攪拌均勻。干料在混捏鍋內(nèi)混合均勻，混捏溫度不低于140°C ;按比例加入配好的瀝青，混捏均勻；隨后加入碳纖維材料，混捏均勻，晾料3分鐘，將糊料加入擠壓機的缸體中，按常規(guī)工藝擠壓成型。放入冷卻水中冷卻；將生坯裝入焙燒爐中焙燒30天。碳素纖維增強陰極炭塊表面按照產(chǎn)品規(guī)格尺寸進行機械加工。最終的陰極炭塊中含碳纖維35%，陰極炭塊抗折強度達到^ 8. OMPa。
實施例2 碳纖維增強陰極炭塊糊料配比為炭質(zhì)材料61 % ，碳纖維材料11 % ，瀝青28 % 。炭質(zhì)材料為煅燒無煙煤、石墨；碳素纖維材料為碳纖維預氧絲，長度40mm ;首先將炭質(zhì)材料加入到能夠控溫加熱的容器內(nèi)，利用攪拌器混合均勻。瀝青在加熱罐內(nèi)融化，除去水分及沉淀雜質(zhì)。液體瀝青加入控溫加熱的容器攪拌均勻。干料在混捏鍋內(nèi)混合均勻，混捏溫度不低于14(TC;按比例加入配好的瀝青，混捏均勻；隨后加入碳纖維材料，混捏均勻，晾料5分鐘，將糊料加入模具中，落下重錘，按常規(guī)工藝振動成型。放入冷卻水中冷卻；將生坯裝入環(huán)式焙燒爐中焙燒10天。碳素纖維增強陰極炭塊表面按照產(chǎn)品規(guī)格尺寸進行機械加工。最終的陰極炭塊中含碳纖維28%，陰極炭塊抗折強度達到^ 7. 9MPa。
實施例3 碳纖維增強陰極炭塊糊料配比為炭質(zhì)材料67%，碳纖維材料8%，瀝青25%。炭質(zhì)材料為煅燒無煙煤、石墨；碳素纖維材料為石墨纖維，長度20mm ;首先將炭質(zhì)材料加入到能夠控溫加熱的容器內(nèi)，利用攪拌器混合均勻。瀝青在加熱罐內(nèi)融化，除去水分及沉淀雜質(zhì)。液體瀝青加入控溫加熱的容器攪拌均勻。干料在混捏鍋內(nèi)混合均勻，混捏溫度不低于140°C ;按比例加入配好的瀝青，混捏均勻；隨后加入碳纖維材料，混捏均勻，晾料4分鐘，將糊料加入模具中，落下重錘，按常規(guī)工藝振動成型。放入冷卻水中冷卻；將生坯裝入環(huán)式焙燒爐中焙燒20天。碳素纖維增強陰極炭塊表面按照產(chǎn)品規(guī)格尺寸進行機械加工。最終的陰極炭塊中含碳纖維22%，陰極炭塊抗折強度達到^ 7. 8MPa。
實施例4 碳纖維增強陰極炭塊糊料配比為炭質(zhì)材料72%，碳纖維材料5%，瀝青23%。炭質(zhì)材料為煅燒石油焦；碳素纖維材料為碳纖維預氧絲長度為30mm ;首先將炭質(zhì)材料加入到能夠自動控溫加熱的容器內(nèi)，利用攪拌器混合均勻。瀝青在加熱罐內(nèi)融化，除去水分及沉淀雜質(zhì)。液體瀝青加入控溫加熱的容器攪拌均勻。干料在混捏鍋內(nèi)混合均勻，混捏溫度不低于140°C ;按比例加入配好的瀝青，混捏均勻；隨后加入碳纖維材料，混捏均勻，晾料5分鐘，將糊料加入擠壓機的缸體中，按常規(guī)工藝擠壓成型。放入冷卻水中冷卻；將生坯裝入焙燒爐中焙燒18天；將焙燒塊放入石墨化爐中進行石墨化。碳素纖維增強陰極炭塊表面按照產(chǎn)品規(guī)格尺寸進行機械加工。最終的陰極炭塊中含碳纖維16%，陰極炭塊抗折強度達到> 7. 7MPa。
實施例5 碳纖維增強陰極炭塊糊料配比為炭質(zhì)材料77%，碳纖維材料2%，瀝青21%。炭質(zhì)材料為煅燒石油焦；碳素纖維材料可為石墨纖維，長度為10mm;首先將炭質(zhì)材料加入到能夠控溫加熱的容器內(nèi)，利用攪拌器混合均勻。瀝青在加熱罐內(nèi)融化，除去水分及沉淀雜質(zhì)。液體瀝青加入控溫加熱的容器攪拌均勻。干料在混捏鍋內(nèi)混合均勻，混捏溫度不低于140°C ;按比例加入配好的瀝青，混捏均勻；隨后加入碳纖維材料，混捏均勻，晾料3 5分鐘，將糊料加入模具中，落下重錘，按常規(guī)工藝振動成型。放入冷卻水中冷卻；將生坯裝入環(huán)式焙燒爐中焙燒10 30天。將焙燒塊放入石墨化爐中進行石墨化。碳素纖維增強陰極炭塊表面按照產(chǎn)品規(guī)格尺寸進行機械加工。最終的陰極炭塊中含碳纖維10%，陰極炭塊抗折強度達到^ 7. 7MPa。
實施例6 碳纖維增強陰極炭塊糊料配比為炭質(zhì)材料79%，碳纖維材料1%，瀝青20%。炭質(zhì)材料為煅燒石油焦；碳素纖維材料為普通碳纖維，長度5mm ;首先將炭質(zhì)材料加入到能夠自動控溫加熱的容器內(nèi)，利用攪拌器混合均勻。瀝青在加熱罐內(nèi)融化，除去水分及沉淀雜質(zhì)。液體瀝青加入控溫加熱的容器攪拌均勻。干料在混捏鍋內(nèi)混合均勻，混捏溫度不低于140°C ;按比例加入配好的瀝青，混捏均勻；隨后加入碳纖維材料，混捏均勻，晾料4分鐘，將糊料加入擠壓機的缸體中，按常規(guī)工藝擠壓成型。放入冷卻水中冷卻；將生坯裝入焙燒爐中焙燒25天；將焙燒塊放入石墨化爐中進行石墨化。碳素纖維增強陰極炭塊表面按照產(chǎn)品規(guī)格尺寸進行機械加工。最終的陰極炭塊中含碳纖維5%，陰極炭塊抗折強度達到^ 7. 6MPa。
實施例7 碳纖維增強陰極炭塊糊料配比為炭質(zhì)材料80%，碳纖維材料2%，瀝青18%。炭質(zhì)材料為煅燒石油焦；碳素纖維材料為碳纖維預氧絲，長度15mm;首先將炭質(zhì)材料加入到能夠自動控溫加熱的容器內(nèi)，利用攪拌器混合均勻。瀝青在加熱罐內(nèi)融化，除去水分及沉淀雜質(zhì)。液體瀝青加入控溫加熱的容器攪拌均勻。干料在混捏鍋內(nèi)混合均勻，混捏溫度不低于14(TC;按比例加入配好的瀝青，混捏均勻；隨后加入碳纖維材料，混捏均勻，晾料5分鐘，將糊料加入擠壓機的缸體中，按常規(guī)工藝擠壓成型。放入冷卻水中冷卻；將生坯裝入焙燒爐中焙燒13天；將焙燒塊用瀝青進行浸漬；隨后將浸漬炭塊再次進行焙燒；將二次焙燒塊放入石墨化爐中進行石墨化。碳素纖維增強陰極炭塊表面按照產(chǎn)品規(guī)格尺寸進行機械加工。最終的陰極炭塊中含碳纖維11%，陰極炭塊抗折強度達到^ 7. 6MPa。
實施例8 碳纖維增強陰極炭塊糊料配比為炭質(zhì)材料78%，碳纖維材料5%，瀝青17%。炭質(zhì)材料為煅燒石油焦；碳素纖維材料為石墨纖維，長度12mm ;首先將炭質(zhì)材料加入到能夠
6控溫加熱的容器內(nèi)，利用攪拌器混合均勻。瀝青在加熱罐內(nèi)融化，除去水分及沉淀雜質(zhì)。液體瀝青加入控溫加熱的容器攪拌均勻。干料在混捏鍋內(nèi)混合均勻，混捏溫度不低于140°C ;按比例加入配好的瀝青，混捏均勻；隨后加入碳纖維材料，混捏均勻，晾料3分鐘，將糊料加入模具中，落下重錘，按常規(guī)工藝振動成型。放入冷卻水中冷卻；將生坯裝入環(huán)式焙燒爐中焙燒、30天。將焙燒塊用瀝青進行浸漬；隨后將浸漬炭塊再次進行焙燒；將二次焙燒塊放入石墨化爐中進行石墨化。碳素纖維增強陰極炭塊表面按照產(chǎn)品規(guī)格尺寸進行機械加工。最終的陰極炭塊中含碳纖維15%，陰極炭塊抗折強度達到^ 7. 7MPa。
實施例9 碳纖維增強陰極炭塊糊料配比為炭質(zhì)材料83%，碳纖維材料2%，瀝青15%。炭質(zhì)材料為煅燒石油焦；碳素纖維材料可為普通碳纖維，長度8mm ;首先將炭質(zhì)材料加入到能夠自動控溫加熱的容器內(nèi)，利用攪拌器混合均勻。瀝青在加熱罐內(nèi)融化，除去水分及沉淀雜質(zhì)。液體瀝青加入控溫加熱的容器攪拌均勻。干料在混捏鍋內(nèi)混合均勻，混捏溫度不低于140°C ;按比例加入配好的瀝青，混捏均勻；隨后加入碳纖維材料，混捏均勻，晾料3分鐘，將糊料加入擠壓機的缸體中，按常規(guī)工藝擠壓成型。放入冷卻水中冷卻；將生坯裝入焙燒爐中焙燒27天；將焙燒塊用瀝青進行浸漬；隨后將浸漬炭塊再次進行焙燒；將二次焙燒塊放入石墨化爐中進行石墨化。碳素纖維增強陰極炭塊表面按照產(chǎn)品規(guī)格尺寸進行機械加工。最終的陰極炭塊中含碳纖維12%，陰極炭塊抗折強度達到^ 7. 6MPa。
權利要求
一種碳素纖維增強型陰極炭塊，其特征在于其陰極炭塊含有碳纖維。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種碳素纖維增強型陰極炭塊，其特征在于其陰極炭塊含有 的碳纖維占炭塊總重量的5% 35%。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種碳素纖維增強型陰極炭塊的制備方法，其特征在于其制 備過程是陰極炭塊在糊料混捏時加入碳纖維，通過混捏、成型使碳纖維材料與陰極基體材 料均勻地混合在一起，再進行成型、焙燒過程。
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種碳素纖維增強型陰極炭塊的制備方法，其特征在于其制 備過程糊料中的碳纖維重量比為1% 15%，粘結(jié)劑15% 30% ;余量為炭質(zhì)材料。
5. 根據(jù)權利要求3所述的一種碳素纖維增強型陰極炭塊的制備方法，其特征在于所 述的碳纖維為碳纖維預氧絲、普通碳纖維材料或石墨纖維，將碳素纖維加工成長度為2 40mm 。
6. 根據(jù)權利要求3所述的一種碳素纖維增強型陰極炭塊的制備方法，其特征在于所述 的炭質(zhì)材料為石墨粉、石油焦粉和無煙煤粉的一種或其中幾種的配合；粘結(jié)劑為煤瀝青。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳素纖維增強型陰極炭塊及其制備方法，其特征在于其陰極炭塊含有占炭塊總重量5％～35％的碳纖維；其制備過程是陰極炭塊在糊料混捏時加入碳纖維，通過混捏、成型使碳纖維材料與陰極基體材料均勻地混合在一起，再進行成型、焙燒過程。本發(fā)明的一種碳素纖維增強型陰極炭塊，在陰極炭塊糊料混捏時加入適量的碳素纖維材料，通過混捏、成型使碳素纖維材料與陰極基體材料均勻地混合在一起，從而起到增強陰極炭塊機械強度的目的。有效增強了陰極炭塊抗折強度的、抗電解質(zhì)侵蝕和抗鋁液沖刷能力，有效改善了電解槽長期運行之后底部隆起變形，延長鋁電解槽使用壽命。
文檔編號C25C3/08GK101698945SQ20091023598
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月3日 優(yōu)先權日2009年11月3日
發(fā)明者羅英濤, 羅鐘生, 黃華 申請人:中國鋁業(yè)股份有限公司