本發(fā)明涉及一種預(yù)焙陽(yáng)極，具體涉及一種鋁電解用充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極及使用其的電解方法。

背景技術(shù)：

自1886年起，霍爾-埃魯特法生產(chǎn)鋁是國(guó)內(nèi)外鋁工業(yè)普遍使用的工藝過(guò)程。鋁電解時(shí)，以炭素材料為陽(yáng)極，如預(yù)焙陽(yáng)極，電解槽底部砌筑的炭塊為陰極，熔融冰晶石為電解質(zhì)。電流通過(guò)預(yù)焙陽(yáng)極進(jìn)入溶解al2o3的熔融冰晶石中進(jìn)行反應(yīng)，最后進(jìn)入陰極。al2o3電解發(fā)生在熔融的電解質(zhì)層內(nèi)(電解質(zhì)層在陽(yáng)極和溶化的金屬之間)。al2o3中的鋁離子被還原成了金屬鋁，這些金屬鋁集中在電解槽底部的陰極上，氧離子與炭陽(yáng)極中的炭反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w?？偡磻?yīng)式如式1所示。

al2o3+3/2c＝2al+3/2co2(1)

生產(chǎn)中使用的預(yù)焙陽(yáng)極是以石油焦、瀝青焦為骨料，煤瀝青為黏結(jié)劑制造而成，用作預(yù)焙鋁電解槽作陽(yáng)極材料。這種陽(yáng)極材料的炭塊已經(jīng)過(guò)焙燒，具有穩(wěn)定的幾何形狀，所以也稱預(yù)焙陽(yáng)極炭塊，習(xí)慣上又稱為鋁電解用炭陽(yáng)極。用預(yù)焙陽(yáng)極炭塊作陽(yáng)極的鋁電解槽稱預(yù)焙陽(yáng)極電解槽，簡(jiǎn)稱預(yù)焙槽，這是一種現(xiàn)代化的大型鋁電解槽。陽(yáng)極炭塊的生產(chǎn)是以石油焦為原料，以煤瀝青為粘結(jié)劑，經(jīng)過(guò)石油焦煅燒、中碎、篩分、細(xì)碎、瀝青的熔化、配料、混捏、成型、焙燒等工序加工制作而成。

鋁電解過(guò)程中生產(chǎn)每噸鋁會(huì)消耗近0.5噸的炭，這會(huì)產(chǎn)生近2噸的二氧化碳，并且電解過(guò)程中熔融冰晶石及氟化鹽等添加劑也會(huì)產(chǎn)生大量氟化氣體排放出來(lái)，對(duì)環(huán)境造成很大影響。因此，鋁電解過(guò)程產(chǎn)生的二氧化碳、氟化物體排放帶來(lái)相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題是鋁工業(yè)的主要問(wèn)題之一。通過(guò)改變預(yù)焙陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)或組成是解決上述問(wèn)題的方向之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為此，本發(fā)明的目的之一在于提供了一種充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極。本發(fā)明的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極用于鋁電解時(shí)碳耗低，可消除pfc排放和陽(yáng)極效應(yīng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極，使用的彈丸焦的粒度含量如下：8-5mm含量為10-30％，5-2mm含量為30-50％，2-0mm含量為15-35％，粉子含量為5-25％。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極，使用的彈丸焦的粒度含量如下：8-5mm含量為15-25％，5-2mm含量為35-45％，2-0mm含量為20-30％，粉子含量為10-20％。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極，使用的彈丸焦的粒度含量如下：8-5mm含量為20±2％，5-2mm含量為40±2％，2-0mm含量為25±2％，粉子含量為15±2％。

上述的8-5mm、5-2mm、2-0mm粒度是通過(guò)8mm、5mm、2mm尺寸的篩分工具篩分得到的不同粒度范圍，均不包括下限值，例如8-5mm是指小于等于8mm大于5mm的顆粒。粉子則是將原料彈丸焦經(jīng)研磨得到的粉體。

作為優(yōu)選，所述粉子中粒徑0.075mm以下的含量為50％以上，優(yōu)選為70％。

優(yōu)選地，所述粉子中粒徑0.075-0.3mm的含量為50％以下，優(yōu)選為30％。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極，所述粉子中粒徑0.075mm以下的含量為70％，所述粉子中粒徑0.075-0.3mm的含量為30％。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極中瀝青用量為陽(yáng)極生坯總質(zhì)量的16-18％，瀝青用量過(guò)低不易成型，過(guò)高糊料太稀，難以成型。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極的中心單排設(shè)置2-4個(gè)炭碗，兩個(gè)相鄰炭碗之間及最外兩側(cè)炭碗等距位置設(shè)置有孔洞，炭碗為2個(gè)時(shí)的設(shè)置方式如圖1所示。

作為優(yōu)選，所述孔洞的直徑為40-60mm，優(yōu)選為50mm，高度為100-400mm，優(yōu)選為200-300mm。上述結(jié)構(gòu)配合預(yù)焙陽(yáng)極的特定組成配方非常有利于將還原性氣體通過(guò)孔洞通入充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極內(nèi)，參與反應(yīng)。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極中心兩個(gè)炭碗之間及各自兩側(cè)等距位置，分別設(shè)置有直徑為50mm，高度為200-300mm的孔洞。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極的制備過(guò)程如下：將經(jīng)過(guò)1300-1400℃熱處理后的彈丸焦，經(jīng)破碎、篩分、配料篩分成陽(yáng)極配料所需粒度，與瀝青混合制備所述預(yù)焙陽(yáng)極，孔洞在生坯成型時(shí)加工而成，將焙燒后的陽(yáng)極經(jīng)過(guò)鉆孔加工而成，例如在生坯成型時(shí)通過(guò)成型機(jī)模具上蓋板中心安裝的圓柱體加工而成。與瀝青混合可包括加入瀝青前進(jìn)行干混和加入瀝青后的濕混。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極的空滲率為1-10npm，優(yōu)選為3-5npm。

作為優(yōu)選，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極的開(kāi)口氣孔率為10-30％，優(yōu)選為18-20％。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極空滲率為1-10npm，開(kāi)口氣孔率10-30％。

在另一優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極空滲率為3-5npm，開(kāi)口氣孔率18-20％。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種使用本發(fā)明所述的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極進(jìn)行電解的方法，所述方法為在電解槽換極后，將還原性氣體通過(guò)孔洞通入充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極內(nèi)，在電解過(guò)程中還原性氣體可以部分替代預(yù)焙陽(yáng)極中的炭，參與電解陽(yáng)極過(guò)程，減少炭的消耗，起到降低二氧化碳排放，消除鋁電解強(qiáng)溫室氣體全氟化碳pfc的排放和陽(yáng)極效應(yīng)。

作為優(yōu)選，通入氣體的壓力為0.1-0.5mpa，優(yōu)選為0.2-0.3mpa，流量為10-50ml/min，優(yōu)選為20-30ml/min。

作為優(yōu)選，所述還原性氣體為含有甲烷的氣體，優(yōu)選為甲烷氣體。涉及到的反應(yīng)如式2所示。

al2o3+3/4ch4＝2al+3/4co2+3/2h2o(2)

作為優(yōu)選，所述方法在陽(yáng)極組裝時(shí)將耐高溫金屬軟管接入孔洞，兩者接口處使用粘結(jié)劑，優(yōu)選環(huán)保粘結(jié)劑混合一定比例和粒度的煅燒石油焦糊料密封，保證通氣電解過(guò)程中的不漏氣。同時(shí)，優(yōu)選地將該糊料均勻噴涂在除陽(yáng)極底面以外的平面，然后靜置空氣中干燥等待上槽使用。

作為優(yōu)選，所述金屬軟管的直徑為40-55mm，優(yōu)選為48mm左右，深度為100-300mm，優(yōu)選為150-200mm。

本發(fā)明中彈丸焦形狀呈圓球形，直徑0.6-30mm，一般是由高硫、高瀝青質(zhì)渣油生產(chǎn)出來(lái)的。

本發(fā)明中空滲率是空氣滲透率的簡(jiǎn)稱，是指在一定時(shí)間，一定壓力下氣體通過(guò)一定截面和厚度的數(shù)量，按照中國(guó)有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ys/t63.10-2012《鋁用碳素材料檢測(cè)方法第10部分：空氣滲透率的測(cè)定》測(cè)得。

本發(fā)明中開(kāi)口氣孔率是開(kāi)口氣孔體積與制品總體積之比。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.充氣多孔陽(yáng)極可為陽(yáng)極/電解質(zhì)界面提供一種還原性氣體(如甲烷)，然后，氣體參與陽(yáng)極反應(yīng)，降低電解過(guò)程一半的co2的排放；

2.鋁電解過(guò)程中會(huì)消除pfc的排放。鋁工業(yè)，尤其是電解鋁產(chǎn)業(yè)在鋁電解過(guò)程中源源不斷釋放co2氣體，與此同時(shí)當(dāng)電解槽處于非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)還會(huì)大量釋放全氟化碳(簡(jiǎn)稱pfc，主要包含cf4和c2f6)，研究顯示，pfc的溫室效應(yīng)是co2的6500-9200倍。以甲烷替代炭參與反應(yīng)可以消除pfc的排放。

3.消除陽(yáng)極效應(yīng)。由于顯著減少了二氧化碳的排放，因而消除了電解過(guò)程中的陽(yáng)極效應(yīng)。

4.降低理論槽電壓；使用甲烷作為還原性氣體進(jìn)行電解可以降低理論槽電壓0.1v。

5.降低過(guò)電壓；

6.延長(zhǎng)陽(yáng)極的使用壽命。使用甲烷作為還原性氣體替代部分陽(yáng)極中的炭參與電解過(guò)程，使陽(yáng)極使用壽命延長(zhǎng)5-10天左右。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明鋁電解用充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極示意圖；

圖2為圖1的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極的左視圖；

圖3為陽(yáng)極組裝上槽使用時(shí)的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極示意圖；

圖4為圖3的上槽使用時(shí)的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極的左視圖；

圖中：1炭碗；2孔洞；3預(yù)焙陽(yáng)極；4陽(yáng)極鋼爪；5陽(yáng)極導(dǎo)桿；6耐高溫金屬軟管。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)地描述，依照這些詳細(xì)的描述，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員能夠清楚地理解本發(fā)明，并能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。在不違背本發(fā)明原理的情況下，各個(gè)不同的實(shí)施例中的特征可以進(jìn)行組合以獲得新的實(shí)施方式，或者替代某些實(shí)施例中的某些特征，獲得其它優(yōu)選的實(shí)施方式。

圖1為本發(fā)明鋁電解用充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極示意圖。充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極3的中心設(shè)置兩個(gè)炭碗1，兩個(gè)炭碗1之間及各自兩側(cè)等距位置設(shè)置有孔洞2?？锥吹闹睆娇梢詾?0-60mm，優(yōu)選為50mm，高度可以為100-400mm，優(yōu)選為200-300mm。炭碗的尺寸可根據(jù)預(yù)期用途不同而設(shè)定。

圖2為圖1的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極的左視圖。

圖3為陽(yáng)極組裝上槽使用時(shí)的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極示意圖，圖4為圖3的上槽使用時(shí)的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極的左視圖。如圖3所示，本發(fā)明利用多孔充氣預(yù)焙陽(yáng)極電解時(shí)使用包括充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極炭塊3、耐高溫金屬軟管6、甲烷氣體等材料。具體實(shí)施過(guò)程如下：

首先制備充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極3。充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極3原料為經(jīng)過(guò)1300-1400℃熱處理4h后的彈丸焦，經(jīng)過(guò)破碎、篩分、配料篩分成陽(yáng)極配料所需粒度。制備充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極1-5使用的原料配方如表1所示。

表1

瀝青用量為陽(yáng)極生坯總質(zhì)量的16-18％。

生產(chǎn)的陽(yáng)極性能空滲范圍為1-10npm，優(yōu)選為2-5npm，開(kāi)口氣孔率為10-30％，優(yōu)選為18-20％。

然后，在成型生產(chǎn)充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極生坯時(shí)制備出充氣孔。充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極3中心兩個(gè)炭碗1之間及各自兩側(cè)等距位置，分別設(shè)置有充氣孔2。該充氣孔2由生坯成型時(shí)通過(guò)成型機(jī)模具上蓋板中心安裝的圓柱體加工而成。用于充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極3上槽后通過(guò)這些充氣孔2通入還原性氣體，如甲烷氣體。

焙燒后的預(yù)焙陽(yáng)極進(jìn)行澆注后，陽(yáng)極組裝時(shí)，將陽(yáng)極導(dǎo)桿5鋼爪4澆注到預(yù)焙陽(yáng)極炭碗1中，將耐高溫金屬軟管6接入充氣孔，直徑40-55mm，優(yōu)選為48mm左右，深度為100-300mm，優(yōu)選為150-200mm，兩者接口處使用環(huán)保粘結(jié)劑混合一定比例和粒度的煅燒石油焦糊料密封，保證通氣電解過(guò)程中的漏氣。同時(shí)，將該糊料均勻噴涂在除預(yù)焙陽(yáng)極3底部以外的平面，然后靜置空氣中干燥等待上槽使用。本發(fā)明中使用的耐高溫金屬軟管可以抵抗電解過(guò)程中500-600℃甚至更高溫度。

電解槽更換陽(yáng)極時(shí)，天車(chē)將多孔充氣預(yù)焙陽(yáng)極3吊運(yùn)到電解上，將陽(yáng)極導(dǎo)桿5安裝到電解槽上，然后連接耐高溫金屬軟管6，陽(yáng)極上表面覆蓋好氧化鋁保護(hù)，再通入氣體，甲烷氣體壓力為0.1-0.5mpa，優(yōu)選為0.2-0.3mpa，流量為10-50ml/min，優(yōu)選為20-30ml/min。將甲烷氣體通入多孔預(yù)焙陽(yáng)極內(nèi)，在電解過(guò)程中甲烷氣體可以部分替代預(yù)焙陽(yáng)極中的炭，參與電解陽(yáng)極過(guò)程，減少炭的消耗，起到降低二氧化碳排放，消除鋁電解強(qiáng)溫室氣體全氟化碳pfc的排放和陽(yáng)極效應(yīng)。涉及到的反應(yīng)如式2所示。

al2o3+3/4ch4＝2al+3/4co2+3/2h2o(2)

本發(fā)明提供的充氣多孔預(yù)焙陽(yáng)極在電解使用過(guò)程中還原性氣體如甲烷氣體為陽(yáng)極/電解質(zhì)界面提供一種還原性氣體，參與陽(yáng)極反應(yīng)，可以降低電解過(guò)程一半的co2的排放，消除了電解過(guò)程中的陽(yáng)極效應(yīng)，并可以消除強(qiáng)溫室氣體全氟化碳(簡(jiǎn)稱pfc)的排放，降低理論槽電壓0.1v和陽(yáng)極過(guò)電壓，使陽(yáng)極使用壽命延長(zhǎng)5-10天左右。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。