CN103741167A - 一种提高电解铝用炭阳极抗氧化性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高电解铝用炭阳极抗氧化性的方法，属于制造铝用炭阳极的方法。将成型好的炭阳极生坯或焙烧之后的炭阳极浸入H₃BO₃或含B的化合物溶液中，使H₃BO₃或含B的化合物能够到达电解铝炭阳极表面及其表面的开口气孔中，使一定浓度H₃BO₃或含B的化合物溶液进入炭阳极表层一定的深度微孔中，起到覆盖和填充的作用，在随后的焙烧或电解温度下生成类似玻璃状的B₂O₃封闭了炭表面上的活性部位，阻止空气和CO₂的高温扩散反应，减少优质碳素资源消耗和降低碳排放，减轻电解槽操作工的劳动强度，降低原铝的生产成本。本方法形成的抗氧化保护膜非常致密，和炭阳极结合强度高，且实施非常简单，基本上不需要改变现有的炭阳极生产工艺。

Description

一种提高电解铝用炭阳极抗氧化性的方法

技术领域

本发明涉及一种制造铝用炭阳极的方法，特别涉及一种提高电解铝用炭阳极抗氧化性的方法。

技术背景

目前纯铝的生产主要采用Hall-Heroult的冰晶石－氧化铝熔盐电解法，其阳极材料是一种消耗性的炭素制品，是电解铝的“心脏”。炭素阳极消耗是电解铝生产的主要成本之一，约占总成本的15%左右。在电解铝生产过程中，炭素阳极消耗包括电化学消耗、化学消耗和机械消耗等。其中炭素阳极与CO₂和空气在高温下发生的氧化反应引起的化学消耗是阳极过量消耗的最主要原因，约占整个炭耗的7%～20%。而且阳极的过快消耗，会导致阳极的更换频率增加，这不仅会增加工人的劳动强度，而且会导致以低阳极效应为主要特征的现代高效节能工艺技术难以顺利实施，电解槽的效率降低。如果能够减缓炭阳极的高温氧化速率，将有利于降低生产成本，降低工人劳动强度，减少二氧化碳排。

从目前的研究结果来看，国内外提高炭阳极抗氧化性的方法有以下几类：（1）通过控制石油焦质量的方法提高炭阳极的抗氧化性，主要控制石油焦中对氧化反应具有催化作用的杂质元素的含量。（2）对煤沥青进行改性研究，通过调整煤沥青的软化点、甲苯不溶物含量及β树脂含量三项来改善煤沥青的结焦性质，提高煤沥青焦的抗氧化性。（3）对炭阳极进行改性，采用添加剂降低炭阳极的氧化活性。（4）表面涂层的方法，包括采用熔融或喷涂铝薄膜作为保护膜、采用在炭阳极表面涂覆一层复合抗氧化薄膜等方法阻止空气与炭阳极接触。（5）目前工业生产中通常采用在阳极顶部覆盖氧化铝原料保护层的工艺以减少阳极的氧化。但是，氧化铝原料保护层疏松、孔隙大、不均匀，再加上阳极侧部仍然暴露在电解反应所产生的CO₂中，减少因阳极氧化而引起的阳极过量消耗的作用有限。而涂层的方法也很难在工业上得到成功应用，这主要是因为涂层在冰晶石熔盐中会发生溶解，并析出会污染铝业的杂质。其次，涂层与炭材料之间的粘结性较差。最重要的是，空气和CO₂通常会扩散至炭阳极表层5cm～10cm的深度进行氧化反应，石油焦骨料自身具有一种多孔隙的结构，薄涂层仅能封闭表面的孔隙，而对此扩散反应的阻止作用甚微。因此，更好的解决办法就是使这种保护层在高温情况下能形成致密的保护膜，隔绝空气和CO₂与碳的接触，降低氧化反应。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服已有技术中存在的不足之处，提供一种能够覆盖炭阳极表面以及表面开口微孔的内表面的涂层，使炭阳极在高温下具有抵抗空气和CO₂扩散及反应的能力，降低炭阳极的消耗，节省生产成本，提高电解铝用炭阳极抗氧化性的方法。

技术方案：本发明提高电解铝用炭阳极抗氧化性的方法，将成型后的炭阳极生坯立即浸入H₃BO₃或含B的化合物溶液中进行冷却，或者将焙烧之后的炭阳极浸入H₃BO₃或含B的化合物溶液中，使溶液能够到达电解铝炭阳极表面及其表面的开口气孔中，对炭阳极生坯在进行焙烧过程中形成保护薄膜；或对炭阳极在电解温度为950℃～970℃下形成保护薄膜；炭阳极抗氧化保护薄膜的实施包括配置H₃BO₃或含B的化合物溶液、浸渍、焙烧或干燥，具体步骤如下：

（1）配制H₃BO₃或含B的化合物溶液：将H₃BO₃或含B的化合物溶解于水中，溶液浓度为1～20wt.%，溶液温度为20～70℃，将其搅拌均匀，使H₃BO₃或含B的化合物全部溶解；

（2）浸渍：将挤压成型或振动成型后的炭阳极生坯立即浸入配制好的H₃BO₃或含B的化合物溶液中进行冷却，或将焙烧之后的炭阳极浸入H₃BO₃或含B的化合物溶液中，浸泡10-60分钟取出，使溶液能够到达电解铝炭阳极表面及其表面的开口气孔中；

（3）焙烧或干燥：炭阳极生坯自然干燥之后按照常规焙烧过程进行焙烧；焙烧之后的炭阳极则采用自然干燥或加热烘干的方式。

有益效果，由于采用了上述方案，经过焙烧（对于炭阳极生坯）或者在电解温度下（对于焙烧之后的炭阳极）的反应，在炭阳极表面及表面开口气孔中形成一层含B的化合物，这层化合物在高温下形成类似玻璃状物质，封闭了炭表面上的活性部位，这就阻隔了炭阳极与空气和CO₂的接触反应以及由它们的扩散带来的氧化反应，减少优质碳素资源消耗和降低碳排放，减轻电解槽操作工的劳动强度，降低原铝的生产成本。该抗氧化层还可在一定程度上减薄现在电解铝槽炭阳极上氧化铝覆盖层，满足电解槽顶部散热要求，优化电解槽热平衡，增加槽寿命。

优点：使H₃BO₃或含B的化合物溶液进入炭阳极表层的深度微孔中，起到覆盖和填充的作用，在随后的焙烧过程（对于炭阳极生坯）或电解温度下（对于焙烧之后的炭阳极）生成类似玻璃状的B₂O₃封闭了炭表面上的活性部位，阻止空气和CO₂的高温扩散反应，减少了优质碳素资源消耗和降低碳排放，减轻了电解槽操作工的劳动强度，降低了原铝的生产成本。本方法形成的抗氧化保护膜非常致密，和炭阳极结合强度高，且实施简单，基本上不需要改变现有的炭阳极生产工艺。

具体实施方式：

本发明提高电解铝用炭阳极抗氧化性的方法，将成型后的炭阳极生坯立即浸入H₃BO₃或含B的化合物溶液中进行冷却，或者将焙烧之后的炭阳极浸入H₃BO₃或含B的化合物溶液中，使溶液能够到达电解铝炭阳极表面及其表面的开口气孔中，炭阳极生坯在进行焙烧过程中形成保护薄膜或炭阳极在电解温度为950℃～970℃下形成保护薄膜；炭阳极抗氧化保护薄膜的实施方式包括配置H₃BO₃或含B的化合物溶液、浸渍、焙烧（对于炭阳极生坯）或干燥（对于焙烧之后的炭阳极），具体步骤如下：

（1）配制H₃BO₃或含B的化合物溶液：将H₃BO₃或含B的化合物溶解于水中，溶液浓度为1～20wt.%，溶液温度为20～70℃，将其搅拌均匀，使H₃BO₃或含B的化合物全部溶解；

（2）浸渍：将挤压成型或振动成型后的炭阳极生坯立即浸入配制好的H₃BO₃或含B的化合物溶液中进行冷却，或将焙烧之后的炭阳极浸入H₃BO₃或含B的化合物溶液中，浸泡10-60分钟取出，使溶液能够到达电解铝炭阳极表面及其表面的开口气孔中；

（3）焙烧或干燥：炭阳极生坯自然干燥之后按照常规焙烧过程进行焙烧；焙烧之后的炭阳极则采用自然干燥或加热烘干的方式。

实施例1：将振动成型的炭阳极生坯立即浸入浓度为15%wt.%、温度为60℃的H₃BO₃溶液中进行冷却，浸泡30分钟，捞出自然干燥后，安照常规的炭阳极焙烧升温曲线进行焙烧后备用，进行焙烧过程中形成保护薄膜。采用等温热重法测量炭阳极的空气氧化性与CO₂反应性，与未浸渍炭阳极的对比试验表明，炭阳极550℃空气氧化性降低了70%，炭阳极970℃CO₂反应性降低了15%。

实施例2：将振动成型的炭阳极生坯立即浸入浓度为10wt.%、温度为50℃的H₃BO₃溶液中进行冷却，浸泡25分钟，捞出自然干燥后，安照常规的炭阳极焙烧升温曲线进行焙烧后使用。采用等温热重法测量炭阳极的空气氧化性与CO₂反应性，与未浸渍炭阳极的对比试验表明，降低炭阳极550℃空气氧化性67%，降低炭阳极970℃CO₂反应性13%。

实施例3：将振动成型的炭阳极生坯立即浸入浓度为2wt.%、温度为35℃的H₃BO₃溶液中进行冷却，浸泡30分钟，捞出自然干燥后，安照常规的炭阳极焙烧升温曲线进行焙烧后使用。采用等温热重法测量炭阳极的空气氧化性与CO₂反应性，与未浸渍炭阳极的对比试验表明，降低炭阳极550℃空气氧化性15%，降低炭阳极970℃CO₂反应性10%。

实施例4：将焙烧之后的炭阳极浸入浓度为5wt.%、温度为45℃的H₃BO₃溶液中，浸泡60分钟，捞出自然干燥后使用。采用等温热重法测量炭阳极的空气氧化性与CO₂反应性，与未浸渍炭阳极的对比试验表明，降低炭阳极550℃空气氧化性65%，降低炭阳极970℃CO₂反应性20%。

实施例5：将焙烧之后的炭阳极浸入浓度为10wt.%、温度为50℃的H₃BO₃溶液中，浸泡40分钟，捞出采用热风烘干后使用。采用等温热重法测量炭阳极的空气氧化性与CO₂反应性，与未浸渍炭阳极的对比试验表明，降低炭阳极550℃空气氧化性53%，降低炭阳极970℃CO₂反应性16%。

Claims (1)

1.一种提高电解铝用炭阳极抗氧化性的方法，其特征是：将成型后的炭阳极生坯立即浸入H₃BO₃或含B的化合物溶液中进行冷却，或者将焙烧之后的炭阳极浸入H₃BO₃或含B的化合物溶液中，使溶液能够到达电解铝炭阳极表面及其表面的开口气孔中，对炭阳极生坯在进行焙烧过程中形成保护薄膜；或对炭阳极在电解温度为950℃～970℃下形成保护薄膜；炭阳极抗氧化保护薄膜的实施包括配置H₃BO₃或含B的化合物溶液、浸渍、焙烧或干燥，具体步骤如下：

（1）配制H₃BO₃或含B的化合物溶液：将H₃BO₃或含B的化合物溶解于水中，溶液浓度为1～20wt.%，溶液温度为20～70℃，将其搅拌均匀，使H₃BO₃或含B的化合物全部溶解；

（2）浸渍：将挤压成型或振动成型后的炭阳极生坯立即浸入配制好的H₃BO₃或含B的化合物溶液中进行冷却，或将焙烧之后的炭阳极浸入H₃BO₃或含B的化合物溶液中，浸泡10-60分钟取出，使溶液能够到达电解铝炭阳极表面及其表面的开口气孔中；

（3）焙烧或干燥：炭阳极生坯自然干燥之后按照常规焙烧过程进行焙烧；焙烧之后的炭阳极则采用自然干燥或加热烘干的方式。