石墨化阴极炭块制备工艺探究

第37卷第2期2 0 1 7年4月黑龙江冶金Heilongjiang MetallurgyVol.37 No.2April20 17石墨化阴极炭块制备工艺探究杨健壮(兰州资源环境职业技术学院冶金工程系，甘肃兰州730021)摘要:本文以无烟煤为主要原料，分别配以不同比例的石油焦粉，再加人20%改质沥青，人工搅拌冷混均匀，在35 MPa压力下热模压成型成一定规格的生坯，在电阻炉中焙烧后，置于石墨化炉中进行石墨化。

通过检测 炭块电阻率、密度、抗压强度等参数，探究炭块制备方法对其性能的影响。

关键词:石墨化；阴极炭块;制备Study on the properties preparing ofgraphite cathode carbon blocksYang Jianzhuang(1. LanzhouResources&Environment Vcc - Tech College Metallurgical EngineeringDepartment Gansu Lanzhou 730021, China)Abstract ： Select suitable anthracite as the main material, match with 20% modified pitch and differ­ent proportion petroleum coke powder, respectively. Matched material are mixed artificially at room temperature. The green samplemolding under 35 MPa pressure in hot mould. The green sampleshave been baked in resistance furnace. After that the samples have been graphitedin graphitizationfumace. Effects of preparationmethods on their properties through test parameters of resistivity, density and compressive strength.KeyWords ：graphitization； cathode carbon blocks; properties preparing高石墨化度的石墨化阴极炭块，电阻率低、膨 胀率低，抗熔盐侵蚀能力强，抗热震性能好，铝电 解槽阴极压降较低，大大降低了铝电解的单位电 耗，而且提高了电解槽的使用寿命，降低了生产成 本[1]。

其主要用于现代大容量高效型铝电解槽，是阴极炭块的发展方向之一[2]。

而炭块制作工艺 对其质量好坏有很大影响。

本文通过对配料、混 捏与成型等工序的研究，探索提高炭块质量的工 艺条件。

1无烟煤基炭块的制备l.i原料选择选取煅后宁夏太西煤，煅后石油焦作为基本 骨料，改质沥青为粘结剂。

1.2无烟煤基炭块的制作参照工业试验选取合适的粒度组成，以无烟 煤为主要原料，分别配以一定比例的石油焦和20%改质沥青。

阴极炭块生坯的制作过程如下：(1)配料。

阴极炭块的粒度配比如表1所示。

表1炭块配比比例试样炭块组成 〇.5~ 2 m m无烟煤0.2 ~ 0.5 m m无烟煤<0. 2 m m无烟煤<0.2 m m石油焦A全无烟煤45%10%45%0B无烟煤+30%石油焦45%10%15%30%C无烟煤+40%石油焦45%10%5%40%D无烟煤+45%石油焦45%10%045%收稿日期=2017 -05 -17作者简介:杨健壮（1989 -)，毕业于东北大学冶金工程专业，现工作于兰州资源环境职业技术学院，从事高炉炼铁和铝电 解方面的教学工作。

33黑龙江冶金第37卷(2) 混料。

人工搅拌，冷混均匀。

(3) 热模压成型。

将混匀后的料装入模具中，把模具置于立式液压机上加压到15 MPa,然后通电流加热，加热15 min后断电，并加压到35 Mpa保压5 min后冷却，当温度降到70〜80°C时脱模。

生述试样规格为(64 ± 1)mm X(45〜50)mm，每锅炉料可分别压两块试样。

1.3无烟煤基炭块的培烧焙烧的主要目的是把阴极炭块加热到接近工 作温度，使阴极工作面和内衬温度均匀，否则，将 造成底块裂纹而极大缩短槽的寿命。

将生坯试样装入铺有石油焦碎粒的坩埚中，再在生坯试样上面铺3〜5 cm厚的石油焦粉隔绝 空气，将坩埚放入箱式电阻炉中焙烧14h。

1.4无烟煤基炭块的石墨化石墨化处理在自制石墨化炉中，将焙烧过的 炭块放入石墨化炉中，盖1：石油焦粉后，再盖上保 温料;打开电源，调节电压，使功率保持在25〜30 kW，石墨化3.5 h。

1.5无烟煤基炭块的部分理化性能测定铝电解槽用阴极炭块的理化性能指标有：真 密度，体积密度，孔隙度，气孔率，灰分，抗压强度，抗弯强度，电阻率，热导率，热膨胀系数，钠膨胀 率，磨蚀指数等。

本实验只对体积密度，电阻率和 抗压强度三个方面进行了检测。

2讨论2.1成型工艺条件对炭块质量的影响(1) 混料对炭块的影响在炭块制备过程中发现，同在成型温度14〇°C 左右，35 MPa成型压力下的相同原料及粒度组成 的两个炭块，如图1，炭块b的表面未粘结好，用砂 纸打磨时掉很多颗粒，可能的原因是混料不均匀。

(2) 脱模温度对炭块的影响在相同的成型压力35 MPa下，成型温度都在 140°C左右，脱模温度高于120°C和在室温脱模的 炭块都有较大的裂缝，甚至会断裂，发现在70〜8〇°C脱模的炭块表面较光滑，没有大的裂缝，2.2石油焦添加量对无烟煤基炭块部分理化性能的影响全无烟煤，含30%石油焦、40%石油焦和45%石油焦的四种炭块在焙烧后的部分理化性能 指标如表2所示。

34a b图1相同模J5温度及成®仄力下的炭块表2焙烧炭块的部分理化性能指标试样炭块组成体积密度/g •cm-3电阻率/抗压强度/jjl II *m MPa A全无烟煤 1.3299013.24B无烟煤+30%石油焦 1.253115C无烟煤+40%石汕焦 1.342122 6.72D无烟煤+45%石油焦 1.32496(1)不同配比石油焦对无烟煤基炭块密度的影响全无烟煤，含30%石油焦、40%石油焦和45%石油焦的四种炭块在焙烧后的密度差别不大，最大的为 1.342 g •cm_3，最小的为 1.253 g •cm_3。

(2) 不同配比石油焦对无烟煤基炭块电阻的影响全无烟煤、30%石油焦、40%石油焦和45%石 油焦四种炭块在焙烧后的电阻率，全无烟煤炭块和45%石油焦炭块的比较小，分别为90 •m和96 jjil •m，而30%石油焦和40%石油焦的电 阻率较大，分别为115 •m和122 •m。

(3) 不同配比石油焦对阴极炭块抗压强度的影响焙烧后的全无烟煤炭块的抗压强度为13.24 MPa,40%石油焦炭块的抗压强度为6.72 MPa,全无烟煤炭块的抗压强度明显高于40%石油焦 炭块Q2.3石墨化对无烟煤基炭块部分理化性能的影响全无烟煤、30%石油焦、40%石油焦和45%石 油焦的四种炭块石墨化后的X 射线衍射图谱如第2期杨健壮:石墨化阴极炭块制备工艺探究图2，其部分理化性能指标如表3。

400000 200000400000^ 200000C 0〇—400000 200000400000 20000005 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 902 0 (°)]D 丨1c11■ JA图2四种炭块石墨化后X 射线衍射图谱 表3炭块在石墨化后的部分理化性能指标试样炭块组成石墨化度体积密度电阻率抗压强度/% /g • cm -3 * m /M paA 全无烟煤84.01 1.44932 3.46B 无烟煤+30%石油焦78.23 1.36613 4.80C 无烟煤+40%石油焦81.39 1.13126 3.45D无烟煤+45%石油焦82.531.043215.73由表3可以看出，石墨化后全无烟煤，含30% 石油焦、40%石油焦和45%石油焦的四种炭块中， 含30%石油焦的石墨化无烟煤基炭块，体积密度 (1.366 g • cm _3)相对较大，电阻率（13 • m )最低，抗压强度（4. 80 MPa )相对较高，最符合要求。

结合表2可知，石墨化全无烟煤、30%石油 焦、40%石油焦和45%石油焦四种炭块的电阻率 较石墨化前降低，这是因为炭块的主要成分是碳，高温使炭素材料的碳结构产生重大变化。

石墨化 炭块的抗压强度较石墨化前也降低。

3结论本文参照工业试验选取合适的粒度组成，制备了全无烟煤、无烟煤+ 30%石油焦、无烟煤+ 40%石油焦和无烟煤+ 45%石油焦四种无烟煤炭 块，再对焙烧后的炭块石墨化。

通过对无烟煤炭 块的体积密度、电阻率和抗压强度的比较，得到以 下结论：(1) 混料的均匀性，严重影响成型后炭块的质量(2)在室温和高于120°C 脱模都会使炭块裂，70〜80°C 脱模的炭块质量较好s(3) 石墨化后炭块的电阻率降低，石墨化后无烟煤+30%石油焦炭块的电阻率为13• m ，已经达到国内石墨化阴极炭块的电阻率，甚至接近国外优质半石墨化炭块的电阻率;但抗压强度也 有较大的降低。

(4)石墨化后全无烟煤，含30%石油焦、4石油焦和45%石油焦的四种炭块中，含30%石油 焦的石墨化炭块，体积密度相对较大，电阻率最 低，抗压强度相对较高，最符合实验要求。

由此可见，合理的配方、混捏均匀性、成型温 度和焙烧温度等对炭块性能影响较大，要获得更 好的性能指标，需要更进一步的研究。

参考文献[1 ]张特.365kA 电解槽石墨化阴极炭块生产实践[J ].价值工程，2013 (5).[2] 蒋文忠.炭素工艺学[M ].冶金工业出版社，2009:321 -340.[3] 周洋，丁梦晨.石墨化和全石墨质阴极材料在350 kA 铝电解系列中的应用[J l ,有色冶金节能，2013.[4] 罗钟生.高石墨质阴极生产新技术研究[J ].轻金属，2011(3).[5] J. A. Jphansen,H. Gran. ECA for improved cathode per­formance [A ]. LightMetals, 1997 ： 627 -631.35。