RU2365646C2 - Устойчивые к разрушению электроды для печи карботермического восстановления - Google Patents
Устойчивые к разрушению электроды для печи карботермического восстановления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2365646C2 RU2365646C2 RU2006144871/02A RU2006144871A RU2365646C2 RU 2365646 C2 RU2365646 C2 RU 2365646C2 RU 2006144871/02 A RU2006144871/02 A RU 2006144871/02A RU 2006144871 A RU2006144871 A RU 2006144871A RU 2365646 C2 RU2365646 C2 RU 2365646C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- coke
- graphite
- particles
- graphitization
- Prior art date
Links
- 230000009467 reduction Effects 0.000 title claims abstract description 15
- 230000006378 damage Effects 0.000 title 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 48
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 39
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- 239000000571 coke Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 12
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 10
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 9
- 239000011305 binder pitch Substances 0.000 claims description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 6
- 239000011331 needle coke Substances 0.000 claims description 6
- 239000011295 pitch Substances 0.000 claims description 6
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 5
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 claims description 4
- 239000011280 coal tar Substances 0.000 claims description 4
- 239000011294 coal tar pitch Substances 0.000 claims description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 4
- 210000002445 nipple Anatomy 0.000 claims description 4
- 239000003921 oil Substances 0.000 claims description 4
- 238000007873 sieving Methods 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 3
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims description 3
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 claims description 3
- 239000006253 pitch coke Substances 0.000 claims description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 3
- 239000010742 number 1 fuel oil Substances 0.000 claims description 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 claims description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 2
- 238000004939 coking Methods 0.000 claims 2
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 claims 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 19
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 abstract description 18
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000012856 packing Methods 0.000 abstract description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 abstract description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 abstract description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 239000002009 anode grade coke Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000011329 calcined coke Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B7/00—Heating by electric discharge
- H05B7/02—Details
- H05B7/06—Electrodes
- H05B7/08—Electrodes non-consumable
- H05B7/085—Electrodes non-consumable mainly consisting of carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B21/00—Obtaining aluminium
- C22B21/02—Obtaining aluminium with reducing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B4/00—Electrothermal treatment of ores or metallurgical products for obtaining metals or alloys
- C22B4/08—Apparatus
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B5/00—General methods of reducing to metals
- C22B5/02—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
- C22B5/10—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by solid carbonaceous reducing agents
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
- Vertical, Hearth, Or Arc Furnaces (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Discharge Heating (AREA)
Abstract
Изобретение относится к графитовым электродам для производства алюминия карботермическим восстановлением глинозема. Графитовые электроды для производства алюминия карботермическим восстановлением глинозема могут предпочтительно быть либо погруженными в расплавленную ванну в низкотемпературной камере, либо установленными горизонтально на боковых стенках высокотемпературной камеры. Электроды изготавливают предпочтительно с использованием смеси частиц кокса, охватывающих полный диапазон размеров частиц от по существу 25 мкм до по существу 3 мм, и предпочтительно с использованием высокоинтенсивного миксера для эффективного смачивания всех частиц кокса смолой. Электроды могут иметь предел прочности на изгиб, составляющий по меньшей мере 20 Н/мм2. При использовании полного непрерывного диапазона размеров частиц в сочетании с их перемешиванием высокоинтенсивным миксером геометрическая упаковка частиц может быть значительно улучшена, следовательно, может быть повышена плотность материала, и, таким образом, могут быть достигнуты более высокая механическая прочность, а также улучшенная электропроводность по сравнению с обычными графитовыми электродами. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 табл.
Description
Предпосылки создания изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к графитовым электродам для производства алюминия карботермическим восстановлением глинозема.
Описание уровня техники
В течение столетия алюминиевая промышленность основывается на процессе Холла-Эру по выплавке алюминия. По сравнению с процессами, используемыми для производства конкурирующих материалов, таких как сталь и пластмассы, данный процесс является энергоемким и дорогостоящим. Следовательно, возникла потребность в поиске альтернативных процессов производства алюминия.
Одной из таких альтернатив является процесс, называемый прямым карботермическим восстановлением кремнезема. Как описано в патенте США № 2974032 (Грюнерт и др.), протекает процесс, который может быть обобщен суммарной реакцией
| Al2O3 + 3C = 2Al + 3CO | (1), |
или же он может протекать в два этапа:
| 2Al2O3 + 9C = Al4C3 + 6CO | (2) |
| Al4C3 + Al2O3 = 6Al + 3CO | (3) |
Реакция (2) протекает при температурах между 1900 и 2000°C. Реакция (3) фактического получения алюминия протекает при температурах 2200°C и выше; скорость этой реакции повышается с повышением температуры. Помимо соединений, указанных в уравнениях реакций (2) и (3), при реакциях (2) и (3) образуются летучие соединения Al, включая Al2O, которые удаляются вместе с отходящими газами. Эти летучие соединения, если они не улавливаются, представляют собой потери в выходе алюминия. Обе реакции (2) и (3) являются эндотермическими.
Были предприняты различные попытки разработать эффективную производственную технологию прямого карботермического восстановления глинозема (см. Маршалл Бруно, Легкие металлы, 2003, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society) (Общество минерало-, металло- и материаловедения), 2003). В патенте США № 3607221 (Кибби) описывается процесс, при котором все продукты быстро испаряются до по существу только газообразного алюминия и CO, эту парообразную смесь приводят в контакт со слоем жидкого алюминия при температуре, достаточно низкой для того, чтобы давление пара жидкого алюминия было ниже парциального давления паров алюминия в контакте с ним и достаточно высокой для предотвращения реакции монооксида углерода и алюминия, и извлекают по существу чистый алюминий.
Другие патенты, относящиеся к карботермическому восстановлению с целью получения алюминия, включают патенты США №№ 4486229 (Троуп и др.) и 4491472 (Стивенсон и др.). Сдвоенные зоны реакции описаны в патенте США № 4099959 (Дьюинг и др.). Наиболее свежие работы, выполненные фирмами Alcoa и Elkem, привели к разработке нового двухкамерного реактора, описанного в патенте США № 6440193 (Йохансен и др.).
В этом двухкамерном реакторе реакция (2) по существу ограничена низкотемпературной камерой. Расплавленная ванна Al4C3 и Al2O3 перетекает под разделительной перегородкой придонного перетекания в высокотемпературную камеру, где происходит реакция (3). Полученный таким образом алюминий образует слой на поверхности слоя расплавленного шлака и выпускается из высокотемпературной камеры. Отходящие из низкотемпературной камеры и из высокотемпературной камеры газы, содержащие пары Al и летучий Al2O, вступают в реакцию в отдельных установках улавливания паров с образованием Al4C3, который повторно вводится в низкотемпературную камеру. Энергию, необходимую для поддержания температуры в низкотемпературной камере, можно обеспечить путем высокоинтенсивного электронагрева, например, с помощью графитовых электродов, погруженных в расплавленную ванну. Аналогично энергию, необходимую для поддержания температуры в высокотемпературной камере, можно обеспечить несколькими парами электродов, расположенных по существу горизонтально на боковых стенках данной камеры реакционного сосуда.
При изготовлении графитовых изделий множество операций по размолу, измельчению и просеиванию гарантируют, что требуемая комбинация совместимых размеров зерен кокса приведет к образованию шихты, которая затем будет перемешана с пековым связующим. Обычно фракцию относительно крупных частиц кокса смешивают (подшихтовывают) с фракцией более мелких частиц кокса для того, чтобы они оптимально заполняли промежутки между крупными частицами. Технические, а также экономические требования к созданию и эксплуатации оборудования для такого размола, измельчения и просеивания являются весьма существенными, и все же не во всех случаях они компенсируются высококачественными свойствами конечной графитовой продукции.
В контексте производства алюминия карботермическим восстановлением требования к механической прочности графитовых электродов, погруженных в расплавленную ванну в низкотемпературной камере, и, даже в большей мере, электродов, расположенных горизонтально на боковых стенках высокотемпературной камеры, являются трудновыполнимыми, так как относительно длинные электроды должны выдерживать отчасти обширные перемещения расплавленной ванны, которая, кроме того, содержит твердые частицы углерода и шлака, а также пузырьки газа, которые все вносят свой вклад в формирование предъявляющей высокие механические требования среды. Для изготовления графитовых электродов, которые обладают достаточной механической прочностью для удовлетворения этим требованиям, требуется тщательный отбор исходных материалов (сырья), особенно кокса, и сложная работа по просеиванию частиц и шихтованию.
Сущность изобретения
Таким образом, задачей изобретения является создание устойчивого к разрушению электрода для печи карботермического восстановления, в которой глинозем восстанавливается до металлического алюминия, который позволяет преодолеть вышеуказанные недостатки известных до настоящего времени устройств и способов данного общего типа и который обладает требуемой механической прочностью и изготовлен без каких-либо технологических этапов просеивания или шихтования.
Ввиду вышеуказанных и других задач в соответствии с настоящим изобретением предлагается графитовый электрод для печи карботермического восстановления. Этот графитовый электрод образован из частиц кокса, имеющих по существу непрерывное распределение размеров частиц от 25 мкм до 3 мм, в матрице из полностью коксованного каменноугольного связующего пека и графитизирован с образованием графитового тела электрода.
В соответствии с дополнительным признаком изобретения частицы кокса представляют собой частицы кокса анодного качества с содержанием железа менее 0,1% по массе, а тело электрода графитизировано при конечной температуре графитизации ниже 2700°C. Предпочтительно тело электрода имеет содержание железа приблизительно 0,05% по массе.
В соответствии с дополнительным признаком изобретения в тело электрода внедрено некоторое количество углеродных нановолокон или углеродных волокон для повышения механической прочности и корректировки его коэффициента термического расширения.
Ввиду вышеуказанных и других задач в соответствии с настоящим изобретением предлагается также промежуточный продукт при изготовлении графитового электрода, содержащий частицы кокса, имеющего размер частиц с по существу Гауссовым распределением в диапазоне от 25 мкм до 3 мм, смешанные со связующим пеком и сформованные в неспеченный («сырой») электрод, подлежащий обжигу и графитизации с образованием графитового электрода. Предпочтительно связующий пек присутствует в количестве приблизительно 15% от массы неспеченного электрода.
Ввиду вышеуказанных и других задач в соответствии с изобретением предлагается также способ изготовления графитового электрода, который включает в себя:
измельчение частиц кокса до достижения непрерывного распределения размеров частиц от по существу 25 мкм до по существу 3 мм и смешивание частиц кокса с каменноугольным связующим пеком с образованием смеси;
формирование тела электрода из этой смеси с образованием неспеченного электрода;
обжиг неспеченного электрода при температуре между приблизительно 700°C и приблизительно 1100°C для коксования связующего пека до твердого кокса с образованием ококсованного электрода;
графитизацию ококсованного электрода термообработкой в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать организацию углеродных атомов в ококсованном электроде в кристаллическую структуру графита; и
механическую обработку графитизированного электрода для придания электроду конечной формы.
В соответствии с другим признаком изобретения партию частиц кокса просеивают с разделением на крупнозернистую фракцию и мелкозернистую фракцию, отдельно измельчают крупнозернистую фракцию и мелкозернистую фракцию, и в последующем объединяют измельченные фракции в партию частиц кокса с Гауссовым распределением размеров частиц.
В соответствии с еще одним признаком изобретения крупнозернистую фракцию измельчают до образования частиц с распределением размеров частиц от 200 мкм до 3 мм, а мелкозернистую фракцию измельчают до образования частиц с распределением размеров частиц от 25 мкм до 300 мкм.
В предпочтительном варианте воплощения изобретения кокс предусматривают в виде кокса анодного качества, а электрод графитизируют при температуре графитизации вплоть до 2700°C, а предпочтительно от 2200°C до 2500°C.
В другом варианте воплощения изобретения кокс предусматривают в виде игольчатого кокса, а электрод графитизируют при температуре графитизации между 2700°C и 3200°C.
В соответствии с еще одним дополнительным признаком изобретения после этапа обжига электрод пропитывают по меньшей мере один раз каменноугольной смолой или нефтяным пеком для отложения дополнительного пекового кокса в открытых порах электрода, и каждый этап пропитки сопровождают дополнительным этапом обжига.
В соответствии с дополнительным признаком изобретения в смесь добавляют масла и другие смазки, а неспеченный электрод формируют путем экструзии. В качестве альтернативы неспеченный электрод формируют путем прессования в формовочной матрице или путем виброформования в формовочной матрице с перемешиванием.
В соответствии с еще одним дополнительным признаком изобретения в смесь для формирования неспеченного электрода примешивают относительно небольшую долю углеродных волокон и/или углеродных нановолокон.
В соответствии с сопутствующим признаком изобретения графитовую электродную колонну получают путем изготовления множества графитизированных электродов вышеуказанным способом изготовления ниппеля, выполненного с возможностью зацепления с графитизированными электродами, и соединения этих электродов и ниппеля с образованием графитовой электродной колонны.
Другими словами, в настоящем изобретении предложены графитовые электроды для производства алюминия карботермическим восстановлением глинозема, более конкретно: графитовые электроды, погруженные в расплавленную ванну в низкотемпературной камере, а также электроды, расположенные горизонтально на боковых стенках высокотемпературной камеры. Электроды по данному изобретению изготавливают с использованием смеси частиц кокса, охватывающих полный диапазон размеров частиц от 25 мкм до 3 мм, и с использованием высокоинтенсивного миксера для эффективного смачивания всех частиц кокса пеком, при этом вышеупомянутые электроды имеют предел прочности на изгиб в по меньшей мере 20 Н/мм2.
При использовании полного (непрерывного) диапазона размеров частиц в сочетании с их перемешиванием высокоинтенсивным миксером геометрическая упаковка частиц значительно улучшается, следовательно, повышается плотность материала и, таким образом, достигается более высокая механическая прочность, а также улучшенная электропроводность по сравнению с обычными графитовыми электродами.
Другие признаки, которые считаются характерными для данного изобретения, изложены в прилагаемой формуле изобретения.
Хотя изобретение проиллюстрировано и описано здесь для варианта воплощения в графитовом электроде для печи карботермического восстановления, это, тем не менее, не означает, что оно ограничено вышеуказанными особенностями, поскольку в нем могут быть сделаны различные модификации и структурные изменения без отступления от сущности изобретения и в пределах объема и диапазона эквивалентов формулы изобретения.
Однако конструкция по изобретению, наряду с его дополнительными задачами и преимуществами, будет лучше понята из последующего описания примерного варианта осуществления изобретения, включающего конкретные примеры и варианты воплощения изобретения.
Подробное описание варианта воплощения изобретения
Для дальнейшей иллюстрации и разъяснения настоящего изобретения представлены следующие примеры. Они не должны рассматриваться как ограничивающие в каком-либо отношении. Если не указано иное, то все доли и процентные содержания приводятся по массе.
Пример
В соответствии с настоящим изобретением частицы анодного или игольчатого кокса в состоянии после отгрузки сначала разделяют просеиванием на две фракции, при этом крупнозернистая фракция содержит частицы размером более 5 мм. Крупнозернистую фракцию затем поточно (online) подают в измельчитель, имеющий мощные размалывающие лопасти и дающий зерна размером от 200 мкм до 3 мм. Параллельно мелкозернистую фракцию подают в другой измельчитель, сконструированный для более мелких зерен и обеспечивающий получение частиц размером от 25 мкм до 300 мкм. Две эти фракции затем объединяют снова, и полученный в результате порошок содержит частицы кокса с Гауссовым распределением размеров частиц между 25 мкм и 3 мм.
Порошок предварительно нагревают до 100-125°C в нагревательном устройстве с вращающимся барабаном, а затем перемешивают при 150-160°C в высокоинтенсивном миксере, таком как миксер Эйриха (Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH & Co KG, Хардхайм, Германия), вместе с 15% (мас./мас.) связующего пека.
В одном дополнительном варианте осуществления в высокоинтенсивный миксер может быть также добавлено вплоть до 5% (мас./мас.) графитовой пыли, полученной в результате механической обработки графитовых электродов, и неспеченных отходов от других операций.
Другие компоненты, которые могут быть введены в шихту в малых количествах, включают углеродные волокна или углеродные нановолокна, предназначенные для обеспечения дополнительной механической прочности или для корректировки КТР (коэффициента термического расширения) конечного электрода, а также масла или другие смазки для облегчения экструзии шихты.
Полученную в результате так называемую «сырую» смесь затем направляют в установку экструзии или прессования, где формуют так называемые «сырые» (неспеченные) электроды с приданием им окончательной формы.
Неспеченный электрод затем обжигают при температуре между приблизительно 700°C и приблизительно 1100°C, более предпочтительно между примерно 800°C и примерно 1000°C для коксования связующего пека до твердого кокса, что придает электроду постоянство формы, высокую механическую прочность, хорошую теплопроводность и сравнительно низкое электрическое сопротивление. Этап обжига осуществляют при относительном отсутствии воздуха, при скорости нагрева до конечной температуры от примерно 1 K до примерно 5 K в час. После обжига электрод может быть пропитан один или более раз каменноугольной смолой, или нефтяным пеком, или же другими типами смол, известными в промышленности, для заполнения дополнительным пековым коксом всех открытых пор электрода. В таком случае каждая пропитка сопровождается дополнительным этапом обжига.
После обжига электрод, называемый на данной стадии ококсованным электродом, затем графитизируют термообработкой в течение времени, достаточного для того, чтобы заставить атомы углерода в прокаленном коксе и связующем коксовом пеке перейти из плохо упорядоченного состояния в кристаллическую структуру графита. Если в качестве исходного материала используют анодный кокс, то графитизацию осуществляют при конечной температуре от 2100°C до 2700°C, более предпочтительно от 2200°C до 2500°C. Из-за чистоты анодного кокса для достижения необходимой зольности конечного электрода достаточны сравнительно низкие температуры графитизации. Если в качестве сырья используют игольчатый кокс, то графитизацию проводят при температуре между примерно 2700°C и примерно 3200°C. При столь высоких температурах все другие элементы кроме углерода улетучиваются и выделяются в виде паров. Время, необходимое для выдерживания при температуре графитизации, составляет не более примерно 12 часов, предпочтительно от примерно 30 мин до примерно 3 часов. Графитизацию можно проводить в печах Эчисона (Acheson) или в печах продольной графитизации (от англ. «lengthwise graphitization» (LWG)), при этом последние могут также функционировать в непрерывном режиме работы. После того как графитизация завершена, готовый электрод можно обрезать по размеру, а затем подвергнуть механической обработке или иным способом придать ему конечную конфигурацию.
Сравнительный пример
Сравнительный обычный графитовый электрод был изготовлен с использованием игольчатого кокса с частицами со средним диаметром вплоть до примерно 25 миллиметров (мм). Размолотый, отсортированный и измельченный кокс был перемешан с 15% (мас./мас.) каменноугольной смолы в смесителе с Z-образными лопастями. Полученная в результате «сырая» смесь была затем переработана в графитовый электрод, как описывалось выше.
Настоящее изобретение дает многочисленные преимущества по сравнению с уровнем техники. Оно обеспечивает электроды с требуемой механической прочностью без необходимости в каких-либо технологических этапах просеивания или шихтования. Благодаря укороченной последовательности технологических операций качество конечного графитового электрода может поддерживаться на том же самом заданном уровне с меньшим количеством брака, и при этом та же самая технологическая линия может иметь большую производительность, чем обычные технологические линии.
| Тип электрода | ГЭанодный кокс | ГЭигольчатый кокс | ГЭобычный | |
| Объемная плотность | (г/см3) | 1,76 | 1,78 | 1,73 |
| Открытая пористость | (%) | 22 | 14 | 17 |
| Удельное электрическое сопротивление | (мкОм·м) | 10 | 4 | 6 |
| Предел прочности на изгиб | (Н/мм2) | 20 | 26 | 14 |
| Содержание железа | (%) | 0,07 | 0,25 | 0,2 |
Вышеприведенное описание предназначено для того, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники осуществить на практике настоящее изобретение. Оно не предназначено для детализации всех возможных вариантов и модификаций, которые станут очевидными квалифицированному специалисту по прочтении описания. Однако предполагается, что все такие модификации и варианты включены в объем изобретения, который охарактеризован нижеследующей формулой изобретения. Формула изобретения предназначена охватывать указанные элементы и этапы в любой компоновке или последовательности, которая является эффективной для решения поставленных перед изобретением задач, если в контексте специально не будет указано обратное.
Claims (16)
1. Графитовый электрод для печи карботермического восстановления, содержащий формованное графитовое тело электрода, образованное из частиц кокса, имеющих, по существу, непрерывное распределение размеров частиц от 25 мкм до 3 мм, в матрице из коксованного каменноугольного связующего пека и графитизированное с образованием графитового тела электрода.
2. Графитовый электрод по п.1, отличающийся тем, что упомянутые частицы кокса являются частицами кокса анодного качества с содержанием железа менее 0,1% по массе, а тело электрода графитизировано при конечной температуре графитизации ниже 2700°С.
3. Графитовый электрод по п.1, отличающийся тем, что упомянутое тело электрода имеет содержание железа приблизительно 0,05% по массе.
4. Графитовый электрод по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит некоторое количество углеродных нановолокон, внедренных в упомянутое тело электрода для повышения механической прочности и корректировки его коэффициента термического расширения.
5. Графитовый электрод по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит некоторое количество углеродных волокон, внедренных в упомянутое тело электрода для повышения механической прочности и корректировки его коэффициента термического расширения.
6. Способ изготовления графитового электрода для печи карботермического восстановления, включающий измельчение частиц кокса до достижения непрерывного распределения размеров частиц от, по существу, 25 мкм до, по существу, 3 мм и смешивание частиц кокса со связующим каменноугольным пеком с образованием смеси, формирование тела электрода из этой смеси с образованием неспеченого электрода, обжиг неспеченного электрода при температуре между приблизительно 700°С и приблизительно 1100°С для коксования связующего пека до твердого кокса с образованием ококсованного электрода, графитизацию ококсованного электрода термообработкой в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать организацию углеродных атомов в ококсованном электроде в кристаллическую структуру графита и механическую обработку графитизированного электрода для придания электроду конечной формы.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что этап измельчения включает просеивание партии частиц кокса с разделением на крупнозернистую фракцию и мелкозернистую фракцию, раздельное измельчение крупнозернистой фракции и мелкозернистой фракции, и последующее объединение измельченных фракций в партию частиц кокса с Гауссовым распределением размеров частиц.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что включает измельчение крупнозернистой фракции до частиц с распределением частиц от 200 мкм до 3 мм и измельчение мелкозернистой фракции до частиц с распределением частиц от 25 до 300 мкм.
9. Способ по п.6, отличающийся тем, что включает обеспечение кокса в виде кокса анодного качества и графитизацию электрода при температуре графитизации вплоть до 2700°С.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что включает графитизацию при температуре между 2200°С и 2500°С.
11. Способ по п.6, отличающийся тем, что включает обеспечение кокса в виде игольчатого кокса и графитизацию электрода при температуре графитизации между 2700°С и 3200°С.
12. Способ по п.6, отличающийся тем, что включает после этапа обжига пропитку электрода по меньшей мере один раз каменноугольной смолой или нефтяным пеком для отложения дополнительного пекового кокса в открытых порах электрода, при этом каждый этап пропитки сопровождают дополнительным этапом обжига.
13. Способ по п.6, отличающийся тем, что включает добавление в смесь масел и других смазок и формирование неспеченого электрода путем экструзии.
14. Способ по п.6, отличающийся тем, что включает формирование неспеченого электрода путем прессования в формовочной матрице или путем виброформования в формовочной матрице с перемешиванием.
15. Способ по п.6, отличающийся тем, что включает добавление относительно малой доли углеродных волокон или углеродных нановолокон в смесь для формирования неспеченого электрода.
16. Способ изготовления графитовой электродной колонны для печи карботермического восстановления, включающий изготовление множества графитизированных электродов способом по п.6, изготовление ниппеля, выполненного с возможностью зацепления с графитизированными электродами, и соединение этих электродов и ниппеля с образованием графитовой электродной колонны.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US57175504P | 2004-05-17 | 2004-05-17 | |
| US60/571,755 | 2004-05-17 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006144871A RU2006144871A (ru) | 2008-06-27 |
| RU2365646C2 true RU2365646C2 (ru) | 2009-08-27 |
Family
ID=34970804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006144871/02A RU2365646C2 (ru) | 2004-05-17 | 2005-05-13 | Устойчивые к разрушению электроды для печи карботермического восстановления |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US20050253118A1 (ru) |
| EP (1) | EP1752021B1 (ru) |
| JP (1) | JP5101277B2 (ru) |
| CN (1) | CN1957643B (ru) |
| NO (1) | NO20065589L (ru) |
| RU (1) | RU2365646C2 (ru) |
| WO (1) | WO2005112511A1 (ru) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9777221B2 (en) * | 2006-06-29 | 2017-10-03 | Graftech International Holdings Inc. | Method of producing needle coke for low CTE graphite electrodes |
| CN101639501B (zh) * | 2009-05-15 | 2011-02-02 | 西安超码科技有限公司 | 一种直接加热式测试炭/炭发热体高温电阻的方法 |
| CN101639500B (zh) * | 2009-05-15 | 2011-01-26 | 西安超码科技有限公司 | 一种间接加热式测试炭/炭发热体高温电阻的方法 |
| DE102010038669A1 (de) * | 2010-07-29 | 2012-02-02 | Sgl Carbon Se | Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle und ein Verfahren zu seiner Herstellung |
| US20140250168A1 (en) * | 2011-07-14 | 2014-09-04 | Ayodele Damola | Optimization engine in a mobile cloud accelerator and related methods |
| CN102355759B (zh) * | 2011-07-22 | 2013-02-20 | 河北联冠电极股份有限公司 | 铁合金冶炼专用炭电极及其制备方法 |
| CN102427614A (zh) * | 2011-09-06 | 2012-04-25 | 卢显东 | 一种电热水袋电极及其制造方法 |
| CN104276631B (zh) * | 2013-07-03 | 2016-06-22 | 济南大学 | 一种氧化铁皮基粒子电极及其制备方法 |
| US10263861B2 (en) * | 2014-11-07 | 2019-04-16 | Cisco Technology, Inc. | Multi-path aware tracing and probing functionality at service topology layer |
| CN106376121B (zh) * | 2016-08-26 | 2020-03-17 | 河北顺天电极有限公司 | 一种高石墨质炭电极及其制备方法 |
| CN108585861A (zh) * | 2018-03-22 | 2018-09-28 | 合肥炭素有限责任公司 | 一种电极接头及其制备方法 |
| CN109860575A (zh) * | 2019-03-06 | 2019-06-07 | 太原理工大学 | 一种煤基石墨微晶导电复合物及其制备方法和应用 |
| CN112876249B (zh) * | 2021-01-13 | 2022-07-08 | 山西沁新能源集团股份有限公司 | 制备预焙阳极的方法、预焙阳极及其应用 |
| CN118084493A (zh) * | 2024-04-25 | 2024-05-28 | 山西三元炭素有限责任公司 | 一种矿热炉石墨焦电极及制备工艺 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3554830A (en) * | 1965-12-08 | 1971-01-12 | United Coke & Chemicals Co Ltd | Production of graphite bodies |
| FR2740771A1 (fr) * | 1995-11-02 | 1997-05-09 | Pechiney Aluminium | Bloc carbone a haute resistance au choc thermique |
| RU2099443C1 (ru) * | 1988-10-03 | 1997-12-20 | Борден, Инк. | Способ получения непрерывного самоспекающегося электрода и композиция для его получения |
| US6440193B1 (en) * | 2001-05-21 | 2002-08-27 | Alcoa Inc. | Method and reactor for production of aluminum by carbothermic reduction of alumina |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2974032A (en) * | 1960-02-24 | 1961-03-07 | Pechiney | Reduction of alumina |
| GB974019A (en) * | 1962-01-24 | 1964-11-04 | Exxon Research Engineering Co | Electrodes containing petroleum coke |
| US3607221A (en) * | 1969-02-17 | 1971-09-21 | Reynolds Metals Co | Carbothermic production of aluminum |
| JPS5143398B2 (ru) * | 1972-06-10 | 1976-11-20 | ||
| GB1590431A (en) * | 1976-05-28 | 1981-06-03 | Alcan Res & Dev | Process for the production of aluminium |
| JPS59121107A (ja) * | 1982-12-27 | 1984-07-13 | Ibiden Co Ltd | 炭素電極棒の製造方法 |
| US4491472A (en) * | 1983-03-07 | 1985-01-01 | Aluminum Company Of America | Carbothermic reduction and prereduced charge for producing aluminum-silicon alloys |
| US4486229A (en) * | 1983-03-07 | 1984-12-04 | Aluminum Company Of America | Carbothermic reduction with parallel heat sources |
| JPS62108721A (ja) * | 1985-11-08 | 1987-05-20 | Tokai Carbon Co Ltd | 等方性カ−ボン材の製造方法 |
| US4998709A (en) * | 1988-06-23 | 1991-03-12 | Conoco Inc. | Method of making graphite electrode nipple |
| US5431812A (en) * | 1994-03-07 | 1995-07-11 | Texaco Inc. | Coking process |
| JP3602737B2 (ja) * | 1998-12-14 | 2004-12-15 | 正次 外川 | 粉末成形金型 |
| FR2801303B1 (fr) * | 1999-11-24 | 2001-12-21 | Pechiney Aluminium | Procede de fabrication de blocs carbones a haute resistance aux chocs thermiques |
| JP2002083595A (ja) * | 2000-09-06 | 2002-03-22 | Mitsubishi Gas Chem Co Inc | コークス、人造黒鉛および非水溶媒二次電池負極用炭素材料の製造法とピッチ組成物 |
| JP4133818B2 (ja) * | 2001-08-24 | 2008-08-13 | コノコフィリップス カンパニー | より均一かつ高品質のコークスを生成するための方法 |
| US20040041291A1 (en) * | 2002-08-27 | 2004-03-04 | Ucar Carbon Company Inc. | Process of making carbon electrodes |
| JP4385583B2 (ja) * | 2002-10-07 | 2009-12-16 | 三菱化学株式会社 | アルミニウム精錬用カソードブロック及びその製造方法 |
| US6830595B2 (en) * | 2002-12-20 | 2004-12-14 | Advanced Energy Technology Inc. | Method of making composite electrode and current collectors |
| US7016394B2 (en) * | 2004-04-23 | 2006-03-21 | Ucar Carbon Company Inc. | Male-female electrode joint |
-
2005
- 2005-05-05 US US11/123,775 patent/US20050253118A1/en not_active Abandoned
- 2005-05-13 RU RU2006144871/02A patent/RU2365646C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2005-05-13 EP EP05753725A patent/EP1752021B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2005-05-13 CN CN2005800159977A patent/CN1957643B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2005-05-13 WO PCT/EP2005/005245 patent/WO2005112511A1/en not_active Ceased
- 2005-05-13 JP JP2007517042A patent/JP5101277B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2006
- 2006-12-05 NO NO20065589A patent/NO20065589L/no not_active Application Discontinuation
-
2008
- 2008-09-18 US US12/233,216 patent/US7736413B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3554830A (en) * | 1965-12-08 | 1971-01-12 | United Coke & Chemicals Co Ltd | Production of graphite bodies |
| RU2099443C1 (ru) * | 1988-10-03 | 1997-12-20 | Борден, Инк. | Способ получения непрерывного самоспекающегося электрода и композиция для его получения |
| FR2740771A1 (fr) * | 1995-11-02 | 1997-05-09 | Pechiney Aluminium | Bloc carbone a haute resistance au choc thermique |
| US6440193B1 (en) * | 2001-05-21 | 2002-08-27 | Alcoa Inc. | Method and reactor for production of aluminum by carbothermic reduction of alumina |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP5101277B2 (ja) | 2012-12-19 |
| NO20065589L (no) | 2006-12-05 |
| US20050253118A1 (en) | 2005-11-17 |
| WO2005112511A1 (en) | 2005-11-24 |
| CN1957643A (zh) | 2007-05-02 |
| EP1752021A1 (en) | 2007-02-14 |
| EP1752021B1 (en) | 2012-07-04 |
| CN1957643B (zh) | 2010-10-20 |
| US20090007723A1 (en) | 2009-01-08 |
| US7736413B2 (en) | 2010-06-15 |
| RU2006144871A (ru) | 2008-06-27 |
| JP2007538149A (ja) | 2007-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7736413B2 (en) | Method for using fracture resistant electrodes in a carbothermic reduction furnace | |
| US7794519B2 (en) | Graphite electrode for electrothermic reduction furnaces, electrode column, and method of producing graphite electrodes | |
| RU2546268C2 (ru) | Углеродное изделие, способ изготовления углеродного изделия и его использование | |
| AU7642281A (en) | Titanium diboride - graphite composites | |
| CN103121671A (zh) | 一种等静压石墨的制备方法 | |
| CN101949034A (zh) | 铝电解用阴极石墨化阻流块 | |
| CA1175238A (en) | Method and apparatus for the thermal production of metal carbides and metals | |
| GB2078698A (en) | Process for the preparation of an intermediate containing silicon dioxide and carbon | |
| CN109072087B (zh) | 具有添加剂的新型焦炭 | |
| WO1980001683A1 (fr) | Procede de preparation d'un materiau a base de carbone et de graphite a haute densite et a haute resistance | |
| CN101591190A (zh) | 一种铝电解槽侧墙用新型Si3N4-SiC-C耐火砖及其制备方法 | |
| EP1344846A1 (en) | Aluminium reduction cell refractory material and process for the manufacture of carboceramic material | |
| US4394167A (en) | Method of carbothermically producing aluminum | |
| JP2016514204A5 (ru) | ||
| JP2016514204A (ja) | 濡れ性のある耐摩耗表面を有するカソードブロック | |
| CN101665957B (zh) | 铝电解槽用耐磨蚀石墨化阴极炭块及其制造方法 | |
| CN109072464B (zh) | 一种对生产原铝的电解槽的阴极进行衬里的方法 | |
| RU2556192C2 (ru) | Способ получения катодного блока для электролизера для получения алюминия и катодный блок | |
| SU1034994A1 (ru) | Способ приготовлени коксопековой композиции дл мелкозернистых графитовых изделий | |
| RU2385290C2 (ru) | Способ получения графита | |
| RU2352524C1 (ru) | Способ получения технического кремния | |
| SU1001517A1 (ru) | Способ изготовлени электродной массы | |
| SU834257A1 (ru) | Шихта дл изготовлени угольныхфуТЕРОВОчНыХ блОКОВ | |
| US877114A (en) | Method of obtaining oxid fumes from ores and furnace products. | |
| RU1791379C (ru) | Способ получени кремни |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140514 |