способ производства анодной массы (варианты)

Формула изобретения

1. Способ производства анодной массы, включающий приготовление полидисперсной коксовой шихты, ее предварительный нагрев и дозирование, подготовку и дозирование пека, смешивание коксовой шихты с пеком и формование массы, отличающийся тем, что на смешивание подают порошкообразный пек крупностью менее 2 мм и коксовую шихту, нагретую до температуры на 50-90°С выше двойной температуры размягчения пека, при этом формование осуществляют при температуре анодной массы 100-150°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешивание анодной массы осуществляют в режиме вихревого смешивания с противотоком, при этом подачу порошкообразного пека в смеситель осуществляют равномерно.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование анодной массы осуществляют прессованием или экструзией.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что весовое дозирование компонентов анодной массы осуществляют с точностью ±0,5%.

5. Способ производства анодной массы, включающий приготовление полидисперсной коксовой шихты, ее предварительный нагрев и дозирование, подготовку и дозирование пека, смешивание коксовой шихты с пеком и формование массы, отличающийся тем, что на смешивание подают расплавленный пек с температурой, вдвое превышающей температуру размягчения пека, и коксовую шихту с температурой на 15-25°С выше температуры расплавленного пека, при этом формование осуществляют при температуре анодной массы 100-150°С.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что формование анодной массы осуществляют прессованием или экструзией.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что прессование анодной массы осуществляют с использованием воды.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что весовое дозирование компонентов анодной массы осуществляют с точностью ±0,5%.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области электродного производства и может быть использовано преимущественно для производства анодов алюминиевых электролизеров при электролитическом получении алюминия из расплавленных солей.

В настоящее время с целью повышения качества анодов и улучшения экологии в алюминиевой промышленности в производство анодной массы вовлекают пеки с повышенной температурой размягчения (ПТР).

На типовых аппаратурно-технологических линиях, которыми оснащены цеха производства анодной массы и которые проектировались под переработку среднетемпературных пеков (СТП), переработка ПТР вызывает ряд технологических трудностей.

Поэтому актуальна разработка новых способов производства анодной массы, позволяющих перерабатывать пеки с повышенной температурой размягчения.

Известно техническое решение по патенту РФ №2091511 "Способ производства анодной массы для самообжигающихся анодов (С 25 В 11/12, 15.05.95 г.), согласно которому производство анодной массы на основе высокотемпературных пеков (ВТП) осуществляют в режиме "сухого" смешивания с последующим ее брикетированием.

Промышленная аппаратурно-технологическая линия брикетирования на ИркАЗе представлена на фиг1.

Линия состоит из накопительного бункера коксовой шихты крупных фракций (крупка) 1, накопительного бункера пылевой фракции коксовой шихты 2, бункера-накопителя измельченного пека 3. Из бункеров-накопителей 1, 2, 3 сырье поступает в узлы предварительного дозирования соответственно 4, 5, 6.

Далее крупка и пылевая фракция подаются в узел весового дозирования коксовой шихты 7, а пек в узел весового дозирования пека 8. Перед смешиванием коксовая шихта подогревается до требуемой температуры в электронагревателе прямого нагрева 9. Подогретая шихта и твердый измельченный пек направляются в смеситель 10. Далее через промежуточный обогреваемый бункер 11 анодная масса направляется на валковый пресс 12, откуда масса в виде брикетов попадает на охлаждение в водяную ванну 13.

По технической сущности и достигаемому результату способ по указанному выше патенту принят за прототип, в котором выбор параметров температурной подготовки коксовой шихты перед смешиванием и температурные параметры смешивания были направлены на обеспечение режима "сухого" смешивания. Также в прототипе рекомендуется температура массы перед брикетированием на 5-10°С ниже температуры плавления пека, так как ВТП в данном интервале характеризуется достаточной термостабильностью.

При испытании способа по прототипу с применением ПТР на промышленной аппаратурно-технологической линии, представленной на фис.1, качество брикетов не соответствовало предъявляемым требованиям по механической прочности.

Это связано, в основном, с тем, что не удалось добиться стабилизации температур в заявленных узких пределах при использовании ПТР в качестве связующего.

Известно, что пек с повышенной температурой размягчения в интервале температур на 5-10°С ниже температуры его плавления характеризуется меньшей, чем у ВТП, термостабильностью, поэтому применение способа по прототипу с использованием ПТР приводило к технологическим нарушением процесса брикетирования, а именно: при снижении температуры брикетирования на 10°С по сравнению с температурой размягчения получали трудно брикетируемую порошкообразную массу, а при снижении на 5°С наблюдалось залипание в прессе. Таким образом, температурный интервал массы перед брикетированием необходимо было сужать, чтобы реализовать способ по прототипу при использовании ПТР, а это в условиях существующей техники трудно достижимая задача.

В прототипе для обеспечения лучшего усреднения кокса с пеком в режиме "сухого" смешивания пек измельчали до крупности частиц менее максимального размера частиц пылевой фракции коксовой шихты (-1 мм), что, по мнению авторов, должно было увеличить суммарную удельную поверхность пека и обеспечить лучшую гомогенизацию процесса. На практике это привело к отрицательному эффекту:

- увеличился пылеунос пека;

- участились технологические нарушения в дозировании пека из-за его "зависания" в бункере.

Таким образом, реализация способа по прототипу связана с рядом существенных технических трудностей: процесс брикетирования и качество брикетов не стабильны, что не позволяло организовать непрерывный процесс.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества анодной массы на основе как среднетемпературных пеков, так и на основе пеков с повышенной температурой размягчения.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение качества брикетов и анодной массы: повышение прочности брикетов, снижение пористости, повышение механической прочности, снижение разрушаемости в токе СО₂, что, как следствие, в процессе электролиза снижает удельный расход анодной массы, электроэнергии и т.д. Также предлагаемый способ позволяет перерабатывать все виды пеков, как в твердом, так и в жидком виде.

Поставленная задача достигается тем, что в способе производства анодной массы, включающем приготовление полидисперсной коксовой шихты, ее предварительный нагрев и дозирование, подготовку и дозирование пека, смешивание коксовой шихты с пеком и формование массы, на смешивание подают порошкообразный пек крупностью менее 2 мм и коксовую шихту, нагретую до температуры на 50-90°С выше двойной температуры размягчения пека. В другом варианте на смешивание подают расплавленный пек с температурой, вдвое превышающей температуру размягчения пека, и коксовую шихту с температурой на 15-25°С выше температуры расплавленного пека, при этом как в случае подачи порошкообразного пека, так и в случае подачи расплавленного пека смешивание компонентов анодной массы осуществляют в режиме вихревого смешивания с противотоком, при этом порошкообразный пек в смеситель подают равномерно, а дозирование компонентов шихты осуществляют с точностью ±0,5%, причем формование осуществляют при температуре анодной массы 100-150°С экструзией или прессованием, при этом прессование осуществляют с использованием воды.

Техническая сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Известно, что качество смешивания углеродного наполнителя (кокса) с углеводородным связующим (пеком) во многом определяется двумя процессами: смачиванием кокса пеком и гомогенизацией смеси. Хорошая смачиваемость способствует пропитке пеком пор кокса, а значит, снижению пористости анодной массы и, соответственно, улучшению ее физико-химических свойств после обжига. Гомогенизация смеси обеспечивает однородность материала во всем объеме, что необходимо для формования однородного анода и стабилизации процесса электролиза.

С целью создания наиболее благоприятных условий смачивания и пропитки кокса пеком в процессе смешивания порошкообразного пека с коксом авторы предлагают нагревать коксовую шихту до температуры на 50-90°С выше двойной температуры размягчения пека. За счет высокой температуры кокса пек быстро переходит из твердого состояния в жидкое, вязкость и поверхностное натяжение пека на поверхности кокса, нагретого до высокой температуры, резко снижаются, в результате чего достигается хорошая смачиваемость и пропитка кокса пеком. Также низкая вязкость пековых прослоек обеспечивает быструю гомогенизацию смеси.

Для обеспечения высокой температуры коксовой шихты авторами предлагается осуществлять ее нагрев в электрическом подогревателе прямого нагрева, то есть за счет прохождения тока по самой шихте. Это обеспечивает быстрый и равномерный прогрев коксовых частиц во всем объеме, а также такой нагрев отличается высоким КПД.

Также авторы предлагают смешивание производить в необогреваемом вихревом смесителе в противотоке, создаваемом разнонаправленным вращением тарели смесителя и завихрения, что обеспечивает более высокую степень гомогенизации по сравнению с лопастными и шнековыми смесителями. Кроме того, при смешивании нагретого кокса с твердым пеком в необогреваемом смесителе происходит некоторое понижение температуры кокса, что приводит к сжатию воздуха в порах кокса и появлению эффекта "всасывания". Это дополнительно улучшает пропитку.

В связи с тем, что на заводы поставляют пек как в твердом, так и в жидком виде, способ предполагает также вариант подачи на смешивание расплавленного пека. В данном случае, согласно формуле изобретения, коксовая шихта нагревается до температуры на 15-25°С выше двойной температуры размягчения пека, а пек нагревается до температуры, вдвое превышающей температуру его размягчения. При такой предварительной термоподготовке компонентов анодной массы процесс смешивания также реализуется по описанному выше для порошкообразного пека механизму.

Как при использовании порошкообразного, так и расплавленного пека авторы не рекомендуют нагревать шихту выше 260°С, так как в противном случае значительно возрастает отгонка низкотемпературных фракций, что не желательно в процессе смешивания.

Достигаемая в предлагаемом способе более высокая степень пропитки кокса пеком и гомогенизации массы при повышенной температуре кокса и вихревом ее смешивании позволяют улучшить эксплуатационные характеристики анодной массы (пористость, прочность, электросопротивление и разрушаемость в СО₂).

Побочным положительным эффектом предлагаемого способа является снижение энергозатрат на специальную технологическую операцию расплавления твердого пека.

Авторами заявляются следующие отличительные от прототипа признаки:

1) если "...на смешивание подают порошкообразный пек, то коксовую шихту нагревают до температуры на 50-90°С выше двойной температуры размягчения пека", а если "...на смешивание подают расплавленный пек с температурой, вдвое превышающей температуру размягчения пека, то коксовую шихту предварительно нагревают до температуры на 15-25°С выше температуры расплавленного пека" (см. пп.1 и 2 формулы изобретения).

Выполнение указанных выше условий обеспечивает при смешивании хорошую смачиваемость кокса пеком и гомогенизацию смеси, так как, в отличие от прототипа, смешивание осуществляется в режиме "жидкого" смешивания, что обеспечивает пропитку, а режим "вихревого" смешивания при смешивании массы в пластичном состоянии интенсифицирует процесс гомогенизации.

2) "...формование осуществляют при температуре анодной массы 100-150°С".

И в прототипе, и в предлагаемом способе после смешивания используют обогреваемый промежуточный бункер для термостабилизации анодной массы, но уровень термоподготовки массы перед брикетированием разный. При температуре массы перед брикетированием 100-150°С в предлагаемом способе гарантируется непрерывное получение качественных и прочных брикетов. В прототипе на брикетирование поступает масса с температурой на 5-10°С ниже температуры размягчения пека. Это приводит к снижению пластичности пека в прослойках кокса при прессовании, а значит, к получению брикетов с низкой механической прочностью.

В предлагаемом способе температура массы перед брикетированием 100-150°С, то есть приблизительно на 20°С ниже двойной температуры плавления пека. Это обеспечивает формование массы в пластическом состоянии, а значит, позволяет упрочнить брикет в процессе прессования.

Температура перед брикетированием задана интервалом с учетом всего диапазона пеков (СТП, ПТР), поступающих на переработку. До 100°С охлаждается масса на основе СТП, до 150°С - на основе ПТР.

3) "...на смешивание подают порошкообразный пек крупностью менее 2 мм...".

Как уже упоминалось выше, переизмельчение пека по прототипу ухудшало некоторые показатели процесса, а именно: неточность дозирования за счет зависания пека в бункере и повышенного пыления при его подаче в смеситель.

4) Пункт 3 формулы изобретения касается способа подачи порошкообразного пека.

Основное требование к подаче - это равномерность с целью предупреждения образования комков при залповой подаче пека, так как образование комков может привести к остановке смесителя, работающего в режиме "вихревого" смешивания. Авторы рекомендуют загружать пек в течение одного оборота тарели смесителя.

5) Пунктом 4 формулы авторы подчеркивают универсальность предлагаемого способа, так как смешивание в "жидком" режиме и наличие возможности варьировать температурой перед формованием позволяет формовать массу как прессованием в вальцовом прессе, так и традиционной экструзией, причем для повышения качества брикетов рекомендуется пресс обрабатывать водой, которая в данном случае выполняет двойную роль: роль смазки и роль хладоагента.

6) Пунктом 6 формулы авторы подчеркивают необходимость точного дозирования компонентов анодной массы в процессе смешивания. Заявленная точность дозирования ±0,5% - это реально достижимая точность на современных весовых дозаторах и вполне удовлетворяющая потребность предлагаемого способа.

При соблюдении всех условий, выраженных в формуле изобретения, достигается поставленная задача - повышение и стабилизация качества анодной массы на связующих с различной температурой размягчения.

Основным общим признаком предлагаемого способа и способа по прототипу является использование в производстве анодной массы пеков с повышенной температурой размягчения. Но предлагаемое техническое решение является более прогрессивным, так как позволяет на одной и той же аппаратурно-технологической линии перерабатывать пеки с различной температурой размягчения. Этим предлагаемое техническое решение существенно отличается от прототипа.

Следовательно, данное техническое предложение отвечает критерию изобретения - "новизна".

Для определения "уровня техники" проведен поиск по патентной и научно-технической литературе.

Проведенный анализ существующих способов производства анодной массы на основе высокотемпературных пеков выявил ряд сходных признаков:

1) предварительный нагрев коксовой шихты перед смешиванием пеко-коксовой композиции - прием известный и встречается в целом ряде изобретений:

- Великобритания, заявка №1426794, МКИ С 01 В 55/00, опубл. 03.03.76 г. Способ получения углеродсодержащих брикетов;

- А.с. СССР №1726453, С 04 В 35/52, опубл. 26.12.89 г. Способ приготовления электродной массы.

Результатом предварительного нагрева коксовой шихты в каждом из приведенных изобретений является энергетический выигрыш и повышение КПД смесильных машин, перемешивающих массу за счет давления в смесители, создаваемого специальной конструкцией шнеков. На данных шнековых смесителях переработка пеков ПТР не возможна, так как получить температуру, двукратно превышающую температуру размягчения ПТР, не удается, а значит, невозможно вести процесс в режиме "жидкого" смешивания.

В предлагаемом решении температура нагрева коксовой шихты значительно превышает двойную температуру размягчения пека и тепла кокса хватает для ведения процесса смешивания в "жидком" режиме в аппаратах вихревого смешивания, например фирмы "Айрих";

2) способы переработки ВТП известны:

- А.с. СССР №1034994, С 01 В 31/02, опубл. 15.08.83 г.

- ФРГ, заявка № OS 3432887, Н 05 В 7/085. Способ изготовления графитовых электродов большой мощности.

- Япония, заявка №61-24326, С 01 В 31/02, опубл. 06.10.86 г. Способ получения электродного материала.

3) использование связующего материала без предварительной термоподготовки перед смешиванием известно:

- А.с. СССР №223367, С 22 С, опубл. 02.07.68 г.

В данном случае кокс и пек смешиваются в холодном виде и смесь не брикетируется, то есть термообработка пеко-коксовой композиции полностью отсутствует.

Проведенный анализ показал, что принципиально отдельные признаки объекта защиты известны, однако совокупность известных и неизвестных признаков, указанных в формуле изобретения, позволяет выйти на новый уровень в разработке перспективного универсального способа производства анодной массы, в том числе и на основе пеков с повышенной температурой размягчения. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения - "уровень техники".

Ниже приведены примеры промышленной реализации предлагаемого способа производства анодной массы. Все примеры реализуются на аппаратурно-технологической линии, представленной на фиг. 2.

Аппаратурно-технологическая линия состоит из ряда емкостей-накопителей: бункера крупных коксовых фракций 1, пылевого бункера 2, бункера твердого пека 3, напорного бака жидкого пека 4. Из накопительных бункеров коксовая шихта через соответствующие весовые дозаторы 5, 6 направляется в электрический подогреватель коксовой шихты 7. Далее коксовая шихта и пек направляются на смешивание в вихревой смеситель “Айрих” 10, при этом возможны два варианта выполнения способа:

1) подача на смешивание твердого пека через весовой дозатор твердого пека 8;

2) подача на смешивание жидкого пека через весовой дозатор жидкого пека 9.

Масса из смесителя направляется в парообогреваемый бункер 11.

Возможно получение анодной массы двух видов: в виде брикетов или в виде объемной формы, соответствующей форме установленных фильер. В первом случае через парообогреваемый шнек 12 масса подается в валковый пресс 14. Во втором случае масса пропускается через парообогреваемый шнек с фильерой 13 и далее на водоохлаждаемый конвейер 15.

I. 1.1. Сырье для приготовления анодной массы:

- пековый кокс - 73%;

- пек с повышенной температурой размягчения (90°С) - 27%.

1.2. Коксовая шихта готовилась по заданному грансоставу и дозировалась с точностью ±0,5% в электроподогреватель. Грансостав коксовой шихты:

- крупка - 50%;

- пыль - 50%.

1.3. Температура нагрева коксовой шихты - 247°С.

1.4. Предварительно нагретая коксовая шихта подавалась в вихревой смеситель фирмы "Айрих".

1.5. Твердый пек измельчали до фракции -2мм и дозатором твердого пека подавали в вихревой смеситель равномерно в течение одного полного оборота барабана смесителя. Подачу пека осуществляли в заданном соотношении кокс : пек = 73%:27%.

1.6. Перемешивание осуществляли до стабилизации токовой нагрузки на смесителе, как правило, в течение 2-3 минут.

1.7. Анодная масса на выходе имела температуру 189°С, и ее выгружали в промежуточный бункер, где температура массы была снижена до 140°С.

1.8. Полученная масса направлялась на вальцовый пресс, а оттуда на склад.

II. 2.1. Сырье для приготовления анодной массы:

- пековый кокс - 73%;

- СТП с температурой размягчения 67°С - 27%.

2.2. Аналогично 1.2.

2.3. Температура нагрева коксовой шихты - 155°С.

2.4. Аналогично 1.4.

2.5. Пек разогревался до температуры 135°С и через напорный бак и весовой дозатор жидкого пека подавался в вихревой смеситель в заданном соотношении.

2.6. Интенсивное перемешивание осуществлялось до стабилизации токовой нагрузки на смесителе, как правило, стабилизация наступала в течение 1,5-2 минут от начала перемешивания.

2.7. Анодная масса на выходе имела температуру 140°С, и ее выгружали в промежуточный охлаждающий бункер, где ее температура была снижена до 110°С.

2.8. Аналогично 1.8.

В результате проведенных экспериментов в обоих вариантах реализации предлагаемого способа получали брикеты анодной массы, отличающиеся высокими потребительскими свойствами (см. таблицу).