способ получения углеродных электродов

Формула изобретения

Способ получения углеродных электродов, включающий измельчение твердого наполнителя с получением крупной, средней и мелкой фракций, смешение упомянутых фракций и активированной добавки для получения наполнителя заданного гранулометрического состава, смешение полученного состава наполнителя с пеком и термообработку полученной шихты, отличающийся тем, что в качестве активированной добавки используют часть твердого наполнителя, подвергнутого механохимической активации, а перед смешением активированной добавки и фракций твердого наполнителя ее предварительно смешивают с крупной фракцией.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для производства углеродных электродов, в частности - катодных блоков и анодной массы для самообжигающихся анодов алюминиевых электролизеров. Также может быть использовано в производстве других углеродно-графитовых изделий, таких как углеродные композиты, прокладки, уплотнения, покрытия, антифрикционные и теплозащитные материалы, сорбенты.

Известно, что широкий спектр углеродных изделий производится путем смешения твердого наполнителя (графит, антрацит, нефтяной кокс) со связующим, в качестве которого применяется преимущественно каменноугольный пек.

Известен способ получения углеродных электродов (патент №2183190 RU). Готовят шихту на основе графита, добавляют в нее сажевые отходы синтеза фуллеренов в количестве 5-75 мас.%, предварительно размолотые до частиц размером менее 0,1 мм с отсевом частиц размером менее 0,04 мм. Из шихты формуют электроды при 50-200 МПа.

Недостатками упомянутого способа являются относительно малая сырьевая база и высокие энергетические затраты на тонкое измельчение основной массы шихты.

Известен способ получения электродной массы (патент №2132411 RU), в соответствии с которым предлагается непрокаленный кокс вводить в шихту в виде активированной пыли с содержанием фракции 0,08 мм не менее 65 мас.%, при этом массовую долю непрокаленного кокса в коксовой шихте поддерживают в количестве 3-15 мас.%, при этом удельную поверхность активированной пыли фракции 0,08 мм поддерживают не менее 5500 см ²/г.

В данном способе используется доступное сырье, существенно снижены затраты на его измельчение, содержание активированной пыли в 5 раз меньше, чем в предыдущем способе.

Однако в этом способе не достигается улучшения эксплуатационных характеристик электрода, в частности он не влияет на образование бенз(а)пирена при обжиге электрода.

Способ, наиболее близкий к заявленному, описан в патенте №2080417 RU от 27.05.1997 «Углеродная анодная масса». Известный способ заключается во введении в шихту активированной добавки - 1,0-5,0 мас.% пыли металлургического кокса при содержании каменноугольного пека 23-32 мас.% и нефтяного кокса - остальное.

Данный способ позволяет повысить электропроводность электрода, что обеспечивает снижение расхода электроэнергии при его использовании. Данные о влиянии добавки на выделение бенз(а)пирена отсутствуют.

Недостатком способа, выбранного в качестве прототипа, является загрязнение получаемого продукта (алюминия) минеральными компонентами, содержащимися в металлургическом коксе, и отсутствие влияния на выделение вредных компонентов.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение электропроводности углеродного электрода и снижение вредных выбросов при его обжиге, без введения в шихту дополнительных минеральных компонентов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе получения углеродных электродов, включающем измельчение твердого наполнителя с получением крупной, средней и мелкой фракций, смешение упомянутых фракций и активированной добавки с получением наполнителя заданного гранулометрического состава, смешение полученного состава наполнителя с пеком и термообработку полученной шихты, согласно изобретению, в качестве активированной добавки используют часть твердого наполнителя, подверженного механохимической активации, а перед смешением активированной добавки и фракций твердого наполнителя ее предварительно смешивают с крупной фракцией.

Сопоставительный анализ показывает отличительные признаки заявляемого способа от прототипа - вместо металлургического кокса в качестве активированной добавки используется часть твердого наполнителя, подвергнутого механохимической активации, кроме того, смешение этой активированной добавки сначала осуществляют с крупной фракцией твердого наполнителя, а затем смешивают все фракции наполнителя.

В таблице приведены примеры реализации заявляемого и известных способов получения углеродных электродов.

Пример 1 (общепринятый способ). Анодную массу готовили следующим образом: из прокаленного нефтяного кокса (твердый наполнитель) получали крупную, среднюю и мелкую фракции. Эти фракции смешивали в соотношении, обеспечивающем гранулометрический состав наполнителя: 1-6 мм 47 мас.%; 0,16-1 мм 25 мас.%; менее 0,16 мм 28 мас.%. Затем наполнитель смешивали с каменноугольным пеком (32 мас.%). Получение анодов осуществляли нагревом полученной анодной массы до 1000°С со скоростью 100°/ч в железном кожухе 50×50×400 мм. Из нижней части анодов изготавливались образцы для испытаний.

Пример 2 (прототип). Процесс осуществлялся аналогично примеру 1 и на том же сырье. Отличие от примера 1 состояло в том, что 5 мас.% мелкой фракции нефтяного кокса (менее 0,16 мм) было заменено на 5 мас.% металлургического кокса аналогичного фракционного состава. Результаты представлены в таблице.

Пример 3. Процесс осуществлялся аналогично примеру 1, но вместо 3 мас.% мелкой фракции (менее 0,16 мм) нефтяного кокса в наполнитель вводили 3 мас.% активированного в планетарном активаторе нефтяного кокса, имеющего размер менее 0,008 мм. Для активации может быть использована любая фракция нефтяного кокса, или исходный кокс до его разделения на фракции. Был также изменен порядок смешения фракций нефтяного кокса, а именно активированную добавку предварительно смешивали с крупной фракцией нефтяного кокса. Далее эту смесь смешивали с остальными фракциями кокса, затем добавляли пек и смешивали всю анодную массу. Результаты представлены в таблице.

Сопоставление примеров 1, 2 и 3 показывает, что заявляемый способ (пример 3) обеспечивает повышение электропроводности анода без введения в шихту посторонних компонентов с высоким содержанием минеральных примесей. Кроме того, достигается существенное снижение образования бенз(а)пирена по сравнению с традиционной шихтой.

Пример 4. Процесс осуществлялся аналогично примеру 3, но смешение всех фракций, включая активированную добавку, производили одновременно.

Сопоставление данного примера с примером 3 показывает, что положительный эффект практически отсутствует. Следовательно, предварительное смешение активированной добавки с крупной фракцией кокса является необходимым условием реализации заявляемого способа.

Пример 5. Процесс осуществлялся аналогично примеру 3, но в наполнитель вводили 0,5 мас.% (а не 3 мас.%) активированного в планетарном активаторе нефтяного кокса, имеющего размер менее 0,008 мм.

Пример 6. Процесс осуществлялся аналогично примеру 3. По сравнению с примером 3 было уменьшено количество активированной добавки до 1 мас.%.

Пример 7. Процесс осуществлялся аналогично примеру 3. По сравнению с примером 3 было увеличено количество активированной добавки до 5 мас.%.

Пример 8. Процесс осуществлялся аналогично примеру 3. По сравнению с примером 3 было увеличено количество активированной добавки до 6 мас.%.

Сопоставление примеров 3, 5-8 доказывает, что оптимальная концентрация активированной добавки составляет 1-5 мас.%, поскольку при меньшей концентрации активированной добавки 0,5 мас.% (пример 5) положительный эффект не достигается, а при большей концентрации 6 мас.% (пример 8) требуется больше энергозатрат на активацию, но это не дает увеличения эффекта.

Пример 9. Процесс осуществлялся аналогично примеру 1, но вместо нефтяного кокса использовали природный графит. Данный пример моделирует условия получения другого типа электродов, в частности катодных блоков.

Пример 10. Процесс осуществлялся аналогично примеру 3, но вместо 3 мас.% активированного в планетарном активаторе нефтяного кокса, имеющего размер менее 0,008 мм использовали 3 мас.% активированного в планетарном активаторе природного графита, имеющего размер менее 0,008 мм.

Сопоставление примеров 9 и 10 доказывает, что при использовании в качестве твердого наполнителя графита, достигается эффект, аналогичный тому, который наблюдался для анодной шихты с нефтяным коксом.

Пример 11. Процесс осуществлялся аналогично примеру 10, но в наполнитель вводили 0,5 мас.% активированного в планетарном активаторе графита, имеющего размер менее 0,008 мм.

Пример 12. Процесс осуществлялся аналогично примеру 10. По сравнению с примером 10 было уменьшено количество активированной добавки до 1 мас.%.

Пример 13. Процесс осуществлялся аналогично примеру 10. По сравнению с примером 10 было увеличено количество активированной добавки до 5 мас.%.

Пример 14. Процесс осуществлялся аналогично примеру 10. По сравнению с примером 10 было увеличено количество активированной добавки до 6 мас.%.

Примеры 10-14 доказывают, что оптимальная концентрация активированного графита, также как и активированного нефтяного кокса в качестве добавки, составляет 1-5 мас.%, поскольку при меньшей концентрации активированной добавки 0,5 мас.% (пример 11) положительный эффект не достигается, а при большей концентрации 6 мас.% (пример 14) требуется больше энергозатрат на активацию, но это не дает увеличения эффекта.

Пример 15. Процесс осуществлялся аналогично примеру 10, но вместо активированной добавки с размером частиц 0,008 мм использовали отсеянный из мелкой фракции графит с размером частиц 0,08 мм. Результаты представлены в таблице.

Сравнение примеров 10 и 15 доказывает, что применение мелкодисперсного, но не прошедшего механохимическую активацию графита, не дает положительного эффекта. Следует также отметить, что выделить в достаточном количестве фракцию, соответствующую по размеру частиц активированной добавке (0,008 мм), из мелкой фракции наполнителя, приготовленного обычным образом, не удается.

Таким образом, использование заявляемого способа для получения углеродных электродов позволяет значительно уменьшить их электросопротивление и снизить выбросы бенз(а)пирена без введения в шихту каких-либо загрязняющих компонентов.

№ примеров	Тип добавки	Концентрация добавки в шихте, мас.%	Электросопротивление, ом*мм2/м	Выход бенз(а)пирена, г/кг шихты	Примечания
1.	-	-	72,4	6,23	традиционный способ получения анода
2.	металлургический кокс	5	68,6	-	прототип
3.	нефтяной кокс	3	65,3	0,70	заявляемый способ
4.	то же	3	71,6	4,93	-
5.	то же	0,5	71,9	4,12	-
6.	то же	1,0	66,8	0,68	заявляемый способ
7.	то же	5,0	65,1	0,55	то же
8.	то же	6,0	65,3	0,57	-
9.	графит		59,3	5,46	пример, моделирующий получение катодных блоков
10.	то же	3	56,5	0,56	Заявляемый способ
11.	то же	0,5	59,7	1,68	-
12.	то же	1,0	56,8	0,84	заявляемый способ
13.	то же	5,0	55,9	0,60	то же
14.	то же	6,0	55,7	0,59	-
15.	графит с размером частиц менее 0,08 мм	3,0	59,2	5,44	-