一种碳素纤维增强型阴极炭块及其制备方法 【技术领域】
一种碳素纤维增强型阴极炭块及其制备方法，涉及一种电解铝阴极炭块及其制备方法。
背景技术
铝电解生产过程中所用的主体设备是电解槽，其阴极部分与铝液和电解质接触部位是用炭质材料构成的，特别是电解槽底部都是用炭块砌筑而成的。电解槽在正常生产过程中，电流由阳极流过电解质及铝液，然后由阴极流入阴极母线，在电解槽中发生的电化学反应及高温的作用下，铝液对阴极炭块表面有冲刷、磨蚀作用，阴极炭块常常因受到热应力和电解质化学侵蚀的作用而发生变形，形成膨胀隆起、开裂、冲蚀坑穴等，电解质则会对阴极炭块产生侵蚀导致阴极炭块过早损坏，阴极炭块的寿命直接影响到铝电解槽的寿命，因此阴极炭块必须具备耐高温、耐电解质侵蚀和良好的导电、导热性能，同时还需要有较高的机械强度、抗热震性和抗钠侵蚀性。
铝电解槽通常所使用的阴极炭块有：无烟煤基阴极炭块、石墨质炭块、石墨化炭块，而无烟煤基阴极炭块根据其石墨化程度又分为无定形和半石墨质炭块。由于组成和工艺制度的不同导致其在电解槽中的表现和使用性能有很大差异，无烟煤阴极炭块和石墨质炭块导电性能和抗钠侵蚀性能都较差，造成电解过程中电能消耗大，电解槽寿命短。石墨化炭块抗电解质、铝液磨损性能较差。现有的各种阴极材料存在着抗电解质侵蚀和抗热应力变形的问题，电解槽在停槽大修时都会或多或少地在底部阴极上出现纵向、横向裂纹、底部向上隆起变形。因此，提高阴极炭块抗折强度、抗钠侵蚀膨胀、减少阴极底部的隆起变形成为改善底部材料性能的关键所在。
【发明内容】
本发明的目的是针对上述已有技术的不足，提供一种能够有效增强阴极炭块抗折强度的、抗电解质侵蚀和抗铝液冲刷能力，有效改善电解槽长期运行之后底部隆起变形，延长铝电解槽使用寿命的碳素纤维增强型阴极炭块及其制备方法。
本发明的方法是通过以下技术方案实现的。
一种碳素纤维增强型阴极炭块，其特征在于其阴极炭块含有碳纤维。
本发明的一种碳素纤维增强型阴极炭块，其特征在于其阴极炭块含有的碳纤维占炭块总重量的5％～35％。
本发明的一种碳素纤维增强型阴极炭块的制备方法，其特征在于其制备过程是阴极炭块在糊料混捏时加入碳纤维，通过混捏、成型使碳纤维材料与阴极基体材料均匀地混合在一起，再进行成型、焙烧过程。
本发明的一种碳素纤维增强型阴极炭块的制备方法，其特征在于其制备过程糊料中的碳纤维重量比为1％～15％，粘结剂15％～30％；余量为炭质材料。
本发明的一种碳素纤维增强型阴极炭块的制备方法，其特征在于所述的碳纤维为碳纤维预氧丝、普通碳纤维材料或石墨纤维，将碳素纤维加工成长度为2～40mm。
本发明的一种碳素纤维增强型阴极炭块的制备方法，其特征在于所述的炭质材料为石墨粉、石油焦粉和无烟煤粉的一种或其中几种的配合；粘结剂可为煤沥青。
本发明的一种碳素纤维增强型阴极炭块，在阴极炭块糊料混捏时加入适量的碳素纤维材料，通过混捏、成型使碳素纤维材料与阴极基体材料均匀地混合在一起，从而起到增强阴极炭块机械强度的目的。有效增强了阴极炭块抗折强度的、抗电解质侵蚀和抗铝液冲刷能力，有效改善了电解槽长期运行之后底部隆起变形，延长铝电解槽使用寿命。
【附图说明】
图1为本发明的制备方法的工艺流程示意图。
【具体实施方式】
一种碳素纤维增强型阴极炭块，其阴极炭块含有占炭块总重量5％～35％的碳纤维。具体制备过程包括：
(1)选用碳素纤维材料、炭质材料、沥青三种主要原料制作碳素纤维增强阴极炭块，碳素纤维材料为1％～15％，炭质材料50％～85％，沥青15％～30％；碳素纤维材料可为碳纤维预氧丝、普通碳纤维、石墨纤维，将碳素纤维长度剪切为2～40mm；炭质材料可为石墨粉、石油焦粉和无烟煤粉的一种或其中几种的配合。
(2)混捏和成型
首先将炭质材料、沥青按比例进行混合，加入能够控温加热的容器内，利用搅拌器使其充分混合均匀，随后加入碳素纤维材料，利用搅拌器将原料充分混合均匀，得到碳素纤维增强阴极炭糊料。
(3)振动成型时，将碳素纤维增强阴极炭糊料均匀地装入模具内，落下重锤振动成型。脱模，冷却后得到碳素纤维增强阴极的生块。
(4)挤压成型时，将碳素纤维增强阴极炭糊料装入挤压机的缸体内，用液压装置将其通过压咀挤出，冷却后得到碳素纤维增强阴极的生块。
(4)焙烧和浸渍
碳纤维增强阴极炭块是在焙烧炉中焙烧的。装炉要谨慎小心确保炭块表面不受损伤，焙烧时按照严格的升温制度，保温时间要尽可能延长，在炭块表面进行多点测温保证温差在50℃以内。
(5)浸渍和二次焙烧
如果要生产进过浸渍的阴极炭块，可将焙烧后的炭块用沥青进行浸渍，浸渍按常规的工艺进行。
浸渍的炭块要再次进行焙烧。
(6)石墨化
如生产石墨化的阴极炭块，可将焙烧后的炭块装入石墨化炉内，按阴极炭块石墨化工艺送电，达到石墨化的温度要求。
(7)机械加工
根据炭块规格尺寸地设计要求，对碳素纤维增强阴极炭块进行加工。
其工艺流程包括以下几种类型：
1)非浸渍非石墨化：原料→破碎(剪切)→筛分→配料→混捏→成型→焙烧→加工→成品。
2)非浸渍石墨化：原料→破碎(剪切)→筛分→配料→混捏→成型→焙烧→石墨化→加工→成品。
3)浸渍非石墨化：原料→破碎(剪切)→筛分→配料→混捏→成型→焙烧→浸渍→二次焙烧→加工→成品。
4)浸渍并石墨化：原料→破碎(剪切)→筛分→配料→混捏→成型→焙烧→浸渍→二次焙烧→石墨化→加工→成品。
实施例1
碳纤维增强阴极炭块糊料配比为：炭质材料55％，碳纤维材料15％，沥青30％。炭质材料为煅烧无烟煤、石墨；碳素纤维材料为普通碳纤维，长度2mm；首先将炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；随后加入碳纤维材料，混捏均匀，晾料3分钟，将糊料加入挤压机的缸体中，按常规工艺挤压成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入焙烧炉中焙烧30天。碳素纤维增强阴极炭块表面按照产品规格尺寸进行机械加工。最终的阴极炭块中含碳纤维35％，阴极炭块抗折强度达到≥8.0MPa。
实施例2
碳纤维增强阴极炭块糊料配比为：炭质材料61％，碳纤维材料11％，沥青28％。炭质材料为煅烧无烟煤、石墨；碳素纤维材料为碳纤维预氧丝，长度40mm；首先将炭质材料加入到能够控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；随后加入碳纤维材料，混捏均匀，晾料5分钟，将糊料加入模具中，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧10天。碳素纤维增强阴极炭块表面按照产品规格尺寸进行机械加工。最终的阴极炭块中含碳纤维28％，阴极炭块抗折强度达到≥7.9MPa。
实施例3
碳纤维增强阴极炭块糊料配比为：炭质材料67％，碳纤维材料8％，沥青25％。炭质材料为煅烧无烟煤、石墨；碳素纤维材料为石墨纤维，长度20mm；首先将炭质材料加入到能够控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；随后加入碳纤维材料，混捏均匀，晾料4分钟，将糊料加入模具中，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧20天。碳素纤维增强阴极炭块表面按照产品规格尺寸进行机械加工。最终的阴极炭块中含碳纤维22％，阴极炭块抗折强度达到≥7.8MPa。
实施例4
碳纤维增强阴极炭块糊料配比为：炭质材料72％，碳纤维材料5％，沥青23％。炭质材料为煅烧石油焦；碳素纤维材料为碳纤维预氧丝长度为30mm；首先将炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；随后加入碳纤维材料，混捏均匀，晾料5分钟，将糊料加入挤压机的缸体中，按常规工艺挤压成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入焙烧炉中焙烧18天；将焙烧块放入石墨化炉中进行石墨化。碳素纤维增强阴极炭块表面按照产品规格尺寸进行机械加工。最终的阴极炭块中含碳纤维16％，阴极炭块抗折强度达到≥7.7MPa。
实施例5
碳纤维增强阴极炭块糊料配比为：炭质材料77％，碳纤维材料2％，沥青21％。炭质材料为煅烧石油焦；碳素纤维材料可为石墨纤维，长度为10mm；首先将炭质材料加入到能够控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；随后加入碳纤维材料，混捏均匀，晾料3～5分钟，将糊料加入模具中，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧10～30天。将焙烧块放入石墨化炉中进行石墨化。碳素纤维增强阴极炭块表面按照产品规格尺寸进行机械加工。最终的阴极炭块中含碳纤维10％，阴极炭块抗折强度达到≥7.7MPa。
实施例6
碳纤维增强阴极炭块糊料配比为：炭质材料79％，碳纤维材料1％，沥青20％。炭质材料为煅烧石油焦；碳素纤维材料为普通碳纤维，长度5mm；首先将炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；随后加入碳纤维材料，混捏均匀，晾料4分钟，将糊料加入挤压机的缸体中，按常规工艺挤压成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入焙烧炉中焙烧25天；将焙烧块放入石墨化炉中进行石墨化。碳素纤维增强阴极炭块表面按照产品规格尺寸进行机械加工。最终的阴极炭块中含碳纤维5％，阴极炭块抗折强度达到≥7.6MPa。
实施例7
碳纤维增强阴极炭块糊料配比为：炭质材料80％，碳纤维材料2％，沥青18％。炭质材料为煅烧石油焦；碳素纤维材料为碳纤维预氧丝，长度15mm；首先将炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；随后加入碳纤维材料，混捏均匀，晾料5分钟，将糊料加入挤压机的缸体中，按常规工艺挤压成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入焙烧炉中焙烧13天；将焙烧块用沥青进行浸渍；随后将浸渍炭块再次进行焙烧；将二次焙烧块放入石墨化炉中进行石墨化。碳素纤维增强阴极炭块表面按照产品规格尺寸进行机械加工。最终的阴极炭块中含碳纤维11％，阴极炭块抗折强度达到≥7.6MPa。
实施例8
碳纤维增强阴极炭块糊料配比为：炭质材料78％，碳纤维材料5％，沥青17％。炭质材料为煅烧石油焦；碳素纤维材料为石墨纤维，长度12mm；首先将炭质材料加入到能够控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；随后加入碳纤维材料，混捏均匀，晾料3分钟，将糊料加入模具中，落下重锤，按常规工艺振动成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入环式焙烧炉中焙烧、30天。将焙烧块用沥青进行浸渍；随后将浸渍炭块再次进行焙烧；将二次焙烧块放入石墨化炉中进行石墨化。碳素纤维增强阴极炭块表面按照产品规格尺寸进行机械加工。最终的阴极炭块中含碳纤维15％，阴极炭块抗折强度达到≥7.7MPa。
实施例9
碳纤维增强阴极炭块糊料配比为：炭质材料83％，碳纤维材料2％，沥青15％。炭质材料为煅烧石油焦；碳素纤维材料可为普通碳纤维，长度8mm；首先将炭质材料加入到能够自动控温加热的容器内，利用搅拌器混合均匀。沥青在加热罐内融化，除去水分及沉淀杂质。液体沥青加入控温加热的容器搅拌均匀。干料在混捏锅内混合均匀，混捏温度不低于140℃；按比例加入配好的沥青，混捏均匀；随后加入碳纤维材料，混捏均匀，晾料3分钟，将糊料加入挤压机的缸体中，按常规工艺挤压成型。放入冷却水中冷却；将生坯装入焙烧炉中焙烧27天；将焙烧块用沥青进行浸渍；随后将浸渍炭块再次进行焙烧；将二次焙烧块放入石墨化炉中进行石墨化。碳素纤维增强阴极炭块表面按照产品规格尺寸进行机械加工。最终的阴极炭块中含碳纤维12％，阴极炭块抗折强度达到≥7.6MPa。