как сделать графитовый электрод в майнкрафт

графитовый электрод для печей электротермического восстановления, электродная колонна и способ изготовления графитовых электродов

Изобретение относится к графитовому электроду для печи электротермического восстановления, в частности для карботермического восстановления глинозема, электродной колонне и способу их изготовления. Графитовый электрод формируют из кокса анодного качества и графитизируют при температуре графитизации ниже 2700°С. Он имеет содержание железа примерно 0,05% по массе, удельное электрическое сопротивление свыше 5 мкОм·м и удельную теплопроводность менее 150 Вт/м·К. Графитовый электрод изготавливают, смешивая сначала прокаленный анодный кокс со связующим каменноугольным пеком, и из этой смеси формируют сырой электрод при температуре, близкой к точке размягчения связующего пека. Затем сырой электрод обжигают для коксования связующего пека до твердого кокса. После необязательной дополнительной обработки получаемый ококсованный электрод затем графитизируют при температуре ниже 2700°С в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать организацию атомов углерода в ококсованном электроде в кристаллическую структуру графита. Обеспечивается возможность исключения загрязнения расплава железом и возможность использования в богатых СО атмосферах плавильных печей, более экономичных в производстве. 4 н. и 17 з.п. ф-лы.

Формула изобретения

1. Графитовый электрод в печи электротермического восстановления, содержащий формованное графитовое тело электрода, образованное из кокса анодного качества, графитизированное при температуре графитизации ниже 2700°С и имеющее содержание железа менее 0,1 мас.%.

2. Графитовый электрод по п.1, в котором упомянутое тело электрода имеет удельное электрическое сопротивление выше 5 мкОм·м и удельную теплопроводность менее 150 Вт/м·К.

3. Графитовый электрод по п.1, в котором упомянутое тело электрода имеет содержание железа приблизительно 0,05 мас.%.

4. Графитовый электрод по п.1, который предназначен для печи электротермического восстановления для производства одного из алюминия, титана, кремния, ферросплавов и фосфора.

5. Графитовый электрод по п.1, который дополнительно содержит некоторое количество углеродных нановолокон, внедренных в упомянутое тело электрода для повышения механической прочности и корректировки его коэффициента теплового расширения.

6. Графитовый электрод по п.1, который дополнительно содержит некоторое количество углеродных волокон, внедренных в упомянутое тело электрода для повышения механической прочности и корректировки его коэффициента теплового расширения.

7. Графитовый электрод по п.1, в котором упомянутый кокс анодного качества имеет средний размер частиц от приблизительно 5 до приблизительно 10 мм.

8. Графитовый электрод по п.7, в котором упомянутый средний размер частиц составляет между 5 и 7 мм.

9. Графитовый электрод по п.1, который расположен с образованием центральной колонны самообжигающегося составного электрода в печи электротермического восстановления.

10. Графитовый штифт в сочетании с графитовым электродом по п.1, образованный из кокса анодного качества, графитизированный при температуре графитизации ниже 2700°С, имеющий содержание железа менее 0,1 мас.% и выполненный с возможностью сопряжения с упомянутым графитовым телом электрода с образованием электродной колонны.

11. Способ изготовления графитового электрода, который включает в себя обеспечение прокаленного анодного кокса со средним размером частиц от 5 до 10 мм и смешивание этого анодного кокса со связующим каменноугольным пеком с получением смеси, формирование тела электрода из этой смеси с получением сырого электрода при температуре вблизи точки размягчения связующего пека, обжиг сырого электрода при температуре между приблизительно 700 и приблизительно 1100°С для коксования связующего пека до твердого кокса с получением ококсованного электрода, графитизацию ококсованного электрода с помощью термической обработки при конечной температуре между 2100 и 2700°С в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать организацию атомов углерода в ококсованном электроде в кристаллическую структуру графита.

12. Способ по п.11, который включает в себя графитизацию при температуре между 2200 и 2500°С.

13. Способ по п.11, который включает в себя обжиг сырого электрода при температуре между 800 и 1000°С.

14. Способ по п.11, который включает в себя обжиг сырого электрода при относительном отсутствии воздуха со скоростью нагревания до конечной температуры от приблизительно 1 до приблизительно 5 К в час.

15. Способ по п.11, который включает в себя после упомянутого обжига пропитку электрода по меньшей мере один раз каменноугольным или нефтяным пеком для отложения дополнительного пекового кокса в открытых порах электрода, и при этом после каждой стадии пропитки следует дополнительная стадия обжига.

16. Способ по п.11, который включает в себя добавление в упомянутую смесь масел или других смазок и формирование сырого электрода путем экструзии.

17. Способ по п.11, который включает в себя формирование сырого электрода путем прессования в формующей пресс-форме или путем виброформования в форме с перемешиванием.

18. Способ по п.11, который включает в себя добавление относительно небольшой доли углеродных волокон или углеродных нановолокон в смесь для формирования сырого электрода.

19. Способ по п.11, который дополнительно включает в себя механическую обработку графитизированного электрода, полученного на стадии графитизации, для придания графитовому электроду окончательной формы.

20. Способ по п.11, который включает в себя обеспечение прокаленного анодного кокса со средним размером частиц от 5 до 7 мм.

21. Способ изготовления графитовой электродной колонны, который включает в себя изготовление множества графитизированных электродов способом по п.11, изготовление ниппеля, выполненного с возможностью сцепления с графитизированными электродами, и соединение этих электродов и ниппеля с образованием графитовой электродной колонны.

Описание изобретения к патенту

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится к графитовым электродам для печей электротермического восстановления, в частности для производства алюминия, титана, кремния, ферросплавов, фосфора. Данное изобретение также касается способа изготовления таких графитовых электродов.

Описание предшествующего уровня техники

На протяжении столетия алюминиевая промышленность основывается на способе Холла-Эру по выплавке алюминия. По сравнению со способами, используемыми для получения конкурирующих материалов, таких как сталь и пластмассы, данный способ является энергозатратным и дорогостоящим. Поэтому продолжается поиск альтернативных способов получения алюминия.

Одним из таких альтернативных способов является способ прямого карботермического восстановления глинозема. Как описано в патенте США № 2974032 (Грюнерт и др.), протекает процесс, который может быть обобщен суммарной реакцией

или же он может протекать в две стадии:

Реакция (2) происходит при температуре между 1900 и 2000°С. Реакция (3) фактического получения алюминия происходит при температурах, составляющих 2200°С и выше; скорость этой реакции повышается с повышением температуры. Помимо веществ, указанных в реакциях (2) и (3), в ходе этих реакций (2) и (3) образуются летучие алюминийсодержащие вещества, включая Al 2 O, которые уносятся вместе с отходящим газом. Такие летучие вещества, если они не улавливаются, представляют собой потери выхода 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» (Marshall Bruno, Light Metals) 2003, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society) 2003). В патенте США № 3607221 (Кибби) описан процесс, согласно которому все продукты быстро испаряются до по существу только газообразного алюминия и СО, эту парообразную смесь приводят в контакт со слоем жидкого алюминия при температуре, достаточно низкой для того, чтобы давление паров жидкого алюминия было меньше парциального давления паров алюминия, находящихся в контакте с ним, и достаточно высокой для того, чтобы предотвратить реакцию монооксида углерода и алюминия, и извлекают по существу чистый алюминий.

Другие патенты, относящиеся к карботермическому восстановлению для производства алюминия, включают патенты США № № 4486229 (Троуп и др.) и 4491472 (Стивенсон и др.). Сдвоенные реакционные зоны описаны в патенте США № 4099959 (Дьюинг и др.). Более поздние разработки фирм Alcoa и Elkem привели к созданию новой конструкции двухкамерного реактора, описанного в патенте США № 6440193 (Йохансен и др.).

Использование самообжигающихся угольных электродов было известно очень давно (см. патенты США № № 1440724 и 1441037 на имя Содерберга). Самообжигающиеся угольные электроды в основном состоят из пастообразной смеси углеродсодержащего материала, такого как антрацит, кокс, смола, и пека, которой заполняют металлический кожух, удерживаемый в определенном положении в дуговой электропечи при помощи контактных колодок и подвесного/скользящего устройства. Применение сильных электрических токов плюс теплота дуги, зажигаемой электродом во время работы печи, дают достаточно теплоты для плавления загруженного в кожух материала и образования пасты, затем коксования образовавшейся таким образом пасты и, наконец, спекания электрода. В соответствии со скоростью его расходования электрод постепенно опускают, к верхней части прикрепляют новый лист кожуха, этот кожух заполняют упомянутой смесью и среднюю часть обжигают. В одном из вариантов электрод может быть частично обожжен при низкой температуре, составляющей примерно от 600° до 700°С. В случае электрода Содерберга нижняя часть стального кожуха растворяется в ванне расплавленного металла, что приводит к попаданию железа в ванну. Было предложено несколько путей предотвращения такого загрязнения железом, которые все заключаются в механическом разъединении электрода и стального кожуха, так что электрод можно заставить скользить без стального кожуха.

В патенте США № 6635198 (Ватланд и др.) описан способ непрерывного изготовления самообжигающихся составных электродов с использованием секционных металлических кожухов. Каждую новую секцию кожуха устанавливают на расположенную ниже секцию кожуха без применения сварки или иных средств жесткого прикрепления секций одна к другой. Поскольку секции кожуха жестко не прикреплены одна к другой при помощи сварки или т.п., кожух легко удалить после того, как электрод был обожжен.

Другое решение заключается в монтажной конфигурации, описанной в патенте США № 4575856 (Перссон), которая подразумевает поддержание массы электрода посредством колонны, сформированной из предварительно обожженных угольных или графитовых электродов, окруженных обжигаемой пастой, при этом как колонна, так и паста расходуются одновременно.

Современные дуговые электропечи для производства стали работают при плотности тока свыше 25 А/см 2 и поэтому требуют использования высокопроводящих графитовых электродов. Для достижения электрических сопротивлений ниже 10 мкОм·м такие графитовые электроды изготавливают с использованием хорошо упорядоченных игольчатых коксов и графитизируют их при температурах выше 3000°С. Использование дорогостоящего игольчатого кокса и высокая стоимость электричества для графитизации препятствуют применению таких электродов в электропечах небольшой мощности, которые используют для производства нестальных материалов. Кроме того, к смеси исходных электродных материалов добавляют оксиды железа с целью ингибирования растрескивания (вызываемого высвобождением серы из ее связанного с углеродом состояния внутри частиц кокса). Поэтому повышенное содержание железа может загрязнить расплав и вызвать сильную эрозию электродов в атмосферах плавильных печей, которые богаты СО, как, например, в случае с карботермическим восстановлением глинозема.

Соответственно, целью данного изобретения является предложение графитового электрода для печей электротермического восстановления, в частности, для производства алюминия, титана, кремния, ферросплавов и фосфора, а также способа изготовления таких электродов и электродных колонн, которые позволяют преодолеть вышеупомянутые недостатки известных до настоящего времени устройств и способов такого общего типа и которые обеспечивают графитовые электроды, не загрязняющие расплав железом, которые могут быть применены в богатых СО атмосферах плавильных печей и которые являются экономичными в производстве.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения, такой электрод имеет удельное электрическое сопротивление выше 5 мкОм·м и удельную теплопроводность менее 150 Вт/м·К.

Предложенный графитовый электрод особенно подходит для применения в печах электротермического восстановления для производства алюминия, титана, кремния, ферросплавов или фосфора. Особый акцент делается на прямое карботермическое восстановление глинозема.

В соответствии с еще одним дополнительным признаком изобретения, в тело электрода внедрено некоторое количество углеродных нановолокон и/или углеродных волокон для повышения механической прочности и корректировки его коэффициента теплового расширения.

Также предложен промежуточный продукт при изготовлении графитового электрода, содержащий частицы кокса анодного качества, имеющего средний размер частиц между 5 и 10 мм и зольность (содержание золы) менее 0,5%, смешанные со связующим каменноугольным пеком и сформованные в сырой электрод, подлежащий обжигу и графитизации с образованием графитового электрода.

С учетом вышеперечисленных и иных целей, в соответствии с изобретением также предложен графитовый штифт, образованный из кокса анодного качества, графитизированный при температуре графитизации ниже 2700°С и имеющий содержание железа менее 0,1% по массе. Графитовый штифт сформирован с возможностью сопряжения с графитовым телом электрода с образованием электродной колонны.

В соответствии с дальнейшим признаком изобретения, вышеописанный графитовый электрод расположен с образованием центральной колонны самообжигающегося составного электрода в печи электротермического восстановления.

С учетом вышеперечисленных и иных целей, в соответствии с изобретением также предложен способ изготовления графитового электрода. Данный способ включает в себя следующие стадии:

— обеспечение прокаленного анодного кокса со средним размером частиц от 5 до 10 мм и смешивание этого анодного кокса со связующим каменноугольным пеком с получением смеси;

— формирование тела электрода из этой смеси с получением сырого электрода при температуре вблизи точки размягчения связующего пека;

— обжиг сырого электрода при температуре между приблизительно 700°С и приблизительно 1100°С для коксования связующего пека до твердого кокса с получением ококсованного электрода;

— графитизацию ококсованного электрода с помощью термической обработки при конечной температуре от 2100°С до 2700°С в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать организацию атомов углерода в ококсованном электроде в кристаллическую структуру графита.

Предпочтительно, температура графитизации составляет от 2200°С до 2500°С, а сырой электрод обжигают при температуре между 800°С и 1000°С. Также предпочтительным является обжиг сырого электрода при относительном отсутствии воздуха со скоростью нагревания до конечной температуры, составляющей от приблизительно 1 К до приблизительно 5 К в час.

В соответствии с еще одним дополнительным признаком изобретения, после обжига электрод может быть пропитан по меньшей мере один раз каменноугольным или нефтяным пеком. Это приводит к отложению дополнительного пекового кокса в открытых порах электрода. Каждую стадию пропитки сопровождают дополнительной стадией обжига.

Сырой электрод может быть сформирован путем экструзии. В таком случае выгодным является добавление к смеси масел или других смазок с целью повышения производительности экструзии. Альтернативно, сырой электрод может быть сформирован путем прессования в обычной формующей пресс-форме или путем виброформования в форме с перемешиванием.

В соответствии со следующим дополнительным признаком изобретения, графитизированный электрод, полученный на стадии графитизации, подвергают механической обработке для придания окончательной формы графитовому электроду.

В соответствии с сопутствующим признаком изобретения, формируют множество охарактеризованных выше графитовых электродов, формируют один или более ниппелей по существу в такой же технологической последовательности и таким образом, что эти ниппели и электроды могут сцепляться, и соединяют ниппели и электроды, образуя графитовую электродную колонну.

В итоге, данное изобретение предусматривает графитовые электроды для печей электротермического восстановления, в частности, для производства алюминия, титана, кремния, ферросплавов, а также фосфора. Такие электроды изготавливают с использованием кокса анодного качества и температур графитизации ниже 2700°С.

Данное изобретение также предусматривает применение графитовых штифтов, подлежащих сопряжению с вышеописанными графитовыми электродами с образованием электродных колонн. Штифты предпочтительно изготавливают таким же образом, как и электроды согласно данному изобретению. Поэтому штифты (также называемые ниппелями) имеют такие же характеристики, например, КТР (коэффициент теплового расширения) и механические свойства, как и электроды.

Эти новые электроды проявляют себя с наилучшей стороны при их применении в качестве центральных колонн для самообжигающихся составных электродов для печей электротермического восстановления.

Другие признаки, которые рассматриваются как характеризующие данное изобретение, представлены в прилагаемой формуле изобретения.

Несмотря на то что данное изобретение проиллюстрировано и описано здесь воплощенным в графитовом электроде для электротермического восстановления и способе его изготовления, оно, тем не менее, не должно ограничиваться описанными подробностями, поскольку в нем могут быть сделаны различные модификации и структурные изменения без отклонения от сущности изобретения и в рамках объема и диапазона эквивалентов формулы изобретения.

Однако суть изобретения, вместе с его дополнительными целями и преимуществами, станут более понятными из нижеследующего описания конкретных примеров и вариантов воплощения данного изобретения.

Подробное описание наилучшего примерного варианта воплощения

После смешивания прокаленного кокса и связующего пека формируют (или формуют) тело электрода либо путем экструзии через экструзионную головку, либо прессования в обычных пресс-формах, либо виброформования в формах с перемешиванием с образованием так называемого «сырого» («неспеченного») электрода. Стадию формирования проводят при температуре, близкой к точке размягчения пека, обычно составляющей примерно 100°С или более. Несмотря на то, что головка или форма может формовать электрод по существу конечных формы и размера, обычно требуется механическая обработка готового электрода, пусть и самая минимальная, для нарезания резьбы или иных выемок, которые могут потребоваться для сопряжения со штифтом или ниппелем при формировании электродной колонны. Контур графитовых электродов согласно данному изобретению может быть прямоугольным или круглым.

Готовые электроды могут быть установлены в печах электротермического восстановления в виде целиковых («монолитных») электродов, в виде пучков электродов либо они могут непрерывно подаваться в виде электродных колонн, соединенных графитовыми штифтами.

В последнем случае электрод обычно имеет внутренний вырез, который аксиально сужается от конца к продольной средней части, для размещения в нем графитового штифта, и затем в этой сужающейся части электрода нарезают резьбу, обеспечивающую сопряжение с соответствующей резьбой штифта, получая электродную колонну. Благодаря своей природе, графит допускает обработку с высокой степенью допуска, тем самым обеспечивая прочное соединение между штифтом и электродом.

Графитовые штифты, используемые для соединения электродных колонн, могут представлять собой по существу такие же штифты, как и используемые для электродных колонн при производстве стали, или, более предпочтительно, их изготавливают таким же образом, как и графитовые электроды согласно данному изобретению. В последнем случае штифты будут иметь сходные с электродами свойства, что является выгодным для предотвращения растрескивания электродной колонны по причине неравномерного теплового расширения электродов и штифтов. Однако штифты должны выдерживать более сильную механическую нагрузку, чем электроды. Для достижения нужных механических свойств, но все-таки с поведением при тепловом расширении, соответствующем поведению электродов, смесь исходных материалов для штифтов обычно несколько изменяют, в то время как последовательность обработки остается такой же самой, как описанная для электродов.

Кроме того, электроды и штифты могут быть снабжены средствами для предотвращения расшатывания электродной колонны во время работы, такими как отверстия или углубления, содержащие связующий пек, или иные средства.

Дополнительный вариант воплощения данного изобретения заключается в применении вышеописанных графитовых электродов в качестве центральных колонн для самообжигающихся составных (сложных) электродов для печей электротермического восстановления. Как описано в патенте США № 4575856 (Перссон), чтобы избежать загрязнения железом, электроды типа Содерберга могут быть изготовлены в виде составных электродов, состоящих из угольной или графитовой электродной колонны-сердцевины, заделанной в пасту Содерберга. Однако использование традиционных графитовых электродов для производства стали вызвало бы повышение затрат, а также загрязнение железом. Более того, было установлено, что природа связи между графитом и обжигаемой до графита пастой состоит во взаимопроникновении этой пасты на поверхности их контакта. Традиционные графитовые электроды для производства стали обычно имеют низкую открытую пористость, составляющую примерно 15% или менее. Следовательно, поверхность контакта с пастой Содерберга была бы ограниченной.

В противоположность этому, графитовые электроды, изготавливаемые согласно вышеописанному, предоставляют экономичный путь изготовления таких самообжигающихся составных электродов для печей электротермического восстановления, имеющих низкое содержание железа и обладающих тесным (плотным) поверхностным контактом между графитовой колонной-сердцевиной и пастой Содерберга.

Следующая цель данного изобретения заключается в создании способа изготовления электродов на основе кокса анодного качества для печей электротермического восстановления с использованием последовательности изготовления самообжигающегося угольного электрода с последующей графитизацией при температурах ниже 2700°С.

Как описано выше, традиционные самообжигающиеся электроды включают в себя вертикально расположенный цилиндрический металлический кожух, который простирается вниз через отверстие в своде печи электротермического восстановления. Верхний конец этого кожуха является открытым для обеспечения загрузки углеродистого пастообразного материала, который вначале плавится, а затем отверждается до твердого состояния по мере того, как он проходит вниз по кожуху, в результате воздействия теплоты, которая подводится вверх от отвержденной части электрода, выступающей вниз за нижний конец кожуха. Такая паста может быть получена, например, путем прокаливания антрацита либо нефтяного или асфальтового кокса, который затем смешивают со связующим материалом, таким как пек или смола.

Электроды, полученные в соответствии с настоящим изобретением, обладают многочисленными преимуществами по сравнению с известным уровнем техники. В случае печей электротермического восстановления они являются экономичной альтернативой высокотемпературным графитовым электродам для производства стали и, одновременно, обеспечивают альтернативу с высокой чистотой электродам Содерберга. Кроме того, они могут быть изготовлены с использованием нескольких технологических маршрутов, которые по существу основаны на уже имеющемся производственном оборудовании.

Следующие примеры представлены с целью дальнейшей иллюстрации и пояснения настоящего изобретения и никоим образом не должны рассматриваться как ограничивающие. Если не указано иное, то все части и процентные содержания даны по массе и приведены в расчете на массу продукта на конкретной стадии указанной обработки.

85% анодного кокса, имеющего средний размер частиц 6 мм, и 15% каменноугольного пека перемешивали в высокоинтенсивной мешалке при 150°С. Затем смесь охлаждали и экструдировали в виде сырых электродов с размерами примерно 600 мм в диаметре × примерно 2400 мм в длину. Сырые электроды далее обрабатывали согласно вышеприведенному описанию. Физические свойства этих электродов (ГЭ электротермический ) по сравнению со свойствами графитовых электродов для производства стали (ГЭ сталь ), а также электродов Содерберга представлены ниже.

Тип электрода		ГЭ электротермический	ГЭ сталь	Содерберг
Объемная плотность	(г/см 3 )	1,62	1,75	1,38
Открытая пористость	(%)	25	16	34
Удельное электрическое сопротивление	(мкОм·м)	11	4,5	29
Удельная теплопроводность	(Вт/м·К)	100	180	8
Содержание железа	(%)	0,05	0,2	>1

Благодаря низким температурам графитизации, графитовые электроды согласно данному изобретению (ГЭ электротермический ) имеют более высокое удельное электрическое сопротивление и более низкую теплопроводность по сравнению с такими же свойствами графитовых электродов для производства стали (ГЭ сталь ). Это делает их соответствующими требованиям, предъявляемым печами электротермического восстановления, имеющими сравнительно низкие плотности тока. Помимо существенного преимущества в стоимости, графитовые электроды согласно данному изобретению отличаются своей высокой чистотой, особенно относительно содержания в них железа. Обычные электроды Содерберга могут вызывать загрязнение электротермического расплава, особенно железом. Кроме того, их относительно плохие электропроводность и теплопроводность по сравнению с графитовыми электродами также оказывают отрицательное влияние на потребление энергии во время процессов выплавки.

80% анодного кокса, имеющего средний размер частиц 6 мм, и 20% каменноугольного пека перемешивали в высокоинтенсивной мешалке при 150°С, охлаждали и экструдировали в виде сырых цилиндрических тел с размерами примерно 330 мм в диаметре × примерно 2100 мм в длину. Эти сырые цилиндрические тела далее обрабатывали так же, как и электроды, согласно вышеприведенному описанию. После графитизации из каждого цилиндрического тела вытачивали по 3 имеющих двухконусную форму графитовых штифта, имеющих поверхность с нарезанной резьбой, соответствующей резьбе в электродах. Физические свойства и тех и других, т.е. штифтов и соответствующих электродов, были по существу одинаковыми. Собранная электродная колонна не растрескивалась под воздействием термического напряжения.

Вышеприведенное описание предназначено для того, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники осуществить на практике настоящее изобретение. Оно не предназначено для подробного раскрытия всех возможных вариантов и модификаций, которые станут очевидными квалифицированному специалисту после прочтения данного описания. Однако подразумевается, что все такие модификации и варианты входят в объем данного изобретения, который определяется приведенной ниже формулой изобретения. Формула изобретения предназначена охватывать указанные элементы и стадии в любой компоновке или последовательности, которая является эффективной для достижения намеченных для данного изобретения целей, если контекст специально не указывает на обратное.

Источник