低电阻率炭阳极生产doc.docx
《低电阻率炭阳极生产doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低电阻率炭阳极生产doc.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
低电阻率炭阳极生产doc
TS0201-低电阻率炭阳极生产
案例简要说明:
依据国家职业标准和炭素加工技术专业教学要求，归纳提炼出所包含的知识和技能点，弱化与教学目标无关的内容，使之与课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要求知识和技能的教学案例。
本案例体现了炭素阳极生产工艺、原料及产品性能指标等知识点和岗位技能，与炭素加工技术专业炭素工艺学课程工艺路线单元的教学目标相对应。
案例名称
低电阻率炭阳极生产
适用说明
本案例适合中职、高职、职业本科等院校炭素加工技术专业，在炭素阳极生产、石墨电极生产或相似的综合性课程教学中使用，也适合在炭素煅烧工、焙烧工等工种的职工培训中使用。
案例背景
某炭素生产企业，产品种类众多，包括铝电解用炭素阳极、阴极、石墨电极、石墨坩埚、阳极糊、阴极糊等。
其中铝电解用预焙阳极的产量占总产品量的80%以上，并可根据用户需求制备不同形状和质量指标的产品。
炭阳极作为铝电解槽的心脏，其质量和工作状况对铝电解生产是否正常及电解能耗、铝品位等经济技术指标影响巨大。
在电解槽中，阳极的电阻率增大，导致阳极电压降升高，电解消耗也随之增大。
而实际生产中电阻率往往波动比较大，给阳极质量造成不稳定因素，进而影响在电解槽中的高效节能使用。
案例所涉及的知识点
铝电解生产对炭素阳极材料提出的要求
炭阳极生产原料及质量要求
案例所涉及的技能点
炭阳极生产工艺及操作
案例工作任务的分解
生产工艺路线、原料选取、性能指标测定及工艺调整方案。
教学目标
（1）掌握炭素阳极的生产工艺流程及其各个工序的关键点；
（2）掌握影响材料电阻率的因素；
（3）综合考虑原料、设备，选择合理的工艺路线；
（4）全面复习所学知识，并将知识转化为能力。
案例建议的教学时间
4学时
案例的操作演示
现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、课后作业。
案例点评
案例教学可实现现场案例与所学理论知识的有机结合，将书本知识转化为现实工作能力，培养了学生的分析问题、解决问题的能力。
本案例可迁移为其他品种炭素材料加工技术学习，学生通过本案例学习，具有生产高质量炭素阳极的能力。
低电阻率炭阳极生产
1.背景介绍
某炭素生产企业，产品种类众多，包括铝电解用炭素阳极、阴极、石墨电极、石墨坩埚、阳极糊、阴极糊等。
其中铝电解用预焙阳极的产量占总产品量的80%以上，并可根据用户需求制备不同形状和质量指标的产品。
炭阳极作为铝电解槽的心脏，其质量和工作状况对铝电解生产是否正常及电解能耗、铝品位等经济技术指标影响巨大。
在电解槽中，阳极的电阻率增大，导致阳极电压降升高，电解消耗也随之增大。
而实际生产中电阻率往往波动比较大，给阳极质量造成不稳定因素，进而影响在电解槽中的高效节能使用。
2.主要内容
2.1预焙阳极的用途和要求
预焙阳极是以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂制造而成，用作预焙铝电解槽作阳极材料。
这种炭块已经过焙烧，具有稳定的几何形状，所以也称预焙阳极炭块，习惯上又称为铝电解用炭阳极。
预焙阳极电解槽和阳极炭块几乎与现代炼铝方法同时诞生。
1880年，美国的霍尔（Hall）和法国的埃鲁（Heroult）同时提出冰晶石-氧化铝溶解炼铝法。
1888年，美国匹兹堡电解厂把这种炼铝方法应用于工业生产，建成了世界上最早的预焙阳极电解槽，所用阳极炭块以木炭作为原料，采用模压法生产，单个阳极横截面积只有8～10cm2，其质量指示也比较落后。
之后，瑞士、法国、英国、德国等几个国家都使用了类似的预焙阳极，用电解法生产铝。
预焙炭阳极通常安装在电解槽上部，强大的直流电流60-300kA通过炭阳极，导入电解液。
炭阳极的电阻率为50-70μΩ·m，加上导杆与接点电阻，正常铝电解生产时，消耗的炭阳极上的电压降为300-500mV，占电解槽电压降的10％-15％。
在炭阳极底部接触熔融电解液的部位，发生分解氧化铝的复杂电化学反应（阳极反应）。
在碳的参与下，阳极最终产物是CO和CO2。
铝电解生产中，炭阳极日平均消耗1-2cm，定期向电解槽上部添加新的阳极糊（对自焙阳极电解槽）或定期更换预焙阳极将（对预焙阳极电解槽）是阳极工作的主要内容，以保持阳极连续正常工作。
阳极炭块一般为长方体，在其导电方向的上表面有2～4个直径为160～180mm、深为80～110mm的圆槽，俗称炭碗。
在阳极组装时，炭碗用来安放阳极爪头，通过磷生铁浇注，使阳极导杆与阳极炭块连为一体，组成阳极炭块组。
阳极炭块根据电解槽电流的大小和工艺的不同而有不同的尺寸，但通过它的电流密度一般为0.70～0.76A/cm2，使用周期为20～28天。
铝电解生产对炭素阳极材料提出如下要求：
（1）纯度高。
铝电解生产中，炭素阳极材料被电解反应逐渐消耗，其中的灰分杂质进入金属铝液中，污染铝的质量。
因此，要求炭素阳极材料中的杂质含量越低越好，一般灰分不应大于0.5％。
（2）导电性能良好。
在铝电解槽上，炭素阳极参与传导电流，消耗在炭阳极的电压降达0.35～0.5V，每生产一吨铝消耗在阳极上的电能约1500～2000kW·h，占铝生产电耗的10％～15％。
因此，降低阳极材料的电阻率对降低铝生产成本十分重要。
阳极炭块电阻率不应大于60μΩ.m，阳极糊烧结体电阻率不应大于80μΩ.m。
（3）足够的机械强度。
铝电解槽上阳极重达几十吨，还要承受电、热等的冲击，因此要有足够的机械强度。
阳极糊烧结体和阳极炭块的耐压强度不应低于27MPa。
（4）抵抗与CO2反应的性能良好。
2.2炭阳极生产原料及质量要求
该炭素厂生产铝用阳极炭素材料的原料有石油焦、沥青焦、预焙阳极的残极及少量添加剂，粘结剂为煤沥青（原料性能指标见表1、表2、表3）。
原料焦经过煅烧、破碎、分级，按一定的配方与煤沥青混捏，冷却后即成为糊；混捏后的糊料经成型、焙烧，成为阳极炭块。
阳极炭块的质量标准见表4。
表1 延迟石油焦、沥青焦的质量指标
（ZBE44002－88和GB3070－82）
指标
1＃石油焦
2＃石油焦
3＃石油焦
沥青焦
A
B
A
B
A
B
灰分/%≤
0.3
0.5
0.5
0.5
0.8
1.2
0.5
硫分/%≤
0.5
0.8
1.0
1.5
2.0
3.0
0.5
挥发分/%≤
10
12
12
15
16
18
1.2
水分/%≤
3
3
3
3
3
3
3
真密度（g/cm3）≥
2.08
2.08
2.08
2.08
1.96
粉焦含量/%≤
3.0
3.0
3.0
3.0
4.0
注：
延迟石油焦的真密度是指1 300 ℃煅烧5h的真密度；
石油焦的粉焦含量是指8mm以下，沥青焦的是指25mm以下。
表2煤沥青的质量指标（GB2290-80）
指标
中温沥青
高温沥青
软化点（环球法）/℃
75～90
95～120
甲苯不溶物含量（抽提法）/%
15～25
喹啉不溶物含量/%
＜10
灰分/%≤
0.3
挥发分/%
60～70
水分/%≤
5.0
5.0
结焦值/%≥
表3改质沥青质量指标（YB/T5134-33）
指标
一级
二级
软化点（环球法）/℃
100～115
100～120
甲苯不溶物（抽提法）/%
28～34
＞26
喹啉不溶物/%
3～14
6～15
树脂含量/%≤
13
16
结焦值/%≤
54
50
灰人/%≤
0.3
0.3
水分/%≤
5
5
表4炭阳极国家标准GB8742-88
名称
牌号
灰分/%
电阻率/μΩ·m
耐压强度/MPa
真密度/g/cm3
体积密度/g/cm3
不大于
不小于
炭阳极
TY-1
0.5
55
29
2.0
1.5
TY-2
1.0
60
29
2.0
1.5
2.3生产工艺与设备
阳极材料的生产工艺包括原料的预碎、煅烧、破碎、筛分分级、配料，粘结剂的预处理、混捏，混捏后的糊料成型、焙烧及清理加工，该炭素厂炭阳极的生产工艺流程图见图1。
图1某厂炭阳极生产工艺流程
2.4影响炭阳极电阻率的因素和控制
铝电解用预焙阳极有色金属行业标准（YS/T285-2007）中对预焙阳极电阻率的要求，一级品不大于55μΩ·m，二级品不大于60μΩ·m。
影响炭阳极产品电阻率的因素和生产工艺优化措施有：
（1）改善煅烧工艺条件
预焙阳极以煅烧石油焦为骨料，煤沥青做黏结剂，经煅烧、混捏、成型和焙烧等工序制造而成。
石油焦是炼油厂渣油裂解焦化后的产物，原油产地、杂质元素含量和焦化条件决定了煅后焦体密、强度和导电率等性质。
目前国内石油焦质量呈下降趋势，硫和钒的含量趋高，随着各炼厂提炼技术的提高，粉焦量也逐步增加，这些都降低了煅烧石油焦导电性能。
（2）优化成型生产工艺
生阳极制造，煅后焦、残极和生产系统返回料通过中碎、筛分、配料，与沥青混捏后成型。
配料精度、物料纯度、粉料粒级分布直接影响生块体密和沥青用量。
生块焙烧后，沥青焦以网状结构包裹着骨料颗粒广泛分布于碳块内部，焙烧沥青焦化温度低于石油焦煅烧温度，沥青焦比电阻较煅后焦高，合理的生阳极生产工艺，适当沥青用量，能有效改善阳极导电性。
（3）保证焙烧工艺
预焙阳极焙烧是指生阳极炭块在隔绝空气的条件下，通过热处理将煤沥青碳化为沥青粘合焦的过程。
焙烧后制品具有足够高的强度、良好的导电性、较高的抗氧化性。
合理的升温曲线是阳极质量的保证，焙烧曲线应遵循“两头快、中间慢”的原则，沥青挥发分快速溢出和焦化阶段要适当控制升温速度。
挥发分溢出阶段升温过快，沥青结焦值下降，降低制品强度和电阻率。
提高焙烧最终温度，有利于沥青焦微晶成长，降低电阻率。
考虑到炉底和侧墙散热的影响，焙烧炉内普遍存在温度梯度，同时耐火材料、填充料、碳块导热比较低，充分的高温保温时间是保证碳块质量的必要条件。
一方面可以尽量降低炉室内部温度梯度，减少炉室内低温薄弱环节；另一方面，根据焙烧等效温度理论，延长热处理时间，可以使碳素制品在较低的热处理温度下达到相对较高的等效温度，达到所需要的焙烧质量。
3.分析路径
该案例是生产案例，本生产案例体现了炭素阳极生产工艺、原料及产品性能指标等知识点和岗位技能，与炭素加工技术专业炭素工艺学课程工艺路线单元的教学目标相对应。
随着铝电解工业的发展，对炭阳极等炭素材料的生产提出了更高的要求，在炭阳极众多的质量指标中，影响铝电解以及产品的性能、成本等的直接因素就是电阻率。
不管是铝生产企业还是炭素生产企业，目前都在着力研发进一步提高炭素产品的电性能。
学生要能掌握各种等级的炭素阳极产品的质量指标以及其对铝电解的影响。
根据国家职业标准关于炭素煅烧工和焙烧工工种要求，对应教学目标，从此生产案例归纳提炼出所包含的知识和技能点，弱化与教学目标无关的内容，使之与课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要求知识和技能的教学案例。
作为炭素加工技术专业的学生，要努力培养其具有产品优化甚至开发的性能。
通过提出低电阻率炭阳极的生产要求，使学生在掌握了原因炭阳极的生产工艺的基础上，将已学知识转化为能力，引领学生制定生产高性能炭阳极工艺。
通过分析炭阳极生产过程中影响产品质量，尤其是电阻率的因素，提出提高低电阻率炭阳极生产工艺，使学生掌握工艺路线中的关键步骤，下面以生产低电阻率炭阳极为例，说明该材料案例教学、现场教学的经过。
4.教学目标
（一）掌握炭素阳极的生产工艺流程及其各个工序的关键点；
（二）掌握影响材料电阻率的因素；
（三）综合考虑原料、设备，选择合理的工艺路线；
（四）全面复习所学知识，并将知识转化为能力。
5.教学方式方法
现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。
具体教学过程设计如下：
5.1课前计划
（一）学生掌握知识：
低电阻率炭素阳极生产的基本原理、工艺、设备；
（二）学生分组，指定组长；
（三）与现场联系，进行现场教学准备，包括安全教育、劳保用品、行走路线，现场兼职教师，现场教室等；
（四）安全教育，教师带领学生下厂调研，记录生产中的各工艺参数，收集炭阳极生产相关资料；
（五）学生根据所学知识和实习、调研中获得的资料，总结该炭阳极生产的操作要点；
（六）与技术人员交流，请技术人员准备讲授该种预备阳极生产中出现的问题和关键因素。
（七）教室设置成学习岛，准备投影，为每组准备2张0开白纸，大号记号笔1支、作业纸每人2张。
5.2课中计划
（一）学生按小组就座学习岛周围，选举记录人、发言人。
（二）采用头脑风暴法，每人总结一条操作要点，按顺时针顺序轮流发言，记录人将操作要点在0开白纸上按原料煅烧、筛分、混捏、成形、焙烧等分工序记录，讨论每一工序中能够影响产品电阻率的因素。
要求每人发言，可以轮空，直到所有人员无法补充为止，时间15～20分钟；
（三）整理完成后，小组发言人上台展示0开白纸上的记录，并向全体师生汇报交流钢种操作要点；发言学生汇报完成后，同组学生可以补充。
汇报完成，本组自评，其它组进行点评打分，现场技术人员参与对学生汇报的操作要点评价，指出优点和不足，每组时间8～10分钟；
（四）技术人员讲授实际生产该类炭阳极的案例，时间20分钟；
（五）教师讲授低电阻率炭阳极的用途、性能要求、成分控制要求，生产操作要点，时间45分钟。
5.3课后计划
布置作业，见6.3。
6.思考题及考评
6.1课前思考题
布置课前思考题，保证学生下厂调研知道找什么材料、看什么操作、思考为什么如此操作。
（一）炭素材料的物理性质有哪些？
其影响因素是什么？
（二）焙烧的目的是什么？
（三）煅烧的目的是什么？
（四）降低炭阳极电阻率的意义是什么？
6.2课堂练习
（一）填空题
1．生产各种碳素制品的主要原料有（ ）（ ） （ ）（ ）等。
2．体密度可以表示材料或制品的宏观组织结构的（ ），制品的气孔率越大，则体密度（ ），宏观组织结构越（ ）。
3．碳质材料及其碳和石墨制品样块中的气孔按其外形和位置可分为（ ）（ ）（ ）
（二）选择题
1.炭质原料氧化的温度大约在（）
A．300℃左右 B.350℃左右
C.500℃左右 D.600℃左右
2.反映制品机械强度的指标是（）
A．体密度 B.电阻率
C.抗压强度 D.真密度
3.衡量材料或制品的宏观组织结构的密实程度的指标是（）
A．真密度 B.体积
C.假密度 D.弹性模量
4.焙烧过程中，温度范围800～1000℃时，持续时间为20小时，其升温速度为每小时（）
A.5℃ B.10℃
C.15℃ D.20℃
（三）判断题
1.成型后的生坯已经具备使用时所必须的一系列理化性能。
（）
2.制品各向异性的好坏，决定着制品经过热处理后的各项理论指标的好坏。
（）
6.3课后作业
课后作业，复习巩固知识、提升能力。
（一）每人画出生产低电阻率的炭阳极的工艺流程图。
（二）根据调研和查阅资料，总结影响炭阳极电阻率的因素和控制方式。
6.4评价建议
学生考核评价实施表
评价方式
评价内容
评价结果
得分
过程性
评价
（100%）
学生出勤（10%）
迟到一次及以下
8~10
迟到三次
5~7
缺勤
0
学习态度（10%）
积极性高，虚心好学
8~10
学习积极性较高
5~7
无厌学现象
0
课堂参与
（40%）
小组评价
（10%）
小组合作融洽，讨论能达到预定的目标
8~10
小组合作比较融洽，讨论基本达到预定的目标
5~7
小组合作相对融洽或不融洽，讨论未达到预定的目标
0
展示评价
（20%）
展示内容全面，条理清楚、语言流畅
4~20
现场教学
评价
（10%）
遵守现场规章制度，有良好的安全意识。
0~10
完成作业（30%）
思路清晰，格式规范，内容正确
自我评价（10%）
升级会员 