專利名稱：鋁電解槽用陰極炭塊的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種用異型回轉窯生產磷酸的方法。
在已知的生產磷酸方法中，熱法即電爐法，是一傳統方法，一般分兩步進行(見《無機鹽工業手冊》(下冊)第10～18頁)第一步，先將含P2O5＞22%的磷礦石與硅石、焦炭的混合料送入電爐，在熔融狀態下還原揮發，由含磷爐氣制得黃磷或液態磷。第二步再將熔化的黃磷或液態磷噴入燃燒塔內與空氣氧化燃燒，生成五氧化二磷，然后在水化塔內用水或稀酸水化吸收為磷酸;八十年代初，美國的ORC公司采用KPA法，即回轉窯法生產磷酸(見《Industial and Engineering Chemistryproccess Design and Development》雜志1985年第13期，第688～697頁)，規模為中間試驗。其工藝特點是將磨碎的磷礦石、硅石、碳質還原劑(焦粉或煤粉)配加1%的膨潤土造球，經鏈式干燥機干燥預熱后送入窯頭燃燒天然氣的回轉窯，讓球團在窯內還原，還原溫度為1400～1500℃;磷則以磷蒸汽形態從球團中揮發出來，然后在窯內料層上方的空間被通入的空氣氧化成五氧化二磷，反應產生的一氧化碳亦被氧化燃燒，氧化放熱反過來又供給還原。試驗結果表明，用低品位磷礦石可直接生產高質量、高濃度的磷酸，同時由于球團內配碳使還原速度加快，還原與氧化在同一反應器內進行，使反應熱得以充分利用，因而降低生產成本。該法現存的技術問題是(1).球團強度差，導致球團在回轉窯內500～1000℃時低溫區粉化，磷礦石與硅石、碳質還原劑分離，既影響磷礦石的還原，又極易產生結圈和增大粉塵的吹出量。原因是球團內配碳，為防止碳在還原反應開始前過早氧化，不能采用高溫氧化方式固結，而添加膨潤土僅改善物料成球性能，固半石墨質陰極炭塊是用經1700～2000℃電煅爐煅燒的無煙煤為骨料，以瀝青為粘結劑經混捏成型后，再經1300℃焙燒而成，這種炭塊中的無煙煤由于電煅爐徑向溫差較大，其骨料性能波動較大，只有部分達到半石墨化，另外粘結劑瀝青形成的焦炭也屬無定形炭，因此，這種炭塊的電阻率仍較大，一般為(40～45)×10-6Ωm，電解膨脹率為0.8～1.2%。抗壓強度較低為9MPa，故用這種炭塊砌筑成的電解槽陰極壓降仍較高，受熱膨脹時，底部拱起，易產生斷裂，使用壽命也較短。
石墨化陰極炭塊，由于要采用優質少灰焦制造，其原料來源受到限制且價格昂貴，加工過程能耗高，制造工藝難度大，因而難以推廣應用。
就目前情況來看，半石墨化炭塊所用原料來源廣、價格便宜，炭塊電阻率低，抗電解質浸蝕性能好，可滿足電解槽大型化和節能的要求，是鋁電解槽陰極理想的換代材料。
目前，國內半石墨化陰極炭塊采用合肥鋁廠所用的方法制造，即將普通無煙煤基陰極炭塊放入石墨化爐中的石墨電極頂部，利用石墨化爐石墨化電極時的余熱，使炭塊實現高溫半石墨化后，最后經加工砌筑而成。用這種方法制成的炭塊，由于無煙煤經高溫處理后變酥變脆，因而其抗拉、抗壓強度都很低(抗壓強度只有10MPa左右)，另外，由于炭塊放在石墨電極頂層保溫料內，
本發明的技術解決方案中，從窯頭拋入固體還原劑，固體還原劑使用焦粒或煤粒，拋入量為窯內所加球團量的0～30%。
本發明的技術解決方案中，磷礦石、硅石、碳質還原劑(焦粉或煤粉)的磨碎程度為小于200目的大于80%，配料按堿度(CaO/SiO2)為0.2～0.7，配碳量為理論量的1.0～2.0倍進行;造球水份為7～15%，球團粒徑為5～16m/m。
本發明的技術解決方案中，主體設備回轉窯是在其通用結構的基礎上改進的異型設備，其特征在于回轉窯窯身設有若干隨窯體一起轉動的風機，并通過若干間距為窯徑1.0～2.0倍的、伸至窯內料層上方的、帶有直角彎頭的風管沿回轉窯中軸線向窯內通入空氣，使磷蒸汽和一氧化碳燃燒放熱，以根據磷礦石性質不同，調整爐氣溫度于1220～1400℃之間，進而維持回轉窯窯長的50%以上區域里的料層溫度上下波動不超過50℃。風機數量是由風管數量決定的，每根風管聯接一臺風機，風機風量可調，風機風量、風管直徑視窯內溫度分布及還原氣氛強弱而定。
本發明的技術解決方案中，回轉窯長徑比為10～20∶1，窯頭設有燃料燃燒裝置，所用燃料為煤、油、天然氣或煤氣;窯內還原時間為0.5～3.0小時。
與KPA法相比，本發明具有的優點及產生的效果是(1).有機粘結劑有較強的固結作用，經干燥固結后的成品球團強度指標可達到落下強度＞50次/米，抗壓強度＞25Kg/個球，耐磨指數(-0.5m/m)＜1.3%;從而保證球團在升溫及還原過程基本無粉化現象，(2).三種有機粘結劑來源廣泛，價格適宜，且不帶入雜質，同時粘結劑本身是一種能源或還原劑，(3).從回轉窯窯頭拋入部分固體還原劑，以保證料層中維持良好的還原氣氛，防止磷蒸汽在料層中氧化并與球團中的氧化鈣反應生成磷酸鈣，從而提高磷的揮發率，(4).回轉窯供風系統結構簡單，能有效控制窯內氣氛及溫度分布，使氧化區和還原區很好地分開，料層溫度波動較小。
回轉窯的結構見附圖
。
附圖中1為風機，2為風管，3為料層，4為燃燒器，5為加料管，6為窯頭，7為窯尾，8為輪箍。
實施例所用原料的化學成份硅質磷礦石含P2O5為20.91%，硅石含SiO295.81%，焦粉含固定碳75.49%;粒度組成-200目＞80%;混合料堿度CaO/SiO2為0.39，配碳量為理論量的1.8倍;造球水份為12%，球團粒徑為10～12m/m。將上述化學成份和物理規格的球團，用φ0.8×16米的回轉窯進行處理，窯身裝風管7根，風管間距0.9米。窯頭拋入煙煤粒，拋入量為入窯球團量的20%。窯內的還原溫度為1300℃，物料在窯內的還原時間為1.5小時，球團內磷的揮發率為94%，磷酸濃度達到85%。
權利要求
1.一種用回轉窯生產磷酸的方法，其過程是磷礦石與硅石、碳質還原劑經磨碎、配料、混勻后造球，球團在回轉窯內還原揮發，并通入空氣，使磷蒸汽和一氧化碳在料層上方空間氧化燃燒，五氧化二磷在水化塔中水化吸收為磷酸。本發明的特征在于造球配料時添加有機粘結劑，球團采用干燥固結，回轉窯窯頭拋入固體還原劑。
2.根據權利要求1所述生產磷酸的方法，其特征在于添加的有機粘結劑有三種使用水溶性腐植酸含量占30～70%的腐植酸鈉時，添加量為0.5～4.5%(干基);使用木質素磺酸鈣時，添加量為0.3～3.0%(干基);使用比重為1.20～1.30的亞硫酸鹽紙漿廢液時，添加量為2.0～5.0%。
3.根據權利要求1所述生產磷酸的方法，其特征在于球團采用干燥固結，固結溫度為100～400℃，固結時間為10～60分鐘。
4.根據權利要求1所述生產磷酸的方法，其特征在于從窯頭拋入固體還原劑，固體還原劑使用焦粒或煤粒，拋入量為窯內所加球團量的0～30%。
5.一種生產磷酸所用回轉窯，一般是用通用的回轉窯結構。本發明的特征在于回轉窯窯身設有若干隨窯體一起轉動的風機，并通過若干間距為窯徑1.0～2.0倍的，伸至窯內料層上方的、帶有直角彎頭的風管沿回轉窯中軸線向窯內通入空氣，使磷蒸汽和一氧化碳燃燒放熱。
6.根據權利要求5所述的回轉窯，隨窯體一起轉動的風機，其特征在于風機數量是由風管數量決定的，每根風管聯接一臺風機，風機風量可調，風機風量、風管管徑視窯內溫度分布及還原氣氛強弱而定。
全文摘要
一種鋁電解槽用陰極炭塊的制造方法，它以煅燒后的無煙煤、冶金焦、少灰焦、石墨碎(或磷片石墨)為骨料，以瀝青為粘結劑，混捏成型后，在焙燒爐中經280～360小時升溫和保溫至1100～1380℃(最佳值為1250～1350℃)，然后在電阻爐中通電加熱至1800～2300℃(最佳值為1900～2150℃)進行半石墨化，最后砌筑成所需形狀的成品。
文檔編號C25C7/02GK1055016SQ91100789
公開日1991年10月2日 申請日期1991年2月9日 優先權日1991年2月9日
發明者趙杰三, 邱竹賢, 張德, 姚廣春, 張國輝, 朱旺喜, 李發原, 揚曉路, 王茹芳, 喬繼承, 孟雙林, 樊留鎮, 周杰, 郭玉龍, 洪振明, 郭履妮 申請人:中國有色金屬工業總公司山西碳素廠, 東北工學院