提高铝用预焙阳极质量的探讨

903 编辑：中冶有色技术网来源：伊电控股集团有限公司铝电解技术研究所、河南省铝电解工程技术研究中心

2023-05-18 11:57:58

预焙阳极是铝电解生产的最主要的消耗材料，其质量直接影响电解生产的阳极消耗、电流效率、电能消耗和产品等级等经济指标。高质量的阳极可以降低阳极消耗，同时提高生产的稳定性。因此，制造高质量的阳极就成为炭素分厂的主要目的。制造高质量的阳极包括从原料选择、石油焦煅烧、生块成型、生块焙烧全过程控制。

1 阳极消耗

众所周知，在铝电解生产过程中，阳极炭块不仅承担着导电作用，而且还参与电化学反应，阳极炭块质量的好坏，直接影响到铝电解的正常生产操作、阳极的消耗、原铝的质量和电流效率等技术经济指标[1]。

1.1 理论消耗

铝电解过程的(电)化学反应方程可以表示为如下两种形式：

式中： N为CO2的体积百分比

当气体中CO2： CO 分别为70：30、75：25或80：20(94%的电流效率)时，阳极的理论消耗分别为：393、381、370kg/t-Al，因此炭阳极的理论消耗为370～400 kg/t-Al。

1.2 净耗

指含空气、二氧化碳氧化及掉渣的过消耗部分，而不含残极的实际消耗量。在正常生产中，空气氧化、掉渣率约为5～10%，所以炭阳极的净耗可以表示为：净耗=理论消耗+15～40 kg/t-Al≈410～430kg/t-Al。

1.3 总(毛)耗

包含残极在内的所有实际消耗，即换极消耗。一般电解生产的残极率(高150～180mm)≈25～30%，阳极总消耗约为450～550 kg/t-Al

1.4 阳极消耗速度

指电解生产中阳极每天消耗的高度，表示单位为cm/d。它是一个与铝产量、阳极质量都有关系的物理量，具体可表示如下式：

式中Wc为阳极净耗，它与阳极的抗氧化性能有关;dk为阳极炭块的体积密度，是与阳极生产工艺技术有直接关系的物理量;I阳为阳极电流密度。

2 阳极生产过程管理

预焙阳极是铝电解槽的心脏，其质量的好坏直接影响电解槽的电流效率、电解铝产能成本等。阳极质量的优劣与原料、阳极生产过程有着直接关系。不仅要抓好原材料质量管理外，还要抓好煅后焦、阳极成型，特别是焙烧工艺的管理。

2.1 提高原材料质量

2.1.1加强进厂原材料的管理。

要求进厂原材料必须先进行化验再入库，根据化验指标进行混配使用，稳定原料均一性;加强原料输送、生产过程中加强除铁器管理，要求各上料系统除铁器全部投入自动运行状态，定期进行清理;优化进购石油焦质量，加大2B焦进购量，减少地炼焦进购量。根据目前进购石油焦厂家供货情况以及理化指标情况，制定合理进购计划。严格控制石油焦中钒、钙、硫等微量元素含量，石油焦钒含量控制在350ppm以下，硫控制在3%以下。规范石油焦入库，进厂石油焦按质量等级分仓库存，并按要求比例使用，保证石油焦质量均一稳定。

2.1.2 采用液态改质沥青

粘结煤沥青对生阳极质量影响尤为明显，粘结沥青成份出现波动必然引起工艺条件的改变，直接影响生阳极外观合格率甚至影响到阳极各项理化指标[2]。实践表明改质沥青是生产大颗粒炭阳极的最佳选择，就阳极质量而言，液体沥青配料优于固体沥青配料[3]，其原因主要是：

(1) 配料时液体沥青温度达170～180℃，当温度高于粘结剂软化点50～70℃时，粘结剂的流动性和润湿能力最大，有利于提高混捏效果。

(2) 在混捏过程中固体炭颗粒被润湿后，颗粒表面对沥青的组分有选择性吸附的现象。其中，粘结重胶质组分最易被吸附，轻质碳氢物质最难吸附。由于液体沥青排渣、排烟，特别是排水汽充分，所以浸润和粘附效果好，从而提高了焙烧结焦值和焦桥粘结效果。

2.1.3 降低残极中钠、铁、钙、铝、等微量元素含量。

铝厂返回残极中含有大量的钠、铁、钙、铝等强氧化剂，直接影响阳极抗氧化性能。为降低残极中微量元素含量，在残极上料系统加装振动筛和滚筒筛，对残极中的软残极和电解质、磷生铁等杂质进行清理，降低残极微量元素含量，降低残极灰分，提高阳极抗氧化性能。

2.2加强生产过程控制

2.2.1 提高煅后焦质量

据有关研究表明[4]，煅后焦孔度每增加1%，沥青用量将增加0.5%，电解时炭阳极消耗增加0.3%;煅后焦体积密度每增加0.1%，炭阳极消耗将减少0.45%，也就是说石油焦焦化深度、煅烧温度等工艺条件决定着煅后焦性能和质量，并且对炭阳极消耗产生很大影响。针对煅后焦真密度偏低，通过提高煅烧温度，提高到1250℃以上，稳定投料量、延长煅烧带长度、及时调整回转窑空气量等措施，加强工艺操作。调整后煅后焦真密度由原来2.01g/cm3提高到2.04 g/cm3以上如图1所示，挥发份由1.2%降低到0.5%以下。

调整后煅后焦真密度

图1 调整后煅后焦真密度

2.2.2优化成型工艺

随着煅后焦质量的提高，成型车间也加强上料筛分管理，要求煅后焦料仓下料时，必须实行多点下料，根据煅后焦粒度情况，及时调整下料量，提高各种粒度的筛分纯度。提高粒度分析次数，要求每班做两次粒度全分析，根据粒度变化情况，实时调整生产配方配。

洛阳龙泉天松碳素有限公司成型车间采用三粒级大颗粒配方，各粒级所含粒度范围较宽，粒度纯度波动大，细颗粒含量少，缺少1～0mm颗粒。前期生产过程中出现混捏力矩不稳定，成型生块沥青含量偏高等问题。为提高生阳极质量在保证粒级不变情况下，采取以下措施：首先稳定粉料加入量，对成型生产过程中收尘系统加装收尘粉料仓，保证收尘粉连续稳定返回系统。因为粉料过多过少都会影响生块质量，粉料过少生阳极体积密度偏低外观粗糙，粉料过多沥青用量增加成型生产过程中出现裂纹现象;其次连续混捏机出口挡板由手动调节改为自动调节，实现混捏机力矩自动调整，克服人为调节不及时弊端。通过以上措施的实施，生块质量得到提高，生块体积密度稳定在1.63g/cm3以上，耐压强度稳定在38Mpa以上。

2.2.3 加强焙烧工艺管理

生阳极质量虽好，如果焙烧不好，也生产不出优质的炭阳极，所以阳极的焙烧更是决定阳极质量的一个重要过程。焙烧阶段，各升温阶段升温速率是否合理，会直接影响焙烧质量。合适焙烧曲线不仅可以提高阳极的性能，而且对节能降耗产生重大意义。

2.2.3.1 严格控制升温梯度

炭块质量的好坏，不仅与配料、混捏和成型有关，而且受焙烧条件的影响。焙烧工序的调整和控制是提高阳极质量的关键因素，它可以使炭块获得均匀的结构和规范的几何体，防止炭块出现内外裂纹、炭块截面密度不均匀、孔洞和气孔的产生。

焙烧升温曲线主要根据煤沥青的炭化特点制定，同时考虑炉子结构、产品规格、产量等因素制定[1]。通过对焙烧过程跟踪分析检验发现，当火道烟气温度达到400℃以上时，炭块温度达到200℃左右，处于低温预热阶段，粘结剂开始软化，由于炭块内部温差和压力差粘结剂产生迁移，炭块容易出现变形;火道温度达到400℃～850℃时，炭块温度正处于200℃～700℃的中温结焦阶段，粘结剂开始分解，挥发份大量排出，粘结剂开始结焦。为了提高粘结剂结焦值，提高炭块理化指标，使挥发份能够充分燃烧，减少炭块内外温差和裂纹产生，要控制升温速度进行缓慢升温。火道温度达到850℃～1200℃时，炭块温度处于700℃～1000℃的高温烧结阶段，粘结剂结焦已基本完成。为了进一步提高炭块的真密度、导电性、抗压强度和抗氧化性能，要使炭块最高温度达到1100℃左右并保温20个小时以上，使炭块内外温度均一。

结合我厂焙烧炉炉室深、料箱长和碳块尺寸大、装炉量多等特点，根据生产实际情况，参照其它碳素厂成功经验，进一步优化焙烧曲线，使燃烧区起点温度由800℃提高到880℃，同时延长保温时间，火道最高温度保温时间由56个小时提高到61个小时。优化后焙烧曲线见表1。

表1 32小时周期焙烧曲线

2.2.3.2 提高焙烧最终温度

焙烧热处理最终温度高，有利于制品内部微晶生成增长，提高抗氧化性，从而减少铝电解阳极消耗[5]：在850℃～1300℃的温度范围内，阳极焙烧温度每提高100℃，阳极的消耗就减少几个百分点，特别是当升高到1000℃～1100℃范围的时候，阳极的抗氧化性会有更大的改善;焙烧热处理温度高能降低阳极比电阻。表2示出不同的焙烧温度对阳极炭块质量的影响[6]。

表2 最终焙烧温度对阳极炭块质量的影响

阳极最终焙烧温度由投产初期1130℃提高到目前1180℃，阳极目标温度控制在1080±20℃。需要指出的是，我们做过火焰最高温度为1250℃的生产试验，结果显示理化指标无明显差异，仅电阻率下降了1-2μΩm，重油消耗却增加约10%。

(1) 保温时间

高温保温时间是产品内外质量均匀的一个重要因素。从工艺要求的角度来说，阳极温度到达1080±20℃后，一般应保持20h以上。

(2) 冷却速度

焙烧炭块的冷却速度也会影响到阳极的焙烧质量，强制冷却速度以不宜过快，过快会使炭块内部温度差异过大，引起收缩不均匀，使焙烧炭块产生裂纹，或在内部产生较大的内部应力，降低阳极的抗热震性[7]。据焙烧实际冷却情况及设备自身特点，强制冷却速度控制在40～50℃/h。

2.2.3.4 加强焙烧过程控制

(1) 加强对成型生块质量控制。焙烧炭块与成型块质量紧密相关，焙烧炭块内在理化指标是否达到标准，成型生块的质量是关键。因此，质量检查员要严格按标准检查入库生块，不合格炭块不能进行焙烧。

(2) 加强对炭碗质量的控制。焙烧炉采用立装，炭碗在焙烧过程中容易出现虚空，造成炭碗变形和碗缺现象发生，直接影响炭块成品合格率和炭块外观质量。因此，生块装炉前要将炭碗中的水吹干，用锯末和填充料以一定的比例混合均匀加入炭碗中，用专用工具压实、压平，加盖纸板，进行编组。

(3) 加强对装炉质量的控制。为了减少炭块在焙烧过程中发生氧化，要保证装炉炭块距炉墙保持一定的距离，保证填充料能流畅填实，保证挥发分通畅排出，避免空气直接与炭块接触发生氧化反应。控制层间填充料厚度，规范铺料标准，一般底层铺料要达到100mm，层间铺料要达到120mm，保证炭块两边有充足的填充料，挤压层不能有缝隙，上层料要平整且高出炉面150mm。

(4) 加强调温控制，减小火道温度偏差。要求调温工做好定期巡视，发现问题及时解决，严格将火道温度偏差控制在±10℃之内，如焙烧炉料箱漏料应及时补料，防止空气大量进入炉室与炭块发生氧化。图2～4为改进前后各项理化指标对比(注：2014年7月30日前为优化前指标，7月30日为优化后指标)

焙烧曲线调整前后焙烧炭块电阻率变化情况