炭陽極掉渣原因分析與措施

劉建剛 王 群

(山西華圣鋁業(yè)有限公司, 山西 永濟(jì) 044501)

炭陽極掉渣原因分析與措施

劉建剛 王 群

(山西華圣鋁業(yè)有限公司, 山西 永濟(jì) 044501)

分析了鋁電解過程中炭陽極掉渣的原因和危害，提出了減少炭陽極掉渣的措施。

炭陽極； 掉渣； 危害； 措施

0 前言

鋁電解生產(chǎn)過程中炭陽極掉渣問題是長期困擾鋁生產(chǎn)企業(yè)和炭陽極生產(chǎn)企業(yè)的問題之一。隨著我國產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整和發(fā)展計劃綱要提出節(jié)能減排新目標(biāo)，以及低碳經(jīng)濟(jì)日益深入人心，鋁電解生產(chǎn)過程中炭陽極掉渣問題成為阻礙企業(yè)健康發(fā)展的障礙。該問題不僅增加了電解鋁的成本，增大了操作工人的勞動強(qiáng)度，而且浪費(fèi)了資源，增加了排放，背離了節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)要求。目前在鋁工業(yè)企業(yè)處在保本經(jīng)營的情況下，控制炭陽極的消耗成為鋁廠降低成本的突破點(diǎn)之一。探討如何提高炭陽極質(zhì)量、如何保證電解槽的平穩(wěn)運(yùn)行、減少炭陽極掉渣、提高電解槽的電流效率，對鋁廠的節(jié)能減排、降本增效具有積極意義。

1 炭陽極的技術(shù)指標(biāo)要求

炭陽極在電解中既導(dǎo)電，又參與電化學(xué)反應(yīng)把鋁從Al2O3中還原出來，因此其要具備一定的物理和化學(xué)性能。炭陽極的質(zhì)量對電解槽的穩(wěn)定、噸鋁成本的控制有很大影響。

當(dāng)前，國內(nèi)鋁廠評價炭陽極質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)是：灰分、電阻率、耐壓強(qiáng)度、真密度、體積密度，但這五項常規(guī)指標(biāo)并不能完全衡量炭陽極質(zhì)量。有部分鋁廠對CO2反應(yīng)性(抗氧化性能)(表1)和微量元素指標(biāo)(表2)提出了技術(shù)要求，但實施考核并與炭陽極價格掛鉤的鋁廠為數(shù)不多；也有少數(shù)鋁廠對炭陽極使用效果進(jìn)行評價，如其在使用中炭渣量的多少、使用天數(shù)是否符合技術(shù)要求、使用后殘陽極是否規(guī)整、殘陽極是否有開裂現(xiàn)象等。

表1 炭陽極理化指標(biāo)要求

表2 炭陽極微量元素要求 10-6

2 炭陽極掉渣的主要原因

炭陽極生產(chǎn)所用原料、工藝過程參數(shù)控制和電解槽電流密度分布、運(yùn)行狀況都直接或間接影響炭陽極的掉渣量。掉渣量過多將增加噸鋁生產(chǎn)碳耗，造成噸鋁成本增加。

炭陽極的抗氧化性能直接與其在電解槽中的掉渣量有關(guān)。炭陽極掉渣分為兩種情況：一是在電解槽中有顆粒脫落形成炭渣，不及時撈出將影響電解槽的平穩(wěn)運(yùn)行；二是從電解槽中撤換下來的殘極表面疏松，輕刮就有顆粒脫落，殘極不規(guī)整，原有的邊棱已基本消失。

2.1 炭陽極生產(chǎn)原料

控制原料質(zhì)量關(guān)，有選擇性地購進(jìn)石油焦、煤瀝青等原材料。

2.1.1 石油焦中雜質(zhì)元素對炭陽極抗氧化性能的影響

石油焦中含有V、Na、S、Ca、Si、Fe、Ni、Ti等有害雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)元素將進(jìn)入炭陽極制品中。在電解槽的電化學(xué)反應(yīng)過程中，V、Na、Ca等雜質(zhì)元素起催化作用，造成炭陽極過量消耗，如圖1所示。

圖1 Na、V元素含量對煅后焦空氣反應(yīng)性的影響

2.1.2 煤瀝青浸潤性能對炭陽極抗氧化性能的影響

煤瀝青的甲苯不熔物、喹啉不熔物的含量過低或過高都會影響其浸潤性能，造成混捏的糊料流動性和可塑性差，導(dǎo)致石油煅后焦顆粒間的粘結(jié)性差，焙燒時所形成的瀝青焦抗氧化性能差。

2.2 炭陽極生產(chǎn)工藝參數(shù)

2.2.1 石油焦的煅燒過程對炭陽極抗氧化性能的影響

石油焦按不同產(chǎn)地和質(zhì)量指標(biāo)分類堆放以滿足煅燒條件和炭陽極質(zhì)量指標(biāo)要求。按一定比例對不同產(chǎn)地、質(zhì)量指標(biāo)的石油焦進(jìn)行混合配比，使其達(dá)到理想狀態(tài)。石油焦的煅燒過程不僅要排出水分、揮發(fā)分、提高導(dǎo)電性、密度、機(jī)械強(qiáng)度，同時還要提高其化學(xué)穩(wěn)定性即抗氧化性能，為提高炭陽極的抗氧化性能奠定基礎(chǔ)。煅燒溫度對煅后焦的抗氧化性也有顯著影響，保證煅燒爐煅燒帶的溫度達(dá)到1 300 ℃以上至關(guān)重要，如圖2所示。

圖2 煅燒爐溫度對煅后焦空氣反應(yīng)性的影響

2.2.2 煤瀝青的熔化過程對炭陽極抗氧化性能的影響

煤瀝青的熔化不是單純的排出水分和由固體轉(zhuǎn)變成液體的過程，而是熱聚濃縮反應(yīng)過程。煤瀝青的熔化需要合適的溫度和足夠的時間，水分排出結(jié)束后還需靜置，使熱聚濃縮反應(yīng)更充分。這樣可以保證中間相小球體的生成量使瀝青的浸潤性表現(xiàn)得更充分。在混捏時瀝青被細(xì)微的粉子顆粒表面所吸附形成膠胞，無數(shù)密集的膠胞組成膠料，膠料組合影響混捏糊料的可塑性。炭陽極生坯密度高，則抗氧化性就高。如果煤瀝青的質(zhì)量和熔化質(zhì)量達(dá)不到要求，則混捏的糊料可塑性差，導(dǎo)致炭陽極生坯質(zhì)量差，焙燒時所形成的瀝青焦抗氧化性能差。在電解槽中電化學(xué)反應(yīng)時，抗氧化性能差的瀝青焦率先氧化，不能與炭塊整體同步氧化消耗，導(dǎo)致煅后石油焦粒脫落，形成炭渣，最終殘極小。

2.2.3 生產(chǎn)料級配方和混捏工序?qū)μ筷枠O抗氧化性能的影響

料級配比和瀝青用量應(yīng)以滿足最大的堆積密度為基礎(chǔ)，以滿足形成足夠的膠料為原則，在合適的混捏時間和溫度條件下，才能生產(chǎn)出好的糊料。準(zhǔn)確的投料量、保持適宜的振動力和振動時間，才能生產(chǎn)出高品質(zhì)炭陽極生坯，焙燒后的炭陽極才會具有較強(qiáng)的抗氧化性能，相應(yīng)在電解槽中參與電化學(xué)反應(yīng)時消耗的速率低，掉渣量少。

2.2.4 焙燒工序?qū)μ筷枠O抗氧化性能的影響

焙燒時制品溫度達(dá)1 050 ℃(略高于炭陽極在電解槽環(huán)境中的溫度)并恒溫8 h以上對炭陽極的質(zhì)量性能會有極大改善，其電阻率下降，抗氧化性能提高，如圖3所示。

圖3 焙燒溫度對炭陽極抗氧化性的影響

2.3 電解槽電流密度分布、平穩(wěn)運(yùn)行狀況對炭陽極抗氧化性能的影響

電解槽電流密度分布不均勻，運(yùn)行狀況不平穩(wěn)，炭陽極就會消耗過快，產(chǎn)生大量炭渣。

3 減少炭陽極掉渣的措施

3.1 原料控制

石油焦和煤瀝青要選擇性采購。對長期質(zhì)量穩(wěn)定的供應(yīng)商，貨物可進(jìn)廠后檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果安排使用；對質(zhì)量不穩(wěn)定的供應(yīng)商，應(yīng)先從供應(yīng)商貨源地采集樣品進(jìn)行檢測，合格后再采購進(jìn)廠，貨物進(jìn)廠后，重新采樣檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果安排使用，同時檢測數(shù)據(jù)作為對供應(yīng)商的適時評價依據(jù)。對導(dǎo)致影響炭陽極在電解槽中使用效果和鋁品質(zhì)的技術(shù)指標(biāo)，如V、Na、S、Ca、Fe等元素含量均應(yīng)嚴(yán)格控制。尤其是造成電解槽中炭陽極掉渣的V、Na等活性強(qiáng)的元素，更應(yīng)予以關(guān)注，如圖4所示。并通過不同產(chǎn)地和質(zhì)量指標(biāo)混合配比，使其達(dá)到理想值。

圖4 V元素含量對炭陽極抗氧化性的影響

3.2 石油焦煅燒技術(shù)控制

必須保證石油焦煅燒帶的溫度在1 300～1 350 ℃，使煅后焦有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的化學(xué)性能，提高抗氧化性能，為減少炭陽極掉渣奠定良好基礎(chǔ)。通過規(guī)范石油焦配料，定期清理煅燒爐火道，優(yōu)化煅燒爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在原六層測溫的基礎(chǔ)上，加裝二層測溫儀，有效監(jiān)控整體爐溫，同時創(chuàng)新補(bǔ)氧方法、負(fù)壓調(diào)整方法，強(qiáng)化調(diào)溫作業(yè)管理，提高火道溫度達(dá)標(biāo)率，改善了煅后焦質(zhì)量，為減少炭陽極掉渣奠定良好基礎(chǔ)。

3.3 瀝青的溫度和液位控制

合理安排瀝青到貨，進(jìn)廠瀝青溫度不能高于230 ℃，瀝青到貨后首先卸至瀝青熔化槽進(jìn)行靜置降溫，當(dāng)瀝青溫度降至195 ℃以下方可向瀝青貯槽輸送，同時規(guī)范瀝青貯槽的瀝青溫度和液位，瀝青溫度控制在170～175 ℃，正常生產(chǎn)期間貯槽液位不低于4.5 m，成型檢修期間瀝青貯槽液位不低于3.5 m。通過合理控制瀝青貯槽的液位和使用溫度，使瀝青的浸潤性更充分，在用于炭陽極生坯生產(chǎn)時，混捏糊料可塑性好，炭陽極生坯密度高，炭陽極的抗氧化性能就高，焙燒時所形成的瀝青焦抗氧化性能就好。否則，炭陽極在電解槽中電化反應(yīng)時，瀝青焦抗氧化性能差，就率先氧化，導(dǎo)致煅后石油焦顆粒脫落，形成炭渣。

3.4 炭陽極生產(chǎn)成型階段和焙燒工序技術(shù)控制

成型工序通過強(qiáng)化供料操作，增加各粒度料和混合樣篩分頻次，完善配料自控系統(tǒng)，提高了配料的準(zhǔn)確性；增加混捏電流曲線監(jiān)控，提高了混捏質(zhì)量；同時以責(zé)任承包為基礎(chǔ)，強(qiáng)化了設(shè)備管理，有效降低了設(shè)備故障率，在月產(chǎn)量增加23%的前提下，生產(chǎn)周期縮短了3～5 d，生產(chǎn)高效連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行；瀝青配比穩(wěn)定，改善了生塊外觀及內(nèi)在質(zhì)量。焙燒系統(tǒng)通過采取縮短移架作業(yè)時間，優(yōu)化焙燒升溫曲線，強(qiáng)化負(fù)壓操作、調(diào)溫作業(yè)管理，完善爐室全方位密封等措施使焙燒塊高溫保溫時間不低于45 h，有效保證了焙燒制品質(zhì)量，使其具有較強(qiáng)的抗氧化性能，相應(yīng)在電解槽中參與電化學(xué)反應(yīng)時消耗的速率低，掉渣量少。

3.5 炭陽極外形尺寸改進(jìn)

為了更有效地減少炭渣量，降低電解陽極毛耗，提高陽極在電解槽的使用性能，將炭陽極的底面棱角改為R50 mm圓弧，減少了棱角電流集中、炭塊反應(yīng)過快、掉渣過多等現(xiàn)象。底棱改造后，電解噸鋁陽極毛耗降低3 kg左右，年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益165萬元，同時更利于電解槽的平穩(wěn)高效運(yùn)行，間接效益顯著。

4 結(jié)論

(1)對石油焦進(jìn)行混合配比，尤其對V、Na、S、Ca等元素含量嚴(yán)格控制。對石油焦煅燒過程控制，保證煅燒帶溫度，使煅后焦有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗氧化性能。

(2)控制煤瀝青的質(zhì)量，控制好貯槽液位和使用溫度，提高瀝青性能，使焙燒時形成的瀝青焦在電解槽中與煅后焦顆粒同步消耗，減少掉渣量。

(3)強(qiáng)化工藝細(xì)節(jié)管理，合理設(shè)置工藝技術(shù)參數(shù)，堅持改進(jìn)和創(chuàng)新，不斷提高炭陽極的綜合技術(shù)性能。

Cause Analysis and Countermeasures of Carbon Anode Dregs

LIU Jian-gang, WANG Qun

This paper analyses the cause and hazards of carbon anode dregs in electrolytic process, and proposes countermeasures to reduce the carbon anode dregs.

carbon anode; dregs; hazards; countermeasures

2015-02-15

劉建剛，男，大學(xué)本科，支持工程師，從事炭素專業(yè)技術(shù)質(zhì)量管理工作。

TF111.52

B

1008-5122(2015)04-0028-03