鋁電解預(yù)焙陽極生塊合格率提升探究*

羊光紅，楊傳元，田素蘭

（云南源鑫炭素有限公司，云南 紅河 654300）

隨著鋁電解槽技術(shù)向大型化、高效和節(jié)能降耗方向的發(fā)展，預(yù)焙陽極質(zhì)量對(duì)鋁電解的生產(chǎn)影響越來越突出，同時(shí)大型化高電流強(qiáng)度的預(yù)焙槽對(duì)預(yù)焙陽極質(zhì)量也提出了更高的要求。

生塊成型是預(yù)焙陽極生產(chǎn)的第二道工序，混捏成型工藝是整個(gè)預(yù)焙陽極生產(chǎn)工藝的核心。高質(zhì)量的生塊是獲得合格預(yù)焙陽極的首要前提和關(guān)鍵，生塊質(zhì)量的好壞，直接影響預(yù)培陽極質(zhì)量的提高，最終影響預(yù)焙陽極在鋁電解過程中的使用性能[1]。某炭素公司二期項(xiàng)目成型工序投運(yùn)以來，生塊產(chǎn)品質(zhì)量缺陷較多，在生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)疏松、裂紋、炭碗缺陷和焙燒后耐壓強(qiáng)度低等一系列原因進(jìn)行剖析，摸索解決方案，提出解決措施以提高生塊合格率。

1 成型生產(chǎn)工藝情況

1.1 生產(chǎn)工藝流程

成型工序的主要任務(wù)是把經(jīng)過煅燒后的石油焦、預(yù)焙陽極生產(chǎn)及使用過程中產(chǎn)生的生碎、殘極（含焙燒廢品） 以及作為粘結(jié)劑用的瀝青這四種原料按一定技術(shù)要求進(jìn)行加工處理，制造出具有一定規(guī)格和質(zhì)量要求的生塊[2]。流程圖如圖1所示。

圖1 生陽極成型工藝流程圖Fig.1 Forming process flow of raw anode

1.2 生產(chǎn)性特點(diǎn)

該公司配料混捏工序主體設(shè)備為全進(jìn)口設(shè)備，配套國(guó)產(chǎn)帶抽真空固定式振動(dòng)成型機(jī)，啟動(dòng)生產(chǎn)時(shí)問題較為突出，主要體現(xiàn)在三方面：①選用進(jìn)口的強(qiáng)力混捏機(jī)，混捏中鉸刀對(duì)物料做功使混捏溫度上升，瀝青更好滲入骨料的同時(shí)，也促使混捏溫度偏高；②選用進(jìn)口的強(qiáng)力冷卻機(jī)，配套噴水冷卻糊料夾層溜管，冷卻中再次進(jìn)行糊料混捏，同時(shí)也易使糊料產(chǎn)生球團(tuán)料；③首次使用帶抽真空的固定式國(guó)產(chǎn)成型機(jī)，由于設(shè)備的自身多種缺陷，啟動(dòng)生產(chǎn)時(shí)問題突出。

2 生塊質(zhì)量缺陷情況

該公司生產(chǎn)初期，出現(xiàn)了一些質(zhì)量缺陷：①疏松現(xiàn)象出現(xiàn)在生塊經(jīng)冷卻輸送出水后，生塊上表面及底部倒角處；②表面出現(xiàn)夾干料現(xiàn)象；③在更換模具生產(chǎn)500 kA大型陽極生塊時(shí)，出現(xiàn)碗間裂紋、凸臺(tái)裂紋、脫模裂紋等[3]。自2020年4月投產(chǎn)以來，生塊合格率較低，截止年底累計(jì)生產(chǎn)炭塊144 386塊，合格率97.88%，生塊不合格分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 2020年生塊主要廢品統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Main waste products statistics of raw block in 2020

3 廢塊產(chǎn)生原因分析及采取的措施

3.1 疏松廢塊及措施

疏松廢塊在該公司項(xiàng)目投產(chǎn)初期占比最多，約占廢塊總數(shù)的1/3左右，主要有以下幾方面。

3.1.1 模具溫度低導(dǎo)致表面疏松

在啟動(dòng)初期，由于模具未設(shè)計(jì)加熱系統(tǒng)，只能依靠糊料自身溫度對(duì)模具進(jìn)行傳熱的方式來提升模具溫度。生產(chǎn)時(shí)單臺(tái)成型機(jī)需要連續(xù)生產(chǎn)7至8塊生塊后才能緩解表面疏松，炭塊外觀才正常，四臺(tái)成型機(jī)同時(shí)生產(chǎn)致使每次啟動(dòng)生產(chǎn)都產(chǎn)生大量的疏松塊。加之啟動(dòng)初期設(shè)備問題頻繁，頻繁啟停系統(tǒng)導(dǎo)致疏松廢塊較多。

針對(duì)這一現(xiàn)象，在確定方案訂制采購(gòu)加熱器的同時(shí)，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整。首先合理控制下料量，將強(qiáng)烈冷卻機(jī)噴水冷卻系統(tǒng)停止噴水，提高糊料的入模溫度；其次成型機(jī)振動(dòng)結(jié)束后延遲炭塊推出，將炭塊遺留模具內(nèi)，利用炭塊熱量對(duì)模具進(jìn)行傳熱升溫，利用此方式在啟動(dòng)生產(chǎn)時(shí)疏松廢塊減少近50%。但由于傳熱效率低，在加熱器到貨后立即安裝調(diào)試，每次啟動(dòng)前提前對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，模具溫度低導(dǎo)致的表面疏松有效得以解決。

3.1.2 低下料量導(dǎo)致炭塊上部疏松

該公司成型工序二期設(shè)計(jì)產(chǎn)能為60 t/h，由于啟動(dòng)初期受設(shè)備故障及生產(chǎn)控制要求影響，實(shí)際生產(chǎn)中糊料量控制在（30～35）t/h進(jìn)行生產(chǎn)，導(dǎo)致強(qiáng)烈冷卻后的糊料結(jié)團(tuán)情況嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)球最大直徑達(dá)200 mm左右，致使炭塊上表面疏松及顆粒料突出，尤其在炭碗邊緣表現(xiàn)最為明顯。在解決這一問題時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行了各項(xiàng)工藝試驗(yàn)調(diào)整的生產(chǎn)實(shí)踐：

1）提高涼料溫度。生產(chǎn)中將涼料溫度逐步進(jìn)行提高試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，崗位人員值守電振處觀察糊料情況和生塊入水前情況。涼料溫度提升后，電振處觀察糊料結(jié)球數(shù)量情況有所好轉(zhuǎn)，上表面疏松廢塊有所緩解，但炭塊偶爾會(huì)出現(xiàn)裂紋廢塊，未能徹底根除；

2）降低糊料重量設(shè)定值。生產(chǎn)中逐步降低強(qiáng)力混捏機(jī)和強(qiáng)力冷卻機(jī)糊料重量設(shè)定值，糊料重量分別由5 800 kg逐步降低至4 000 kg。電振處觀察糊料結(jié)球直徑和數(shù)量情況有所改善，但生塊上表面疏松廢塊未有效解決。并且由于混捏時(shí)間降低，糊料可塑性變差，為保證生塊體積密度，瀝青配入量有所上升；

3）增加干料下料量。生產(chǎn)中逐步增加干料下料量，下料量由30 t/h逐步提升至43 t/h。在下料量不斷增加的過程中，電振處觀察到的糊料結(jié)球情況明顯改善，在糊料量加至43 t/h時(shí)，上表面疏松廢塊得到極大的改善。

結(jié)合工藝調(diào)整生產(chǎn)實(shí)踐及過程控制情況，在后續(xù)生產(chǎn)中將涼料溫度控制在（162～165）℃，強(qiáng)力混捏機(jī)重量控制5 400 kg，強(qiáng)力冷卻機(jī)重量控制在5 200 kg,下料量控制在（40～43） t/h，加之過程控制相關(guān)參數(shù)的匹配，有效解決生塊上表面疏松問題。

3.1.3 模具真空異常導(dǎo)致生塊底部疏松

生塊底部倒角處的疏松問題，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)觀察、分析得出：造成生塊底部倒角處疏松的原因在于模具底部斜角體與保護(hù)外圈鏤空部分較多，各面斜角體在模具放到位時(shí)搭接處存在縫隙。在模具位抽真空時(shí)，由于上模未落至糊料上表面，負(fù)壓通過糊料把斜角體與保護(hù)外圈內(nèi)的冷空氣順斜角體搭接處間歇抽走，造成該位置出現(xiàn)疏松。而當(dāng)把抽真空改至小幅位時(shí)，由于壓重整體壓到糊料上表面，對(duì)糊料進(jìn)行部分壓實(shí)，導(dǎo)致斜角體與保護(hù)外圈的冷空氣無法順利被抽走，避免了該位置的疏松。因此，對(duì)此進(jìn)行了程序優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)真空位抽真空模式和小幅位抽真空模式按鍵式的雙向選擇，解決了生塊底部疏松問題。

3.1.4 布料不均勻?qū)е律隙嗣婢植渴杷?/p>

生塊上端面局部出現(xiàn)疏松時(shí)，是由于物料小端面兩端存在較大的物料高差，在振動(dòng)成型后，物料少的一邊由于不密實(shí)而導(dǎo)致疏松。解決這一問題措施主要是加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡視，發(fā)現(xiàn)模具內(nèi)布料不平整時(shí)及時(shí)調(diào)整布料器的角度和布料器左右兩端的等待時(shí)間。

3.2 裂紋廢塊及措施

裂紋廢塊是所有廢塊中最為錯(cuò)綜復(fù)雜，影響因素最多的，包括原料、配方及各種工藝參數(shù)的影響，當(dāng)然也是原因分析和解決難度最大的。它不僅在生塊外觀或取樣內(nèi)部直接體現(xiàn)，在焙燒后的炭塊出現(xiàn)裂紋與生塊質(zhì)量也有關(guān)系[4]。

裂紋廢塊的產(chǎn)生具有很強(qiáng)的自身和外部的影響因素，雖然裂紋總類眾多，但歸根結(jié)底可分為兩個(gè)大類：①機(jī)械設(shè)備性裂紋，如脫模裂紋、底板、過渡板等不平、激振力不均等造成的裂紋，此類裂紋一般有較強(qiáng)的規(guī)律性，需要在實(shí)際生產(chǎn)中不斷觀察解決；②為生塊成型后，內(nèi)部熱量和彈性后效釋放導(dǎo)致的裂紋，此類裂紋較為難以解決，對(duì)配料的粒度、粉料的純度、瀝青的配入量和工藝參數(shù)都有相對(duì)的關(guān)系，同時(shí)和入水時(shí)間等都有一定的關(guān)系，需要統(tǒng)籌考慮各方面的因素。由于在炭素生產(chǎn)中，各種工藝及設(shè)備不盡相同，加之原料變化因素大，所以解決問題的核心關(guān)鍵在于理論聯(lián)系自身生產(chǎn)工藝實(shí)際情況，摸索尋找適合的解決辦法。下面是通過不斷摸索得出的一些規(guī)律及措施。

3.2.1 碗間裂紋

生塊碗間裂紋表象出現(xiàn)在某兩個(gè)相連炭碗中間，或是貫穿所有炭碗。此類裂紋產(chǎn)生原因根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中總結(jié)出一些的規(guī)律，主要有以下三個(gè)方面影響因素。

1）涼料溫度控制。當(dāng)涼料溫度過高時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)此類裂紋。在涼料溫度高于165℃時(shí)，碗間裂紋率明顯呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。雖然涼料溫度提升，在一定的條件下有助于瀝青配比的降低，但由于此類裂紋率的提升，工藝控制嚴(yán)格要求涼料溫度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)不超過165℃；

2）模具真空影響。炭碗上部成型機(jī)硬件設(shè)施問題造成的漏風(fēng)，也是造成此類裂紋增加的原因之一。處理真空漏風(fēng)后問題得到解決；

3）炭塊冷卻效果。生塊脫模推出入水后，由于冷卻水池有效水位低于生塊高度，導(dǎo)致炭塊無法完全浸泡冷卻，加之冷卻水溫度等關(guān)系，炭塊出水池后會(huì)表現(xiàn)出炭碗間裂紋，生產(chǎn)中需要加強(qiáng)對(duì)冷卻水池有效水位及冷卻水溫度進(jìn)行有效控制。

3.2.2 凸臺(tái)裂紋

生塊凸臺(tái)裂紋表象出現(xiàn)在炭塊平臺(tái)位置，一般出現(xiàn)在兩個(gè)小端面平臺(tái)位置，有時(shí)候也貫穿兩大面平臺(tái)位置。在更換模具生產(chǎn)500 kA大炭塊后，連續(xù)出現(xiàn)此類裂紋廢塊。通過對(duì)上模造成此處裂紋的位置進(jìn)行了反復(fù)的打磨拋光及圓弧過渡處理，對(duì)成型機(jī)的激振力和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率反復(fù)調(diào)整及真空系統(tǒng)的檢查調(diào)整處理及處理真空漏風(fēng)，凸臺(tái)裂紋得到有效解決。

3.2.3 脫模裂紋

生塊脫模裂紋表象出現(xiàn)在炭塊靠最上端位置附近，這類裂紋出現(xiàn)，裂紋位置會(huì)伴隨有瀝青滲出表面。此類裂紋的產(chǎn)生是由于模具存在一定的脫模角度，炭塊上端面在壓重體直接壓縮下振動(dòng)成型，糊料中的瀝青被壓縮出來粘附在模具上，該位置在脫模時(shí)承擔(dān)了炭塊自身最大的重量，加之模具內(nèi)壁光潔度的影響，造成該類裂紋。但此類裂紋一般在一條直線上往上部波動(dòng)，取樣觀察該類裂紋深度一般較淺，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)掉棱現(xiàn)象。

解決此類裂紋，在保證模具內(nèi)壁光潔度的同時(shí)，一般在脫模時(shí)進(jìn)行澆水，如果生產(chǎn)線自動(dòng)化程度較高，不具備人員值守現(xiàn)場(chǎng)澆水的條件，且安全隱患較大?？刹扇☆A(yù)防控制措施就是嚴(yán)格控制瀝青配入量及加強(qiáng)生產(chǎn)工藝過程控制來進(jìn)行避免。

3.3 夾干料廢塊及措施

生塊夾干料主要是由于下料溜管及設(shè)備粘附糊料，冷卻后粘附力下降掉落在糊料內(nèi)，給料下料時(shí)存在不可預(yù)見性，表面及內(nèi)部都可能存在。這類廢塊在電解槽上使用危害較大[5]，表面能看到的夾干料在生塊檢驗(yàn)時(shí)可以及時(shí)檢出進(jìn)行處理，但內(nèi)部夾干料在電解槽使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)掉渣，大的干料甚至可能會(huì)出現(xiàn)分層斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。解決此類廢塊的主要對(duì)策是定期清理容易粘料部位，有效解決物料溜管及設(shè)備粘附物料。

4 實(shí)施效果

通過各種方案的實(shí)施及加強(qiáng)過程控制，截止目前，該公司二期成型工序生產(chǎn)正常，生塊合格率提升至99.5%，廢塊數(shù)量明顯降低。見表2。

表2 實(shí)施前、后不合格生塊數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Data statistics of unqualified raw block before and after implementation

5 結(jié)語

由于生塊廢品種類較多，一定要根據(jù)不同原因總結(jié)分析不同的解決措施。針對(duì)裂紋、疏松、夾干料重點(diǎn)抓好以下方面：

1）針對(duì)裂紋廢塊：避免模具漏風(fēng)?，F(xiàn)場(chǎng)最佳的涼料溫度不超過165℃。確保炭塊進(jìn)入水中冷卻時(shí)全部進(jìn)入水中。對(duì)上模進(jìn)行打磨拋光及圓弧過渡處理，保持模具干凈、光滑。調(diào)整成型機(jī)的激振力和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率。保持配方穩(wěn)定和粉料純度的穩(wěn)定，控制瀝青配入量不超過18%；

2）針對(duì)疏松廢塊：模具預(yù)熱。保證適量的混捏和涼料重量，如強(qiáng)力混捏機(jī)重量控制在5 400 kg，強(qiáng)力冷卻機(jī)重量控制在5 200 kg,在保障不出裂紋廢塊的前提下提升涼料溫度，控制糊料入模時(shí)不發(fā)生大的偏析?？刂坪媚＞邇?nèi)皂化液噴淋量和模具抽真空時(shí)不漏風(fēng)。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡視，及時(shí)調(diào)整布料器的角度和布料器左右兩端的等待時(shí)間；

3）針夾干料：定期清理下料溜管及設(shè)備粘料部位，有效解決物料溜管及設(shè)備粘附物料。