低成本電解鋁用預(yù)焙陽極研究

朱 波，侯振環(huán)

（1.山東舜天炭素科技研發(fā)有限公司，山東 濟(jì)南 250403；2.濟(jì)南萬瑞炭素有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250403）

在地殼里，鋁是所有化學(xué)元素的第三部分中最重要的內(nèi)容。金屬鋁顯示了非常強(qiáng)大的物理化學(xué)性質(zhì)，現(xiàn)階段，鋁和鋁合金已經(jīng)在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域之中得到應(yīng)用，隨著研究的不斷深入，電解鋁產(chǎn)量大幅度提升，而且在自焙槽之中得到了有效改造，預(yù)焙陽極是鋁電解槽中的“心臟”，通過該結(jié)構(gòu)作用，電解鋁的質(zhì)量和產(chǎn)量均能得到提升。

1 鋁電解對(duì)預(yù)焙陽極的具體要求

1.1 對(duì)碳陽極的要求

第一，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)或者應(yīng)用過程中，陽極有更好的物理化學(xué)性質(zhì)，減少空氣和二氧化碳的活動(dòng)，從而達(dá)到降低碳耗、延長(zhǎng)陽極壽命等效果。第二，在電化學(xué)反應(yīng)過程中，對(duì)陽極反應(yīng)的反常的電化學(xué)性質(zhì)的要求，在整個(gè)過程中減少了電力的消耗。第三，在電解過程中，異常雜質(zhì)含量的含量極小，從而影響了產(chǎn)品質(zhì)量的影響。第四，除了質(zhì)量和不穩(wěn)定的質(zhì)量，還必須提供電解質(zhì)來減少陽極效應(yīng)。

1.2 預(yù)焙陽極質(zhì)量的主要性能指標(biāo)

第一，孔隙度。多孔是主要是一般的孔、孔隙和封閉孔。在電解過程中，相關(guān)氣體會(huì)從開口氣孔輸入到裝置之中，在此種情況之下，氣體和燃料的反應(yīng)會(huì)滲透到陽極的外部邊界。為了得到一個(gè)質(zhì)量的陽極，必須確保它得到多孔結(jié)構(gòu)，避免開口氣孔和內(nèi)部缺陷的出現(xiàn)。第二，體積密度，體積密度是總孔度計(jì)算過程中必須知道的數(shù)據(jù)量，但在特殊情況下，也會(huì)利用特殊方式對(duì)陽極炭塊中的密度進(jìn)行表示。第三，真密度。該項(xiàng)數(shù)據(jù)與原料種類和陽極熱處理?xiàng)l件息息相關(guān)。站在實(shí)際角度來說，工業(yè)陽極真密度的波動(dòng)范圍范圍并不大，在2.04到2.10g/cm3。第四，電導(dǎo)率，電導(dǎo)率也被稱之為電阻率，屬于一項(xiàng)重要特性。在提高電導(dǎo)率的同時(shí)，可以降低陽極的電壓降，從而進(jìn)一步提升電解槽的電流強(qiáng)度，這樣一來，電解槽的生產(chǎn)能力也能得到進(jìn)一步提升。

1.3 預(yù)焙陽極原料——石油焦

在我們的國(guó)家，鋁的異常電流是0.72 A/cm，大約是0.72，僅此一項(xiàng)，便可以讓整個(gè)電解槽產(chǎn)率量降低10到15%，這對(duì)于同等規(guī)模的鋁廠，可以帶來巨大的能量損失和原料損失。

我國(guó)很多煉油廠所生產(chǎn)的石油焦細(xì)粉含量較大，在質(zhì)量上也存在很大程度的波動(dòng)，難以對(duì)陽極質(zhì)量提出足夠的保證，再加上在后續(xù)陽極使用之中總會(huì)出現(xiàn)氧化掉渣、裂紋掉塊等問題，造成鋁電解槽電流效率的下降，提升電能的損耗量，為相關(guān)企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

2 低成本電解鋁用預(yù)焙陽極的方法

2.1 灰分對(duì)預(yù)焙陽極性能的影響

在鋁的發(fā)展過程中，對(duì)陽極的需求越來越高，特別是在原料方面，需要嚴(yán)格控制微量元素的例子。此外，在石油空手道，主要是原料原料，不可避免的雜質(zhì)。在這些元素中，電解能影響鋁的質(zhì)量，不僅會(huì)導(dǎo)致電阻率的增加，還會(huì)進(jìn)一步降低鋁機(jī)械強(qiáng)度。由于上述問題的出現(xiàn)，陽極在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量無法得到保證，導(dǎo)致其物理性能下降。在石油焦之中，主要的雜質(zhì)內(nèi)容包括S、Fe、V、Na等氧化物。這些雜質(zhì)氧化物一旦被帶入到陽極之后，很難將其去除，更會(huì)影響電解槽中的陽極行為和鋁液質(zhì)量。Si、Fe等雜質(zhì)會(huì)對(duì)整個(gè)鋁液品味產(chǎn)生直接影響，V、Na等將會(huì)增加炭的消耗量，甚至還會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。Na對(duì)炭陽極中的二氧化碳反應(yīng)性以及空氣反應(yīng)性具有較強(qiáng)的催化氧化作用，S可以抑制這種作用，但S的氧化物將會(huì)導(dǎo)致陽極熱脆性增加。

最終導(dǎo)致陽極脆裂情況的出現(xiàn)。如果雜質(zhì)的含量較高，整個(gè)產(chǎn)品的壽命、韌性等將會(huì)受到嚴(yán)重影響。只有將燃料灰分降低到鋁用炭素原料具體要求范圍之內(nèi)，最終完成對(duì)預(yù)焙陽極產(chǎn)品的有效制造。

2.2 石油焦代替原材料試驗(yàn)的研究方案

利用石油焦替代原材料的試驗(yàn)，需要完成燃料到陽極電解工藝中的一整套技術(shù)開發(fā)，作為炭素生產(chǎn)原料的無煙燃料，在制造過程中應(yīng)該滿足以下要求。

首先，灰分含量要低，而且在生產(chǎn)各種炭塊下的無煙燃料灰分應(yīng)該保持在8%以下，而且鋁電解預(yù)焙陽極原料中的灰分要求度很低不足1%。其次，需要對(duì)機(jī)械強(qiáng)度提供足夠保證，在經(jīng)過一定時(shí)期的貯存之后，也能對(duì)機(jī)械強(qiáng)度提供較高保障。再次是熱穩(wěn)定性要求較高，整體硫的含量也要保持相對(duì)較小的位置。另一種選擇是從重型媒體中選擇燃料炭。如果介質(zhì)密度大于1.00g/cm3，則工作人員可以利用顆粒密度差來選擇燃料。有機(jī)溶液和無機(jī)溶液都是重液體，它們是可以長(zhǎng)期保存的穩(wěn)定介質(zhì)。從懸浮的角度來看，當(dāng)固體顆粒和水的混合物是靜止的，粒子就會(huì)下沉，最終產(chǎn)生不穩(wěn)定的介質(zhì)。

2.3 廢橡膠和無煙燃料部分替代石油焦制備預(yù)焙陽極實(shí)驗(yàn)

在中國(guó)，每年都有大量的廢棄輪胎。如果將這些材料加工成焦炭，一些石油焦炭可以用于生產(chǎn)陽極，可以將廢物轉(zhuǎn)化為財(cái)富，不會(huì)污染環(huán)境。在具體的廢橡膠實(shí)驗(yàn)中，總揮發(fā)分含量達(dá)到60.40%，固定碳含量不高，達(dá)到6.7%。為了提高輪胎在制造過程中的耐磨性，可以在橡膠之中加入一定量的炭黑，并對(duì)其進(jìn)行硫化處理，從而對(duì)橡膠之中的灰分產(chǎn)生影響。

2.4 無煙燃料降灰制備預(yù)焙陽極的實(shí)驗(yàn)研究

為了對(duì)無煙燃料灰分之中的各種微量元素含量進(jìn)行更加準(zhǔn)確的分析和研究，相關(guān)研究人員需要做好無煙燃料樣品的研究工作。

例如，美國(guó)布魯克公司生產(chǎn)的AXS熒光光譜儀可以對(duì)該項(xiàng)工作提供較大的幫助作用。無煙燃料樣品之中的主要元素有硅、鐵、鈉等，而且含量較多，同時(shí)也是構(gòu)成無煙燃料灰分的主要物質(zhì)。

在具體實(shí)現(xiàn)過程中，本研究主要結(jié)合鋁廠、陽極廠的實(shí)際情況，將陽極生產(chǎn)配方調(diào)整為A、B、C粒級(jí)、球磨粉。除a粒級(jí)不添加無煙燃料外，其余兩個(gè)粒級(jí)分別添加相同粒徑煅燒無煙燃料的15%，對(duì)生產(chǎn)原料進(jìn)行替代，最終產(chǎn)生了預(yù)焙陽極，而在石油焦煅之后的焦原料，可以從相關(guān)企業(yè)中的生產(chǎn)車間之中獲得。

3 結(jié)語

在低成本電解鋁預(yù)焙陽極制作過程中，主要以石油焦或者粉焦等原材料為主，從而對(duì)選擇好的粘結(jié)劑制備成型塊進(jìn)行燃燒，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造有利條件。另外，以廢橡膠和無煙燃料作為替代品，將高溫煅燒之后所產(chǎn)生的預(yù)備陽極廉價(jià)物當(dāng)做原材料進(jìn)行應(yīng)用。最后，利用相關(guān)處理基礎(chǔ)，降低無煙燃料灰分的含量，實(shí)現(xiàn)預(yù)焙陽極的有效制備。