提升預(yù)焙陽(yáng)極生塊體積密度的探索與實(shí)踐

丁向東

(國(guó)家電投集團(tuán)鋁電公司青銅峽鋁業(yè)分公司， 寧夏 青銅峽 751603)

0 前言

預(yù)焙陽(yáng)極作為現(xiàn)代電解鋁工業(yè)生產(chǎn)的主要用料，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到電解的各項(xiàng)指標(biāo)[1]，其中預(yù)焙陽(yáng)極體積密度指標(biāo)是最重要指標(biāo)之一。近半年來(lái)，某鋁廠350 kA系列預(yù)焙陽(yáng)極生塊體積密度長(zhǎng)期低于1.62 g/cm3，相應(yīng)焙燒塊體積密度低于1.55 g/cm3，這成為制約焙燒塊一級(jí)品率的關(guān)鍵因素。因此，某鋁廠成立攻關(guān)組，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行摸排，從穩(wěn)定煅后焦孔隙度、調(diào)整生塊配方、優(yōu)化混捏機(jī)參數(shù)及調(diào)整物料溫度等方面進(jìn)行分析總結(jié)，并提出相應(yīng)的提升改進(jìn)措施，以提高陽(yáng)極生塊體積密度，為預(yù)焙陽(yáng)極體積密度提升奠定基礎(chǔ)。

1 影響預(yù)焙陽(yáng)極生塊體積密度的原因分析

1.1 煅后焦質(zhì)量的影響

目前，某鋁廠使用的煅后焦孔隙度偏大，主要原因如下：

1)石油焦揮發(fā)份含量偏高。均值在11.4%，少部分石油焦揮發(fā)份含量達(dá)到14%以上，最高達(dá)到17%。

2)石油焦硫含量偏高。鑒于石油焦質(zhì)量近年的變化及生產(chǎn)成本方面因素，目前生產(chǎn)采取高、中、低硫石油焦按比例摻配的方式進(jìn)行，且存在硫份持續(xù)升高的趨勢(shì)。

3)采用回轉(zhuǎn)窯煅燒方式生產(chǎn)煅后焦，煅燒帶溫度控制在1 325±25 ℃，在此煅燒溫度下存在過(guò)燒現(xiàn)象等。

1.2 陽(yáng)極配方的影響

所謂“配方”是將若干種不同粒度的固體原料按一定比例編制的配料料方?，F(xiàn)在的生產(chǎn)配方，是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐逐步總結(jié)出來(lái)的，具有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，其中，黏結(jié)劑瀝青的用量根據(jù)糊料實(shí)際狀況進(jìn)行添加調(diào)整，基本保持在15%左右，見表1。

表1 某鋁廠的生陽(yáng)極物料配方 %

配方作為配料的理論基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和成型、焙燒等工序成品率都有相當(dāng)大的影響。在生陽(yáng)極生產(chǎn)中，控制配料的粒度分布是控制生塊質(zhì)量的極其重要的措施之一，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，存在原料質(zhì)量波動(dòng)、粒度分布不均勻，且返回的殘極量不足等實(shí)際問(wèn)題，依靠以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)配方進(jìn)行調(diào)整，已不能更好地改善生陽(yáng)極質(zhì)量。

1.3 混捏機(jī)運(yùn)行參數(shù)的影響

影響混捏質(zhì)量的工藝條件主要是混捏溫度和混捏時(shí)間，而混捏機(jī)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定將直接決定混捏工藝條件，進(jìn)而影響混捏質(zhì)量。某鋁業(yè)公司350 kA陽(yáng)極系統(tǒng)使用瑞士Buss公司的KE600- CP/H40單軸連續(xù)混捏機(jī)，產(chǎn)能35 t/h，轉(zhuǎn)速為48～51 rad/min，設(shè)定噸糊功率為8.2 kW，正常生產(chǎn)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩為47%～51%，擋板開度為50%～70%，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中混捏質(zhì)量較差(圖1)，需對(duì)混捏機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

圖1 炭塊存在混捏不均勻現(xiàn)象

1.4 煤瀝青溫度及添加量的影響

煤瀝青是陽(yáng)極材料的重要組成部分，其性能一般用軟化點(diǎn)、黏度、密度與結(jié)焦殘?zhí)苛康任锢砹勘硎荆煌瑥S家的煤瀝青的性能會(huì)相差很大。某鋁業(yè)公司采購(gòu)3個(gè)廠家的煤瀝青進(jìn)行搭配使用，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)根據(jù)生塊外觀情況對(duì)瀝青的溫度及添加量進(jìn)行調(diào)整。瀝青平均溫度為183 ℃，過(guò)程控制在180～189 ℃，瀝青配比為14.8%～15.6%。

1.5 干料及混捏糊料溫度的影響

某鋁業(yè)公司采用冷卻螺旋進(jìn)行糊料冷卻，冷卻降溫在10 ℃左右，干料、糊料混捏溫度不能有效提升。針對(duì)生塊體積密度偏低問(wèn)題，制定了《生塊成型工藝參數(shù)調(diào)整及質(zhì)量變化跟蹤表》，對(duì)關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整、跟蹤、分析。實(shí)際生產(chǎn)中，干料溫度平均為170.4 ℃，過(guò)程控制在167～175 ℃；混捏溫度平均為181.5 ℃，過(guò)程控制在178～184 ℃。

1.6 粉料偏析的影響

在陽(yáng)極配方中，粉料主要起到填充作用，而粉料的偏析同樣會(huì)起到一定的填充作用。在生陽(yáng)極生產(chǎn)過(guò)程中，各物料暫存?zhèn)}內(nèi)的物料會(huì)存在一定的粉料偏析現(xiàn)象，足夠的粉料偏析可以提升生陽(yáng)極體積密度指標(biāo)。但實(shí)際生產(chǎn)中，石油焦庫(kù)存及煅后焦庫(kù)存長(zhǎng)期處于低料位狀態(tài)，物料靜置時(shí)間不足，粉料滲流作用小，填充率低。

2 提高預(yù)焙陽(yáng)極生塊體積密度的措施

根據(jù)影響預(yù)焙陽(yáng)極生塊體積密度的因素分析，可從以下幾個(gè)方面提高預(yù)焙陽(yáng)極生塊體積密度。

2.1 提升煅燒質(zhì)量

可通過(guò)如下措施提升煅燒質(zhì)量：

1)嚴(yán)格控制采購(gòu)原料石油焦揮發(fā)份上限值，揮發(fā)份<14%。

2)均化石油焦品質(zhì)。使用高硫焦，摻配后整體石油焦硫含量偏高。石油焦中的硫可分為有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫。有機(jī)硫有硫醇、硫醚、硫化物等，無(wú)機(jī)硫有硫化鐵和硫酸鹽。其中有機(jī)硫占多數(shù)，在較低溫度下(1 300 ℃)煅燒可除去有機(jī)硫；無(wú)機(jī)硫要在石墨化高溫下才能分解揮發(fā)[2]。脫出硫后，煅后焦中硫所占的空間形成空隙，且硫(S32)較碳(C12)相對(duì)原子質(zhì)量大的多，煅后焦自身重量減輕，假比重降低。根據(jù)各供應(yīng)廠家石油焦硫份含量情況，制定嚴(yán)格的采購(gòu)計(jì)劃和摻配帶料作業(yè)指導(dǎo)書，按計(jì)劃采購(gòu)，執(zhí)行分倉(cāng)、摻配帶料，將摻配后的石油焦硫含量控制在3.2%±0.5%，兼顧其它微量元素含量，最大限度地均化石油焦品質(zhì)。

3)穩(wěn)定石油焦煅燒工藝控制。煅燒溫度控制波動(dòng)大，存在過(guò)燒現(xiàn)象，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)二、三次風(fēng)引風(fēng)量偏大，石油焦碳質(zhì)燒損多，孔洞擴(kuò)大。實(shí)施低溫(1280±20 ℃)煅燒，適當(dāng)降低窯內(nèi)二、三次風(fēng)的供入量，提高煅燒系統(tǒng)整體運(yùn)轉(zhuǎn)率，穩(wěn)定煅燒質(zhì)量，減少燒損。

2.2 優(yōu)化陽(yáng)極配方

1)增加配方中殘極配入量，在一定程度上可以提升生塊體積密度。但根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，因生塊提產(chǎn)、殘極收塵粉外排等原因，殘極回配量不足，殘極配比將會(huì)長(zhǎng)期≤10%，因此，配方調(diào)整上要適應(yīng)低殘極配比的實(shí)際情況。 2020年某鋁廠350 kA陽(yáng)極系列殘極回配比例見表2。

表2 2020年350 kA陽(yáng)極系列殘極回配比例

2)隨著原料石油焦的復(fù)雜多變，對(duì)干料配料穩(wěn)定性的影響越來(lái)越突出，需定期檢測(cè)煅后焦的自然粒度分布[3-4]。利用炭素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行配方振實(shí)容重實(shí)驗(yàn)，通過(guò)配料調(diào)整來(lái)優(yōu)化配方結(jié)構(gòu)，提高生塊表觀密度。因煅后焦孔隙度大，可適當(dāng)降低粗焦配比。

3)加強(qiáng)粉料純度抽測(cè)。磨機(jī)啟動(dòng)10 min時(shí)進(jìn)行取樣，跟蹤取樣過(guò)程，穩(wěn)定操作，最大限度地降低粉料細(xì)度波動(dòng)。目前粉料配比為26%，與細(xì)焦配比形成聯(lián)動(dòng)，細(xì)焦增加時(shí)，粉料降低。

4)嚴(yán)格執(zhí)行各物料粒級(jí)篩分。根據(jù)某個(gè)級(jí)別范圍內(nèi)的粒子分布情況及時(shí)調(diào)整原料和工藝及破碎機(jī)轉(zhuǎn)速，確保粒度分布均勻。

5)建立工藝配方檔案。包括煅后料質(zhì)量指標(biāo)、溫度、配方、物料分布、瀝青配比、設(shè)備運(yùn)行狀況等。

2.3 調(diào)整混捏機(jī)運(yùn)行參數(shù)

1)根據(jù)功率P=轉(zhuǎn)矩×角速度=轉(zhuǎn)矩×轉(zhuǎn)速×2π/60，當(dāng)混捏機(jī)輸出功率不變，適當(dāng)降低混捏機(jī)轉(zhuǎn)速，可以提高轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而增加糊料混捏時(shí)間，提高混捏效果。

2)制定混捏機(jī)攪刀修焊周期，按標(biāo)準(zhǔn)修焊?；炷髾C(jī)動(dòng)、靜攪刀須保持一定的間隙，間隙過(guò)小，動(dòng)、靜攪刀可能相撞，還可能擠碎大顆粒骨料，使糊料配比變化，影響糊料質(zhì)量；間隙過(guò)大，保證不了混捏質(zhì)量。定期檢查測(cè)量混捏機(jī)動(dòng)、靜攪刀配合間隙，積累數(shù)據(jù)，確定符合實(shí)際的運(yùn)行檢修周期。

2.4 穩(wěn)定瀝青質(zhì)量

瀝青的最明顯的性質(zhì)是它的黏度對(duì)溫度的敏感性極強(qiáng)，煤瀝青的黏度與軟化點(diǎn)無(wú)關(guān)，而由瀝青的性質(zhì)和加熱溫度所決定。瀝青的黏度是糊料混合、成型、制品浸漬的重要工藝參數(shù)。

1)據(jù)資料顯示，糊料在混捏中，瀝青最佳的黏度為0.1～0.5 Pa·s，對(duì)應(yīng)溫度控制在185～190 ℃；糊料成型的最佳黏度為0.6～3 Pa·s，對(duì)應(yīng)溫度控制在155～160 ℃[5]。

2)瀝青的準(zhǔn)確計(jì)量及均勻加入混捏機(jī)是保證糊料質(zhì)量的關(guān)鍵。計(jì)量稱定期校驗(yàn)，齒輪輸送泵定期更換。

3)對(duì)不同廠家的瀝青進(jìn)行單獨(dú)儲(chǔ)存、單獨(dú)使用，盡可能減少供應(yīng)廠家，穩(wěn)定貨源供給。

2.5 提高混捏質(zhì)量

混捏工藝主要受混捏溫度和混捏時(shí)間的影響。

1)混捏溫度的制定是依據(jù)瀝青對(duì)炭粒的潤(rùn)濕接觸角度。通常，潤(rùn)濕接觸角小于90°的情況下，潤(rùn)濕作用較好。提高瀝青、干料、糊料混捏溫度會(huì)使混捏時(shí)瀝青潤(rùn)濕接觸角減少，但是對(duì)不同的軟化點(diǎn)的煤瀝青來(lái)說(shuō)變化并不相同[6]。鑒于此，瀝青溫度應(yīng)保持在185～190 ℃，干料溫度保持在170～175 ℃，糊料混捏溫度保持在180～185 ℃。

2)降低轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)矩，增加糊料混捏時(shí)間，提高混捏效果。

2.6 提升物料庫(kù)存

1)適當(dāng)提高庫(kù)存。由于庫(kù)存低，物料靜置時(shí)間不足，尤其煅后焦粉料填充偏析少?？蛇m當(dāng)提高庫(kù)存并長(zhǎng)期保持，使得物料慢慢堆積，大小顆?；旌衔镏械男☆w粒將鉆進(jìn)大顆粒間隙，起到一定填充作用。

2)采用多點(diǎn)下料的方法帶料，均衡物料粒度組成。

3 實(shí)施效果

某鋁廠通過(guò)實(shí)施上述提高預(yù)焙陽(yáng)極生塊體積密度的措施，取得了良好的效果，350 kA系列優(yōu)化措施實(shí)施前后的陽(yáng)極產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比情況見表3。由表3可知，優(yōu)化措施實(shí)施后，煅后焦真密度提升了0.011 g/cm3，煅后焦粉末電阻率降低了41 μΩ·m，生陽(yáng)極體積密度由之前的1.617 g/cm3提升至1.635 g/cm3，相應(yīng)焙燒塊體積密度由1.548 g/cm3提升至1.564 g/cm3，達(dá)到了達(dá)到了提升陽(yáng)極生塊體積密度的實(shí)踐目的。

表3 350 kA系列優(yōu)化措施實(shí)施前后的陽(yáng)極產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

在陽(yáng)極生產(chǎn)中，影響生陽(yáng)極體積密度提升的因素有很多，本文針對(duì)某鋁廠生塊體積密度偏低影響焙燒塊品級(jí)率的現(xiàn)狀，成立攻關(guān)組，對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行摸排，從煅燒質(zhì)量、配方優(yōu)化、混捏機(jī)參數(shù)調(diào)整、物料溫度把控、庫(kù)存提升等方面進(jìn)行分析總結(jié)，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，取得了良好效果。某鋁廠后續(xù)將從原料石油焦的精準(zhǔn)摻配、配方的調(diào)整優(yōu)化、設(shè)備性能提升改造等方面持續(xù)探索改進(jìn)，為預(yù)焙陽(yáng)極生塊體積密度及焙燒塊一級(jí)品率的提升打好基礎(chǔ)。