鋁用預(yù)焙陽極連續(xù)混捏成型系統(tǒng)工藝舉例分析

韓士成 何鵬

摘 要 隨著我國(guó)預(yù)焙槽電解鋁廠數(shù)量的迅速增長(zhǎng)及設(shè)備性能和鋁生產(chǎn)工藝的不斷改善，對(duì)作為電解槽“心臟”的陽極提出了更高的質(zhì)量要求。在生產(chǎn)鋁用陽極系統(tǒng)中，成型工序的質(zhì)量控制具有工藝及設(shè)備雙重繁復(fù)性，成型工藝的穩(wěn)定性直接影響連續(xù)混捏的質(zhì)量、理化性能及生陽極塊的合格率。因此，本文以陜西有色榆林新材料陽極公司預(yù)焙陽極生產(chǎn)線為研究對(duì)象，就鋁用預(yù)焙陽極連續(xù)混捏成型工藝流程的實(shí)際應(yīng)用做以分析，為今后新建廠或者改建廠提供選型依據(jù)。

關(guān)鍵詞 預(yù)焙陽極 合格率 成型工藝

中圖分類號(hào)：TQ12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）01-0007-03

1 電解鋁用陽極材料選取

1.1 制備原料

1.石油焦：石油焦是石油提煉后的重質(zhì)渣油，經(jīng)過加熱分解聚合而成的固體碳質(zhì)材料。通常呈現(xiàn)黑色或者暗灰色，該化合物中碳占比約90-97%，氫占比約1.5-8%，除此之外還包含著氮、氯、硫及其它重金屬化合物。

2.瀝青：由于瀝青中的碳具有較高的石墨化程度，因此在制造鋁用陽極時(shí)常常用作粘合劑。加以合適比例的瀝青，可以使產(chǎn)出的陽極具有熱膨脹度小、電容密度高、強(qiáng)度高、電阻低、使用壽命長(zhǎng)、導(dǎo)電性好、功耗低、體積密度和機(jī)械強(qiáng)度增加等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1.2 陽極材料選取原則

電解鋁用陽極材料應(yīng)具有在電解槽中使用消耗量較小、使用過程無有害氣體排放、性能穩(wěn)定和質(zhì)量較高等特點(diǎn)，以下是電解鋁用材料選取原則[2]：

1.材料應(yīng)具有質(zhì)量均勻、穩(wěn)定的性質(zhì)。

2.材料應(yīng)不容易與電解質(zhì)液體發(fā)生氧原子反應(yīng)，且應(yīng)具有較強(qiáng)的抗氟化物腐蝕的能力。

3.材料不應(yīng)超過指標(biāo)參數(shù)，陽極成分在冰晶石氧化過的溶液中的飽和溶解度小，最大程度地降低損耗。

4.材料能夠達(dá)到制造出大型陽極的目的，能夠進(jìn)行機(jī)械加工，完成和導(dǎo)桿的連接。

1.3 陽極材料性能

1.耐高溫耐腐蝕：陽極材料最重要的特性是耐高溫腐蝕。電解鋁過程中陽極材料的腐蝕主要可分為兩種類型：一是陽極材料本身的溶解;二是熔鹽對(duì)基體的浸蝕，在高溫電解過程中，熔鹽沿著材料的晶界滲入陽極材料，腐蝕程度會(huì)隨著溫度升高而增加。

2.抗熱震性：電解鋁用陽極材料需要在高溫下制備和應(yīng)用，所以要保證它可以放置在高溫熔鹽中，不會(huì)因環(huán)境溫度的急劇變化而產(chǎn)生裂紋或斷裂的現(xiàn)象。鋁陽極材料必須具有抗熱變化的能力，即抗熱震性[3]。

2 電解鋁用陽極材料的制備

2.1 電解鋁用陽極材料工序

隨著電解鋁行業(yè)的大規(guī)模發(fā)展和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，鋁用陽極生產(chǎn)已經(jīng)成為高度成熟、高度穩(wěn)定的工藝體系。電解鋁用陽極材料制備工序主要包括煅燒工序、成型工序、焙燒工序和組裝工序。

煅燒工序是生產(chǎn)鋁用陽極的第一道工序，其主要任務(wù)是將高揮發(fā)分高電阻低強(qiáng)度的石油焦進(jìn)行高溫處理，使其初步具備電解鋁用陽極低電阻高強(qiáng)度的要求。煅燒工序的質(zhì)量過程控制可通過兩個(gè)方面進(jìn)行：一是原料石油焦的控制，通過分倉存放、煅前混配、上料控制等方法，可使石油焦在進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯之前的質(zhì)量初步達(dá)到要求;二是通過回轉(zhuǎn)窯的控制。但煅燒工序的質(zhì)量過程控制仍受到石油焦原料的質(zhì)量水平以及質(zhì)量穩(wěn)定性等因素限制，需開展細(xì)致的原料管理和工藝控制工作。

成型工序是將煅燒處理后的煅后焦與電解返回殘極、液體瀝青依照一定比例混合后，運(yùn)用高壓成型的方法，生產(chǎn)具有固定形態(tài)的生陽極炭塊產(chǎn)品的過程。成型工序具有工藝及設(shè)備雙重繁復(fù)性，不僅僅需要在生產(chǎn)工藝上做好過程控制工作，還需要在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性上下功夫，減少設(shè)備因素造成的工藝質(zhì)量不穩(wěn)定。

焙燒工序在性質(zhì)上與煅燒工序類似，都是進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼倪^程。焙燒工序是使用填充料等保護(hù)介質(zhì)對(duì)生陽極炭塊進(jìn)行保護(hù)，是生陽極炭塊在隔絕空氣的條件下進(jìn)行高溫處理的過程，其目的是將生陽極炭塊中的瀝青揮發(fā)分除去，使瀝青中的碳質(zhì)焦化，使各級(jí)焦粒緊密結(jié)合，形成一個(gè)高強(qiáng)度、低電阻的整體。

組裝工序是使用融化鐵水，將鋁導(dǎo)桿組和預(yù)焙陽極炭塊組裝成一個(gè)陽極組整體，成為可以直接裝上電解槽的構(gòu)件。組裝工序的質(zhì)量過程控制要點(diǎn)有兩個(gè)：一是通過調(diào)配合理的磷鐵元素含量，使鑄造后的磷鐵環(huán)足夠的緊固，具有良好的導(dǎo)電性能，并使導(dǎo)桿組和炭塊正確地組裝成陽極組整體;二是做好殘極的清理工作，減少除碳質(zhì)以外的其他雜質(zhì)進(jìn)入成型生產(chǎn)流程。

2.2 成型配料要求

利用精確無誤的配料設(shè)備，嚴(yán)格按照“三比”（即原料比、粒度比、瀝青比）準(zhǔn)確配料，確保糊料質(zhì)量均一、塑性良好。干料是陽極生產(chǎn)的主要成分，一般占陽極組成80%左右，其配方原則如下：6-12mm占比17±1%，3-6mm占比10±1%，0.15-3mm占比43±1%，<0.15mm占比30±1%;生碎料來自于生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的生陽極廢品經(jīng)破碎后得到的物料和成型生產(chǎn)過程中排放的廢糊料，它可以直接配料混捏。它占陽極的組分比較小，粒度要求如下：0-12mm占比約4%;瀝青是陽極生產(chǎn)的粘結(jié)劑，液體瀝青約占糊料量的14-16%。

本生陽極系統(tǒng)在配方的選擇上采用了多粒級(jí)配方，且煅燒焦及殘極分別配料，這種配料方式保證了煅燒焦和殘極的各種粒級(jí)的物料配入比例可以精確地控制，調(diào)整的靈活性也較大，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的改善和生產(chǎn)管理都有著很多益處。

2.3 物料平衡圖

假設(shè)公司某次共采購進(jìn)延遲石油焦336076t，固體改質(zhì)瀝青59031t，并以此作為原料進(jìn)行投產(chǎn)，其詳細(xì)生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

實(shí)際上，成型工序的質(zhì)量控制主要涉及各階段物料溫度的控制和物料配比兩個(gè)方面。各階段物料溫度控制需要通過密切監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)，采用多種手段掌握實(shí)際溫度情況。物料配比方面除了要保證合理的物料配入比例外，還需要保證各級(jí)物料配入量的穩(wěn)定性，這樣才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的物料配比控制。

3 生陽極成型的基礎(chǔ)設(shè)備

陜西有色榆林新材料集團(tuán)有限責(zé)任公司生陽極成型有兩套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包括中碎篩分、制粉、配料、混捏、成型、冷卻及熱媒加熱等生產(chǎn)工序，每道工序都有相應(yīng)的配套設(shè)備。

3.1 中碎篩分

生陽極生產(chǎn)原料石油焦硬度和強(qiáng)度較低，而一些返回料如廢焙燒塊、殘極等硬度和強(qiáng)度較大，在考慮破碎這些不同性質(zhì)的物料時(shí)必須選擇適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)具有兩種或兩種以上破碎作用的設(shè)備，液壓破碎機(jī)、顎式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)等都是最為常見的破碎機(jī)。

炭素生產(chǎn)中使用的篩分設(shè)備種類很多，主要有以下幾種：振動(dòng)篩、回轉(zhuǎn)篩、格篩、搖動(dòng)篩、概率篩等，但使用較多的還是振動(dòng)篩，陜西有色榆林新材料集團(tuán)有限責(zé)任公司采用德國(guó)Mogensen振動(dòng)篩設(shè)備，在預(yù)算不充足的情況下可考慮國(guó)產(chǎn)設(shè)備。

3.2 制粉

進(jìn)入球磨系統(tǒng)的原料有兩種來源：一是配料時(shí)各種焦炭粒子不平衡料;二是破碎、篩分、輸送、配料等各工序的通風(fēng)收塵粉。煅后焦磨粉采用立式磨粉機(jī)，立式磨粉機(jī)具有低能耗、低噪音、低維護(hù)、恒定的純度、對(duì)各種原料的適應(yīng)性強(qiáng)、不易堵料及內(nèi)置分選器等優(yōu)點(diǎn);根據(jù)陽極配料方案，并與混捏機(jī)產(chǎn)能相匹配，制粉設(shè)備產(chǎn)能為12t/h，采用德國(guó)CP的立式磨粉機(jī)兩套。

3.3 配料、混捏、糊料冷卻、成型、炭塊冷卻

配料是生陽極制備中影響最終質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，中碎、篩分、磨粉都是圍繞配料而設(shè)置。在預(yù)焙陽極配料操作中分間斷配料和連續(xù)配料兩種，在我國(guó)大型預(yù)焙陽極生產(chǎn)中隨后續(xù)工序連續(xù)預(yù)熱，連續(xù)混捏的需要都是采用引進(jìn)的連續(xù)配料技術(shù)，本工程采用Hasler失重連續(xù)配料秤。

本工程采用瑞士Buss連續(xù)混捏機(jī)將預(yù)熱螺旋連續(xù)送來的預(yù)熱石油焦（含殘極）與按一定比例加入的液體改質(zhì)瀝青和生碎混合，經(jīng)過連續(xù)混捏后制成符合要求的塑性和密度的糊料。

糊料冷卻機(jī)的用途是將連續(xù)混捏機(jī)不斷排出的170- 180℃的陽極糊料進(jìn)行連續(xù)再混捏，并迅速、均勻地將糊料冷卻到振動(dòng)成型所需的合適溫度145-155℃，即為振動(dòng)成型提供性能良好的糊料，本工程采用Eirich公司的糊料冷卻機(jī)。

振動(dòng)成型機(jī)按振動(dòng)臺(tái)軸數(shù)分為兩種：?jiǎn)屋S振動(dòng)臺(tái)和雙軸振動(dòng)臺(tái)。按成型機(jī)組分為：移動(dòng)加料式、轉(zhuǎn)臺(tái)式和滑臺(tái)式。本工程選用法國(guó)Solios移動(dòng)加料式振動(dòng)成型機(jī)。

成型后的生炭塊經(jīng)過脫模后送至懸鏈輸送機(jī)的托盤上，隨即使生炭塊依次通過冷卻池進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷卻到一定溫度后，炭塊又被送至吹風(fēng)裝置處進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻和除去碳碗中的殘留水，最后將吹風(fēng)裝置的炭塊送至炭塊庫進(jìn)行存放與貯存。

3.4 熱媒供熱系統(tǒng)

本系統(tǒng)以煅燒車間回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的余熱作為熱源，再通過熱管式鍋爐將余熱熱量以輻射和對(duì)流的形式傳遞給導(dǎo)熱油，經(jīng)過循環(huán)泵讓導(dǎo)熱油在系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)，而被加熱的高溫導(dǎo)熱油在換熱設(shè)備中與熱工質(zhì)瀝青進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)瀝青加熱的目的。

4 結(jié)語

連續(xù)配料混捏及振動(dòng)成型系統(tǒng)中各設(shè)備之間采用以太網(wǎng)通訊，通過長(zhǎng)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)中各工藝的調(diào)試與運(yùn)行分析，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，生產(chǎn)過程中取得了高安全性、低故障率的實(shí)效。通過以上各種數(shù)據(jù)的計(jì)算，對(duì)鋁用陽極的分析研究有了數(shù)據(jù)支持，使陽極生產(chǎn)工作更便捷。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 丁邦平.鋁用預(yù)焙陽極成型生產(chǎn)新技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2010.