預(yù)焙陽極中顆粒配方試驗(yàn)研究及應(yīng)用

孫麗貞，陳開斌，王玉杰，李 賀，張繼光

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041)

預(yù)焙陽極是電解槽的心臟,其質(zhì)量狀況直接影響電解槽的工藝技術(shù)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在電解鋁“產(chǎn)能上限”、“碳達(dá)峰”、“能耗雙控”和“電解鋁行業(yè)階梯電價(jià)”等政策要求下,從企業(yè)生存發(fā)展角度看,進(jìn)一步提高陽極質(zhì)量,降低陽極生產(chǎn)成本成為鋁用炭素企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

預(yù)焙陽極質(zhì)量與使用原料性質(zhì)、生產(chǎn)工藝特點(diǎn)、物料顆粒組成[1]、瀝青用量及生產(chǎn)管理等因素有關(guān)。陽極生產(chǎn)包括煅燒工序、成型工序、焙燒工序三個(gè)關(guān)鍵工序,其中成型工序的配料環(huán)節(jié)是陽極生產(chǎn)中的一項(xiàng)非常重要控制環(huán)節(jié)。各企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)需求,不斷優(yōu)化完善成型生產(chǎn)配方,成型配方中物料最大粒級(jí)及各粒級(jí)級(jí)配亦不相同,物料最大粒級(jí)主要有15 mm、12 mm、8 mm、6 mm、4 mm不等。部分企業(yè)采用傳統(tǒng)的小顆粒配方,最大顆粒粒級(jí)為4 mm,生產(chǎn)中4～2 mm、和2～1 mm的用量較大,導(dǎo)致中碎的破碎比較大,致使中碎的破碎能力不能完全滿足生產(chǎn)的需要,影響配料的產(chǎn)能,影響產(chǎn)量。另外從陽極的生產(chǎn)指標(biāo)來看,小顆粒配方陽極的空氣滲透率指標(biāo)波動(dòng)較大,生產(chǎn)控制難度較大。為降低陽極空氣滲透率,生產(chǎn)過程中必須提高陽極生坯體積密度,但是對(duì)于小顆粒配方來說,因生坯體積密度的提高同時(shí)會(huì)造成生坯內(nèi)應(yīng)力增大,陽極容易出現(xiàn)裂紋等廢品,從而影響陽極外觀合格率[2]。

為了進(jìn)一步提高成型中碎能力的適應(yīng)性、提高陽極外觀合格率和內(nèi)在理化指標(biāo)質(zhì)量,本次試驗(yàn)在不過度改變生產(chǎn)工藝流程前提下,考慮適當(dāng)增大成型干料配方的最大粒級(jí)[3]。通過對(duì)固體材料粒度組成的選擇,采用正交試驗(yàn)方法,以便獲得最大振實(shí)密度的顆粒級(jí)配。根據(jù)“球體最緊密堆積”原理[4],如何確定配方的最大振實(shí)密度[5]是本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。鑒于目前小顆粒配方陽極已擁有長期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ),本次試驗(yàn)選擇少量的試驗(yàn)點(diǎn)研究粒度組成及其對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響,并開展實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)生產(chǎn)線試驗(yàn),為下一步工業(yè)推廣提供技術(shù)數(shù)據(jù)支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)“球體最緊密堆積”原理及陽極生產(chǎn)實(shí)踐,確定振實(shí)密度較大且較穩(wěn)定的配方試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如下:

在原有4 mm配方的基礎(chǔ)上,將配方中最大粒級(jí)分別調(diào)整為5 mm、6 mm等,其他生產(chǎn)工藝條件不變的情況下,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行若干組干料振實(shí)密度試驗(yàn)。再根據(jù)振實(shí)密度試驗(yàn)結(jié)果,優(yōu)選較好的實(shí)驗(yàn)室配方開展工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)研究,通過對(duì)生制品指標(biāo)和物料平衡指標(biāo)的對(duì)比,進(jìn)而確定適宜的生產(chǎn)配方和工藝條件。最終根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與原4 mm生產(chǎn)配方的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,獲得最終試驗(yàn)結(jié)論。

1.2 試驗(yàn)原料

本次試驗(yàn)原料采用某廠采購的A、B、C三種石油焦,試驗(yàn)原料配方比例為A∶B∶C=2∶2∶1。原料混配后經(jīng)罐式煅燒爐煅燒,煅燒前、煅燒后原料指標(biāo)如表1所示。

表1 混配原料指標(biāo)表

試驗(yàn)用各粒級(jí)物料(煅后焦):生產(chǎn)流程中,采用反擊式破碎機(jī)對(duì)煅后焦進(jìn)行中碎,中碎后煅后焦顆粒經(jīng)過振動(dòng)篩篩分,分別取振動(dòng)篩篩出的粒徑>5 mm、5～3 mm、3～1 mm、1～0 mm的篩后料以及粒徑>6 mm、6～3 mm、3～1 mm、1～0 mm的篩后料,分組存放。將各組的1～0 mm中碎顆粒進(jìn)行粒度分布測(cè)試,記錄數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)用粉料:取生產(chǎn)流程中粉料。Blaine要求:3000～3500。

試驗(yàn)用瀝青:取生產(chǎn)流程中瀝青,瀝青軟化點(diǎn)103～105℃。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 配方中大顆粒為5 mm的生制品指標(biāo)研究

2.1.1 實(shí)驗(yàn)室振實(shí)密度試驗(yàn)

按照表2中物料配方粒度要求,稱取干料重量約500 g共6組,分別進(jìn)行振實(shí)密度(d振實(shí))試驗(yàn)并記錄振實(shí)密度數(shù)據(jù)。

表2 各配方堆積密度匯總

從結(jié)果中看第1-1、1-2、1-6都在1.20 g/cm3以上,振實(shí)密度較大,優(yōu)選為工業(yè)試驗(yàn)備選配方組。

2.1.2 物料平衡分析

在炭陽極生產(chǎn)中調(diào)整配方粒度時(shí),需要綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)中物料平衡問題,故對(duì)生產(chǎn)中煅后料進(jìn)行取樣篩分,分析各粒級(jí)粒度組成,具體篩分結(jié)果如表3。

表3 實(shí)取煅后焦粒度篩分結(jié)果

結(jié)合試驗(yàn)研究干料配方振實(shí)密度結(jié)果以及生產(chǎn)中物料平衡情況,大顆粒為5 mm配方生產(chǎn)時(shí),選擇1-1、1-2組配方較好,比較符合生產(chǎn)實(shí)際情況,故進(jìn)一步優(yōu)選這兩組配方進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。

2.2 配方中大顆粒為6 mm的生制品指標(biāo)研究

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室振實(shí)密度試驗(yàn)

按照表4中物料配方粒度要求,稱取干料重量約500 g共16組,分別進(jìn)行振實(shí)密度(d振實(shí))試驗(yàn)研究并記錄振實(shí)密度數(shù)據(jù)。

從表4結(jié)果看第2-1、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-10、2-11、2-12、2-13、2-14、2-15、2-16均大于1.20 g/cm3以上,振實(shí)密度較大,其中2-5、2-9、2-14、2-15、1-16振實(shí)密度高,重復(fù)性較好,優(yōu)選為工業(yè)實(shí)驗(yàn)備選配方組。

表4 各配方堆積密度匯總

2.2.2 物料平衡分析

在炭陽極生產(chǎn)中調(diào)整配方粒度時(shí),需要考慮實(shí)際生產(chǎn)中物料平衡問題,對(duì)生產(chǎn)中煅后料進(jìn)行取樣,篩分分析各粒級(jí)的粒度分布情況,篩分結(jié)果如表5,根據(jù)篩分結(jié)果確定試驗(yàn)用成型配方。

表5 實(shí)取煅后焦粒度篩分結(jié)果

結(jié)合試驗(yàn)研究干料配方振實(shí)密度試驗(yàn)結(jié)果以及生產(chǎn)中物料平衡情況,大顆粒為6 mm配方生產(chǎn)時(shí),選擇2-14、2-15組配方生產(chǎn)對(duì)物料平衡較好,比較符合生產(chǎn)實(shí)際情況,故進(jìn)一步優(yōu)選這兩組配方進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。

2.3 工業(yè)試驗(yàn)

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究成果,綜合考慮生產(chǎn)裝備、現(xiàn)場(chǎng)改造以及物料匹配狀況,大顆粒為5 mm配方生產(chǎn)時(shí),工業(yè)試驗(yàn)采用1-1、1-2編號(hào)配方比例;大顆粒為6 mm配方生產(chǎn)時(shí),工業(yè)試驗(yàn)采用2-14、2-15編號(hào)配方比例,分別制備生陽極進(jìn)行焙燒,根據(jù)焙燒品指標(biāo)情況,綜合考慮推廣應(yīng)用配方。

2.3.1 大顆粒為5 mm配方工業(yè)試驗(yàn)

(1)設(shè)備改造

為確保生產(chǎn)篩網(wǎng)與試驗(yàn)篩網(wǎng)的一致性,對(duì)中碎系統(tǒng)振動(dòng)篩網(wǎng)進(jìn)行改造,上層篩以5 mm篩網(wǎng)代替原有4 mm篩網(wǎng),中層篩以2.5 mm篩網(wǎng)代替原有2 mm篩網(wǎng),下層原有1 mm篩網(wǎng)不變,篩網(wǎng)按次序排列。

(2)技術(shù)要求

采用上述振實(shí)密度較高1-1、1-2的干料配比作為生產(chǎn)配方,瀝青用量及其它工藝條件均不變,保證生坯的體積密度在1.65 g/cm3以上。對(duì)工業(yè)試驗(yàn)塊單獨(dú)堆放,全程跟蹤,并對(duì)理化指標(biāo)進(jìn)行全分析。

感知層：通過智能IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)[3-4]實(shí)現(xiàn)閥室現(xiàn)場(chǎng)的視覺感知、三鑒/微波探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)閥室現(xiàn)場(chǎng)一定范圍內(nèi)的移動(dòng)物體的探測(cè)與感知、聲光報(bào)警器用來實(shí)現(xiàn)感知到入侵信號(hào)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)警示；網(wǎng)絡(luò)層：通過局域網(wǎng)交換機(jī)、專網(wǎng)/公網(wǎng)傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)閥室本地、站場(chǎng)與閥室的數(shù)據(jù)交換與傳輸；應(yīng)用層：分為主機(jī)支持層與提供服務(wù)層，主機(jī)支持層為提供服務(wù)層功能的實(shí)現(xiàn)提供硬件支持。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1，邏輯拓?fù)鋱D見圖2。

實(shí)際干料配方:5～3 mm,29%;3～1 mm,19%;細(xì)粉,39%。

(3)試驗(yàn)工藝條件控制

球磨粉布朗值:球磨粉Blaine 3157,波動(dòng)范圍2910～3500,球磨粉合格率為96.7%。

生坯糊料揮發(fā)分、S及微量元素控制要求見表6。

表6 5 mm配方生坯糊料揮發(fā)分、S及微量元素控制要求

成型過程中,粉子工藝指標(biāo)要求滿足生產(chǎn)技術(shù)需要,過程糊料控制相關(guān)指標(biāo)也滿足生產(chǎn)技術(shù)要求。

2.3.2 大顆粒為6 mm配方工業(yè)試驗(yàn)

為確保生產(chǎn)篩網(wǎng)與實(shí)驗(yàn)篩網(wǎng)的一致性,對(duì)中碎系統(tǒng)振動(dòng)篩網(wǎng)進(jìn)行改造,上層篩以6 mm篩網(wǎng)代替原有5 mm篩網(wǎng),中層篩以2.5 mm篩網(wǎng)代替原有2 mm篩網(wǎng),下層原有1 mm篩網(wǎng)不變,篩網(wǎng)按次序排列。

(2)技術(shù)要求

采用上述振實(shí)密度較高2-14、2-15的干料配比作為生產(chǎn)配方,瀝青用量及其它工藝條件均不變,保證生坯的體積密度在1.65 g/cm3以上。對(duì)工業(yè)試驗(yàn)塊單獨(dú)堆放,全程跟蹤,并對(duì)理化指標(biāo)進(jìn)行全分析。

(3)試驗(yàn)工藝條件控制

球磨粉布朗值:球磨粉Blaine 3212,波動(dòng)范圍3004～3500,球磨粉合格率為98.2%。

生坯糊料揮發(fā)分、S及微量元素控制要求見表7。

表7 6 mm配方生坯糊料揮發(fā)分、S及微量元素控制要求

成型過程中,粉子工藝指標(biāo)要求滿足生產(chǎn)技術(shù)需要,糊料質(zhì)量控制相關(guān)指標(biāo)等也滿足生產(chǎn)技術(shù)要求。

2.3.3 工業(yè)試驗(yàn)產(chǎn)品指標(biāo)

工業(yè)試驗(yàn)(5 mm配方、6 mm配方)和日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)(4 mm配方)的總結(jié)對(duì)比見表8、表9、表10。

表8 生陽極試驗(yàn)前后合格率對(duì)比

表9 焙燒塊試驗(yàn)前后合格率對(duì)比

表10 焙燒塊試驗(yàn)前后理化指標(biāo)對(duì)比

3 試驗(yàn)結(jié)論

為了減小成型中碎能力對(duì)成型產(chǎn)量的影響,通過改變生產(chǎn)配方中大顆粒粒度,開展增大配方粒級(jí)的生產(chǎn)試驗(yàn)研究,將生產(chǎn)配方中大顆粒粒度由4 mm增大到5 mm、6 mm:

(1)產(chǎn)品的理化性能指標(biāo)穩(wěn)定,尤其是陽極空氣滲透率均值為1.45 nPm、1.50 nPm,比同期大顆粒為4 mm小顆粒配方生產(chǎn)產(chǎn)品優(yōu)(同期陽極為1.72 nPm)。成型配方中適當(dāng)增大顆粒粒徑有利于空氣滲透率指標(biāo)的改善。

(2)成型配方中適當(dāng)增大顆粒粒徑對(duì)產(chǎn)品外觀合格率影響不大。本次實(shí)驗(yàn)過程中,生坯合格率達(dá)到99.16%,焙燒品合格率分別為99.1%,與日常生產(chǎn)中生坯合格率99.07%、焙燒品合格率99.01%相比變化不大,但從廢品類型來看,裂紋所占比例減小。

(3)從試驗(yàn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程指標(biāo)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),較大粒徑顆粒配方可通過增大物料顆粒的粒徑,降低原料的破碎比,從而提高中碎的產(chǎn)能。但本次試驗(yàn)生產(chǎn)炭塊總量與生產(chǎn)線實(shí)際產(chǎn)能相比明顯較小,未能實(shí)際測(cè)算生產(chǎn)成本,需要在以后的生產(chǎn)和研究中進(jìn)一步論證。

綜合考慮試驗(yàn)效果,對(duì)于采用小顆粒配方生產(chǎn)陽極的企業(yè),在不大幅改變生產(chǎn)流程前提下,可適當(dāng)增大成型配方中大顆粒粒級(jí),推薦采用6 mm配方,進(jìn)一步提高陽極質(zhì)量和產(chǎn)量。