生陽(yáng)極制備過(guò)程主要技術(shù)參數(shù)分析及優(yōu)化

張 陽(yáng)

(中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司連城分公司,甘肅 蘭州 730335)

生陽(yáng)極生產(chǎn)過(guò)程中,原料性能、工藝參數(shù)控制、生產(chǎn)工藝配方、設(shè)備運(yùn)行狀況對(duì)最終生陽(yáng)極的質(zhì)量有決定性的影響[1,2]。尤其是陽(yáng)極性能對(duì)于工藝參數(shù)非常敏感,工藝配方及原材料性能的調(diào)整,可以通過(guò)工藝參數(shù)的合理優(yōu)化,來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極的生產(chǎn)[3-6]。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某陽(yáng)極炭素廠生陽(yáng)極制備過(guò)程主要技術(shù)參數(shù)的分析并進(jìn)行優(yōu)化,使得生陽(yáng)極產(chǎn)品質(zhì)量得到比較明顯的改善,也為電解平穩(wěn)生產(chǎn)提供了良好保障。

1 生陽(yáng)極運(yùn)行狀況分析及優(yōu)化情況

某炭素廠陽(yáng)極在電解槽使用中,客戶反饋使用效果較差,陽(yáng)極窄小,使用周期才29天;從炭素廠(成型環(huán)節(jié)主要裝備使用連續(xù)混捏機(jī)、雙工位成型機(jī))生產(chǎn)過(guò)程看① 瀝青用量偏高,平均16.5%左右,同行為14%～15%。② 生塊體積密度與同行業(yè)企業(yè)典型值1.62 g/cm3比較,平均只有1.58 g/cm3,明顯較低。

通過(guò)對(duì)炭素廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)詳細(xì)分析診斷,針對(duì)預(yù)熱、混捏、冷卻、成型的運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,從生陽(yáng)極預(yù)熱及混捏工藝控制參數(shù)、糊料冷卻工藝技術(shù)參數(shù)、糊料成型工藝技術(shù)參數(shù)、工藝配方、液體瀝青使用這五個(gè)方面,提出改善措施并進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 預(yù)熱、混捏工藝控制參數(shù)

(1)混捏機(jī)混捏功(混捏糊料產(chǎn)能分別為24與31 t/h)

該炭素廠成型車間典型的24和31 t/h,生產(chǎn)時(shí)混捏功輸入情況變化曲線。當(dāng)前24 t/h、生塊生產(chǎn)時(shí),混捏功的輸入設(shè)定值分別為185 kW及235 kW,單位質(zhì)量的混捏功輸入分別為7.71 kW/t,7.58 kW/t,以上2種產(chǎn)能情況下混捏功的波動(dòng)范圍基本在設(shè)定值范圍內(nèi)。但是,從單位質(zhì)量的混捏功輸入的情況看,31 t/h雙機(jī)生產(chǎn)時(shí),單位質(zhì)量的混捏功輸入要低于24 t/h,再加上31 t/h生產(chǎn)時(shí),糊料的混捏溫度也低于24 t/h,結(jié)果導(dǎo)致在實(shí)際的生產(chǎn)中,單機(jī)24 t/h生產(chǎn)時(shí)生塊的質(zhì)量要明顯優(yōu)于雙機(jī)生產(chǎn)的31 t/h。

(2)混捏溫度

24 t/h生陽(yáng)極生產(chǎn)時(shí),混捏糊料在3月及8月溫度變化情況:3月份糊料混捏溫度主要分布在190～195℃之間,個(gè)別糊料溫度高于200℃;8月份工藝調(diào)整后,糊料的混捏溫度主要分布在190～200℃之間,相當(dāng)一部分的糊料混捏溫度在195～200℃之間;8月末進(jìn)行再次工藝調(diào)整后,糊料混捏溫度控制在190℃的波動(dòng)范圍內(nèi)。

31 t/h生陽(yáng)極生產(chǎn)時(shí),對(duì)比3月及8月混捏糊料溫度變化情況:3月份糊料的混捏溫度主要分布在185～189℃之間,而且當(dāng)月各個(gè)階段的溫度波動(dòng)范圍也比較明顯。8月份工藝調(diào)整后,糊料的混捏溫度主要分布在188～192℃之間;8月末進(jìn)行再次工藝調(diào)整后,糊料混捏溫度控制在190℃的波動(dòng)范圍內(nèi)。

從以上兩個(gè)月糊料混捏溫度的變化情況看,成型車間是非常典型的高溫混捏工藝,從成型車間實(shí)際使用的配方情況及粘結(jié)劑瀝青的使用量及生塊體積密度及表觀質(zhì)量看,這種高溫混捏工藝非常必要。

8月份的主要工藝調(diào)整,為預(yù)熱螺旋、混捏機(jī)及保溫?zé)崦降脑O(shè)定溫度的調(diào)整。從調(diào)整的結(jié)果看,熱媒油設(shè)定溫度的調(diào)整對(duì)糊料的混捏溫度影響非常大,從實(shí)際生產(chǎn)的效果看:24 t/h產(chǎn)能生產(chǎn)時(shí),糊料混捏溫度明顯偏高,生塊質(zhì)量有下降的趨勢(shì)(糊料發(fā)粘),這與過(guò)高的混捏溫度導(dǎo)致瀝青中輕質(zhì)揮發(fā)分的溢出導(dǎo)致糊料“變干”(瀝青老化)有直接的關(guān)系。31 t/h產(chǎn)能生產(chǎn)時(shí),糊料的混捏溫度比較合理,生塊質(zhì)量有比較明顯的上升趨勢(shì)。所以在當(dāng)前兩種不同產(chǎn)能的條件下,預(yù)熱螺旋、混捏機(jī)及保溫?zé)崦降恼{(diào)整需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以保證2種產(chǎn)能下的最佳的糊料混捏溫度。

(3)混捏時(shí)間

從實(shí)際生產(chǎn)看,采用高溫糊料混捏工藝,如果再使用高混捏功輸入,容易導(dǎo)致糊料過(guò)混捏,混捏機(jī)的分散力太強(qiáng),粘結(jié)在大石油焦骨料表面上的瀝青將被再次分配到細(xì)粉顆粒,同時(shí)被包覆的粘結(jié)劑基體(球磨粉與瀝青構(gòu)成的粘結(jié)劑基體)將被迫出現(xiàn)大的缺陷及裂紋,而引起粘結(jié)劑基體內(nèi)顆粒之間的瀝青不均勻分布。另外,一部分瀝青也可能滲入到更小的細(xì)粉氣孔中,而進(jìn)入粘結(jié)劑基體。如果此時(shí),糊料混捏繼續(xù)進(jìn)行,造成“糊料變干”,成型更加困難。另外在無(wú)法實(shí)現(xiàn)煅燒焦、殘極及瀝青均質(zhì)、穩(wěn)定供應(yīng)的前提下,高混捏功輸入非常容易導(dǎo)致混捏機(jī)頻繁跳停,設(shè)備損傷嚴(yán)重。因此,高混捏溫度條件下,混捏功輸入控制在6.5～7 kWh/t-糊料即可。

1.2 糊料冷卻工藝技術(shù)參數(shù)

通過(guò)成型車間8月份糊料成型溫度的變化分析,可看出當(dāng)前成型溫度主要155℃及160℃兩種,盡管高的成型溫度有利于生塊體積密度的提高,但是從實(shí)際生產(chǎn)看,160℃的成型溫度造成部分生塊非常明顯的表觀裂紋,而且在生塊焙燒后,表現(xiàn)也非常的明顯。尤其是即將到來(lái)的冬季,高的成型溫度進(jìn)入冷卻水池后,表面的激冷也會(huì)導(dǎo)致生陽(yáng)極非常明顯的裂紋。

1.3 糊料成型工藝技術(shù)參數(shù)

在振動(dòng)成型過(guò)程中,可以改變的設(shè)備及工藝參數(shù)包括:① 激振力;② 振動(dòng)頻率;③ 振動(dòng)時(shí)間;④ 背囊壓力。

激振力:從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)狀況看,過(guò)量的增加偏心塊重量或者降低偏心塊偏心角度,從而直接增加作用于陽(yáng)極炭塊的激振力方式,可直接增加生陽(yáng)極炭塊的體積密度,但設(shè)備故障率增加。從振動(dòng)成型2個(gè)工位采用不同偏心塊生產(chǎn)的實(shí)際結(jié)果看,合理重量的偏心塊重量(適合的激振力范圍選擇)及對(duì)于制品質(zhì)量及設(shè)備運(yùn)行的故障率具有至關(guān)重要的決定性影響。對(duì)于振動(dòng)成型機(jī),激振力可以通過(guò)改變平衡位置的偏心塊重量或者改變偏心塊偏心角度的方式來(lái)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。試驗(yàn)結(jié)果表明,生陽(yáng)極的表觀密度、預(yù)焙陽(yáng)極的表觀密度、比電阻及其空氣滲透性指標(biāo)均隨著振動(dòng)成型機(jī)激振力的提高而改善。

振動(dòng)頻率:現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)踐證明,陽(yáng)極質(zhì)量通常隨著振動(dòng)成型機(jī)頻率的提高而提高。因?yàn)?頻率的提高意味著陽(yáng)極糊動(dòng)態(tài)粘度的下降(例如,使陽(yáng)極糊變得更容易流動(dòng)),從而使成型陽(yáng)極具有更加均勻、致密的結(jié)構(gòu)。從而改善陽(yáng)極質(zhì)量。

振動(dòng)時(shí)間:試驗(yàn)結(jié)果表明,在最佳的瀝青含量范圍內(nèi),對(duì)振動(dòng)成型而言,振動(dòng)時(shí)間控制在60～70 s較為理想。振動(dòng)成型機(jī)振動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),后續(xù)陽(yáng)極高度不會(huì)再發(fā)生明顯變化。

背囊壓力:背囊壓力是指正常振動(dòng)成型過(guò)程中,作用于重錘頂部背囊中氣體壓力,Solios振動(dòng)成型機(jī),其調(diào)整壓力范圍0～5 Bar;其充氣壓力的大小與成型機(jī)上部重錘的運(yùn)行頻率有最直接的影響,進(jìn)而影響模具內(nèi)糊料的成形模式,決定生陽(yáng)極炭塊的體積密度及內(nèi)部裂紋的缺陷狀況。

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的生產(chǎn)狀況分析,上述振動(dòng)成型工藝技術(shù)參數(shù)均對(duì)生陽(yáng)極炭塊質(zhì)量及成型設(shè)備的正常運(yùn)行有最重要的影響。上述關(guān)鍵工藝控制技術(shù)參數(shù)正常生產(chǎn)過(guò)程中存在一個(gè)最佳的多變量偶合范圍值。該耦合范圍值綜合了最佳的生陽(yáng)極體積密度、高度等質(zhì)量參數(shù),也最大程度降低了成型設(shè)備的故障率及其維護(hù)成本。因此,任何一臺(tái)振動(dòng)成型機(jī)均存在符合該生產(chǎn)企業(yè)原料狀況、糊料質(zhì)量的最佳振動(dòng)成型參數(shù)。

1.4 球磨粉純度

該炭素廠陽(yáng)極生產(chǎn)工藝,使用球磨粉料是非常典型的高純度、低含量工藝路線,當(dāng)前使用的配方中,球磨粉純度約為98%(≤200目),而且其標(biāo)準(zhǔn)偏差僅僅為±1%,純度變化非常穩(wěn)定。而配方中球磨粉含量基本控制在20%～28%之間。生產(chǎn)中具體問(wèn)題表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

a、球磨粉配料秤頻繁出現(xiàn)加料超時(shí)或配料秤失速報(bào)警;

b、成型機(jī)供料電磁振動(dòng)給料機(jī)頻繁壓料(加料超時(shí),陽(yáng)極糊中瀝青含量高,粘結(jié)在電磁振動(dòng)給料機(jī)表面,造成其無(wú)法供料),從而造成整個(gè)生產(chǎn)線被迫停止生產(chǎn),產(chǎn)生大量廢糊,也大大增加了工人清理的勞動(dòng)強(qiáng)度,而且這種故障也大大增加了整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)各設(shè)備的損耗;

c、無(wú)法實(shí)現(xiàn)生陽(yáng)極整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)精確配料,結(jié)果導(dǎo)致生塊體積密度的突然波動(dòng),一般情況下,導(dǎo)致生塊高度、體積密度的突然變化,甚至?xí)霈F(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的廢塊。

d、生塊成型工藝控制參數(shù)的頻繁調(diào)整,成型工藝控制困難,增加成型設(shè)備出現(xiàn)故障概率。

上述問(wèn)題甚至導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法正常組織生產(chǎn),這給生產(chǎn)企業(yè)的正常運(yùn)行帶來(lái)了巨大的壓力,而且大大增加了整個(gè)工序的運(yùn)行成本及設(shè)備維護(hù)成本。為此,采取優(yōu)化方案如下:

a、通過(guò)降低球磨系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分選器電機(jī)轉(zhuǎn)速,減少動(dòng)態(tài)分選器顆粒粒度分選范圍及其壓力損失,提高整個(gè)球磨系統(tǒng)球磨粉的分選能力,從而有效降低球磨粉使用純度,減少球磨粉的流動(dòng)速度并降低球磨粉在料倉(cāng)內(nèi)的膨料幾率,實(shí)現(xiàn)球磨粉配料秤失速及加料超時(shí)故障的有效控制,具體為:

動(dòng)態(tài)分選器電機(jī)轉(zhuǎn)速由196 rpm降低到170 rpm。

b、強(qiáng)化球磨粉配料秤的呼吸功能,減少高純度球磨粉流動(dòng)速度過(guò)快及容易在料倉(cāng)內(nèi)脹料而導(dǎo)致的配料秤失速及加料超時(shí)故障,具體為:

球磨粉配料秤上部已經(jīng)喪失功能的呼吸器通過(guò)連通管與大氣相通;

圖1 球磨粉配料秤呼吸器優(yōu)化前后對(duì)比

圖1為采用球磨粉配料秤呼吸器增加與大氣連通管后示意圖。

1.5 液體瀝青

該炭素廠實(shí)際生產(chǎn)中,產(chǎn)量調(diào)整過(guò)程中,瀝青用量的調(diào)整的步驟、時(shí)間均沒(méi)有統(tǒng)一的操作規(guī)定,加入瀝青時(shí)間太早,容易導(dǎo)致成型機(jī)電磁振動(dòng)給料機(jī)壓料,整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)被迫跳停,一旦電振壓料,一方面造成生產(chǎn)廢品,另一方面也大大增加了工人清理這些壓料的勞動(dòng)強(qiáng)度,這一現(xiàn)象一段時(shí)間內(nèi)非常明顯;加入時(shí)間太晚,大量的細(xì)粉干料進(jìn)入成型工序,造成成型區(qū)域勞動(dòng)環(huán)境惡劣。優(yōu)化方案及效果:

(1)規(guī)范操作及解決液體瀝青配入量劇烈波動(dòng)帶來(lái)的生產(chǎn)問(wèn)題,結(jié)合該炭素廠生產(chǎn)實(shí)際,制定如下液體瀝青操作要求:

啟動(dòng)400秒時(shí),液體瀝青加入以冷卻機(jī)內(nèi)稱重裝置開始顯示重量變化為依據(jù),重量開始增加,方允許液體瀝青加入;

啟動(dòng)400秒時(shí),瀝青加入仍然按照啟動(dòng)產(chǎn)能要求,一次性加入到規(guī)定重量;

增加產(chǎn)能時(shí),必須依照以下順序調(diào)節(jié)產(chǎn)能:

24→26→28→30(或31)t/h;

不允許將產(chǎn)能從24 t/h直接調(diào)整到30(或31)t/h;

在此調(diào)節(jié)過(guò)程中,以預(yù)熱螺旋扭矩開始發(fā)生變化為調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)。即先調(diào)節(jié)干料給料量,然后待預(yù)熱螺旋扭矩發(fā)生變化時(shí),開始調(diào)節(jié)預(yù)熱螺旋轉(zhuǎn)速、混捏機(jī)轉(zhuǎn)速,然后調(diào)節(jié)瀝青量到設(shè)定值的調(diào)節(jié)順序。

降低產(chǎn)能過(guò)程中,以調(diào)整預(yù)熱螺旋轉(zhuǎn)速為調(diào)整瀝青量為參考標(biāo)準(zhǔn),即先降低干料給料量,降低預(yù)熱螺旋轉(zhuǎn)速后30 秒后,方允許降低瀝青量,嚴(yán)禁在減少干料給料量、降低預(yù)熱螺旋轉(zhuǎn)速前,降低液體瀝青給料量;嚴(yán)禁在瀝青流量波動(dòng)的情況下,增加(或減少)瀝青流量及調(diào)節(jié)產(chǎn)能,待瀝青質(zhì)量流量計(jì)流量穩(wěn)定后,才允許調(diào)節(jié)液體瀝青流量。

(2)在液體瀝青進(jìn)入混捏機(jī)前部的液體瀝青管路上增加背壓閥等相關(guān)穩(wěn)壓設(shè)備,減少液體瀝青配料系統(tǒng)的壓力波動(dòng),從而有效降低液體瀝青量的突然波動(dòng)。

2 實(shí)施優(yōu)化后的效果

2.1 殘極質(zhì)量明顯提高

圖2為炭素廠優(yōu)化項(xiàng)目實(shí)施前后,預(yù)焙陽(yáng)極殘極外形對(duì)比。從圖中可以看出殘極質(zhì)量有了非常顯著的提高。主要體現(xiàn)在殘極外形保持完好,無(wú)窄小現(xiàn)象,整體氧化不明顯,這充分說(shuō)明預(yù)焙陽(yáng)極整體的空氣滲透性低,預(yù)焙陽(yáng)極整體抗氧化能力較項(xiàng)目實(shí)施前有非常明顯的改善和提高。

從電解槽上預(yù)焙陽(yáng)極表現(xiàn)看,電解工炭渣的撈取強(qiáng)度顯著降低,電解槽預(yù)焙陽(yáng)極的換極周期相應(yīng)增加,電解槽的預(yù)焙陽(yáng)極電流強(qiáng)度0.82 A/cm2,在國(guó)內(nèi)電解槽已經(jīng)屬于高電流密度。這充分說(shuō)明當(dāng)前經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化后的預(yù)焙陽(yáng)極質(zhì)量有了非常大的提升。

另外,由于返回殘極質(zhì)量高,強(qiáng)度大,能夠充分保證預(yù)焙陽(yáng)極中大粒子含量,這是預(yù)焙陽(yáng)極強(qiáng)度及其力學(xué)性能保證及再提高至關(guān)重要的關(guān)鍵條件。同時(shí)這種殘極質(zhì)量的良性循環(huán),也為連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)高質(zhì)量預(yù)焙陽(yáng)極及確保電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要的前提保證。

圖2 實(shí)施前后殘極外形對(duì)比

2.2 球磨粉純度降低

圖3調(diào)整球磨系統(tǒng)動(dòng)態(tài)風(fēng)選器轉(zhuǎn)速后球磨粉純度的變化曲線,從圖中可以看出,采用該動(dòng)態(tài)風(fēng)選器降低轉(zhuǎn)速方案后,球磨粉純度由調(diào)整前的98%(≤200目)降低到調(diào)整后的82%,球磨粉純度降低效果明顯。這說(shuō)明調(diào)整球磨系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分選器電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠有效調(diào)節(jié)球磨粉純度變化。球磨粉純度由98%降低到82%以后,球磨粉的Blaine值由6 000以上降低到4 000,下降效果明顯。

圖3 工藝優(yōu)化前后球磨粉純度變化曲線

圖4為球磨粉純度降低、增加配料秤呼吸功能后,兩種產(chǎn)能下球磨粉連續(xù)10分鐘內(nèi)球磨粉配料量與標(biāo)準(zhǔn)配入要求的波動(dòng)變化情況,從圖中可以看出,純度降低后,其實(shí)際配入量與配方要求加入量之間的偏差范圍較小。

圖4 工藝優(yōu)化后球磨粉配料波動(dòng)曲線

2.3 液體瀝青使用量

經(jīng)過(guò)上述工藝優(yōu)化措施,該炭素廠成型車間瀝青使用量逐漸降低,從之前的16.5%降低至14.4%左右,見(jiàn)圖5所示。

圖5 生陽(yáng)極內(nèi)液體瀝青使用含量變化曲線

2.4 生陽(yáng)極體積密度明顯改觀

對(duì)比成型車間工藝優(yōu)化前后,生陽(yáng)極體積密度明顯優(yōu)化,優(yōu)化后生塊體積密度全月樣棒分析平均值從1.58 g/cm3提升至平均1.62 g/cm3。而且其波動(dòng)范圍比較均勻。因此,通過(guò)上述合理的優(yōu)化措施及關(guān)鍵工藝控制參數(shù)的合理選擇,成型車間完全能夠?qū)崿F(xiàn)符合規(guī)定要求高質(zhì)量生陽(yáng)極炭塊的穩(wěn)定生產(chǎn)。

2.5 陽(yáng)極換極周期增加

電解槽是預(yù)焙陽(yáng)極最終的使用用戶,預(yù)焙陽(yáng)極在電解槽上的具體表現(xiàn)是其質(zhì)量高低最直接的表征。項(xiàng)目實(shí)施以來(lái),該公司電解槽在不斷強(qiáng)化電流的前提下,電解槽換極周期不僅沒(méi)有降低,相反卻由最初的29天逐漸增加到2天。

圖6 優(yōu)化前后生塊體積密度變化趨勢(shì)

圖7 系列電解槽電流強(qiáng)度強(qiáng)化變化曲線

圖8 電解槽換極周期變化

從圖7中可以看出,在一年半時(shí)間內(nèi),該公司電解槽電流強(qiáng)度從371 kA逐漸增加到394 kA,相應(yīng)的陽(yáng)極電流密度增加接近6%。而在此期間,電解槽陽(yáng)極的換極周期在強(qiáng)化電流的前提下,由最初的29天左右逐漸增加到30、31天,甚至32天的換極周期,而殘極厚度要求沒(méi)有變化,如圖8所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)生陽(yáng)極從預(yù)熱混捏系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、磨粉系統(tǒng)的工藝參數(shù)的分析及優(yōu)化,來(lái)提高陽(yáng)極的質(zhì)量水平,降低瀝青使用量。從電解槽殘極外形、厚度變化、電解槽強(qiáng)化電流狀況、換極周期逐漸增加的結(jié)果及電解槽內(nèi)炭渣數(shù)量明顯減少的效果,充分說(shuō)明預(yù)焙陽(yáng)極質(zhì)量有非常明顯的改善和提高。經(jīng)初步測(cè)算,項(xiàng)目實(shí)施前后,電解槽陽(yáng)極凈耗從項(xiàng)目實(shí)施前的450 kg-C/Al降低到當(dāng)前的接近420 kg-C/Al。上述預(yù)焙陽(yáng)極在電解槽具體結(jié)果數(shù)據(jù),充分表明,實(shí)施的成型配方及工藝過(guò)程關(guān)鍵工藝控制參數(shù)優(yōu)化效果明顯。