淺析影響預(yù)焙陽(yáng)極質(zhì)量的因素

摘要：在鋁電解碳陽(yáng)極生產(chǎn)過(guò)程中,影響預(yù)焙陽(yáng)極質(zhì)量的有多種因素。文章通過(guò)理論和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合,分析了影響陽(yáng)極質(zhì)量的主要因素，提出了通過(guò)加強(qiáng)原料質(zhì)量、用量控制、混捏溫度對(duì)陽(yáng)極炭塊質(zhì)量的重要性、優(yōu)化生產(chǎn)配方及工藝，合理焙燒、從而生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極。

關(guān)鍵詞：預(yù)焙陽(yáng)極；陽(yáng)極消耗；微量元素；石油焦；殘極；混捏

中圖分類號(hào)：TF803文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）03-0089-03

預(yù)焙陽(yáng)極是鋁電解槽主體部件，是鋁電解生產(chǎn)中的重要原料之一。預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)是由石油焦、瀝青焦為骨料，主要由煤瀝青為黏結(jié)劑制造而成。生產(chǎn)出來(lái)的炭塊經(jīng)過(guò)焙燒，稱為預(yù)焙陽(yáng)極炭塊，同時(shí)又稱為鋁電解用炭陽(yáng)極。近年來(lái)，隨著鋁電解技術(shù)日益成熟，生產(chǎn)工藝大幅改良，各企業(yè)向著高效和節(jié)能降耗方向發(fā)展，預(yù)焙陽(yáng)極的生產(chǎn)在鋁電解生產(chǎn)中起到更重要的地位。

預(yù)焙陽(yáng)極作為鋁電解生產(chǎn)的陽(yáng)極材料，在鋁電解生產(chǎn)中起到參與電化學(xué)反應(yīng)和電解導(dǎo)電的重要作用。預(yù)焙陽(yáng)極質(zhì)量性能的好壞直接影響著鋁電解槽工作狀況的保持及原鋁質(zhì)量的提高，預(yù)焙陽(yáng)極的額外消耗(過(guò)剩消耗)，不僅會(huì)增加鋁電解生產(chǎn)成本，而且會(huì)影響電解槽的正常工作參數(shù)，并且電解過(guò)程容易形成過(guò)量碳渣，進(jìn)而嚴(yán)重影響原鋁生產(chǎn)，給電解鋁生產(chǎn)操作帶來(lái)較大困難。本文根據(jù)多年的實(shí)踐研究，對(duì)影響陽(yáng)極質(zhì)量的因素進(jìn)行幾個(gè)方面分析。

一、預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)原料的微量元素

預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)采用煅燒石油焦、瀝青和返回料（電解鋁廠返回的電解殘極、焙燒碎料、生碎料）為原料。預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)大體分為三個(gè)過(guò)程：原料石油焦的預(yù)處理(煅燒)，原料經(jīng)破碎、篩分、配料，生產(chǎn)出生陽(yáng)極，再經(jīng)焙燒得到預(yù)焙陽(yáng)極產(chǎn)品。

（一）原材料中的微量元素

預(yù)焙陽(yáng)極中微元素的來(lái)源。微量元素主要來(lái)源于生產(chǎn)預(yù)焙陽(yáng)極的主要原料石油焦、瀝青等所含的灰份．此外還有生產(chǎn)工藝中返回料時(shí)進(jìn)入陽(yáng)極的灰份以及在生產(chǎn)陽(yáng)極過(guò)程中進(jìn)入陽(yáng)極中的灰份。在這些灰份中所含的微量元素主要包括了鐵、硅、堿金屬、堿土金屬、釩、鉻、鈦和錳等。

（二）微量元素對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極危害

降低鋁成品純度、機(jī)械性能、導(dǎo)電性能。這類危害微量元素有Si、V、Ti、Fe、Mn等。影響炭素制品的質(zhì)量，使其物理性能下降，這類危害微量元素多為非金屬元素，如S、P等雜質(zhì)含量高的陽(yáng)極在焙燒過(guò)程中脆性增加，陽(yáng)極發(fā)生裂紋。

此外，Na、V、Ni等元素雖然對(duì)電解質(zhì)、鋁的質(zhì)量無(wú)大危害，但它影響炭陽(yáng)極的反應(yīng)性能，在二氧化碳、空氣及電化學(xué)反應(yīng)中，對(duì)陽(yáng)極起催化作用，使陽(yáng)極選擇性氧化加劇，造成陽(yáng)極易掉渣、掉塊。這不僅增加了碳耗量，而且大量碳渣掉入電解槽影響了生產(chǎn)操作并且降低了電流效率。

在我國(guó)現(xiàn)階段，預(yù)焙陽(yáng)極中的雜質(zhì)元素是以灰分的形式進(jìn)行整體衡量，因而沒(méi)有對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極中所含每種元素的具體含量進(jìn)行檢測(cè)，所以對(duì)于微量元素及其含量的多少，究竟會(huì)對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極哪項(xiàng)性能指標(biāo)產(chǎn)生影響，難以準(zhǔn)確確定。國(guó)外先進(jìn)鋁生產(chǎn)國(guó)家結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，根據(jù)不同雜質(zhì)元素對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極的影響，對(duì)每一種元素的含量都有嚴(yán)格的具體規(guī)定。現(xiàn)階段研究表明微量元素中鐵、鈣、鈉、釩等元素雜質(zhì)的含量對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極的氧化反應(yīng)性影響較大。硫含量每增加1％，陽(yáng)極的凈耗則增大2～3，其他一些雜質(zhì)元素雖然含量不高，確影響生產(chǎn)中細(xì)小變化，能引起預(yù)焙陽(yáng)極反應(yīng)性的較大波動(dòng)，給電解生產(chǎn)和成本控制造成嚴(yán)重影響。

二、石油焦及殘極的強(qiáng)度

預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)一般有65%的石油煅后焦、20%殘極及15%煤瀝青，這些原料的成本大約占預(yù)焙陽(yáng)極總成本的50%，因而使用質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的原料能夠降低陽(yáng)極的生產(chǎn)成本。研究表明調(diào)整原料生產(chǎn)參數(shù)、原料特性之間的關(guān)系，直接影響在電解過(guò)程中陽(yáng)極質(zhì)量和性能。相關(guān)資料表明，石油焦的特性如：反應(yīng)性、體積密度、氣孔率、強(qiáng)度、純度、組織結(jié)構(gòu)、特殊表面等影響陽(yáng)極的特性和性能，煅燒過(guò)程對(duì)石油焦質(zhì)量也有重要的影響。生產(chǎn)中殘極的數(shù)量、殘極的硬度和清潔度直接影響預(yù)焙陽(yáng)極的物理性能，例如機(jī)械強(qiáng)度、羥基反應(yīng)性、空氣滲透率。

三、二氧化碳反應(yīng)性及空氣反應(yīng)性

在預(yù)焙陽(yáng)極質(zhì)量因素中，空氣滲透率對(duì)陽(yáng)極的影響最大。其CO2反應(yīng)殘留與Na的催化作用和焙燒最終溫度有直接關(guān)聯(lián)；空氣反應(yīng)殘留主要與原料性能、殘極著火溫度和最終焙燒溫度有直接關(guān)系，但都與空氣滲透率有重要聯(lián)系，因此，空氣滲透率是預(yù)焙陽(yáng)極質(zhì)量中的重要指標(biāo)，也是衡量一個(gè)碳素生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平的重要指標(biāo)。

預(yù)焙陽(yáng)極在電解槽上的運(yùn)行時(shí)間一般為22～28天，有的優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極甚至延長(zhǎng)至30天以上。空氣滲透性對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極的CO2反應(yīng)性影響較大，國(guó)外對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極的空氣滲透性有著嚴(yán)格的要求，優(yōu)質(zhì)預(yù)焙陽(yáng)極的空氣滲透性一般0.5～2，直徑大于5Oμm的開(kāi)口氣孔具有很大的表面積和氣體擴(kuò)散性，這樣的氣孔決定了陽(yáng)極的透氣率。空氣滲透性的大小影響著CO2氣體滲入到預(yù)焙陽(yáng)極內(nèi)部與預(yù)焙陽(yáng)極的接觸面的多少，從而造成預(yù)焙陽(yáng)極反應(yīng)性降低。通過(guò)大量的試驗(yàn)研究表明，空氣滲透性與預(yù)焙陽(yáng)極的CO2反應(yīng)性的殘留率一般呈反比。

四、混捏溫度對(duì)陽(yáng)極炭塊質(zhì)量的重要性

混捏工序國(guó)內(nèi)一些企業(yè)引進(jìn)時(shí)采用兩段混捏技術(shù)，在使用粘結(jié)劑時(shí)通常采用固體改質(zhì)瀝青配入一段混捏機(jī)，混捏的時(shí)間通常在5～7分鐘，混捏溫度大多為160℃～170℃，而后通過(guò)冷卻設(shè)備，糊溫降低到145℃左右，然后進(jìn)入到成型機(jī)。90年代中期，混涅工序采用一段混捏加強(qiáng)力冷卻，粘結(jié)劑改進(jìn)為液體瀝青，工藝上可以將混捏溫度提高到180℃～190℃，通過(guò)強(qiáng)力冷卻機(jī)大約40℃的冷卻能力，將糊料冷卻到140℃～150℃的水平，通過(guò)改進(jìn)，改善了糊料的混捏質(zhì)量，陽(yáng)極理化指標(biāo)得以提高。

混捏溫度對(duì)于混捏工藝過(guò)程來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較重要的因素，只有把溫度控制在一定溫度范圍內(nèi)，才能獲得最隹質(zhì)量產(chǎn)品。若溫度較高而未達(dá)到高溫，所混糊料密實(shí)度較低、塑性較差。糊料壓制出來(lái)的毛坯體積密度比較低，焙燒后孔度大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均、機(jī)械性能差。混捏的溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致瀝青受熱開(kāi)始變化，使得部分輕質(zhì)組分逐漸分解和揮發(fā)，導(dǎo)致發(fā)生縮聚反應(yīng)。因而生產(chǎn)中生坯的塑性降低，生坯的成品率低。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)母闪蠝囟冗€有利于瀝青對(duì)焦炭的浸潤(rùn)。浸潤(rùn)作用的強(qiáng)弱影響受到焦炭及液體瀝青界面的潤(rùn)濕角來(lái)決定。溫度越高潤(rùn)濕角越小，浸潤(rùn)效果

越好。

五、焙燒溫度對(duì)陽(yáng)極炭塊

焙燒工藝是陽(yáng)極炭塊生產(chǎn)中的重要工序，生坯炭塊在專門設(shè)計(jì)的加熱爐內(nèi)周圍用填充料隔絕空氣，按照一定升溫速度將生坯加熱到1000℃～1050℃左右的生產(chǎn)工序。在陽(yáng)極炭塊生產(chǎn)焙燒過(guò)程中生坯炭塊主要是進(jìn)行粘結(jié)劑的分解和聚合反應(yīng)。因而焙燒的升溫速度、溫度梯度、最高溫度對(duì)陽(yáng)極 質(zhì)量都有很大

影響。

在生產(chǎn)過(guò)程中焙燒溫度達(dá)到1100℃時(shí)，粘結(jié)焦的焙燒程度接近骨料煅燒的程度，使陽(yáng)極二氧化碳反應(yīng)消耗率迅速降低，而這一指標(biāo)的降低對(duì)減少陽(yáng)極在電解過(guò)程中掉渣、氧化，保證正常的電解生產(chǎn)技術(shù)條件，降低陽(yáng)極消耗有非常重要的意義；當(dāng)溫度提高到1200℃時(shí)，高溫使粘結(jié)焦進(jìn)一步收縮，導(dǎo)致燒損量增多，陽(yáng)極強(qiáng)度下降，同時(shí)導(dǎo)電性也有所下降，顯然過(guò)高的溫度對(duì)生產(chǎn)沒(méi)有任何的幫助；當(dāng)溫度提高到1200℃以上時(shí)，火道的溫度將會(huì)達(dá)到1250℃～1300℃以上，這樣高的焙燒溫度并不能太多地改善陽(yáng)極理化性能，只能加速焙燒爐火道墻的破損，縮短爐體使用壽命，同時(shí)也大大增加了能源的消耗。在焙燒過(guò)程中，由于生產(chǎn)工藝的差異，火道的破損、變形、負(fù)壓的影響，會(huì)導(dǎo)致焙燒實(shí)際生溫曲線偏離設(shè)計(jì)曲線，使得保溫時(shí)間和冷卻時(shí)間不夠，產(chǎn)生溫差并對(duì)陽(yáng)極炭塊的質(zhì)量有較大的影響。

六、結(jié)論

1．空氣滲透率是預(yù)焙陽(yáng)極質(zhì)量中的重要指標(biāo)，也是衡量一個(gè)碳素生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平的重要指標(biāo)。應(yīng)盡快將空氣滲透率和微量元素含量標(biāo)準(zhǔn)納入我國(guó)陽(yáng)極生產(chǎn)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以便和國(guó)際市場(chǎng)接軌，發(fā)展我國(guó)的鋁工業(yè)。

2．預(yù)焙陽(yáng)極中微量元素對(duì)陽(yáng)極的使用性能有較大的影響，控制微量元素是提高陽(yáng)極質(zhì)量的重要

部分。

3．通過(guò)加強(qiáng)原料質(zhì)量、用量控制，焙燒溫度的控制，優(yōu)化生產(chǎn)配方及工藝，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)預(yù)焙陽(yáng)極技術(shù)是與國(guó)際要求接軌的大勢(shì)所趨。

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基金項(xiàng)目：貴州省國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合外G字[2010]7021號(hào)）；貴州省科技計(jì)劃（黔科合GY字（2011）3028），貴州省科學(xué)技術(shù)基金（黔科合J字LKS[2010]15號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介：楊波（1987-），男，新疆人，貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院碩士研究生，研究方向：有色金屬冶金。

（責(zé)任編輯：劉晶）