預焙陽極中微量元素的控制與生產實踐

李維維

（中國鋁業青海分公司，青海 西寧 810108）

預焙陽極服務于鋁電解生產，是電解槽的主體構成。其生產以石油焦、瀝青焦等為原料，經煤瀝青黏結后形成炭塊，然后再進行焙燒處理得到預焙陽極。預焙陽極作為鋁電解過程中的陽極材料，其質量直接關系到整個電化學反應的質量，進而影響電解鋁生產效率和產品質量，因此有必要對預焙陽極中微量元素的控制方法做總結性分析。

1 預焙陽極中的微量元素

（1）微量元素來源。預焙陽極中微量元素的來源主要有二。一是預焙陽極生產原料中含有的微量元素。預焙陽極生產主要原料為石油焦，不同廠家生產的石油焦在雜質含量上差異明顯，原料中含有的微量元素包括Fe、Na、Al、Ca、Mg、Ni等。這部分微量元素可能為原油中含有，也能在原油開采過程中從外部環境混入，或來源于原油煉制過程中產生的堿金屬、運輸及存儲過程中混入的灰塵等。預焙陽極的另一大生產原料煤瀝青中，微量元素的構成與石油焦類似，但總體含量更低。二是預焙陽極生產過程中混入含有微量元素的雜質。預焙陽極生產原料經歷運輸、傳送、分料等流程，期間易導致灰塵等雜質混入，最終使預焙陽極微量元素超標[1]。另外，殘極、生熟碎等物質的使用也會增加預焙陽極中的微量元素。

（2）微量元素影響。預焙陽極中微量元素構成復雜，不同微量元素對預焙陽極的影響也不完全相同，但最終都會導致預焙陽極質量降低。①Ni、V等微量元素氧化速度較快，使預焙陽極受到嚴重的氧化，并出現掉渣、掉塊等問題，導致其導電性降低、鋁電解電解槽內電流效應減弱，預焙陽極生產過程中，對碳的需求量明顯增加。②Si、Ti、Mn、Fe等微量元素主要影響成品原鋁的機械性能和純度。③S、P元素會導致碳素制品質量和物理性能降低。若預焙陽極生產過程中，硫、磷元素含量超標，會提高陽極焙燒過程的脆性，導致預焙陽極出現裂痕。④Na具有較強的催化性，主要影響生產過程中石油焦與二氧化碳和空氣的反應，鈉元素含量越大，反應性越強。⑤Ca主要影響石油焦與二氧化碳間的反應，鈣元素含量越高，石油焦與二氧化碳的反應越劇烈，該影響效果較鈉元素更明顯。

2 預焙陽極中微量元素控制方法

（1）煅后焦的影響。煅后焦為石油焦煅燒后形成的產物。在預焙陽極生產原料中，石油焦占比在65%左右，生產過程煅后焦、殘極、煤瀝青等原料成本約占生產總成本的50%。選擇優質低價的石油焦可幫助降低預焙陽極生產投入，同時減輕微量元素控制難度。經實驗驗證，石油焦的參數、性質，及其煅燒質量均會對預焙陽極的生產質量和性能表現產生直接影響。例如，煅后焦中的揮發性物質和水分若揮發完全，可減少后期產品中氫元素的含量，提高產品石墨化程度，帶來更強的耐高溫特性和耐熱性，提高陽極電導率。

（2）明確控制對象。為有效提高預焙陽極生產質量，充分滿足內銷與出口要求，有必要對預焙陽極生產過程的質量控制對象做進一步明確。預焙陽極生產企業可結合各類微量元素對預焙陽極質量的影響程度，以及本企業使用生產原料中微量元素的構成特點，依照一定權數衡量各類無量元素控制的重要程度，將不同微量元素進行分層，分配不同的控制力度，以最大化微量元素控制成效。結合以往預焙陽極生產經驗，認為Si、Ca、Na和Fe等四項元素應作為預焙陽極微量元素的控制重點。

（3）優化原料選擇。生產原料中的雜質是預焙陽極中微量元素的主要來源之一，因此其含量控制必須從原料的合理選擇開始。國內生產廠商主要使用石油焦和煤瀝青進行預焙陽極的生產，高溫煅燒處理后，石油焦中水分和揮發性物質被大量去處，主要雜質包括Si、S、Fe、Ni、Ca等。通過大量數據統計分析，原油來源、配比區別使得石油焦中微量元素的結構及含量差異較大，即便來自同一廠家，不同生產階段形成的石油焦在微量元素上也存在較大變動。

因此在選擇生產原料時，不可通過經驗判斷來決定。統計國內主要石油焦供應廠家的石油焦微量元素含量情況，發現Si、Ca、Na和Fe四種元素的含量比例最高，而其他對預焙陽極質量較大的微量元素，如Na、V等，國產石油焦較進口石油焦的含量更低，因此建議選擇國內廠家供應的石油焦原料。預焙陽極生產廠家可搭建自身的生產原料微量元素統計數據庫，使用專業的微量元素監測設備，獲取各個階段、不同供應廠家石油焦微量元素的變化情況數據，通過數據統計分析，為石油焦原料的優化選擇提供理論依據。

（4）石油焦混合處理。考慮到預焙陽極微量元素控制對生產原料質量要求較高，但石油焦中微量元素變化性較強。同時，石油焦的化學組成相對穩定，在生產至煅燒前，其含有的微量元素不發生明顯變化。因此提出結合預焙陽極生產需求，對石油焦進行混合處理，自行制備相匹配生產原料的微量元素控制方案。結合不同種類石油焦微量元素構成、含量、揮發性及其他技術指標，設計能夠滿足預焙陽極生產質量要求的石油焦原料配比方案。為保證配比方案的可行性，可設計3個～5個目標方案，分別進行實驗驗證，綜合考慮預焙陽極生產質量、生產成本、材料獲取難度等指標，選擇最佳石油焦配比進行正式的預焙陽極生產。需要注意，同一配比方案中石油焦的種類不宜超過4種，且盡可能保證各類石油焦的粒徑、揮發性物質及水分含量、密度等屬性相同，混合后的石油焦中，揮發性物質的含量應保持在8%～12%左右。

（5）生產過程控制。預焙陽極生產過程的微量元素控制主要針對過程中其他雜質的混入進行。第一，加強原材料運輸、儲備管理，嚴禁工業垃圾、雜物、落地料等混入預焙陽極生產流程，按照相關要求開展原料運輸及儲存工作，并確保傳送帶上除鐵器連續、穩定運行，避免Fe、Si、Ca等微量元素隨灰塵、石塊、鐵料等混入生產過程。第二，石油焦煅燒爐在長期使用過程中易出現內部磨損和脫落，導致煅燒爐材料雜質混入，進而使預焙陽極微量元素增加。因此要求定期進行煅燒爐清理、維護工作，及時清除煅燒爐內壁、冷卻筒等位置的脫落物，并進行必要的維修處理。第三，殘極壓脫、磷鐵澆鑄等作業環節易將P、Fe帶入到殘極中，影響預焙陽極生產質量。因此要求定期查看除鐵器運行狀況，確保將這部分微量元素完全清除。

（6）其他注意事項。①嚴禁將石油焦露天、接地堆放，要求采取必要的圍擋防護措施，避免原料在存儲過程中被污染。②生產過程中形成的粉塵、掉落的原料等，嚴禁再次投入到生產流程當中。③嚴格控制殘極用量及Na的含量。預焙陽極生產過程中添加殘極的目的是提高材料利用率、降低生產成本、提高預制陽極的密度和機械強度。預焙陽極的生產中，其表面附著大量電解質，其中含有的鈉元素會向陽極內部滲透，導致殘極氟化鈉含量超標。此時可適當降低殘極用量，并定期進行清潔作業。

3 結論

預焙陽極微量元素控制方法主要包括煅后焦質量控制、明確控制目標、優化原料選擇、石油焦混合處理、生產過程控制等，減少生產原料及生產過程中微量元素的混入，提高預焙陽極生產效率。