復合添加劑對預焙陽極性能的影響及其生產實踐

陳 誠

(山東創新炭材料有限公司,山東 濱州 256600)

預焙陽極作為鋁電解工藝中最重要的組成部分,不僅把電流導入電解槽,而且還參與氧化鋁電解過程的電化學反應并隨之消耗,陽極質量的好壞對鋁電解生產的影響至關重要,因此被譽為鋁電解槽的“心臟”。山東某公司(以下簡稱“公司”)生產的炭陽極制品,其常規指標(真密度、體積密度、電阻率、耐壓強度、氣孔率)經過多年努力攻關均有所提升,在滿足下游電解需求的同時能外銷部分炭塊創造額外的效益,但空氣反應性和二氧化碳反應性(以下簡稱“兩性反應”)指標一直不理想,表現在電解使用時撈出的炭渣量較多。兩性反應指標越好,陽極掉渣量就越少,有利于提高電解槽生產的穩定性,提高電流效率、降低陽極毛耗和直流電耗[1]。

陽極的掉渣現象,既有電解工藝技術方面的問題,也有陽極質量指標的原因。就陽極質量而言,造成掉渣的原因主要是選擇性氧化,即黏結劑瀝青和粉料組成的部分(稱為黏結基質)與炭質骨料顆粒的反應性能差異造成的,表現在兩性反應的殘余率低,骨料顆粒從陽極表面脫落,這樣就形成了炭渣。所以,要減少電解過程炭渣的產生,就要改善黏結劑瀝青與粉料所組成的黏結基質部分的化學活性,提高其抗氧化性能,使其盡量與骨料顆粒接近[2-3]。

公司在預焙陽極生產的各個方面開展了許多工作,但受原料日趨劣質化和現行生產工藝設備等客觀條件的限制,其生產的陽極質量還不能完全滿足電解生產需求,在國內同行業中只處于中等水平。因此,在原料來源和生產工藝設備等難做較大調整的情況下,公司工藝技術人員通過向陽極中添加不同比例的A試劑、B試劑、氟化鹽等組成的混合物,旨在改善陽極性能,達到降低陽極毛耗和直流電耗、提高鋁電解電流效率的目的。

1 炭素生產試驗

基于前期的理論論證及實驗室小試,確定了A試劑對陽極兩性指標有明顯提升。2018年公司成立項目攻關小組,在不影響正常工業生產的前提下,利用現有的陽極生產設備,繼續驗證陽極添加劑試驗效果并為下一步開展大規模工業試驗做準備,經公司同意,各部門負責人精心準備,積極配合,為順利完成試驗項目提供了保障。

本項目試驗開展以A試劑作為基礎原料之一開展正交試驗,最終研究A試劑、B試劑與氟化鹽的一種或幾種的最佳組成。普通炭塊和陽極添加劑炭塊使用同一批次生產物料(煅后焦、瀝青)、相同的生產配方、混捏成型工藝、焙燒曲線,并在同一爐室中焙燒。具體實驗過程如下。

1.1 第一次試驗

2018年3月公司開展了第一次正交試驗,添加試劑為A試劑,添加比例為干料重量的0‰、0.5‰、1.0‰、1.5‰、2.0‰,共計5鍋20塊試驗陽極。

圖1 添加劑稱重及加入方式

為保證A試劑添加的準確性,避免配料時被收塵系統收走,電子秤稱取足夠劑量后由人工在混捏鍋鍋頂加入。試驗采用的物料、生產配方及工藝等一致,試驗塊檢驗結果如表1所示。

表1 試驗一陽極理化性能報告單

由第一次試驗結果得出,添加A試劑后的陽極CO2反應性殘余率均能達到90%,空氣反應性殘余率也有較大提升,但當添加量達到1‰后才能達到90%以上,且繼續增加添加量時提升效果并不明顯,造成生產成本增加,因此確定了A試劑的最經濟實用的添加比例為1‰。

添加劑陽極兩性反應后殘余部分外觀形貌見圖2、圖3。從圖上來看,陽極添加劑反應后的樣棒外形比較規整,即添加劑的加入有助于減少陽極的粉化脫落的產生。

圖2 二氧化碳反應后外觀

圖3 空氣反應后外觀

但添加A試劑后的陽極電阻率略微上升,個別試驗塊電阻率指標達不到一級品。雖不能準確判定A試劑會造成陽極電阻率上升,但為了排除隱患,保證預焙陽極的一級品率,計劃下一次試驗在添加A試劑的同時加入適當比例的B試劑來研究其對陽極電阻率的影響。

1.2 第二次試驗

2018年6月公司開展了第二次正交試驗,添加劑為A試劑和B試劑。A試劑添加比例為干料重量的1‰,B試劑添加比例為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,共計生產25鍋(每種5鍋)。試驗塊檢驗結果如表2所示。

表2 試驗二陽極理化性能報告單

圖4 試驗塊電阻率指標柱狀圖

圖5 試驗塊耐壓強度指標折線圖

根據第二次試驗的結果可以看出,添加B試劑可明顯降低預焙陽極的電阻率指標,且不會對A試劑提升陽極兩性反應產生阻礙。但隨著B試劑添加量的增加,陽極的耐壓強度指標呈下降趨勢,且生產成本也會相應增加。從生產成本,電阻率和耐壓強度等三方面因素考慮,確定B試劑添加比例為1%左右,最高不超過1.5%。

1.3 第三次試驗

有文獻資料表示氟化鹽等對陽極的氧化反應有抑制作用,隨后公司開展了氟化鹽的添加試驗,但試驗結果反應氟化鹽對陽極的兩性指標影響不大,卻會造成灰分不同程度的增加,使陽極的一級品率和合格率降低[4]。

2 電解生產實踐

在確定A試劑和B試劑對預焙陽極指標提升的作用后,為進一步驗證其在電解生產時的使用效果,計劃混合添加1‰的A試劑和1%的B試劑進行電解槽工業試驗。由炭素分公司生產電解鋁公司某車間4臺槽4個月的使用量,自2019年3月開始使用,統計數據至6月底。試驗期間各部門嚴格按照制定的試驗方案開展試驗,并對過程數據和使用效果如實記錄。具體如下。

2.1 電解槽運行數據對比

表3是試驗期間電解槽運行數據對比,四臺槽均是加寬鋼棒,運行槽況相近。從設定電壓和平均電壓差值及累計波動時間來看,四臺槽槽況整體平穩;槽溫整體合格受控,平均溫度在958～960 ℃;氟化鋁消耗方面,依據槽齡、分子比按需添加。從整體數據上看,添加劑未對槽況造成較大影響,且電流效率、波動時間等指標略優于對比槽。

表3 電解車間試驗槽和對比槽運行狀況

2.2 陽極使用情況對比

表4 電解車間試驗槽和對比槽陽極使用情況

圖6 試驗槽和對比槽殘極外觀對比

(1)16H電流分布和卡具壓降兩項指標均較高,表明試驗槽和對比槽在陽極質量、組裝工序、換極操作等方面沒有太大差異。

(2)3個周期內四臺槽的噸鋁炭渣量分別是3.0 kg/t-Al、3.1 kg/t-Al、4.2 kg/t-Al、4.5 kg/t-Al,試驗槽噸鋁炭渣量較對比槽平均減少1.3 kg/t-Al。

(3)殘極完好率方面,試驗槽較對比槽平均提升4%。(換出的殘極消耗均勻、四周棱角完整視為完好)

(4)殘極厚度方面,通過3個周期換出的殘極厚度數據來看,試驗極平均12.6 cm,普通極平均11.1 cm,殘極厚度增加1.5 cm,理論上試驗槽可繼續延長一天使用周期。(試驗槽、對比槽均使用33天換極周期,其他槽為32天)

2.3 效益分析

通過試驗,試驗槽的添加劑陽極使用周期可延長一天,陽極毛耗可降低10 kg/t-Al以上,折合到噸鋁生產成本可降低29元/t-Al(2019年公司陽極組生產成本約2900元/噸)。預焙陽極生產成本增加19元/t-C(添加1‰的A試劑,價格4000元/噸;添加1%的B試劑,價格4000元/噸,計算時需減去相應的煅后焦用量,煅后焦2500元/噸),折合到噸鋁生產成本增加約9.5元/噸。綜合測算,若電解鋁公司使用復合添加劑陽極,至少可降低噸鋁生產成本19.5元/t-Al。

3 結 論

(1)通過多次炭素生產試驗,證實了A試劑作為添加劑對預焙陽極選擇性反應的抑制,從而提高預焙陽極的CO2反應性和空氣反應性殘余率,降低其脫落率。

(2)添加適當的B試劑有利于降低預焙陽極電阻率,但過量添加不僅造成成本增加同時影響陽極的耐壓強度。

(3)可通過采購低品質原料,生產時配入復合添加劑,使得預焙陽極的反應性能達到優質原料的效果,降低生產成本。

(4)添加劑陽極應用于電解槽時,可以減少炭渣的產生,減少炭渣打撈頻次,降低工人勞動強度;延長陽極使用周期,穩定槽況,改善電解電耗、電流效率等技術經濟指標,為電解槽增產增效提供保障。