鋁用預(yù)焙陽極連續(xù)混捏成型系統(tǒng)工藝舉例分析

韓士成 何 鵬

（陜西有色榆林新材料集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

1 電解鋁用陽極材料選取

1.1 制備原料

1.石油焦：石油焦是石油提煉后的重質(zhì)渣油，經(jīng)過加熱分解聚合而成的固體碳質(zhì)材料。通常呈現(xiàn)黑色或者暗灰色，該化合物中碳占比約90-97%，氫占比約1.5-8%，除此之外還包含著氮、氯、硫及其它重金屬化合物。

2.瀝青：由于瀝青中的碳具有較高的石墨化程度，因此在制造鋁用陽極時(shí)常常用作粘合劑。加以合適比例的瀝青，可以使產(chǎn)出的陽極具有熱膨脹度小、電容密度高、強(qiáng)度高、電阻低、使用壽命長、導(dǎo)電性好、功耗低、體積密度和機(jī)械強(qiáng)度增加等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1.2 陽極材料選取原則

電解鋁用陽極材料應(yīng)具有在電解槽中使用消耗量較小、使用過程無有害氣體排放、性能穩(wěn)定和質(zhì)量較高等特點(diǎn)，以下是電解鋁用材料選取原則[2]：

1.材料應(yīng)具有質(zhì)量均勻、穩(wěn)定的性質(zhì)。

2.材料應(yīng)不容易與電解質(zhì)液體發(fā)生氧原子反應(yīng)，且應(yīng)具有較強(qiáng)的抗氟化物腐蝕的能力。

3.材料不應(yīng)超過指標(biāo)參數(shù)，陽極成分在冰晶石氧化過的溶液中的飽和溶解度小，最大程度地降低損耗。

4.材料能夠達(dá)到制造出大型陽極的目的，能夠進(jìn)行機(jī)械加工，完成和導(dǎo)桿的連接。

1.3 陽極材料性能

1.耐高溫耐腐蝕：陽極材料最重要的特性是耐高溫腐蝕。電解鋁過程中陽極材料的腐蝕主要可分為兩種類型：一是陽極材料本身的溶解；二是熔鹽對基體的浸蝕，在高溫電解過程中，熔鹽沿著材料的晶界滲入陽極材料，腐蝕程度會(huì)隨著溫度升高而增加。

2.抗熱震性：電解鋁用陽極材料需要在高溫下制備和應(yīng)用，所以要保證它可以放置在高溫熔鹽中，不會(huì)因環(huán)境溫度的急劇變化而產(chǎn)生裂紋或斷裂的現(xiàn)象。鋁陽極材料必須具有抗熱變化的能力，即抗熱震性[3]。

（1）建筑電氣安裝工程施工所需的電氣材料與設(shè)備進(jìn)入現(xiàn)場后，質(zhì)量控制人員需要對電氣材料與設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，并結(jié)合電子安裝工程的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行型號、規(guī)格建材，以查看電氣材料與設(shè)備的參數(shù)、尺寸、規(guī)格與型號是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)而確保電氣材料與設(shè)備的施工規(guī)范性。

2 電解鋁用陽極材料的制備

2.1 電解鋁用陽極材料工序

隨著電解鋁行業(yè)的大規(guī)模發(fā)展和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，鋁用陽極生產(chǎn)已經(jīng)成為高度成熟、高度穩(wěn)定的工藝體系。電解鋁用陽極材料制備工序主要包括煅燒工序、成型工序、焙燒工序和組裝工序。

煅燒工序是生產(chǎn)鋁用陽極的第一道工序，其主要任務(wù)是將高揮發(fā)分高電阻低強(qiáng)度的石油焦進(jìn)行高溫處理，使其初步具備電解鋁用陽極低電阻高強(qiáng)度的要求。煅燒工序的質(zhì)量過程控制可通過兩個(gè)方面進(jìn)行：一是原料石油焦的控制，通過分倉存放、煅前混配、上料控制等方法，可使石油焦在進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯之前的質(zhì)量初步達(dá)到要求；二是通過回轉(zhuǎn)窯的控制。但煅燒工序的質(zhì)量過程控制仍受到石油焦原料的質(zhì)量水平以及質(zhì)量穩(wěn)定性等因素限制，需開展細(xì)致的原料管理和工藝控制工作。

成型工序是將煅燒處理后的煅后焦與電解返回殘極、液體瀝青依照一定比例混合后，運(yùn)用高壓成型的方法，生產(chǎn)具有固定形態(tài)的生陽極炭塊產(chǎn)品的過程。成型工序具有工藝及設(shè)備雙重繁復(fù)性，不僅僅需要在生產(chǎn)工藝上做好過程控制工作，還需要在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性上下功夫，減少設(shè)備因素造成的工藝質(zhì)量不穩(wěn)定。

焙燒工序在性質(zhì)上與煅燒工序類似，都是進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼倪^程。焙燒工序是使用填充料等保護(hù)介質(zhì)對生陽極炭塊進(jìn)行保護(hù)，是生陽極炭塊在隔絕空氣的條件下進(jìn)行高溫處理的過程，其目的是將生陽極炭塊中的瀝青揮發(fā)分除去，使瀝青中的碳質(zhì)焦化，使各級焦粒緊密結(jié)合，形成一個(gè)高強(qiáng)度、低電阻的整體。

組裝工序是使用融化鐵水，將鋁導(dǎo)桿組和預(yù)焙陽極炭塊組裝成一個(gè)陽極組整體，成為可以直接裝上電解槽的構(gòu)件。組裝工序的質(zhì)量過程控制要點(diǎn)有兩個(gè)：一是通過調(diào)配合理的磷鐵元素含量，使鑄造后的磷鐵環(huán)足夠的緊固，具有良好的導(dǎo)電性能，并使導(dǎo)桿組和炭塊正確地組裝成陽極組整體；二是做好殘極的清理工作，減少除碳質(zhì)以外的其他雜質(zhì)進(jìn)入成型生產(chǎn)流程。

2.2 成型配料要求

利用精確無誤的配料設(shè)備，嚴(yán)格按照“三比”（即原料比、粒度比、瀝青比）準(zhǔn)確配料，確保糊料質(zhì)量均一、塑性良好。干料是陽極生產(chǎn)的主要成分，一般占陽極組成80%左右，其配方原則如下：6-12mm 占比17±1%，3-6mm 占比10±1%，0.15-3mm 占比43±1%，＜0.15mm占比30±1%；生碎料來自于生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的生陽極廢品經(jīng)破碎后得到的物料和成型生產(chǎn)過程中排放的廢糊料，它可以直接配料混捏。它占陽極的組分比較小，粒度要求如下：0-12mm 占比約4%；瀝青是陽極生產(chǎn)的粘結(jié)劑，液體瀝青約占糊料量的14-16%。

本生陽極系統(tǒng)在配方的選擇上采用了多粒級配方，且煅燒焦及殘極分別配料，這種配料方式保證了煅燒焦和殘極的各種粒級的物料配入比例可以精確地控制，調(diào)整的靈活性也較大，對產(chǎn)品質(zhì)量的改善和生產(chǎn)管理都有著很多益處。

2.3 物料平衡圖

圖1 物料平衡圖

實(shí)際上，成型工序的質(zhì)量控制主要涉及各階段物料溫度的控制和物料配比兩個(gè)方面。各階段物料溫度控制需要通過密切監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)，采用多種手段掌握實(shí)際溫度情況。物料配比方面除了要保證合理的物料配入比例外，還需要保證各級物料配入量的穩(wěn)定性，這樣才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的物料配比控制。

3 生陽極成型的基礎(chǔ)設(shè)備

陜西有色榆林新材料集團(tuán)有限責(zé)任公司生陽極成型有兩套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包括中碎篩分、制粉、配料、混捏、成型、冷卻及熱媒加熱等生產(chǎn)工序，每道工序都有相應(yīng)的配套設(shè)備。

3.1 中碎篩分

生陽極生產(chǎn)原料石油焦硬度和強(qiáng)度較低，而一些返回料如廢焙燒塊、殘極等硬度和強(qiáng)度較大，在考慮破碎這些不同性質(zhì)的物料時(shí)必須選擇適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)具有兩種或兩種以上破碎作用的設(shè)備，液壓破碎機(jī)、顎式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)等都是最為常見的破碎機(jī)。

炭素生產(chǎn)中使用的篩分設(shè)備種類很多，主要有以下幾種：振動(dòng)篩、回轉(zhuǎn)篩、格篩、搖動(dòng)篩、概率篩等，但使用較多的還是振動(dòng)篩，陜西有色榆林新材料集團(tuán)有限責(zé)任公司采用德國Mogensen 振動(dòng)篩設(shè)備，在預(yù)算不充足的情況下可考慮國產(chǎn)設(shè)備。

3.2 制粉

進(jìn)入球磨系統(tǒng)的原料有兩種來源：一是配料時(shí)各種焦炭粒子不平衡料；二是破碎、篩分、輸送、配料等各工序的通風(fēng)收塵粉。煅后焦磨粉采用立式磨粉機(jī)，立式磨粉機(jī)具有低能耗、低噪音、低維護(hù)、恒定的純度、對各種原料的適應(yīng)性強(qiáng)、不易堵料及內(nèi)置分選器等優(yōu)點(diǎn)；根據(jù)陽極配料方案，并與混捏機(jī)產(chǎn)能相匹配，制粉設(shè)備產(chǎn)能為12t/h，采用德國CP 的立式磨粉機(jī)兩套。

3.3 配料、混捏、糊料冷卻、成型、炭塊冷卻

配料是生陽極制備中影響最終質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，中碎、篩分、磨粉都是圍繞配料而設(shè)置。在預(yù)焙陽極配料操作中分間斷配料和連續(xù)配料兩種，在我國大型預(yù)焙陽極生產(chǎn)中隨后續(xù)工序連續(xù)預(yù)熱，連續(xù)混捏的需要都是采用引進(jìn)的連續(xù)配料技術(shù)，本工程采用Hasler 失重連續(xù)配料秤。

本工程采用瑞士Buss 連續(xù)混捏機(jī)將預(yù)熱螺旋連續(xù)送來的預(yù)熱石油焦(含殘極)與按一定比例加入的液體改質(zhì)瀝青和生碎混合，經(jīng)過連續(xù)混捏后制成符合要求的塑性和密度的糊料。

糊料冷卻機(jī)的用途是將連續(xù)混捏機(jī)不斷排出的170-180℃的陽極糊料進(jìn)行連續(xù)再混捏，并迅速、均勻地將糊料冷卻到振動(dòng)成型所需的合適溫度145-155℃，即為振動(dòng)成型提供性能良好的糊料，本工程采用Eirich 公司的糊料冷卻機(jī)。

振動(dòng)成型機(jī)按振動(dòng)臺(tái)軸數(shù)分為兩種：單軸振動(dòng)臺(tái)和雙軸振動(dòng)臺(tái)。按成型機(jī)組分為：移動(dòng)加料式、轉(zhuǎn)臺(tái)式和滑臺(tái)式。本工程選用法國Solios 移動(dòng)加料式振動(dòng)成型機(jī)。

成型后的生炭塊經(jīng)過脫模后送至懸鏈輸送機(jī)的托盤上，隨即使生炭塊依次通過冷卻池進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷卻到一定溫度后，炭塊又被送至吹風(fēng)裝置處進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻和除去碳碗中的殘留水，最后將吹風(fēng)裝置的炭塊送至炭塊庫進(jìn)行存放與貯存。

3.4 熱媒供熱系統(tǒng)

本系統(tǒng)以煅燒車間回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的余熱作為熱源，再通過熱管式鍋爐將余熱熱量以輻射和對流的形式傳遞給導(dǎo)熱油，經(jīng)過循環(huán)泵讓導(dǎo)熱油在系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)，而被加熱的高溫導(dǎo)熱油在換熱設(shè)備中與熱工質(zhì)瀝青進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)瀝青加熱的目的。

4 結(jié)語

連續(xù)配料混捏及振動(dòng)成型系統(tǒng)中各設(shè)備之間采用以太網(wǎng)通訊，通過長時(shí)間對系統(tǒng)中各工藝的調(diào)試與運(yùn)行分析，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，生產(chǎn)過程中取得了高安全性、低故障率的實(shí)效。通過以上各種數(shù)據(jù)的計(jì)算，對鋁用陽極的分析研究有了數(shù)據(jù)支持，使陽極生產(chǎn)工作更便捷。